陳和娟
(無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇無錫 214153)
隨著半導(dǎo)體業(yè)的快速發(fā)展,矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等先進(jìn)的控制理論不斷提出,新的電力電子器件和微處理器的推出以及交流電機(jī)控制理論的發(fā)展,變頻調(diào)速技術(shù)取得了巨大的技術(shù)進(jìn)步。電氣傳動控制在現(xiàn)代化建設(shè)中起著極為重要的作用,為了滿足高性能、節(jié)能和環(huán)保的要求,交流調(diào)速控制系統(tǒng)以其特有的優(yōu)點正逐步取代傳統(tǒng)的直流調(diào)速,在電氣傳動領(lǐng)域中扮演著重要的角色。
本文從節(jié)能的角度出發(fā),以TI公司的TMS320LF2407ADSP為整個系統(tǒng)控制核心,使用智能功率模塊(IPM-Intelligent Power Modules),研究出變頻器調(diào)速裝置,對電機(jī)進(jìn)行數(shù)字化交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究與設(shè)計。給出了系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)圖,設(shè)計了主電路、控制電路、保護(hù)電路、鍵盤顯示電路等。
TI公司推出的數(shù)字信號處理器TMS320X240,特別適合于三相異步電動機(jī)的高性能控制。LF2407A作為240xDSP家族的新成員,在處理性能及其片內(nèi)外設(shè)上有了很大的改進(jìn),主要包括算術(shù)邏輯單元(ALU-Arithmetic Logical Unit),寄存器單元、輔助算術(shù)邏輯單元(ARAU-Auxiliary Register Arithmetic Unit),程序、數(shù)據(jù)存儲單元,乘法器,乘法移位器,累加器,加法移位器,兩個功能強(qiáng)大的事件管理器,外圍存儲器擴(kuò)展接口單元,CAN總線接口單元,通用I/O口單元,時鐘鎖相環(huán)電路,內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器,串行口,串行外設(shè)接口等部分。LF2407A的推出,為交流調(diào)速裝置控制器的設(shè)計提供了新的方案。
TMS320LF2407A內(nèi)部的PWM電路
TMS320LF2407A包括兩個功能完全一樣的事件管理器(EVA、EVB),每個事件管理器模塊可同時產(chǎn)生多達(dá)8路的PWM波形輸出。由3個帶可編程控制的比較單元產(chǎn)生獨立的3對(即6個輸出)輸出,以及由通用定時器比較產(chǎn)生的2個獨立的PWM輸出。
對于每個EV模塊,與比較單元相關(guān)的PWM電路使帶有可編程死區(qū)和輸出極性控制的6路PWM輸出的產(chǎn)生成為可能。EVA模塊的PWM電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。它包括以下的功能單元:非對稱/對稱波形發(fā)生器;可編程的死區(qū)單元;輸出邏輯;空間矢量PWM狀態(tài)機(jī)。對于EVB模塊的PWM電路的結(jié)構(gòu)框圖與EVA模塊的一樣,只是改變相關(guān)的寄存器的配置。
圖1 EVA模塊的PWM電路結(jié)構(gòu)框圖
本文主要研究如何用DSP和IPM實現(xiàn)異步電機(jī)的閉環(huán)變頻調(diào)速。因此控制平臺的結(jié)構(gòu)主要包括整流電路,逆變電路,電壓、電流、速度采集和保護(hù)電路,DSP控制電路,光耦隔離及仿真器接口電路等??刂破脚_原理圖如圖2所示。
圖2 變頻調(diào)速系統(tǒng)總體框圖
主電路由AC/DC整流電路和IGBT逆變電路構(gòu)成,它是本系統(tǒng)的功率驅(qū)動單元。由不可控整流環(huán)節(jié)、中間濾波環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)構(gòu)成。電路采用圖3所示形式。根據(jù)低頻電源的要求,輸入的電壓為560V,而實際的電網(wǎng)電壓只有380V,故需在低頻電源的輸入端接一個自耦變壓器。選用主電路功率器件時,應(yīng)當(dāng)考慮到過壓、過流以及電機(jī)過載的要求。
圖3 主電路結(jié)構(gòu)圖
在本設(shè)計中,采用的控制芯片是TMS320LF2407A,主 要 使 用 了 LF2407A 的GPIO口、PWM輸出口,以及A/D口、捕獲接口CAP等。LF2407A的六個PWM信號經(jīng)過緩沖器反相后送到驅(qū)動電路板驅(qū)動IGBT。對于A/D采樣口的輸入信號己經(jīng)在信號采板上做了前期處理,直接輸入的信號是幅值在0~3V的直流電壓信號,能滿足LF2407A對輸入模擬信號的要求。交流電機(jī)的矢量控制要求對交流電機(jī)速度進(jìn)行采樣,在本設(shè)計中使用的測速計的輸出信號符合LF2407A對輸入信號的標(biāo)準(zhǔn),可以直接輸入DSP的CAP接口。利用DSP的引腳TZ對功率變換模塊進(jìn)行快速保護(hù),在其他電路中出現(xiàn)嚴(yán)重超出警戒范圍的電氣參數(shù)時,產(chǎn)生一個低電平的外部中斷信號到該引腳,使所有的事件管理器輸出引腳都置成高阻狀態(tài),在很大程度上這是針對PWM驅(qū)動信號的。在系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤的時候能迅速關(guān)斷功率器件防止事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。這樣的做法只限于小功率的實驗裝置,因為直接關(guān)斷功率器件可能會因為產(chǎn)生過電壓而損壞該功率器件。在實際應(yīng)用中一般使用軟關(guān)斷的方法。這主要是通過軟件進(jìn)行判斷,分兩級或多級關(guān)斷功率器件,減少過電壓對器件的影響??刂齐娐返幕究驁D如圖4所示。
