1、第三章系統的硬件設計及其實現3.1系統硬件結構總體設計硬件部分包括主電路、保護電路、驅動電路、控制電路。本文所涉及到的主電路的參數是三相完全對稱的，其中整流部分采用二極管不可控整流，逆變部分采用的功率器件是IGBT。系統結構框圖如圖3-1所示。380V三相交流電輸入到整流器主電路，調節交流輸入變壓器使輸出直流電壓穩定在540V左右。DSP的主要任務是輸出SVPWM觸發脈沖對逆變器的輸出進行控制。在實際的系統組成中，分為強電部分和弱電部分。強電部分和弱電部分相互隔離分開能夠減少強電部分對弱電部分的影響，這點對于DSP的正常運行，變頻器的正常工作有很重要的影響。開關電源光耦隔離驅動電路“過流保護濾

2、波電路光電編碼器IFdLTMS320F2812DSP斗六路PWM信號圖3-1系統硬件結構總框圖主電路:采用交一直一交電壓型變頻裝置。它主要由整流電路、濾波電路、逆變器三部分組成。整流電路是利用二極管三相橋式不可控整流模塊將三相工頻交流電整流成直流電；濾波電路采用電容濾波，將整流輸出的脈動電壓轉化為平直的直流電壓Vdc;逆變器是由IGBT構成的三相全橋式逆變器。3.2主電路工作原理在交流變頻調速系統中，主回路作為直接執行機構，其可靠性及穩定性直接影響整個系統的運轉。主電路一般是由整流電路、中間濾波電路和逆變器三部分組成。本課題選用的是電壓型交一直一交變頻裝置。它包括不可控整流器、大電容濾波、三相

3、橋式逆變器、采樣電路、保護電路以及能耗制動電路，其電路原理圖如圖3-2圖3-2系統硬件主電路圖主電路主要包括整流器和逆變器，需要用到整流橋、濾波電容器組、限流電阻和開關、電源指示器、整流二極管等器件。三相交流電源經三相整流橋全波整流成直流電，如電源的線電壓為，則三相全波整流后平均直流電壓的大小是=1.35UL，我國三相電源的線電壓為380V，考慮濾波電容的因素，全波整流后的電壓是=1.414UL，故直流電壓大約為540V。濾波電容的功能主要有兩點:一是濾平全波整流后的電壓紋波;二是當負載變化時，使直流電壓保持平穩。由于受到電解電容的電容量和耐壓能力的限制，濾波電路通常由若干個電容器并聯成一組，

4、又由兩個電容器組串聯而成，由于電解電容器的電容量有較大的離散性，故電容器組和的電容量不能完全相等，這將使它們承受的電壓不相等，為了使它們承受的電壓相等，在和二旁各并聯一個阻值相等的均壓電阻和。限流電阻和開關，當變頻器合上電源的瞬間，濾波電容器的充電電流是很大的。過大的沖擊電流可能使三相整流橋的二極管損壞，同時也使電源電壓瞬間下降而受到“污染”。為了減少沖擊電流，在變頻器剛接通電源后的一段時間里，電路內串入限流電阻，其作用是將電容器的充電電流限制在允許范圍之內。當充電到一定程度時，令開關接通，將電阻短路掉。電源指示，除了表示電源是否接通以外，還有一個十分重要的功能，即在變頻器切斷電源后，指示濾波

5、電容器上的電荷是否己經釋放完畢。由于的容量較大，而切斷電源又必須在逆變電路停止工作的狀態下進行，所以沒有快速放電的回路，其放電時間長達數分鐘。又由于上的電壓較高，如不放完對人身安個將構成威脅。3.2.1整流二極管及IGBT的選擇(1) 整流二極管的選擇a.確定電壓額定值整流二極管的耐壓按式(6-1)確定。根據電網電壓，考慮到其峰值、波動、閃電雷擊等因素，取波動系數為1.1,安全系數=2。(3-1)b.確定電流額定值(t)整流二極管額定電流按式(6-2)確定。式中，為沖擊電流值；為安全系數，取常數=2。tt(3-2)(2) IGBT模塊選擇選擇IGBT與選擇整流二極管的最大不同是，整流二極管的輸

