中小功率通用型变频器设计.docx
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中小功率通用型变频器设计
基于DSP的通用型中小功率变频器课程设计报告
学院：
机电工程与自动化学院
专业：
电气工程
成员：
张宏军刘垒李瑶姜春阳
吴光耀高强仲乾元江龙
2015年1月10日
设计目标
拟设计一台通用型的中小功率变频器，基于SVPWM控制的该智能变频器可以与其他的监控装置联接,从而实现对变频器的电流、电压、频率、电动机的起动电流、转矩等参数进行有效监控。
该智能变频器还可以避免因电力电子器件失效或其他故障而引发的恶性事故的发生。
以下是其要实现的主要功能:
1.在较宽范围内使电动机转速连续可调,大幅度降低系统能耗、提高性价比、同备高时减少逆变器输出的谐波、产生具分辨率的PWM脉冲。
低速时也有较快的响应速度使系统达到较好的调速性能。
2.通过DSP实现各种控制算法,减少系统噪声和转矩脉动以增强可靠性。
3.通过MATLAB对系统进行仿真,并对仿真结果进行分析。
第1章变频器硬件电路的设计
1.1变频器的硬件组成
根据变频器的基本原理,设计将变频器硬件分为两个部分,包括完成整流逆变环节的功率电路和完成控制部分的控制电路,这样的设计能更方便地实现电气隔离。
系统硬件主电路结构如图1-1所示。
图1-1变频器硬件电路结构图
功率电路输入为三相380V交流电,经二极管整流电路整流、电容滤波之后输出直流电给IPM（集成功率模块）,IPM逆变由控制电路部分输出驱动信号控制,输出三相变频交流电源驱动三相交流电动机。
控制电路部分,通过软件算法实现的PWM信号由DSP输出,由于为了解决DSP输出的PWM控制信号驱动能力较弱的问题,同时为了实现低压数字电路和动力电路之间隔离,使用了驱动芯片对PWM信号进行放大和隔离,驱动芯片输出的驱动信号可以直接驱动IPM中的各个IGBT,完成逆变环节。
为了实现系统的闭环控制,IPM输出的三相交流电经电流互感器采样输出信号经放大之后输出至DSP,DSP经DA转换之后对输出进行修正。
转速通过控制电路部分包括按键、显示电路,保护电路,以及采样电路。
设计将这两部分单独制作,以便于电气隔离,且模拟部分对数字部分的干扰会更小。
1.2功率电路的设计
功率电路指变频器动力电能流过的电路,主要分为整流电路,逆变电路,以及控制逆变模块的光耦驱动电路,这一部分主要功能是完成变频器频率变换,并实现对电动机的控制。
由于功率电路电压相对较高,电能流动较大,在实际电路板制作中一般将这一部分单独制板,便于电气隔离以减小对控制电路的影响。
1.2.1整流电路
电动机的整流电路如图1-2所示,主要包括整流电路,滤波电路,和限流电路三个部分。
图1-2整流电路
（l）滤波电容选择
三相桥式整流电路在有电容滤波时,整流之后的直流电压Ud的范围在2.34U2至2.45U2之间,其中U2为三相电源相电压有效值,即22Ov,所以整流滤波之后的直流电压为514.8V至539V,并且考虑到电网可能有10%的波动,所以所选滤波电容必需大于592.9V,为了使变频器能够应对电网的瞬时供电中断,一般要求变频器通过自身的储能满足10ms的相对稳定电压输出（电压降小于10%）,按照设计要求,3kw电动机额定电流为5.8A,10ms消耗的电量为0.058C,因此电容的储电量应大于0.058C,根据以上要求,选用600V/l000
F的电解电容作为滤波电容。
（2）整流模块选择
三相桥式整流电路输出电流平均值为
（1-1）
（1-2）
计划选用3KW交流电动机,取整流之后直流最小值进行计算,则可得直流电路输出电流平均值为5.8A,但是由于三相电动机在启动过程中电流较大,一般最大电流取为额定电流的6倍,即34.8A,二极管承受的最大反相电压为线电压的峰值,即
（539V）,据此,可以选用三相整流桥模块DF50BA80,其输出最大直流电流可达50A,二极管可承受最大反相电压为8OOV,能较好的满足电动机试验过程中过载过流。