為保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行,專門設(shè)計了過壓、過熱等多種保護(hù)電路。將這些故障信號接在一個與非門上,任何一個故障發(fā)生,與非門都會翻轉(zhuǎn),向DSP芯片發(fā)出中斷信號,封鎖觸發(fā)脈沖,起到保護(hù)變頻器和電動機(jī)的作用。
圖4 控制電路的基本框圖
由于中間電路電容的作用,直流電壓的極性不會改變并且整流橋中的電流不能反向流通,所以逆變器中的能量不能反饋至電網(wǎng)。因此當(dāng)變頻器負(fù)載側(cè)異步電機(jī)發(fā)生突然減速時,電流必須經(jīng)逆變器中IGBT外部并聯(lián)的續(xù)流二極管反饋至中間直流電路,對電容充電。由于電容的容量有限,充電將使電容端電壓升高,形成所謂的“泵升電壓”。當(dāng)泵升電壓過高時會引起IGBT的損壞,為此需要在主電路中并聯(lián)制動電路起保護(hù)作用,一般采用能耗制動[1]。
在主回路中,直流電源電壓兩端并聯(lián)較大容量的電解電容,它除了可以減少直流電源電壓的脈動外,還可起儲能用,由于逆變器直流側(cè)采用三相不可控整流,感應(yīng)電動機(jī)減速或停車時,存儲在電動機(jī)轉(zhuǎn)子和負(fù)載中的機(jī)械能不可能回饋給電網(wǎng)。大部分機(jī)械能變?yōu)殡娔芊答伒诫娙葜校粚Υ穗妷哼M(jìn)行限制,它將造成IGBT的永久性損壞。發(fā)生泵升電壓是電動機(jī)制動過程不可避免的現(xiàn)象,為此要給制動過程提供一條能量釋放的途徑。
選用由電阻和組成能量釋放電路,比較器同相端接電壓檢測信號,反相端接電位器。是用來取泵升電壓保護(hù)動作的基準(zhǔn)電壓。電容的作用是防止干擾信號引起保護(hù)電路的誤動作。電阻和是泵升電壓的放電支路,當(dāng)檢測到主回路的電壓高出額定值得15%時,比較器輸出一個高電平,經(jīng)過光耦送到DSP使導(dǎo)通,從而將逆變器部分回饋的能量轉(zhuǎn)化為熱能釋放掉,即消耗在電阻上,保護(hù)IGBT[2]。
系統(tǒng)中設(shè)置了過壓保護(hù)電路。因為IGBT集射極耐壓及承受反壓能力有限,而我國電網(wǎng)電壓的線性度較差,在重負(fù)載時線電壓通常小于380V而在用電低谷期線電壓高達(dá)440V,如此大的電壓變化范圍,會導(dǎo)致直流回路過電壓或欠電壓,針對這個問題,設(shè)計如圖5所示的過電壓、欠電壓保護(hù)電路[3],R5大的為過壓保護(hù),R5小的為欠壓保護(hù)。
圖5 過電壓、欠電壓保護(hù)原理框圖(a為過電壓,b為欠電壓)
直流電壓保護(hù)信號取自主回路濾波電容器兩端,經(jīng)電阻分壓后獲得,為防止高壓信號進(jìn)入控制,采用光電耦合電路,直流過電壓保護(hù)動作限定在440V以上。(圖5a)為過電壓保護(hù)電路,工作原理如下:正常狀態(tài)下,采用電壓小于給定電壓,比較器輸出低電平,光電耦合器輸出為高電平,當(dāng)故障發(fā)生時,采用電壓大于給定電壓,比較器輸出高電平,光電耦合器輸出低電平,與其他保護(hù)信號與后送去DSP的PDPINTA管腳,封鎖IGBT的六個驅(qū)動信號。
系統(tǒng)的顯示電路主要用來顯示輸出電流、輸出頻率、控制器TMS320LF2407A的SPI接口通常用于處理和外部設(shè)備以及其他處理器之間的通訊。系統(tǒng)設(shè)計中使用發(fā)光數(shù)碼管(四位)來在線顯示轉(zhuǎn)速,通過74LS164移位寄存器實現(xiàn)8位并行輸出擴(kuò)展,來驅(qū)動發(fā)光數(shù)碼管。該部分使用DSP芯片資源為SPISIMO和SPICLK[4]。
系統(tǒng)中鍵盤輸入電路設(shè)計是采用74LS14710線十進(jìn)制—4線BCD優(yōu)先編碼器,把鍵SW1-SW9的輸入信號編譯為四位BCD碼,并送入DSP目標(biāo)板的端口。通過鍵盤掃描來識別當(dāng)前操作的鍵,并執(zhí)行相應(yīng)的功能。本系統(tǒng)能夠完成異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速實驗,因此鍵盤的主要功能是輸入頻率指令值和啟、停電機(jī)以及對電機(jī)的加減速控制[2]。
變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)和節(jié)能技術(shù),已經(jīng)滲透到經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的所有技術(shù)部門中,因此高性能、低能耗的變頻調(diào)速系統(tǒng)對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到相當(dāng)大的作用,它也是整個電力傳動研究的發(fā)展方向。
1 佘 艷,孫云蓮.基于DSP變頻調(diào)速系統(tǒng)的對稱電壓空間矢量調(diào)制[J].低壓電器,2005.81-84
2 何 昆.基于DSP的PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究[D].廣西:廣西大學(xué),2005.
3 馮垛生.變頻器的應(yīng)用與維護(hù)[M].華南理工大學(xué)出版社,2002.
4 譚 興,趙建莊.基于DSP變頻調(diào)速硬件電路設(shè)計[D].貴州:貴州大學(xué),2008.