基于DSP和IPM的變頻調速系統的硬件設計方案解析

變頻調速技術廣泛應用于工業領域。隨著電力電子控制技術及元器件的不斷發展，變頻調速系統的集成度、智能化程度越來越高，硬件構成也越來越緊湊、簡單。DSP（數字信號處理器）＋IPM（智能功率模塊）就是變頻調速系統最新的發展方向之一。
　　在DSP+IPM構成的變頻調速系統中，充分利用了DSP高速運算、配置豐富及IPM控制信號接口簡單、保護完善的特點，使得系統元器件數大為減少、結構緊湊，而性能及可靠性卻大為提高，縮短了產品開發周期，提高了產品的競爭力。
　　筆者為某設備所做的一個變頻調速子系統就采用了DSP+IPM的結構。下面介紹該系統的硬件設計方法。
　　硬件設計
　　DSP和IPM
　　該系統工況為24小時連續工作制。要求受上位機控制，控制兩路電機的啟動、停止、轉速及加速度，同時將掉電及故障信號反饋給上位機。系統要求結構緊湊、體積小、保護功能完善、穩定可靠。系統輸入電壓為3Φ 200VAC?？刂频膬陕冯姍C功率分別為180W。根據以上要求，我們采用了DSP+IPM的硬件結構。
　　因為系統要求實時控制兩路電機的運行，我們選用了TI公司的專為電機控制設計的TMS320L2407A型DSP。該DSP采用了高性能靜態CMOS技術，時鐘頻率可達40MHZ，指令周期僅為25ns，可實現3.3V低功耗設計，滿足實時控制要求。尤其值得一提的是該DSP具有用于電機控制的專用外圍配置―兩個事件管理模塊EVA和EVB，每個模塊包括：兩個16位通用定時器；8個16位PWM通道；三個外部事件的時間標記捕獲單元；可編程的死區時間以防止直通故障；在片位置編碼器接口電路；同步A./D轉換器等，可方便地實現對兩路電機的控制。另外，該型DSP還有多達40個可單獨編程的復合通用輸入/輸出引腳、多達5個外部中斷等配置，對實際應用帶來很大方便。
　　因為該系統輸入電壓為3Φ 200VAC，控制的兩路電機功率均為180W，考慮適當裕量，我們選用了三菱公司第三代DIP-IPM PS21563（10A/600V）。三菱DIP-IPM是面向AC100～200V級小容量電機變頻驅動、采用傳遞型封裝結構、將功率電路和驅動保護電路集成于一體的小型智能功率模塊，具有以下特點：
　　·3相AC變頻輸出電路搭載三菱第5代平面型IGBT和CSTBT（Carrier Stored Trench－gate Bipolar Transistor：具有載流子蓄積層的溝槽型門極構造雙極晶體管）功率芯片，實現更低損耗。
　　·采用自舉電路結構，可實現單電源驅動。
　　·內置有IGBT驅動電路，具有過載保護、控制電源欠壓保護功能。P側具有UV（控制電源欠壓）保護功能，但不輸出故障信號F。N側具有UV及SC（過載）保護功能，同時輸出故障信號F。
　　·內置專用HVIC（高壓600VIC），無需隔離絕緣電路（如光耦），可由DSP或3V級單片機直接驅動。
　　·輸入接口電路采用高電平驅動邏輯，消除了舊產品低電平驅動方式對電源投入和切斷時的時序要求，增強了模塊自保護能力。
　　系統輸入為3Φ 200VAC，經三相全橋整流為約270VDC供給IPM，并由270V進行DC/DC轉換產生輔助電源，為DSP、上位機及IPM模塊提供控制電源。上位機接受主系統控制，對DSP發出2路電機起停、4級加速度及8級速度的控制信號，DSP根據上位機的控制信號產生兩組6路脈沖分別控制兩個IPM模塊，從而控制兩路電機的起停、加速度及轉速。兩路電機的轉速通過軸編碼器反饋回上位機。IPM的故障信號反饋給DSP，DSP將故障信號及掉電信號反饋回上位機。系統框圖如圖1所示。
　　
　　圖1 系統原理框圖
　　自舉電路
　　一般逆變電路中，因上臂3個IGBT的觸發脈沖的參考地是懸浮的，故上臂觸發脈沖需3組相互隔離的電源供電。下臂3個IGBT的觸發脈沖是共參考地的，只需一組供電電源。故共需多達4組相互隔離的電源。而三菱公司的DIP-IPM采用自舉電路結構，可方便地實現單電源驅動。具體工作原理如下：當DIP-IPM起動時，先給下臂IGBT發出足夠的充電脈沖數或足夠寬的單個脈沖，開通下臂（N側）的IGBT，使下臂的供電電源通過IPM的內部充電路徑使上臂的3個自舉電容完全充電，從而給上臂的3個IGBT的觸發脈沖供電。然后才開始發出PWM控制脈沖。自舉電路充電路徑及工作時序圖如圖2所示。