电机变频调速系统硬件设计.doc

第三章 系统的硬件设计及其实现3.1系统硬件结构总体设计 硬件部分包括主电路、保护电路、驱动电路、控制电路。 本文所涉及到的主电路的参数是三相完全对称的，其中整流部分采用二极管不可控整流，逆变部分采用的功率器件是IGBT。系统结构框图如图3- 1所示。380V三相交流电输入到整流器主电路，调节交流输入变压器使输出直流电压稳定在540V左右。DSP的主要任务是输出SVPWM触发脉冲对逆变器的输出进行控制。在实际的系统组成中，分为强电部分和弱电部分。强电部分和弱电部分相互隔离分开能够减少强电部分对弱电部分的影响，这点对于DSP的正常运行，变频器的正常工作有很重要的影响。整流器TMS320F2812 DSP直流母线逆变器开关电源CT1CT2M光耦隔离驱动电路过流保护滤波电路光电编码器上位机键盘ABC六路PWM信号 图3-1系统硬件结构总框图主电路:采用交一直一交电压型变频装置。它主要由整流电路、滤波电路、逆变器三部分组成。整流电路是利用二极管三相桥式不可控整流模块将三相工频交流电整流成直流电;滤波电路采用电容滤波，将整流输出的脉动电压转化为平直的直流电压Vdc;逆变器是由IGBT构成的三相全桥式逆变器。3.2主电路工作原理在交流变频调速系统中，主回路作为直接执行机构，其可靠性及稳定性直接影响整个系统的运转。主电路一般是由整流电路、中间滤波电路和逆变器三部分组成。本课题选用的是电压型交一直一交变频装置。它包括不可控整流器、大电容滤波、三相桥式逆变器、采样电路、保护电路以及能耗制动电路，其电路原理图如图3-2ABCM整流桥 图3-2系统硬件主电路图主电路主要包括整流器和逆变器，需要用到整流桥、滤波电容器组、限流电阻和开关、电源指示器、整流二极管等器件。三相交流电源经三相整流桥全波整流成直流电，如电源的线电压为，则三相全波整流后平均直流电压的大小是=1.35UL，我国三相电源的线电压为380V，考虑滤波电容的因素，全波整流后的电压是=1.414UL，故直流电压大约为540V 。滤波电容的功能主要有两点:一是滤平全波整流后的电压纹波;二是当负载变化时，使直流电压保持平稳。由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成，由于电解电容器的电容量有较大的离散性，故电容器组和的电容量不能完全相等，这将使它们承受的电压不相等，为了使它们承受的电压相等，在和二旁各并联一个阻值相等的均压电阻和。限流电阻和开关，当变频器合上电源的瞬间，滤波电容器的充电电流是很大的。过大的冲击电流可能使三相整流桥的二极管损坏，同时也使电源电压瞬间下降而受到“污染”。为了减少冲击电流，在变频器刚接通电源后的一段时间里，电路内串入限流电阻，其作用是将电容器的充电电流限制在允许范围之内。当充电到一定程度时，令开关接通，将电阻短路掉。电源指示, 除了表示电源是否接通以外，还有一个十分重要的功能，即在变频器切断电源后，指示滤波电容器上的电荷是否己经释放完毕。由于的容量较大，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，所以没有快速放电的回路，其放电时间长达数分钟。又由于上的电压较高，如不放完.对人身安个将构成威胁。3.2.1整流二极管及IGBT的选择(1)整流二极管的选择a.确定电压额定值整流二极管的耐压按式(6-1)确定。根据电网电压，考虑到其峰值、波动、闪电雷击等因素，取波动系数为1.1，安全系数=2 。 （3-1）b.确定电流额定值(t)整流二极管额定电流按式(6-2)确定。式中，为冲击电流值；为安全系数，取常数 =2 。 tt （3-2）(2) IGBT模块选择选择IGBT与选择整流二极管的最大不同是，整流二极管的输入端直接与电网相连，电网易受到外界的干扰，特别是雷电干扰，因此，选择的安全系数较大;而IGBT是位于逆变桥上，其输入端常与电力电容并联，起到了缓冲波动和干扰的作用，因此安全系数不必取的太大。假定电网电压为380V，平波后的直流电压由式(3-3)确定，式中1.1为波动系数，一般取安全系数=1.1。 =3801.1=650V （3-3）a. 确定电压额定值关断时的峰值电压按式(3-4)计算 （650 （3-4）式中，1.15为过电压保护系数;为安全系数，一般取1.1； 150为由Ldi/dt引起尖峰电压。令UCEP UCESP，并向上靠拢IGBT的实际电压等级，取UCEP=1200V.b.确定电流额定值设电网电压为=380V，由P= （3-5） （3-6） (3-7)式中，P为变频器容量;0.9为电网电压的波动系数;为的峰值;1.5为允许1 min过载容量;1.4为减小系数。