基于DSP和IPM的变频调速系统的硬件设计 元器件, 硬件, 接口

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变频调速技术广泛应用于工业领域。随着电力电子控制技术及元器件的不断发展，变频调速系统的集成度、智能化程度越来越高，硬件构成也越来越紧凑、简单。DSP(数字信号处理器)＋IPM（智能功率模块）就是变频调速系统最新的发展方向之一。
　　在DSP+IPM构成的变频调速系统中，充分利用了DSP高速运算、配置丰富及IPM控制信号接口简单、保护完善的特点，使得系统元器件数大为减少、结构紧凑，而性能及可靠性却大为提高，缩短了产品开发周期，提高了产品的竞争力。
　　笔者为某设备所做的一个变频调速子系统就采用了DSP+IPM的结构。下面介绍该系统的硬件设计方法。
硬件设计
DSP和IPM
　　该系统工况为24小时连续工作制。要求受上位机控制，控制两路电机的启动、停止、转速及加速度，同时将掉电及故障信号反馈给上位机。系统要求结构紧凑、体积小、保护功能完善、稳定可靠。系统输入电压为3Φ 200VAC。控制的两路电机功率分别为180W。根据以上要求，我们采用了DSP+IPM的硬件结构。
　　因为系统要求实时控制两路电机的运行，我们选用了TI公司的专为电机控制设计的TMS320L2407A型DSP。该DSP采用了高性能静态CMOS技术，时钟频率可达40MHZ，指令周期仅为25ns，可实现3.3V低功耗设计，满足实时控制要求。尤其值得一提的是该DSP具有用于电机控制的专用外围配置―两个事件管理模块EVA和EVB，每个模块包括：两个16位通用定时器；8个16位PWM通道；三个外部事件的时间标记捕获单元；可编程的死区时间以防止直通故障；在片位置编码器接口电路；同步A./D转换器等，可方便地实现对两路电机的控制。另外，该型DSP还有多达40个可单独编程的复合通用输入/输出引脚、多达5个外部中断等配置，对实际应用带来很大方便。
　　因为该系统输入电压为3Φ 200VAC，控制的两路电机功率均为180W，考虑适当裕量，我们选用了三菱公司第三代DIP-IPM PS21563(10A/600V)。三菱DIP-IPM是面向AC100～200V级小容量电机变频驱动、采用传递型封装结构、将功率电路和驱动保护电路集成于一体的小型智能功率模块，具有以下特点：
　　·3相AC变频输出电路搭载三菱第5代平面型IGBT和CSTBT(Carrier Stored Trench－gate Bipolar Transistor：具有载流子蓄积层的沟槽型门极构造双极晶体管)功率芯片，实现更低损耗。
　　·采用自举电路结构，可实现单电源驱动。
　　·内置有IGBT驱动电路，具有过载保护、控制电源欠压保护功能。P侧具有UV（控制电源欠压）保护功能，但不输出故障信号F。N侧具有UV及SC（过载）保护功能，同时输出故障信号F。
　　·内置专用HVIC（高压600VIC）,无需隔离绝缘电路（如光耦），可由DSP或3V级单片机直接驱动。
　　·输入接口电路采用高电平驱动逻辑，消除了旧产品低电平驱动方式对电源投入和切断时的时序要求，增强了模块自保护能力。
　　系统输入为3Φ 200VAC，经三相全桥整流为约270VDC供给IPM，并由270V进行DC/DC转换产生辅助电源，为DSP、上位机及IPM模块提供控制电源。上位机接受主系统控制，对DSP发出2路电机起停、4级加速度及8级速度的控制信号，DSP根据上位机的控制信号产生两组6路脉冲分别控制两个IPM模块，从而控制两路电机的起停、加速度及转速。两路电机的转速通过轴编码器反馈回上位机。IPM的故障信号反馈给DSP，DSP将故障信号及掉电信号反馈回上位机。系统框图如图1所示。

图1  系统原理框图
自举电路
　　一般逆变电路中，因上臂3个IGBT的触发脉冲的参考地是悬浮的，故上臂触发脉冲需3组相互隔离的电源供电。下臂3个IGBT的触发脉冲是共参考地的，只需一组供电电源。故共需多达4组相互隔离的电源。而三菱公司的DIP-IPM采用自举电路结构，可方便地实现单电源驱动。具体工作原理如下：当DIP-IPM起动时，先给下臂IGBT发出足够的充电脉冲数或足够宽的单个脉冲，开通下臂（N侧）的IGBT，使下臂的供电电源通过IPM的内部充电路径使上臂的3个自举电容完全充电，从而给上臂的3个IGBT的触发脉冲供电。然后才开始发出PWM控制脉冲。自举电路充电路径及工作时序图如图2所示。

