通用变频器的硬件电路设计.DOC

1、1 通 用 变 频 器 的 硬 件 电 路 设 计1.1 通 用 变 频 器 的 总 体 设 计本 设 计 的 系 统 以 TI 公 司 的 TMS320LF2407A 为 控 制 核 心 ， 由 主 电 路 、 系 统 保护 电 路 和 控 制 电 路 组 成 ， 其 总 体 设 计 图 如 图 3.1 所 示 。M限流启动 电压检测泵升控制过压欠压保护I P M 故障保护驱动电路光耦隔离频率输入中央处理器D S PI O接口I O 接口故障保护PWMI P MR 1C 1C 2R 2R 3R b2 2 0 V 图 1.1 基 于 DSP 的 通 用 变 频 调 速 系 统 总 体 设 计

2、图其 中 主 电 路 部 分 由 整 流 电 路 、 滤 波 电 路 、 逆 变 电 路 (IPM)和 IPM 驱 动 电 路 与 吸收 电 路 组 成 。 其 工 作 原 理 是 把 单 相 交 流 电 压 通 过 不 可 控 整 流 模 块 变 为 直 流 电 压 ，整 流 后 的 脉 动 电 压 再 经 过 大 电 容 C1， C2 平 滑 后 成 为 稳 定 的 直 流 电 压 。 IPM 逆 变 电路 对 该 直 流 电 压 进 行 斩 波 ， 形 成 电 压 和 频 率 均 可 调 的 三 相 交 流 电 ， 提 供 给 电 机 。系 统 保 护 电 路 包 括 过 压 、 欠 压

3、 保 护 、 限 流 启 动 、 IPM 故 障 保 护 与 泵 升 控 制 等 。过 压 、 欠 压 保 护 是 利 用 电 阻 分 压 采 集 母 线 电 压 ， 与 规 定 值 相 比 较 ； 限 流 启 动 是 由 于开 启 主 回 路 时 ， 大 电 容 充 电 瞬 间 引 起 的 电 流 过 大 ， 这 样 可 能 会 损 坏 整 流 桥 ， 因 此 在主 回 路 上 串 联 限 流 电 阻 R1， 当 电 容 电 压 达 到 规 定 值 时 ， 启 动 继 电 器 把 R1 短 路 ，主 回 路 进 入 正 常 工 作 状 态 ； IPM 故 障 保 护 是 IPM 内 部 集

4、成 的 各 种 保 护 功 能 ， 包 括过 电 流 保 护 功 能 、 短 路 保 护 功 能 、 控 制 电 源 欠 电 压 保 护 和 管 壳 及 管 芯 温 度 过 热 保护 。 把 上 述 各 种 故 障 信 号 进 行 综 合 处 理 后 形 成 总 的 故 障 信 号 送 入DSP(TMS320LF2407A)的 PDPINTA 故 障 中 断 入 口 ， 进 而 封 锁 DSP 的 PWM 波 输 出 。控 制 电 路 包 括 DSP 最 小 系 统 电 路 、 频 率 输 入 电 路 、 光 耦 隔 离 电 路 等 。 最 小 系统 由 DSP 本 身 和 外 扩 的 数 据

5、 SRAM、 程 序 SRAM、 复 位 电 路 、 晶 振 、 译 码 电 路 、电 源 转 换 电 路 和 仿 真 接 口 JTAG 电 路 组 成 ， 仿 真 接 口 JTAG 电 路 是 为 了 实 现 在 线仿 真 ， 同 时 在 调 试 过 程 装 载 数 据 代 码 和 程 序 代 码 ； 频 率 输 入 电 路 可 以 设 置 系 统 要输 出 的 SPWM 波 的 频 率 ； 光 耦 隔 离 电 路 是 为 了 把 DSP 输 出 的 弱 电 信 号 和 主 电 路 的强 电 信 号 进 行 可 靠 隔 离 。1.2 主 电 路 的 设 计主 电 路 原 理 图 如 下 图