因为IGBT器件手册上给出的是在结温= 25条件下，在实际工作时，由于热损耗，总要升高，的实际允许值将下降(1/1 .470% ) 。3.3保护电路的设计IGBT关断或开通时，因为回路分布电感和变压器漏感的作用，在开关管两端会产生电压尖峰，若不采取措施，有时这个电压尖峰叠加原来的电源电压会超过管子的安全工作区而使其遭到破坏。开通保护电路用于限制开关管导通时的电流上升率di/dt，关断缓冲电路用于限制开关管关断时的端电压上升率du/dt同时也限制导通时所引起的处在同一桥臂上的另一只开关管端电压上升率du/dt，而吸收电路主要抑制开关管两端的电压尖峰，与关断缓冲电路的形式有些相似。 图3-3保护电路图本文选择了如图3-3所示的保护电路，Rs交叉连接，当IGBT开通时，Cs经Ds充电，抑制du/dt;当器件开通前，Cs经电源和Rs释放电荷，同时有部分能量得反馈。如果母线上的寄生电感为LP，工作电流为i，缓冲后的电压尖峰为Vm，则缓冲电容Cs是用来吸收寄生电感上的能量，故Cs由式(3-8)给出Cs= (3-8)保护电阻的要求是，IGBT关断时，Cs上积累电荷的90%能及时释放掉，可由式(3-9)确定。阻值过小，保护电路可能振荡，IGBT导通时电流增加。 (3-9)保护电阻产生的损耗场与阻值无关，可由(3-10)确定， (3-10)式(3-10)中，系数10是电阻瓦特数的裕度系数，以防止温升过高，f为开关频率。3.2.2驱动电路的设计驱动电路采用PC929，PC929是日本夏普公司生产的用于驱动IGBT模块的光耦隔离式驱动芯片，内部结构原理如图3-4所示。这类驱动芯片内部集成有光耦接口，检测电路，短路保护电路。当输入驱动信号为低电平时光耦导通，接口电路把该信号整形后由功放级的NPN晶体管放大后输出，驱动IGBT,当输入驱动信号为高电平时光耦截止，接口电路输出为高电平，功放级的PNP晶体管导通，IGBT栅极间承受反向电压并关断。这类芯片可驱动600V或1200V的IGBT模块，如图3-4是PC929的内部结构原理图。这类驱动芯片的主要特点为:(1)内置的IGBT短路保护电路;(2)内置高速光耦隔离;(3)内置直接驱动电路的IGBT驱动;(4)高隔离电压;PC929构成的IGBT的驱动电路的T15和T9构成对称电路，以提高负载能力，电阻R103 、稳压管Z9、二极管DI8检测IGBT是否过流，当过流时IGBT工作于退饱和状态，CE两端电压升高，D18由导通转到截止，9脚电平升高，检测出IGBT的栅极和集电极同时为高电压，PC929判断IGBT过流，驱动芯片栅压关闭，同时PC929的8脚电平拉低，使得OC由高电平变成低电平，OC信号送到TMS320F2808处理器，使TMS320F2808封锁六路脉冲PWM输出。3.3控制电路的设计和实现在交流调速系统的设计中，控制电路则是系统的核心部分。而设计优良的驱动及吸收保护电路以及电源是系统正常可靠工作的重要保障。下面将主要讨论一下这四个方面的设计考虑。控制电路使用DSP TMS320F2808作为主控制器。F2808是TI公司专门为电机控制应用而设计的，片上集成了高性能的DSP处理器和丰富的外围设备。在使用F2808作为控制器对交流调速系统进行控制的时候能降低硬件的复杂程度，提高整个系统的可靠性。TMS320C28x系列是TI公司最新推出的DSP芯片，是目前国际市场上最先进的、功能最强大的32位定点DSP芯片。它既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于有大批量数据处理的测控场合，如工业自动化控制、电力电子技术应用、智能化仪器仪表及电机、马达伺服控制系统等。TMS320C28x系列其主要性能如下。(1)高胜能静态CMOS(Static CMOS)技术1)100MHz2)低功耗(核心电压1.8V, I/O口电压3.3V )3 ) Flash编程电压3.3V(2)JTAG边界扫描(Boundary Scan)支持(3)高性能的32位中央处理器(TMS320C28x )1)16位x16位和32位x 32位乘且累加操作2) 16位x16位的两个乘且累加3)哈佛总线结构(Harvard Bus Architecture )4)强大的操作能力5)迅速的中断响应和处理6)统一的寄存器编程模式7)可达4兆字的线性程序地址8)代码高效(用C/C+或汇编语言)9)与TMS320F24x/LF240x处理器的源代码兼容(3)片内存储器1) 8Kx 16位的Flash存储器2) 1Kx 16位的OTP型只读存储器3) L0和L1;两块4K x 16位的单口随机存储器(SARAM）4) H0:一块8K x 16位的单口随机存储器5) M0和M1:两块1Kx16位的单口随机存储器(4)根只读存贮器(Boot