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基于DSP和IPM的变频调速系统的硬件设计方案解析
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2017-11-03
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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。
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。
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