6、所 示 ， 由 整 流 电 路 、 滤 波 电 路 、 逆 变 电 路 (IPM)和 IPM 的吸 收 电 路 组 成 。 主 电 路 采 用 典 型 的 交 直 交 电 压 源 型 通 用 变 频 器 结 构 ， 输 入 功率 级 采 用 单 相 桥 式 不 可 控 整 流 电 路 RB1， 整 流 输 出 经 中 间 环 节 大 电 容 (由 C1 到 C4电 容 组 成 )滤 波 ， 获 得 平 滑 的 直 流 电 压 。 逆 变 部 分 通 过 功 率 器 件 IGBT 的 导 通 和 关断 ， 输 出 交 变 的1 2 3 4ABCD4321DCBA TitleNumber Revi

7、sionSizeA4Date: 13-Jun-2008 Sheet of File: E:业业业业业业业业protel业业业1.DDB Drawn By:1234RB1C1 C2DS1LEDR2C3 C4 R3K2K1R4 R5R1C5AC 220VQ1 D1 R6C3Q3 D3 R7C7Q5 D5 R8C8Q4 D4R9C9Q6 D6R10C10Q2 D1R11C11UVW主 电 路 原 理 图脉 冲 电 压 序 列 。 由 于 功 率 器 件 开 关 频 率 过 高 ， 会 产 生 电 压 尖 脉 冲 ， 因 此 需 要 吸 收电 路 来 消 除 该 尖 峰 。 图 中 C5 为 C 型

8、吸 收 电 路 ， R6 到 R11 和 C6 到 C11 组 成 RC型 吸 收 电 路 。 发 光 二 极 管 DS1 用 来 显 示 滤 波 电 容 两 端 的 电 量 。下 面 详 细 介 绍 各 个 部 分 电 路 及 元 件 参 数 。 (被 控 电 动 机 参 数 为 ： 联 接 ， 额 定功 率 为 PN=60W， 额 定 电 压 UN=220V， 额 定 电 流 IN=0.28A， 额 定 频 率 fN=50Hz， 额定 转 速 nN=1400r/min。 )1.2.1 整 流 电 路整 流 电 路 由 4 个 整 流 二 极 管 组 成 单 相 不 可 控 整 流 桥 ，

9、它 们 将 电 源 的 单 相 交 流全 波 整 流 成 直 流 。 整 流 电 路 因 变 频 器 输 出 功 率 大 小 不 同 而 异 。 小 功 率 的 ， 输 入 电源 多 用 220V， 整 流 电 路 为 单 相 全 波 整 流 桥 ； 大 功 率 的 ， 一 般 用 三 相 380V 电 源 ，整 流 电 路 为 三 相 桥 式 全 波 整 流 电 路 。 本 设 计 采 用 的 是 单 相 整 流 桥 。整 流 二 极 管 的 计 算 ， 通 过 二 极 管 的 峰 值 电 流 ：IM= IN= = A (1.1)228.079流 过 二 极 管 电 流 的 有 效 值 ：(

10、1.2)ItdII mD 56.021)(36018m2二 极 管 电 流 定 额 ：In=(23)Id=1.121.68A (1.3)考 虑 滤 波 电 容 的 充 电 电 流 影 响 ， 要 有 更 大 的 电 流 裕 量 ， 选 用 In=10A。 整 流 二极 管 的 电 压 定 额 ：Un= Um= = (1.4)32(20)()(936V选 用 Un=1000V。 根 据 上 面 计 算 的 电 压 和 电 流 以 及 市 场 价 格 和 供 货 情 况 ， 实际 选 用 的 单 相 整 流 桥 为 10A， 1000V。1.2.2 滤 波 电 路在 整 流 电 路 中 输 出 电

11、 压 是 脉 动 的 ， 另 外 ， 在 逆 变 部 分 产 生 的 脉 动 电 流 和 负 载变 化 也 使 得 直 流 电 压 产 生 脉 动 ， 为 了 将 其 中 的 交 流 成 分 尽 可 能 的 滤 除 掉 ， 使 之 变成 平 滑 的 直 流 电 ， 必 须 在 其 后 加 上 一 个 低 通 滤 波 电 路 。 这 里 采 用 常 用 的 电 容 滤 波电 路 ， 在 整 流 输 出 端 并 入 大 电 容 ， 整 流 输 出 直 流 电 压 含 有 很 多 偶 次 谐 波 ， 频 率 越高 ， 电 容 容 抗 越 小 ， 分 流 作 用 越 大 ， 谐 波 被 滤 除 的 就

