TMS32OF2812與DIP-IPM的通用電路設(shè)計(jì)
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隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，功耗與節(jié)能為電子技術(shù)提出了新的要求。在電力電子技術(shù)方面，交流電機(jī)的變頻調(diào)速更成了電機(jī)控制的主流，變頻調(diào)速是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。主要采用交流一直流一交流方式，即把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源。變頻調(diào)速技術(shù)憑借其節(jié)能降耗、改善工藝和提高控制精度等方面的優(yōu)點(diǎn)，使得變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)揮了交流電機(jī)本身固有的優(yōu)點(diǎn)，解決了交流電機(jī)調(diào)速性能先天不足的問題。本文先對TMS320F2812芯片和智能功率模塊進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，根據(jù)他們的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了通用變頻電路設(shè)計(jì)方案。在實(shí)際的應(yīng)用中可以根據(jù)控制方式的需要，制定不同的控制方式，廣泛應(yīng)用于三相異步電機(jī)的SVPWM控制。
1 變頻調(diào)速方式
交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n1=60f/p，再根據(jù)異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率s=(n1-n)/n1，可知交流異步機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：n=n1(1-s)=(1-s)60f/p，其中P為極對數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率，f為定子供電頻率，當(dāng)p和s為定植時，要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，只需要改變f就可以了，根據(jù)控制方式的不同，一般可以分為三種調(diào)速方式：在變頻調(diào)速過程中保持定子電壓和定子供電頻率之比為常數(shù)，即恒磁通變頻調(diào)速，保持定子電流不變的恒流控制調(diào)速方式，保掙恒電磁通調(diào)速方式。
在具體控制上，可以采用VVVF(Variable Voltagevariable Frequency)變頻或矢量控制變頻控制方式，在電路設(shè)計(jì)時，需要實(shí)時采樣相電壓以及各相電流，根據(jù)控制方式的不同，可以選用不同的算法程序。
2 高速DSP芯片TMS320F2812介紹
TMS320F2812DSP是德州儀器公司(TI)推出的一款32位高性能數(shù)字信號處理器，它是專為控制設(shè)計(jì)的高速DSP芯片，擁有峰值每秒運(yùn)行150萬條指令(MIPs)的處理速度和單周期完成32×32位MAC運(yùn)算的功能，再加上兩個事件管理器(EVA和EVB)、片上Flash以及片上RAM和AD轉(zhuǎn)換模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時快速的數(shù)字信號處理算法，在三相異步電機(jī)控制系統(tǒng)中廣泛的被采用。
(1)高性能的32位中央處理器
主頻150MHZ(時鐘周期6．67ns)，低功耗(核心低壓1．8v，I／O口3．3v)，16位×16位和32位×32位乘且累加操作以及16位×16位的兩個乘且累加，統(tǒng)一的寄存器編程模式，可達(dá)4M字的線性程序地址和數(shù)據(jù)地址。
(2)片內(nèi)存儲器
8Kx16位的Flash存儲器
1Kx16位的0TP型只讀存儲器
L0和L1：兩塊4Kx16位的單口隨機(jī)存儲器(SARAM)
HO：一塊8Kx16位的單口隨機(jī)存儲器
M0和M1：兩塊1Kx16位的單口隨機(jī)存儲器
(3)時鐘與系統(tǒng)控制
支持動態(tài)的改變鎖相環(huán)的頻率(PLL)
片內(nèi)振蕩器
看門狗定時器模塊
CPU級和外設(shè)級中斷相結(jié)合的控制系統(tǒng)
(4)豐富的外圍設(shè)備
兩個事件管理器(EVA、EVB)
串行外圍接口(SPI)
兩個串行通信接口(SCI)，標(biāo)準(zhǔn)的UART
改進(jìn)的控制器局域網(wǎng)絡(luò)(ECAN)
多通道緩沖串行接口(MCBSP)
16通道12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)
3 智能功率模塊DIP-IPM
三菱第五代IGBT芯片的DIP-IPM模塊是三菱公司總結(jié)前四代功率模塊的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，它彌補(bǔ)了以往功率模塊在使用和可靠性方面的很多不足，是專為三相電機(jī)驅(qū)動設(shè)計(jì)的功率模塊。其特點(diǎn)如下：提高可靠性和馬達(dá)效率(死區(qū)時間減少)，單電源15V供電，實(shí)現(xiàn)低損耗；熱阻低，易于散熱，簡化了設(shè)計(jì)空間，低成本單模封裝，方便了集中安裝接散熱片，為設(shè)計(jì)高集成度的電機(jī)控制器提供了便利；內(nèi)置短路、欠壓保護(hù)電路。且不需要高速光耦隔離，明顯減少了電機(jī)的死區(qū)時間；輸入接口電路采用高電平驅(qū)動邏輯，消除了舊產(chǎn)品低電平驅(qū)動方式對電源投入和切斷時的時序要求。增強(qiáng)了模塊自保護(hù)能力；輸入信號端內(nèi)置下拉電阻，外部無須再下拉電阻，可直接由DSP或3V級單片機(jī)驅(qū)動。
如上圖所示，圖1為IPM模塊的上驅(qū)動部分，圖2為IPM模塊的下驅(qū)動部分。一個完整的DIP-IPM模塊包括三個上驅(qū)動部分和一個下驅(qū)動部分，在圖1中給出的只是U相的驅(qū)動電路，V、W相與U相的電路完全相同。下面就結(jié)合內(nèi)部結(jié)構(gòu)對模塊進(jìn)行說明。
P為逆變器直流母線的正電源端。在模塊內(nèi)部，此端與上臂IGBT的集電極相連。為抑制直流母線引線和PCB上寄生電感引起的浪涌電壓，應(yīng)在非?？拷黀，N端子處加平滑電容或具有良好頻率特性的小薄膜電容。
N為逆變器直流母線的負(fù)電源端(主電路地)。在模塊內(nèi)部，此端與下臂IGBT的發(fā)射極相連。
U、V、W為逆變器輸出端，用于連接逆變器負(fù)載(如交流馬達(dá)在模塊內(nèi)部，這些端子與相應(yīng)的IGBT橋臂的中點(diǎn)相連。
CFO是故障信號輸出脈寬設(shè)定端子，是用來設(shè)定故障輸出信號脈沖寬度。故障輸出脈寬通過在此端與VNC之間外加一個電容來設(shè)定。
Fo為故障信號輸出端子，用來輸出故障信號，信號為低電平時有效。即當(dāng)輸出低電平時，表示模塊處于故障狀態(tài)(下臂發(fā)生短路保護(hù)或欠壓保護(hù))。
VP1分別是P側(cè)控制電源端子，給模塊內(nèi)部IC(輸入信號模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊、驅(qū)動模塊)供電的控制電源端子，應(yīng)在模塊外部將VP1連接起來。4 硬件電路設(shè)計(jì)
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