6、入端直接與電網相連，電網易受到外界的干擾，特別是雷電干擾，因此，選擇的安全系數較大；而IGBT是位于逆變橋上，其輸入端常與電力電容并聯，起到了緩沖波動和干擾的作用，因此安全系數不必取的太大。假定電網電壓為380V，平波后的直流電壓由式(3-3)確定，式中1.1為波動系數，一般取安全系數=1.1。=3801.1=650V(3-3)a. 確定電壓額定值關斷時的峰值電壓按式(3-4)計算(650(3-4)式中，1.15為過電壓保護系數;為安全系數,一般取1.1；150為由Ldi/dt引起尖峰電壓。令UU，并向上靠攏IGBT的實際電壓等級，取U=1200V.CEPCESPCEPb. 確定電流額定值設電

7、網電壓為=380V,由P=(3-5)(3-6)(3-7)式中，P為變頻器容量；0.9為電網電壓的波動系數;為的峰值；1.5為允許1min過載容量;1.4為減小系數。因為IGBT器件手冊上給出的是在結溫=25°C條件下,在實際工作時，由于熱損耗，總要升高，的實際允許值將下降(1/1.470%)。3.3保護電路的設計IGBT關斷或開通時，因為回路分布電感和變壓器漏感的作用，在開關管兩端會產生電壓尖峰，若不采取措施，有時這個電壓尖峰疊加原來的電源電壓會超過管子的安全工作區而使其遭到破壞。開通保護電路用于限制開關管導通時的電流上升率di/dt,關斷緩沖電路用于限制開關管關斷時的端電壓上升率d

8、u/dt同時也限制導通時所引起的處在同一橋臂上的另一只開關管端電壓上升率du/dt,而吸收電路主要抑制開關管兩端的電壓尖峰，與關斷緩沖電路的形式有些相似。圖3-3保護電路圖本文選擇了如圖3-3所示的保護電路，Rs交叉連接，當IGBT開通時，Cs經Ds充電，抑制du/dt;當器件開通前，Cs經電源和Rs釋放電荷，同時有部分能量得反饋。如果母線上的寄生電感為L，工作電流為i,緩沖后的電壓尖峰為AV，Pm則緩沖電容Cs是用來吸收寄生電感上的能量，故Cs由式(3-8)給出Cs=(3-8)保護電阻的要求是，IGBT關斷時，Cs上積累電荷的90%能及時釋放掉，可由式(3-9)確定。阻值過小，保護電路可能振

9、蕩，IGBT導通時電流增加。(3-9)保護電阻產生的損耗場與阻值無關，可由(3-10)確定，(3-10)式(3-10)中，系數10是電阻瓦特數的裕度系數，以防止溫升過高，f為開關頻率。3.2.2驅動電路的設計驅動電路采用PC929,PC929是日本夏普公司生產的用于驅動IGBT模塊的光耦隔離式驅動芯片，內部結構原理如圖3-4所示。這類驅動芯片內部集成有光耦接口，檢測電路，短路保護電路。當輸入驅動信號為低電平時光耦導通，接口電路把該信號整形后由功放級的NPN晶體管放大后輸出，驅動IGBT,當輸入驅動信號為高電平時光耦截止，接口電路輸出為高電平，功放級的PNP晶體管導通，IGBT柵極間承受反向電壓