12、 越 多 ， 输 出 电 压 的 平 均 值 就越 大 。 滤 波 电 容 除 了 滤 除 整 流 后 的 电 压 纹 波 外 ， 还 在 整 流 电 路 与 逆 变 器 之 间 起 去祸 作 用 ， 以 消 除 相 互 干 扰 ， 这 就 给 作 为 感 性 负 载 的 电 动 机 提 供 必 要 的 无 功 功 率 。因 而 ， 中 间 直 流 电 路 电 容 器 的 电 容 量 必 须 较 大 ， 起 到 储 能 作 用 ， 所 以 中 间 直 流 电 路的 电 容 器 又 称 储 能 电 容 器 。在 没 有 加 入 滤 波 电 容 时 ， 单 相 整 流 桥 输 出 平 均 直 流

13、电 压 为 ：(1.5)(297032VUND加 上 滤 波 电 容 后 ， Un 的 最 高 电 压 可 达 交 流 线 电 压 的 峰 值 ：(1.6) )(312mND假 设 输 入 电 压 的 波 动 范 围 为 200V240V， 当 输 入 电 压 对 应 240V 的 输 入 ， 整流 后 的 电 压 为 324V。 又 设 电 源 功 率 因 数 为 0.9， 那 么 每 一 个 周 期 ， 电 容 吸 收 的 能量 为 ：(1.7)(21min22UCnfPEpkmOUT式 中 为 电 机 输 出 功 率 ， Upk 为 峰 值 电 压 ， Umin 为 最 小 交 流 输

14、入 电 压 。 考 虑 到纹 波 的 需 要 ， 最 小 的 交 流 输 入 电 压 应 该 在 200V 以 上 ， 所 以 有 ：(1.8)FnfPCpkOTm 47)31(59.06)(2min 滤 波 电 容 理 论 上 讲 越 大 越 好 ， 实 际 中 考 虑 价 格 我 们 选 择 4 个 450 伏 330 F 的电 解 电 容 ， 分 别 两 个 并 联 后 再 2 个 串 联 ， 最 后 等 效 为 一 个 耐 压 900 伏 330 F 的 电容 。 并 联 在 电 容 两 端 的 为 均 衡 电 阻 ， 由 于 电 容 的 各 个 参 数 不 是 完 全 相 同 ， 此

15、 均 衡电 阻 使 串 联 的 电 容 分 压 相 同 ， 同 时 在 电 源 关 断 时 ， 给 电 容 提 供 一 个 放 电 回 路 ， 此电 阻 阻 值 选 用 47k 。1.2.3 逆 变 电 路逆 变 电 路 的 功 率 开 关 器 件 选 用 的 是 以 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 (IGBT)为 核 心 的 智 能功 率 模 块 (IPM)。IPM 的 内 部 基 本 结 构 为 IGBT 单 元 组 成 的 三 相 桥 臂 ； （ 见 附 录 1）内 含 续 流 二 极 管 ； 内 置 驱 动 电 路 、 保 护 电 路 和 报 警 输 出 电 路 。 IPM 管 脚 的

16、 功 能 如表 1.1 所 示 （ 见 附 录 2）IPM 的 选 取 ：IGBT 正 反 向 峰 值 电 压 为 ：UM= = = (1.9)220V31IGBT 电 压 定 额 为 ：(1.10)M560.5.15d 式 中 ： 1.5安 全 裕 量1.2考 虑 大 电 容 滤 波 后 的 电 感 升 高 系 数IGBT 通 态 峰 值 电 流 为 ：IM= IN= = (1.11)8.0A79IGBT 电 流 定 额 为 ：IN= IM= (1.12)2.154.式 中 ： 1.5安 全 裕 量1.2考 虑 电 机 的 过 载 倍 数故 可 选 用 l0A/600V 的 IPM 模 块

