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基于DSP技術(shù)的通用型數(shù)字變頻器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者: 時間:2017-02-06 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  技術(shù)目前已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在了控制芯片的研發(fā)設(shè)計(jì)中,這也為數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用提供了更多的便利。今天我們將會為大家分享一種基于芯片的通用型數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,該種方案具有設(shè)計(jì)簡便、穩(wěn)定性好、反應(yīng)靈敏等優(yōu)勢,希望能夠?qū)Ω魑还こ處煹难邪l(fā)工作提供一定的借鑒和幫助。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201702/343608.htm

  在本方案中,我們所設(shè)計(jì)的這種能夠多方面通用的數(shù)字控制,其電路系統(tǒng)主要由主電路和控制電路組成。主電路采用典型的電壓型交-直-交通用結(jié)構(gòu)??刂齐娐分饕?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/DSP">DSP數(shù)字控制器,由DSP、驅(qū)動電路、檢測電路、保護(hù)電路以及輔助電源電路組成。主電路和控制電路原理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖圖1所示。

  圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

  主電路設(shè)計(jì)

  在圖1所給出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,我們所設(shè)計(jì)的通用型數(shù)字控制變頻器主電路的原理結(jié)構(gòu)圖如下圖圖2所示??梢钥吹剑谶@一方案中,其主電路結(jié)構(gòu)由濾波、整流、中間濾波、泵升吸收和逆變部分組成。輸入功率級采用三相橋式不可控全波整流電路,整流輸出經(jīng)過中間環(huán)節(jié)大電容濾波,獲得平滑的直流電壓。逆變部分通過功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷,輸出交變的脈沖電壓序列。整流電路將交流動力電變?yōu)橹绷麟?,本系統(tǒng)采用不可控全波整流模塊6RI75G-120。

    

  圖2 主電路原理結(jié)構(gòu)圖

  在主電路的設(shè)計(jì)過程中,我們?yōu)榱擞行Х乐辜夥咫妷簩φ麟娐返臎_擊,故而在直流輸出側(cè)并聯(lián)了一個可吸收高頻電壓的聚脂乙烯電容C4,該電容的取值為0.22μF。整流電路輸出的直流電壓含有脈動成分,逆變部分產(chǎn)生的脈動電流及負(fù)載變化也為直流電壓脈動,由C1、C2濾波,取值為450V、470μF。在圖2所給出的主電路結(jié)構(gòu)圖中,R2、R3為均壓電阻,取值為5W、100kΩ;R1為充電限流電阻。啟動變頻器后經(jīng)1s~2s,由J2繼電器短路,以減少變頻器正常工作時在中間直流環(huán)節(jié)上的功耗。

  在本方案中,這種通用型數(shù)字變頻器其逆變部分電路,主要采用EUPEC的FF300R12KE3集成模塊,這種集成模塊的內(nèi)部集成了2個IGBT單元,故而比較適合變頻逆變驅(qū)動,其具體極限參數(shù)為集射極電壓VCES=1200V,結(jié)溫80℃時集射極電流ICE=300A,結(jié)溫25℃時集射極電流ICE=480A,允許過流600A,時間為1ms,功率損耗為1450W,門極驅(qū)動電壓為±20V。

  通過圖2我們可以很清晰的看到,在這種通用型數(shù)字變頻器的主電路系統(tǒng)中,TL、RL構(gòu)成了一個泵升電壓吸收電路。當(dāng)電機(jī)負(fù)載進(jìn)入制動狀態(tài)時,反饋電流將向中間直流回路電容充電,導(dǎo)致直流電壓上升。當(dāng)直流電壓上升到一定值時,控制TL導(dǎo)通,將會使這部分能量消耗在電阻RL上,以此來確保變頻器可靠安全地工作。此外,由J1常閉觸點(diǎn)與R4組成斷電能量釋放電路。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或關(guān)機(jī)時,繼電器J1斷電,通過其常開觸點(diǎn),將變頻器與電網(wǎng)斷開;而常閉觸點(diǎn)閉合,利用R4為中間回路大電容所儲存的能量提高釋放通道。

  基于DSP的控制電路設(shè)計(jì)