ROM) 4K x 16位1)带有软件的Boot模式2)标准的数学表(5)外部存储器接口(仅F2812有)1)有多达1MB的存储器2)可编程等待状态数3)可编程读/写选通计数器(Strobe Timing)4)三个独立的片选端(6)时钟与系统控制1)支持动态的改变锁相环的频率2)片内振荡器3)看门狗定时器模块(7)三个外部中断(8)外部中断扩展(PIE)模块1)可支持96个外部中断，当前仅使用了45个外部中断(9)128位的密匙(Security Key/Lock )1)保护Flash/OTP和LO/L1 SARAM2)防止ROM中的程序被盗(10)3个32位的CPU定时器(11)马达控制外围设备1)两个事件管理器(EVA、 EVB )2)与C240兼容的器件(12)串口外围设备1)串行外围接口(SPI )2)两个串行通信接口(SCIs )，标准的UART3)改进的局域网络(eCAN )4)多通道缓冲串行接口(McBSP)和串行外围接口模式(13)12位的ADC ， 16通道1) 2x8通道的输入多路选择器2)两个采样保持器3)单个的转换时间:200ns4)单路转换时间:60ns(14)最多有56个独立的可编程、多用途通用输入/输出(GPIO)引脚(15)高级的仿真特性1)分析和设置断点的功能2)实时的硬件调试(16)开发工具1) ANSI C/C+编译器/汇编程序/连接器2)支持TMS320C24x/240x的指令3)代码编辑集成环境4)DSP/BIOS5 ) JTAG扫描控制器(TI或第三方的)6)硬件评估板(17)低功耗模式和节能模式1)支持空闲模式、等待模式、挂起模式2)停止单个外围的时钟(18)封装方式1)带外部存储器接口的179球形触点BGA封装2)带外部存储器接口的176引脚低剖面四芯线扁平LQFP封装3)没有外部存储器接口的128引脚贴片正方扁平PBK封装(19)温度选择1) A:-40 +852) S:-40 +1253.3.1 DSPTMS320F2808的性能特性TMS320F2808是TMS320C28x系列的一种，TMS320F2808执行速度达100MIPS，几乎所有的指令都可在50ns的单周期内完成。如此高的性能可以对非常复杂的控制算法进行实时运算，如自适应控制和矢量控制的坐标变换等，此外，还可支持非常高的采样率，以减小循环延时，为数字电机控制器提供了很方便的应用。F2808具有用于高速信号处理和数字控制功能所必需的结构特点，同时还具有单片机控制应用方案所需的外设功能。F2808采用亚微米CMOS制造工艺，使功耗极低，此外，还具有几种进一步降低功耗的省电方式。作为系统管理器，DSP必须具备强大的片内I/O和其它外设功能。F2808片内的事件管理器与其它任何一种DSP都不同。面向应用优化的外设单元和高性能DSP内核的结合，可以为所有的电机类型提供高速、高效和全变速的先进控制技术。在该事件管理器中包括特殊的PWM产生功能，特殊的附加功能包括可编程的死区功能和SVPWM状态机，后者可为三相异步电机在功率开关机制中提供了迄今为止最高的功效。三个独立的向上/下计数器，每一个都有属于它自己的比较寄存器，可以支持产生非对称的和对称的PWM波形。四路捕获输入中的两路可以直接连至光电编码器的正交编码脉冲信号。本文采用的TMS320F2808内部集成了128K的FLASHEEPROM。FLASHEEPROM是一种永久性的存储器，具有可重复编程的优点。它可由DSP内核本身擦除和编程，允许用代码来管理闪存的使用，而无需外部编程装置。闪存的初始化编程可以用XDS510基于扫描的仿真器实现，通过在擦除/编程算法和数据中扫描进入片内RAM。这种带有内部存储器的DSP产品无需外扩程序存储器，大大简化了控制电路的设计，也提高了系统的抗电磁兼容能力和系统的稳定性。3.3.2控制电路设计 使用TMS320 F2808作为控制器能最大限度的减少外围器件的数目，增加系统的稳定性。在本设计中，主要使用了F2808的GPIO 口 , PWM输出口，以及A/D口、捕获接口CAP等。F2808的六个PWM信号经过缓冲器反相后送到驱动电路板驱动IGBT。对于A/D采样口的输入信号己经在信号采板上做了前期的处理，直接输入的信号是幅值在03 V的直流电压信号，能满足F2808对输入模拟信号的要求。交流电机的矢量控制要求对交流电机速度进行采样，在本设计中使用的测速计的输出信号符合F2808对输入信号的标准，可以直接输入DSP的CAP接口。利用DSP的引脚TZ对功率变换模块进行快速保护，在其他电路中出现严重超出警戒范围的电气参数时，产生一个低电平的外部中断信号到该引脚，使所有的事件管理器输出引脚都置成高阻状态，在很