17、， 型 号 为 PM10CSJ060。(4)续 流 电 路续 流 二 极 管 的 主 要 功 能 有 ：1)电 动 机 的 绕 组 是 电 感 性 的 ， 其 电 流 具 有 无 功 分 量 。 续 流 二 极 管 为 无 功 电 流返 回 直 流 电 源 提 供 “通 道 ”。2)当 频 率 下 降 、 电 动 机 再 生 制 动 状 态 时 ， 再 生 电 流 将 通 过 续 流 二 极 管 返 回 直流 回 路 。3)IGBT(Q1Q6)进 行 逆 变 的 基 本 工 作 过 程 ： 同 一 桥 臂 的 两 个 逆 变 管 ， 处 于 不停 的 交 替 导 通 和 截 止 的 状 态 。

18、 在 这 交 替 导 通 和 截 止 的 换 相 过 程 中 ， 也 不 时地 需 要 续 流 二 极 管 提 供 通 路 。(5)IPM 逆 变 器 开 关 频 率 的 确 定在 变 频 调 速 系 统 中 ， 采 用 SPWM 逆 变 电 路 可 以 大 大 降 低 逆 变 电 路 输 出 电 压 的谐 波 ， 使 逆 变 电 路 的 输 出 电 流 接 近 正 弦 波 。 谐 波 的 减 少 取 决 于 逆 变 电 路 功 率 元 件的 开 关 频 率 ， 而 开 关 频 率 则 受 器 件 开 关 时 间 的 限 制 。尽 管 智 能 功 率 模 块 IPM 的 开 关 频 率 可 达

19、 1020kHz， 但 在 确 定 逆 变 电 路 开 关 频率 时 ， 除 了 应 使 逆 变 电 路 输 出 接 近 正 弦 波 ， 还 要 考 虑 器 件 的 开 关 损 耗 ， 以 保 证 变频 调 速 系 统 具 有 较 高 的 效 率 。 因 此 ， 必 须 全 面 衡 量 后 再 确 定 采 用 IPM 的 逆 变 电 路的 开 关 频 率 。 本 系 统 开 关 频 率 选 用 1.8kHz。1.2.4 以 IPM 为 功 率 器 件 的 驱 动 电 路IPM 逆 变 驱 动 接 口 电 路 如 图 1.4 所 示 (上 桥 臂 只 以 U 相 为 例 )。 （ 见 附 录 3

20、）(1)驱 动 电 源1)当 控 制 信 号 (栅 极 驱 动 )与 主 电 流 共 用 一 个 电 流 路 径 时 ， 由 于 主 回 路 有 很 高 的di/dt， 至 使 在 具 有 寄 生 电 感 的 功 率 回 路 产 生 感 应 电 压 ， 而 导 致 可 能 感 应 到 栅 极 把本 来 截 止 的 IGBT 导 通 。 因 此 IPM 驱 动 电 源 需 要 采 用 四 组 隔 离 电 源 。 上 桥 臂 每 相各 用 一 组 电 源 ， 下 桥 臂 三 相 共 用 一 组 。2)驱 动 电 源 电 压 在 13.5V16.5V 之 间 ， IPM 能 够 正 常 工 作 。

21、若 电 源 电 压 高 于16.5V， 则 IGBT 因 驱 动 电 源 电 压 过 高 ， 保 护 性 能 得 不 到 充 分 的 保 证 ， 高 于 20V 时IGBT 管 的 栅 极 会 损 坏 ， 因 此 绝 对 不 能 加 如 此 高 的 电 压 。 若 电 源 电 压 低 于13.5V， IGBT 驱 动 电 源 电 压 不 足 ， 这 时 控 制 信 号 为 无 效 操 作 。 典 型 的 工 作 电 压 一般 取 15V。3)制 作 驱 动 电 源 时 ， 应 尽 量 降 低 纹 波 电 压 ， 还 要 使 电 源 的 附 加 噪 声 降 到 最 小 。可 在 控 制 电 源