  在本方案的設(shè)計(jì)過程中,我們所采用的DSP技術(shù)集成芯片為TMS320F2812,以該芯片為核心的數(shù)字控制電路如下圖圖3所示。從圖3中可以非常清晰的看出,這一控制電路系統(tǒng)主要包括:DSP及其外圍電路、信號檢測與調(diào)理電路、驅(qū)動電路和保護(hù)電路。其中,信號檢測與調(diào)理電路主要完成對圖2輸出電流和輸出電壓采樣、A/D等功能,DSP產(chǎn)生脈沖信號,通過D/A轉(zhuǎn)換后驅(qū)動功率開關(guān)管U1~U6。

    

  圖3 變頻器數(shù)字控制系統(tǒng)框圖

  由于我們所采用的這種DSP芯片TMS320LF240,其本身就已經(jīng)在內(nèi)部集成了采樣保持電路和模擬多路轉(zhuǎn)換器的雙十位A/D轉(zhuǎn)換,因此為了盡量充分利用芯片資源,在本方案中我們特別采用了片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行設(shè)計(jì)。使用雙減法電流采樣電路,采樣方案中的運(yùn)算放大器是TLC2274,則第一運(yùn)放U8A的輸出電壓為:

    

 

  其中R1=R2,R3=Rn,則:

    

 

  同樣的,第二運(yùn)放U8A的輸出電壓可以計(jì)算為:

    

 

  在上述三個計(jì)算公式的基礎(chǔ)上,我們可以得出該變頻器數(shù)字控制的整個流程:從霍爾電流傳感器輸出的Ui=2.5±△V,此電壓先后施加到由TLC2274構(gòu)成的兩個減法電路上,第一路以Ui減去傳感器采樣結(jié)果的中值參考電壓2.5V,然后再線性放大到A/D采樣所要求的電壓范圍。第二路則相反,再中值參考電壓Uref減去傳感器輸出電壓Ui,同樣也線性放大到合適的電壓范圍。在變頻器數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,Z1、Z2為兩個3.3V的穩(wěn)壓二極管,對運(yùn)放輸出電壓起到限幅作用。當(dāng)Ui值>Uref時,則Uo1輸出為正電壓,且電壓范圍是0-3.3V,而由于二極管D2的存在使得電流不能注入到運(yùn)放中,故而第二路運(yùn)放不能輸出負(fù)電壓,而是鉗位在0V。當(dāng)Ui值

  在進(jìn)行這一通用型數(shù)字變頻器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,還有一個問題需要我們特別注意,那就是由于電機(jī)啟動時的電流非常大或因控制回路、驅(qū)動電路等誤動作,會造成輸出電路短路等故障,因此需要一種能快速檢測出過大電流的電路。這里我們主要采用2SD315A自身檢測和檢測直流母線的雙重檢測以及在故障發(fā)生時,采用軟、硬件同時封鎖的方法。為有效地保護(hù)功率IGBT和直流濾波電容,在該系統(tǒng)中我們還設(shè)計(jì)了母線電壓過欠壓保護(hù)電路,故障檢測原理如圖4所示。圖4中,6N138為一個線性光電隔離器,輸出電壓信號與母線電壓成正比,當(dāng)通過光電隔離器件后,可以直接供給DSP控制系統(tǒng)進(jìn)行采樣。同時,將輸出Vlimit信號送至DSP,觸發(fā)中斷保護(hù)。

    

  圖4 故障檢測原理圖

  系統(tǒng)控制算法軟件實(shí)現(xiàn)

  基于DSP技術(shù)的數(shù)字控制是本方案中的設(shè)計(jì)重點(diǎn),該種數(shù)字控制系統(tǒng)主程序圖如下圖圖5所示。在本方案中的算法設(shè)計(jì)中,主程序模塊主要功能是完成系統(tǒng)的初始化,PLL時鐘的設(shè)定:DSP工作頻率設(shè)為20MHz。輸入輸出端口初始化。事件管理器初始化。定時器1、2、3的設(shè)定、全比較PWM單元設(shè)定、死區(qū)單元設(shè)定。QEP工作方式設(shè)定。中斷管理初始化:中斷除復(fù)位、NMI位,只允許PDPINT、中斷3。PDPINT是功率設(shè)備保護(hù)中斷,中斷3用于系統(tǒng)完成控制算法。

    

  圖5 數(shù)字控制系統(tǒng)主程序圖

  以上就是本文所介紹的一種基于DSP技術(shù)的通用型數(shù)字控制變頻器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,希望能夠?qū)Ω魑还こ處煹娜粘Q邪l(fā)和設(shè)計(jì)工作有所幫助。

 

 

 

 

 

 

 



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