10、并關斷。這類芯片可驅動600V或1200V的IGBT模塊，如圖3-4是PC929的內部結構原理圖。這類驅動芯片的主要特點為：(1) 內置的IGBT短路保護電路；(2) 內置高速光耦隔離；(3) 內置直接驅動電路的IGBT驅動；(4) 高隔離電壓；PC929構成的IGBT的驅動電路的T15和T9構成對稱電路，以提高負載能力，電阻R103、穩壓管Z9、二極管DI8檢測IGBT是否過流，當過流時IGBT工作于退飽和狀態，CE兩端電壓升高，D18由導通轉到截止，9腳電平升高，檢測出IGBT的柵極和集電極同時為高電壓，PC929判斷IGBT過流，驅動芯片柵壓關閉，同時PC929的8腳電平拉低，使得OC由

11、高電平變成低電平,OC信號送到TMS320F2808處理器，使TMS320F2808封鎖六路脈沖PWM輸出。3.3控制電路的設計和實現在交流調速系統的設計中，控制電路則是系統的核心部分。而設計優良的驅動及吸收保護電路以及電源是系統正常可靠工作的重要保障。下面將主要討論一下這四個方面的設計考慮。控制電路使用DSPTMS320F2808作為主控制器。F2808是TI公司專門為電機控制應用而設計的，片上集成了高性能的DSP處理器和豐富的外圍設備。在使用F2808作為控制器對交流調速系統進行控制的時候能降低硬件的復雜程度，提高整個系統的可靠性。TMS320C28x系列是TI公司最新推出的DSP芯片，是

12、目前國際市場上最先進的、功能最強大的32位定點DSP芯片。它既具有數字信號處理能力，又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于有大批量數據處理的測控場合，如工業自動化控制、電力電子技術應用、智能化儀器儀表及電機、馬達伺服控制系統等。TMS320C28x系列其主要性能如下。(1) 高勝能靜態CMOS(StaticCMOS)技術1) 100MHz2) 低功耗(核心電壓1.8V,I/O口電壓3.3V)3)Flash編程電壓3.3V(2) JTAG邊界掃描(BoundaryScan)支持(3) 高性能的32位中央處理器(TMS320C28x)1) 16位x16位和32位x32位乘且累加操作2

13、) 16位x16位的兩個乘且累加3) 哈佛總線結構(HarvardBusArchitecture)4) 強大的操作能力5) 迅速的中斷響應和處理6) 統一的寄存器編程模式7) 可達4兆字的線性程序地址8) 代碼高效(用C/C+或匯編語言)9) 與TMS320F24x/LF240x處理器的源代碼兼容(3) 片內存儲器1) 8Kx16位的Flash存儲器2) 1Kx16位的OTP型只讀存儲器3) L0和L1;兩塊4Kx16位的單口隨機存儲器(SARAM)4) H0:塊8Kx16位的單口隨機存儲器5) M0和M1:兩塊1Kx16位的單口隨機存儲器(4) 根只讀存貯器(BootROM)4Kx16位1)

14、 帶有軟件的Boot模式2) 標準的數學表(5) 外部存儲器接口(僅F2812有)1) 有多達1MB的存儲器2) 可編程等待狀態數3) 可編程讀/寫選通計數器(StrobeTiming)4) 三個獨立的片選端(6) 時鐘與系統控制1) 支持動態的改變鎖相環的頻率2) 片內振蕩器3) 看門狗定時器模塊(7) 三個外部中斷(8) 外部中斷擴展(PIE)模塊1) 可支持96個外部中斷，當前僅使用了45個外部中斷(9) 128位的密匙(SecurityKey/Lock)1) 保護Flash/OTP和LO/L1SARAM2) 防止ROM中的程序被盜(10) 3個32位的CPU定時器(11) 馬達控制外圍

15、設備1) 兩個事件管理器(EVA、EVB)2) 與C240兼容的器件(12) 串口外圍設備1) 串行外圍接口(SPI)2) 兩個串行通信接口(SCIs)，標準的UART3) 改進的局域網絡(eCAN)4) 多通道緩沖串行接口(McBSP)和串行外圍接口模式(13) 12位的ADC，16通道1) 2x8通道的輸入多路選擇器2) 兩個采樣保持器3) 單個的轉換時間：200ns4) 單路轉換時間:60ns(14) 最多有56個獨立的可編程、多用途通用輸入/輸出(GPIO)引腳(15) 高級的仿真特性1) 分析和設置斷點的功能2) 實時的硬件調試(16) 開發工具1) ANSIC/C+編譯器/匯編程序