22、输 出 端 接 10 F 及 0.1 F 的 滤 波 电 容 ， 保 持 电 源 平 稳 ， 修 正 线 路 阻抗 。(2)控 制 信 号 输 入控 制 电 路 电 流 与 开 关 频 率 有 关 (见 附 录 4)， 因 此 控 制 端 加 一 个 上 拉 电 阻 。DIkf上 拉 电 阻 应 尽 可 能 小 以 避 免 高 阻 抗 IPM 拾 取 噪 声 ， 但 又 要 足 够 可 靠 地 控 制 IPM。在 PWM 信 号 输 入 端 必 须 用 高 速 光 耦 进 行 隔 离 ， 一 般 取 光 耦 的 开 关 速 度tPLH、 tPHLl0kV/us， 通 常 的 型 号 有 ：HC

23、PL4504， TLP559， 6N136， 并 且 在 光 耦 输 出 端 接 一 个 0.1uF 的 退 耦 电 容 。故 障 信 号 Fo 使 用 时 必 须 注 意 ， 当 TFO=1.8ms(典 型 值 )有 效 时 ， IPM 会 关 断 开关 并 使 输 入 无 效 。 在 Fo 结 束 后 自 动 复 位 ， 同 时 输 入 有 效 。 因 而 在 Fo 输 出 时 系 统必 须 在 1.8ms 内 使 PWM 信 号 无 效 ， 等 故 障 排 除 后 方 可 重 新 有 效 。 低 速 光 耦 可 用于 故 障 输 出 端 。1.3 控 制 电 路 的 设 计本 系 统 采

24、 用 高 性 能 的 DSP(TMS320LF2407A)为 控 制 核 心 ， 与 频 率 输 入 电 路 、光 耦 隔 离 电 路 构 成 了 结 构 比 较 简 单 的 控 制 系 统 。DSP(TMS320LF2407A)的 最 小 系 统 电 路DSP 目 标 板 能 为 使 用 者 提 供 一 个 方 便 的 开 发 环 境 ， 开 发 者 可 以 根 据 自 己 实 际的 使 用 情 况 设 计 不 同 的 目 标 ， 本 次 研 究 使 用 的 TMS320LF2407A 目 标 板 是 能 够 开发 使 用 DSP 的 最 小 系 统 板 ， 它 主 要 由 TMS320LF

25、2407A 芯 片 、 电 源 电 路 、 时 钟 、片 外 数 据 /程 序 存 储 器 、 译 码 电 路 、 JTAG 仿 真 接 口 、 外 部 总 线 扩 展 接 口 等 组 成 。DSP 最 小 系 统 框 图 如 图 所 示 ：D S PT M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 AI O 口扩展数据 R A M程序 R A M电平转换 J T A G 仿真接口时钟L E D电源 :电源供电系统检测图 3.11 DSP 最 小 系 统 框 图(1)电 源 电 路DSP 最 小 系 统 仅 由 一 个 外 部 5V 电 源 供 电 。 由 于 LF2407A 芯 片 供 电 电

26、 压 只 能是 3.3V， 所 以 在 设 计 电 路 时 ， 需 要 将 5V 电 源 变 换 为 3.3V 给 CPU 供 电 ， 因 此 使 用了 TI 公 司 的 5V/3.3V 电 源 转 换 芯 片 TPS767D301， 该 芯 片 最 大 输 出 电 流 为 1A。 电路 如 下 图 所 示 ：1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 13-Jun-2008 Sheet of File: E:业业业业业业业业protel业业业1.DDB Drawn By:NC RESETNC NCGND NCEN 1FB/N

27、CIN 1OUTIN 1OUTNC2RESETNC NCGND NCEN NCIN 2OUTIN 2OUTNC NCNC NCTPS767D301SWJ6POWER+ C2810uFC170.1u+5VR14260KR1690.8KR1730.1KR15260KRSVCCC3133uC200.1uC340.1uR181.6KD1LED+5V电 源 转 换 电 路(2)时 钟系 统 主 时 钟 输 出 信 号 CLKOUT1 是 由 片 内 时 钟 发 生 器 产 生 的 ， 其 频 率 是 源 时钟 信 号 CLKIN 的 分 频 或 倍 频 。 时 钟 发 生 器 由 两 个 独 立 元 件