（3）限流电路
由于在变频器通电之后,如果三相电源整流之后输出的直流电直接加在滤波电容两端,由于电容初始电压为0,必然产生一个很大的冲击电流,而且容量较大,冲击电流的时间也会较长,同时还会引起电源电压大幅度下降,形成干扰,所以需要在整流电路和滤波电容之间增加限流电路。
本方案采用的是继电器控制方式的限流电路。
即在电源刚接通的时候将电阻串入直流电路,当电容两端电压升高到一定值之后,通过继电器将电阻两端短接,使其从主电路移除,避免电阻长时间接在主电路中,既消耗电能,又产生了大量热量。
在这个过程中,涉及到电容两端电压检测,一般的方法是采用延时电路,即让电阻串入直流主电路,通电一段时间之后接通继电器将其移除,这种方法容易产生误动作,另一种方法是利用电压检测电路来检测电容两端电压,这样又增加了电路的复杂程度。
本方案中采用的是,利用电源电路与直流母线电压的关系,如图1-3所示。
图1-3:
限流电路
接通电源时,电容电压较低,此时电源电路不能工作,不能输出24V电源,继电器开路,直流电流流过电阻R给电容充电,当电容两端电压上升到一定值之后,电源电路开始工作,能输出24V电源继电器闭合,电阻R被短接,移除电路。
当变频器关断电源时,继电器线圈通过二极管D放电。
选用电阻为2.1K/6W,试验证明,在通电1-2秒内,继电器就可以闭合。
（4）掉电检测电路
变频器在运行过程中,可能会发生因负载过大而线路长时间过载,这样就需要在电路中增加熔断器以保护变频器,但是,变频器突然中断供电在实际运行过程中会带来数据丢失,DSP误动作等问题,所以,在熔断器断路时,应该给DSP一个信号,让DSP完成必要的数据保护以及控制。
掉电检测电路如图1-4所示:
图1-4:
掉电检测
正常情况下,直流电流从P’经熔断器FU,此时,没有电流流过电阻R1,光耦输出端两端断开,DSP引脚IOPC1采样为高电平,当熔断器因电路过载而断开时,电流流经R1（5OKΩ）,光耦输出端两端连通,DSP引脚IOPC1采样为低电平,当DSP检测到断路信号时,应该马上进行必要的数据保护,同时,控制变频器停机,在这个过程中,DSP由电容中残余的电能供电。
1.2.2逆变电路
逆变电路完成直流电向三相交流电转换功能,它一般由六个IGBT组成三相桥式逆变电路,通常还需要设计IGBT的保护电路,这样就使整个电路设计变得复杂,稳定性也会随之降低,本设计中选用IPM（集成功率模块）7MBI50N-060,它将完成逆变所需的六个IGBT以及IGBT的保护电路集成在一个模块中,使控制更加简单,电路的稳定性也得以提高。
其内部结构如图1-5所示,IPM内部集成了7个IGBT,其中六个IGBT构成三相逆变主电路,另外一个起防止泵生电压过高的作用。
IPM内部集成了过流保护和驱动电压欠压过压保护电路。
图1-5:
IPM内部结构图
（l）过流保护
当流过IGBT的电流过大时,IPM内部就能通过电阻分压检测到,IPM就能自动切断IPM的驱动信号。
从而起到对IGBT过流保护的作用。
·驱动信号欠压过压保护
当驱动信号加到IGBT门极的时候,如果加在门极和栅极之间的电压差过大,很容易造成IGBT烧毁的现象,IPM内部采用双极性稳压二极管串联的方法能稳定IGBT开通和关断的电压,防止电压差过大。
（2）死区时间和载波频率的确定
IPM的死区时间要求和载波频率的限制,对变频器的设计具有举足轻重的作用。
如果选用IPM器件,具有小的死区时间要求和较高的载波频率,将会极大提高交流电动机调速系统的调速性能。
通过对上表数据的分许,可以设计在电压空间矢量驱动程序时,死区时间可以选择为2
s,载波频率设置为10K。
1.2.3光耦驱动电路
由于DSP输出的PWM信号驱动能力较弱,且为了实现低压数字电路和高压模拟电路之间的电气隔离,需要采用光耦隔离,另外,DSP芯片输出信号频率较高,需要反应速度较快的光祸。