16、/連接器2) 支持TMS320C24x/240x的指令3) 代碼編輯集成環境4) DSP/BIOS5)JTAG掃描控制器(TI或第三方的)6) 硬件評估板(17) 低功耗模式和節能模式1)支持空閑模式、等待模式、掛起模式2)停止單個外圍的時鐘(18) 封裝方式1) 帶外部存儲器接口的179球形觸點BGA封裝2) 帶外部存儲器接口的176引腳低剖面四芯線扁平LQFP封裝3) 沒有外部存儲器接口的128引腳貼片正方扁平PBK封裝(19) 溫度選擇1) A：-40°C+85°C2) S：-40C+125C3.3.1DSPTMS320F2808的性能特性TMS320F2808是TM

17、S320C28x系列的一種，TMS320F2808執行速度達100MIPS,幾乎所有的指令都可在50ns的單周期內完成。如此高的性能可以對非常復雜的控制算法進行實時運算，如自適應控制和矢量控制的坐標變換等，此外，還可支持非常高的采樣率，以減小循環延時，為數字電機控制器提供了很方便的應用。F2808具有用于高速信號處理和數字控制功能所必需的結構特點，同時還具有單片機控制應用方案所需的外設功能。F2808采用亞微米CMOS制造工藝，使功耗極低，此外，還具有幾種進一步降低功耗的省電方式。作為系統管理器，DSP必須具備強大的片內I/O和其它外設功能。F2808片內的事件管理器與其它任何一種DSP都不同

18、。面向應用優化的外設單元和高性能DSP內核的結合，可以為所有的電機類型提供高速、高效和全變速的先進控制技術。在該事件管理器中包括特殊的PWM產生功能，特殊的附加功能包括可編程的死區功能和SVPWM狀態機，后者可為三相異步電機在功率開關機制中提供了迄今為止最高的功效。三個獨立的向上/下計數器，每一個都有屬于它自己的比較寄存器，可以支持產生非對稱的和對稱的PWM波形。四路捕獲輸入中的兩路可以直接連至光電編碼器的正交編碼脈沖信號。本文采用的TMS320F2808內部集成了128K的FLASHEEPROM。FLASHEEPROM是一種永久性的存儲器，具有可重復編程的優點。它可由DSP內核本身擦除和編程

19、,允許用代碼來管理閃存的使用，而無需外部編程裝置。閃存的初始化編程可以用XDS510基于掃描的仿真器實現，通過在擦除/編程算法和數據中掃描進入片內RAM。這種帶有內部存儲器的DSP產品無需外擴程序存儲器，大大簡化了控制電路的設計，也提高了系統的抗電磁兼容能力和系統的穩定性。3.3.2控制電路設計使用TMS320F2808作為控制器能最大限度的減少外圍器件的數目，增加系統的穩定性。在本設計中，主要使用了F2808的GPIO口，PWM輸出口，以及A/D口、捕獲接口CAP等。F2808的六個PWM信號經過緩沖器反相后送到驅動電路板驅動IGBT。對于A/D采樣口的輸入信號己經在信號采板上做了前期的處理，直接輸入的信號是幅值在03V的直流電壓信號，能滿足F2808對輸入模擬信號的要求。交流電機的矢量控制要求對交流電機速度進行采樣，在本設計中使用的測速計的輸出信號符合F2808對輸入信號的標準，可以直接輸入DSP的CAP接口。利用DSP的引腳TZ對功率變換模塊進行快速保護，在其他電路中出現嚴重超出警戒范圍的電氣參數時，產