图2  自举电路充电路径及工作时序图
　　自举电容C1的容值计算公式为C1=IBS X T1/△V，式中T1为上臂IGBT的最大通态（ON）脉宽，IBS为IC的驱动电流（考虑温度和频率特性），△V为允许的放电电压。注意，用该式计算出的自举电容容值应是最小值，实际选择时应增加一定裕量。
　　自举电阻R2的阻值选择应满足下述条件：时间常数R2 X C1能使放电电压(△V)在下臂IGBT的最小导通脉宽（T2）内被充电到C1上。即 R2={(VD-VDB) X T2}/(C1 X △V)，式中VD为电源电压，VDB为自举电容C1上电压。
　　自举二极管选择：对3Φ 200VAC电路，若电源输入电压波动范围取±30％，则三相全桥整流后直流电压VD=200 X 1.3 X1.35=351（V），取最小裕量为1.5，则自举二极管耐压应为351 X1.5=526.5(V)，取600V。故自举二极管额定电压最小应为600V，因为PWM载波频率较高（最大为20KHZ），推荐选用快恢复二极管（反向恢复时间小于100nS）。
硬件设计要点
　　根据笔者设计该系统的经验，硬件设计应注意以下方面，以提高系统抗干扰性，使之在强干扰的现场工业环境中能可靠稳定运行。
　　·虽然DIP-IPM模块可由DSP直接驱动，但实际调试时发现，在上电及对DSP进行flash编程过程中，DSP的引脚有时会出现不确定状态，产生干扰脉冲导致IPM的上、下臂IGBT直通引起短路保护动作。故我们在DSP到IPM的两组触发脉冲通道中分别加了一个八通道、双电源3态门转换收发芯片74LVC4245，该芯片的输出使能端由一个简单的逻辑门电路控制，如图3所示。以确保在上电及对DSP进行flash编程时不会有干扰脉冲误触发IPM。

图3 控制触发脉冲通道通、断的逻辑门电路
　　·为防止信号振荡，应在各输入端加RC退耦电路。对两组触发脉冲来说，RC电路一来可滤掉干扰脉冲，二来还可限制输入脉冲的最小脉宽。RC容量的选择要和PWM的载波频率匹配，使得既能滤掉干扰信号，又不对触发脉冲造成畸变。因为DIP-IPM输入部分IC内置2.5KΩ（min）下拉电阻，故RC中R阻值的选择应注意使分压后的信号值满足DIP-IPM的输入电平阈值要求。
　　·DIP-IPM还有一个很实用的功能：短路保护。在本系统的软件调试过程中，该功能多次发挥作用，可靠地保护了模块，使本系统样机调试过程中IPM模块无一损坏。但要使该功能可靠发挥作用，应注意以下两点：
　　1）外部电流检测电阻的信号回路必须设置RC滤波电路，以免短路保护误动作。RC时间常数的选择要考虑IGBT的硬中断能力，一般推荐为1.5~2μS，最大不超过6μS。时间常数过短可能引起短路保护误动作，过长则可能超出IPM模块的耐受能力，不能有效保护IPM模块。
　　2）外部电流检测电阻应为无感电阻，该电阻及其信号引线到IPM模块对应引脚的布线应尽可能短，以免由引线电感干扰引起短路保护误动作。
　　·PCB布板时应注意采取以下抗干扰措施：
　　1）强电（功率部分）和弱电（控制部分）从区域上分开。
　　2）数字地（控制地）和模拟地（功率地）分开布局，只能在一点相接。一定要注意避免功率地线上的电流流经控制地线，以免引入地线干扰。
　　3）PCB上IPM模块相邻触发脉冲引脚间可开槽，避免相互干扰。
　　4）电流检测电阻及其信号线、触发脉冲信号及所有电容到IPM模块的布线要尽可能短，尽量降低其引线电感引起的干扰。
结语：
　　该系统已批量生产上千台，投入现场连续运行三年多。实际运行表明，该系统运行稳定，工作良好。可以预计，DSP+IPM模式将是紧凑型变频调速系统的发展方向之一。