设计中采用的是一款专用的IGBT驱动芯片HCPL-316J。
（l）驱动芯片介绍
HCPL-316J是由Agilent公司生产的一种IGBT门极驱动光耦合器,其内部集成集电极发射极电压欠饱和检测电路及故障状态反馈电路,为驱动电路的可靠工作提供了保障。
其特性为:
兼容CMOS/TTL电平;光隔离,故障状态反馈;开关时间最大500ns;“软”IGBT关断;欠饱和检测及欠压锁定保护;过流保护功能;宽工作电压范围（15-30V）;用户可配置自动复位、自动关闭。
DSP与该耦合器结合实现IGBT的驱动,使得IGBTVCE欠饱和检测结构紧凑,低成本且易于实现,同时满足了宽范围的安全与调节需要。
HCPL-316J内置丰富的IGBT检测及保护功能,使驱动电路设计起来更加方便,安全可靠。
其中下面详述欠压锁定保护（UVLO）和过流保护两种保护功能的工作原理:
（1）IGBT欠压锁定保护（UVLO）功能
在刚刚上电的过程中,芯片供电电压由0V逐渐上升到最大值。
如果此时芯片有输出会造成IGBT门极电压过低,那么它会工作在线性放大区。
HCPL-316J芯片的欠压锁定保护的功能（UVLO）可以解决此问题。
当VCC与VE之间的电压值小于12V时,输出低电平,以防止IGBT工作在线性工作区造成发热过多进而烧毁。
（2）lGBT过流保护功能
HCPL-316J具有对IGBT的过流保护功能,它通过检测IGBT的导通压降来实施保护动作。
在其内部有固定的7V电平,在检测电路工作时,它将检测到的IGBTC～E极两端的压降与内置的7V电平比较,当超过7V时,HCPL-316j芯片输出低电平关断IGBT,同时,一个错误检测信号通过片内光耦反馈给输入侧,以便于采取相应的解决措施。
在IGBT关断时,其C～E极两端的电压必定是超过7V的,但此时,过流检测电路失效,HCPL-316J芯片不会报故障信号。
实际上,由于二极管的管压降,在IGBT的C～E极间电压不到7V时芯片就采取保护动作。
（2）驱动电路的设计
根据HCPL-316J参数,VIN+与VIN-之间的电压差为其输入信号,输入电压大于2.0V时为逻辑高,输入电压低于0.8V时为逻辑低。
这种电压标准正好和DSP的电压输出标准相符,所以VIN-接地,VIN+接DSP的PWM信号输出引脚。
在光耦的输出测,需要采用独立双极性电源,由变频器的电源模块提供,Vcc2-VE为15V,VEE-VE为-15V,输出VOUT价经限流电阻限流后控制IGBT导通与关断。
驱动电路如图1-6,种情况下VOUT输出信号电平为15V或-15V。
图1-6光耦驱动电路设计
1.3控制电路的设计
控制电路的作用是采集各种信号并完成变频器控制算法,参数的设置、修改、保存以及显示,因此它主要包括DSP2407基本电路以及其外围的按键输入,LCM输出显示,片外存储器和采样电路,为了便于开发,这一部分还包括DSP存储与仿真电路。
1.3.1LCM显示电路
LCM为字符型点阵式LCD模块（LiquidCrystalDisplayModule）的简称。
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母数字和符号等点阵式液晶显示模块。
一般每个字符图形符号由5*7或5*10的点阵组成。
每个字符点阵之间有一个空点距的间隔起到字符间距和行间距的作用,本操作面板上使用的LCM型号为LCD1620,它能显示两行字符,每行可显示16个5*7或5*10点阵组成的字符图形,其外部引脚包括片选信号,读写信号,数字电源,以及背光电源,以及并行数字信号线。
该芯片内部驱动芯片为KSOO60,内部字符发生存储器已经存储了包括阿拉伯数字、英文大小写字母,常用符号等192个点阵字符图形,并且能以多种点阵形式输出,此外他还预留空间能够让用户自定义8个字符图形,可以方便用户定义汉字库,虽然字库小,但是考虑到本设计,已经能够基本满足要求,DSP与LCD1620连接的硬件电路如图1-7所示。
