基于DSP和IPM的变频调速系统的硬件设计

只看该作者 · 2020-4-21 22:59

引言

　　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。

　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

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。