28、 、 一 个 振 荡 器 和 一 个锁 相 环 (PLL)组 成 。 内 部 振 荡 器 CLKIN 和 CLKOUT1 信 号 ， 使CLKOUT1=CLK1N/2。 PLL 可 使 CLKOUT1 的 频 率 是 CLKIN 频 率 的 一 个 倍 数 ， 并将 CLKOUT1 的 相 位 锁 定 在 从 CLKIN 上 。 电 路 如 下 图 所 示 。 通 过 一 个 连 接 于XTAL1/CLKIN 和 XTAL2 引 脚 之 间 的 晶 振 产 生 源 时 钟 信 号 ， 以 启 动 内 部 振 荡 器 。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber R

29、evisionSizeBDate: 13-Jun-2008 Sheet of File: E:业业业业业业业业protel业业业1.DDB Drawn By:R116C10.03uC26800p C522PC422P CRYSTALY1PLF2PLLFXTAL1/CLKINXTAL2时 钟 电 路(3)JTAG 仿 真 接 口 电 路几 乎 所 有 的 高 速 控 制 器 和 可 编 程 器 件 都 配 有 标 准 仿 真 接 口 JTAG， LF2407A 也不 例 外 。 JTAG 扫 描 逻 辑 电 路 用 于 仿 真 和 测 试 ， 采 用 JTAG 可 实 现 在 线 仿 真 ， 同

30、 时也 是 调 试 过 程 装 载 数 据 、 代 码 的 唯 一 通 道 。 通 过 JTAG 接 口 可 将 仿 真 器 与 目 标 系统 相 连 接 。 JTAG 接 口 符 合 IEEE1149.1 设 计 标 准 。 为 了 与 仿 真 器 通 信 ， DSP 控 制板 必 须 带 有 14 引 脚 的 双 排 直 插 管 座 。 LF240ADSP 和 14 针 仿 真 插 座 连 接 的 电 路 如图 3.15 所 示 。1 23 45 67 89 1011 1213 14TMSTDITDOTCKEMU0TRSTEMU1+5VC50.1uR2620kR2620k+3.3V图 3.

31、15 JTAG 引 脚 图1.3.1 频 率 信 号 输 入 电 路本 变 频 调 速 系 统 对 应 的 输 出 频 率 范 围 是 060Hz， 步 进 为 1Hz， 因 此 要 求 输 入信 号 可 以 输 入 0 到 60 中 的 任 一 个 数 。 本 系 统 采 用 8 路 拨 段 开 关 来 输 入 8 路 高 、 低电 平 对 应 二 进 制 数 0、 1， 这 8 位 二 进 制 数 的 值 就 是 输 入 的 频 率 值 ， 从 而 达 到 调 节输 入 频 率 值 的 目 的 。 拨 段 开 关 产 生 的 这 8 路 信 号 再 连 接 到 DSP 的 PE 口 ， D

32、SP 采集 这 8 路 信 号 再 在 程 序 中 作 相 应 的 处 理 以 产 生 对 应 频 率 的 输 出 信 号 。 电 路 如 下 图 所示 。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 13-Jun-2008 Sheet of File: E:业业业业业业业业protel业业业1.DDB Drawn By:12345678161514131211109s1RESPACK4R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8+5VP0P1P2P3P4P5P6P7P0P1P2P3P4P5P6P7频 率 信 号 输 入 电

33、路1.3.2 光 耦 隔 离 电 路本 系 统 设 计 时 选 择 东 芝 公 司 的 光 电 耦 合 器 TLP559， 该 光 耦 的 开 关 速 度tPLH=0.5 s， tpHL=0.3 s、 共 模 抑 制 比 CMR10kV/ s。 电 路 连 接 时 使 光 耦 与 IPM控 制 端 子 间 的 布 线 最 短 ， 布 线 阻 抗 最 小 。 TLP559 为 发 光 二 极 管 驱 动 方 式 ， dv/dt 的耐 量 小 ， 故 采 用 光 耦 阴 极 接 限 流 电 阻 的 驱 动 电 路 形 式 ， 电 路 如 下 图 所 示 。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 13-Jun-2008 Sheet of File: E:业业业业业业业业protel业业业1.DDB Drawn By:TLP55974HC14470+15V 0.1uF 10uF10K+VccVinGND+15V光 耦 隔 离 电 路附 录 1IPM 内 部 基 本 结 构 原 理 图