其中,VO引脚为背光亮度调节。
图1-7LCD显示电路图
由于LCD1620电平为标准TTL电平,要使其与DSP芯片的LVTTL电平连接,就必需使用电平转换芯片74LVC4245,它能完成5V电平到3.3V电平的双向转换,对于LCM而言,当RS为高电平时,无论进行读操作还是写操作,指向的对象均为数据寄存器,当RS为低电平时,对其进行写操作时指向数据寄存器,而读操作则指向地址寄存器。
R/W为读写控制信号,低电平读操作,高电平写操作,E为使能信号输入端,读操作时,高电平有效,写操作时,给该引脚输入一个下降沿完成数据传输。
当DSP对LCM进行读操作时,LCM通过其忙标志BF（数据位最高位）向DSP提供其内部工作情况,当BF=1时,表示模块正在进行内部操作,即内部处于忙碌状态,此时模块不接收外部的指令和数据;当BF=O时,模块为准备状态,随时可以接收外部指令和数据。
由于每一条指令的处理时间不同,所以在输入新的指令或者数据前,一定要读取BF标志。
1.3.2按键扫描电路
根据变频器的设计需要,有些参数需要显示,有些参数需要修改,这就需要按键扫描电路配合,按键电路图如图1-8所示,五个按键,通过扫描五个按键连接上拉电阻端的电压,就可以确定按键是否按下。
图1-8按键扫描电路
按键的作用是配合LCM使用的,在设计的变频器中,需要显示和修改的参数如表1-1所示
表1-1变频器参数表
序号
名称
单位
显
示
组
参
数
1
输出电源频率
Hz
2
电动机转速
r/min
3
电动机转向
4
直流母线电压
V
5
输出相电流有效值
A
6
变频器温度
°C
设
置
组
参
数
1
上限频率
Hz
2
下限频率
Hz
3
上限电压
V
4
下限电压
V
5
风扇控制
*（l）电动机转向没有单位,只有正转（数值0）和反转（数值1）。
*
（2）风扇控制没有单位,只有停（数值0）和运行（数值1）。
根据设计要求,设计LCM显示和按键控制面板如图1-9所示:
五个按键分别命名为“前”,“后”,“上”,“下”,“确定”,默认情况时,LCD显示变频器输出的频率,此时按前后键能选择参数组,按“确定”进入参数组,前后键选择各个不同的参数,按“确定”键选择显示参数或者进入设置参数,此时,如果选择某一显示参数,则LCD直接跳出并显示所选参数,如果进入设置参数,则该参数左起第一位闪烁,按上下键能加减该位,按前后键能选择需要修改的位,修改完成按确定,数据被送入DSP,同时LCD返回显示。
图1-9变频器按键与显示板
1.3.3片外存储器
在变频器运行过程中,很多参数设置需要保存,特别是在变频器运行出现异常的情况下,就必须将数据保存起来,为了实现变频器参数设定的存储和面板程序的可靠运行,本设计采用一款集上电复位、看门狗定时器、降压管理和串行通讯于一体的EEPROMX25045。
当上电电压超过一定值时,RESET引脚将会输出一个宽度为100-400ms的复位脉冲。
在工作过程中,如果VCC引脚电平下降过多,则RESET引脚会输出一个100-400ms的复位脉冲使DSP可以可靠运行,该芯片内部从串行EEPROM具有块锁保护功能。
在对X25045进行任何操作前,DSP都必需给cs一个下降沿,由于芯片在上
电后自动处于写禁止状态,并且对其写入一个字节,一页或者写入状态存储器后也将自动处于写禁止状态;所以在进行任何写操作前都要进行写使能操作。
1.3.4采样电路
采样电路主要是起到对变频器一些参数的反馈和监视,便于实现闭环控制并实时监控变频器的正常运行。
在本设计中,采样电流包括电流采样电路,电压采样电路,温度采样电路和转速采样电电路。
（l）电流采样电路
电流采样电路的作用是检测输出电流大小,并以此作为电动机闭环控制中电流闭环的反馈量,根据电路电流范围以及产品的特性,电流传感器选用日本甲神公司的三相模块式霍尔电流互感器HC-PT05OV4B15,该模块内部集成的元件完成了将互感器的电流输出向电压输出转换的过程,因此,它直接输出与被测电流成线性关系的电压值,因此,它的输出为交流电压。
这种互感器具有结构简单,性能稳定,耐压值较高等优点。
图1-10电流采样电路
由电流互感器的性能参数可知,需要为其提供双向15V电源,由于在±15V范围内其额定输出±4V,要使DSP对该输出进行AD转换,必须将电平转换至LVTTL范围内。
设计电路图如图1-10所示:
由以上参数可知互感器最大输出可达12V,远远超出DSP的工作电压,因此要对其输出电压进行降低,如上图所示,采用TL084运算放大器反馈电阻和是反相级输入电阻分别选取20KΩ和80KΩ。
正向输入端应用滑动变阻器将+5V电压分压,调节滑动变阻器使放大器正相端输入电压为1,通过计算可知,当电流互感器输出在-4V-4V之间变化时,运算放大器输出值在0.25V-2.25V之间变换,并且输出与输入成线性关系,此电压范围可以直接输入到DSP的AD转换引脚。
（2）电压采样电路
供电线路上的交流三相电源电压常常波动,这会引起整流滤波之后直流电压值,为了实现变频电压的准确输出,必需实时对直流母线电压进行采集,然后根据所测值准确地控制逆变器的导通与关断。
设计中采用霍尔电压传感器LV20-P,LV20-P具有出色的精度、良好的线性度、低温漂、最快的反应时间、宽频带、无插入损耗、抗干扰能力强、电流过载能力强等优点。
根据前面章节所述,直流母线电压在考虑波动的情况下最大为592.9V,因为输入电流需要小于10mA,经过计算并综合考虑功耗等可得原边限流电阻需取
60kΩ/10W,输出电流小于20mA,所以选用电阻120Ω,使输出电压值小于2.4V,正向直流电流从+HT到-HT方向流动时获得正向输出电流据此设计电路图如图1-11所示。
工作电源与DSP共地,输出直流电流经电阻变换成直流电压之后输入到DSP的AD转换引脚。
图1-11直流母线电压采样电路
（3）温度采样电路
在变频器运行过程中,IGBT由于频繁地导通关断会产生很大的热量,如果长时间温度过高,很容易造成半导体器件的损坏,在设计中,除了要有良好的散热风扇之外,对温度的采集监控也不可缺少。
温度采样信号选用T255电阻型温度传感器,它是一款用来检测半导体温升的理想模拟器件,主要配合运放整形或直接送入DSP的AD口采集温度信息,并作出实时显示或过温保护等动作。
T255是以其阻值变化来反映温度变化的,顾选用相应电阻分压来获取对应电压值是非常重要的参数。
T255电阻值与温度的关系见附录,当温度在-20O℃至100O℃之间变化时,电阻阻值从37.49kΩ到0.453kΩ之间变化,设计电路图见1-12。
图1-12温度采样电流
（4）转速采样电路
要实现矢量控制,就必须对电动机的实际转速进行测量,因为TMS32LF2407本身的事件管理器中有正交编码脉冲电路,用于连接光电编码脉冲以获得旋转机械的位置和速率,本方案中转速测量就采用旋转编码器。
每个事件管理器模块都有一个正交编码器脉冲（QEP）电路。
当QEP电路被使能时,可以对CAP1/QEPI和CAP2/QEP2（EVA模块）或CAP3/QEP3和CAP4/QEP4（EVB模块）引脚上的正交编码输入脉冲进行解码和计数。
正交编码脉冲电路可用于连接光电编码器获得旋转机械的位置和速率等信息。
当QEP电路被使能时,CAP1/CAP2和CAP4/CAP5引脚上的捕获功能将被禁止。
正交编码脉冲包括两个脉冲序列,是频率变化的正交（相差四分之一周期,即90。
）脉冲序列。
当电动机轴上的光学编码器产生正交编码脉冲时,通过检测两个序列中哪个序列领先,就可测出电动机的转向。
角位置和速度可以通过脉冲计数和脉冲的频率测出。
QEP电路的方向检测逻辑测定哪个脉冲序列的相位领先,然后产生一个方向信号作为通用定时器2或4的方向输入。
如果CAP1/QEP1但VB为CAP4/QEP3）输入为相位领先的脉冲序列,选定的定时器递增计数。
如果CAP2/QEP2（EVB为CAP5/QEP4）输入为相位领先的脉冲序列,选定的定时器递减计数。
两个正交编码输入脉冲的两个边沿均被QEP电路计数,因此送到通用定时器2或4的QEP电路产生的时钟频率是每个输入序列频率的四倍。
这个产生的时钟与通用定时器2或4的时钟输入端相连。
设计采用的正交编码脉冲模块为OVW2-10-2MD,其引脚见表1-2。
在实际电路连接中,采用EVA中的正交编码电路,将A+,B+分别与QEP1,QEP2引脚连接,因为编码器每圈输出4000个脉冲,所以其每圈产生16000（3E80h）个脉冲,所以比较寄存器载入设定值3E80h。
表1-2编码器的引脚定义
VCC
+5VDC输出
编码器红线
B-
B项负输入
编码器蓝线
B+
B项正输入
编码器绿线
A-
A项负输入
编码器黄线
A+
A项正输入
编码器白线
GND
电源地
编码器黑线
Ground
大地
编码器屏蔽线
EVA模块中的QEP电路设置如下:
·为GP定时器2比较寄存器载入设定值3E80h。
·配置T2CON寄存器,将通用定时器2设置成定向的增/减计数模式,以正交编码器脉冲电路作为时钟源,并使能通用定时器2。
·配置CAPCONA寄存器以使能正交编码脉冲电路。
在每个定时器比较匹配时,计算两次比较匹配之间时间差,就可以计算出电动机的实时转速。
1.3.5DSP存储与仿真接口电路
DSP2407内部集成了32K的FLASH,但是程序调试过程中如果每次都烧写FLASH,既浪费时间,又不便于在线调试。
为了便于DSP的设计和调试,需要为其添加RAM区。
图1-13DSP存储与仿真接口电路
设计时在DSP控制板上增加了一块RAM芯片6lLV6416,它的存储空间为64k每个存储单元16位。
并将其分为两部分,前32K空间分配给数据存储区的0x8000起的部分,后32K分配给程序存储区的0x8000起的部分,设计电路图如图4-15所示:
A15引脚连接DSP的外部数据存储空间选择信号DS,CE引脚连接外部程序存储空间选择信号PS与DS或逻辑输出CS。
此外,如图1-13所示,控制板上还配有一个JTEG接口,便于DSP与仿真器的连接与调试。
1.4电源设计
1.4.1功率电路电源
由于整个系统需要5V直流电源,±15V模拟电源,为了增加系统稳定性,选用上海嘉尚电子的一款专为设计逆变装置而又使用IPM的系统而设计的反激式开关电源JS158,该电源具有电流强劲,输入电压范围宽,保护全等优点。
其额定直流输入电压为170V-700V。
9路输出电压,8路隔离输出。
可为系统中的IPM,CPU/DSP,光耦,运放,继电器,霍尔电流传感器,散热风扇提供电源,严格的绝缘隔离高达2500V。
根据其性能参数可以设计电源分配如下:
5V电源用于TTL电平器件,24V输出给整流电路的限流继电器供电,±15V电路给运算放大器以及电压、电流互感器供电。
另外四路15V电源合成两路±15V电源分别供给逆变电路上下桥臂IGBT的驱动芯片。
1.4.2DSP控制电路电源
TMS320LF2407A采用了高性能静态CMOS技术,供电电压降到了3.3V;一方面减小了系统功耗,另一方面却提出了更高的供电电源要求,本设计中选用德州仪器生产的仰TPS7333QD作为DSP系统的电源芯片,应用5V直流电给该芯片芯片通电,TPS7333同时还能提供上电复位功能,当TPS具体电路设计如图4-14所示。
开TPS7333输出的3.3V直流电压经磁珠分为模拟3.3V和数字3.3V,在布线时模拟地和数字地也是通过磁珠相连的。
图1-14电源电路
第2章变频器系统的软件设计
2.1软件总体设计
系统软件主要分为两部分。
一部分是电机运行参数的控制，另一部分是DSP控制软件部分。
电机运行参数的控制主要进行电动机的起动控制、停机控制、
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