引言：
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,，交流電機的變頻調(diào)速更成了電機控制的主流,，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,，使得變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)揮了交流電機本身固有的優(yōu)點，解決了交流電機調(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)他們的特點設(shè)計了通用變頻電路設(shè)計方案。在實際的應(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)用于三相異步電機的SVPWM控制。
1 變頻調(diào)速方式
交流電機的轉(zhuǎn)速為n1=60f/p,，再根據(jù)異步電機轉(zhuǎn)差率s=(n1-n)/n1,，可知交流異步機的轉(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)計時,，需要實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)計的高速DSP芯片,，擁有峰值每秒運行150萬條指令(MIPs)的處理速度和單周期完成32×32位MAC運算的功能,，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)實時快速的數(shù)字信號處理算法,，在三相異步電機控制系統(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位的單口隨機存儲器(SARAM)
HO：一塊8Kx16位的單口隨機存儲器
M0和M1：兩塊1Kx16位的單口隨機存儲器
(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)計的,，它彌補了以往功率模塊在使用和可靠性方面的很多不足，是專為三相電機驅(qū)動設(shè)計的功率模塊,。其特點如下：提高可靠性和馬達(dá)效率(死區(qū)時間減少),，單電源15V供電，實現(xiàn)低損耗,；熱阻低,，易于散熱，簡化了設(shè)計空間,，低成本單模封裝,，方便了集中安裝接散熱片，為設(shè)計高集成度的電機控制器提供了便利,；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,。
UP，VP,，WP,，UN，VN，WN,，控制信號輸入端子,，此為控制開關(guān)運行的信號輸入端子，信號為電壓型,。這些端子在模塊內(nèi)部與5V CMOS施密特觸發(fā)電路相連,。各信號線可直接與單片機輸出口連接，無需接光耦隔離,。
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)在非常靠近P,，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
4．1 主結(jié)構(gòu)框圖
系統(tǒng)電路部分主要包括DSP芯片TMS320F2812、RS232與CAN總線的通訊部分,，外擴展的SRAM芯片,，驅(qū)動電機的DIP-IPM模塊，電流檢測電路和位置傳感器檢查電路。人機界面包括按鍵和液晶顯示,，電源部分分為DSP與DIP-IPM模塊的電源,、電機的驅(qū)動功率電源。
如圖3所示,，為三相電機調(diào)速通用電路總框圖,，采用TMS320F2812芯片后，可以最大限度的利用其自身自帶的硬件資源,，如：AD,、PWM、EVA和EVB,，為電路設(shè)計提供了很多便利,。電壓和電流信號可以采用AD采樣的方式，位置,、轉(zhuǎn)速可以采用編碼器中斷方式實現(xiàn),。
4．2 電流檢查
接下來闡述該系統(tǒng)的電流檢查電路，如圖4所示,，為電流檢測的原理圖,。
做到比較精確的死區(qū)時間的補償，對電流方向的正確判別是相當(dāng)關(guān)鍵的,。一般方法是采用快速電流互感器檢測輸出相電流的過零點來實現(xiàn),，由于電流波形中噪聲成分大，再加上負(fù)載的波動及外界干擾很難正確判別相電流的過零點,，采用電流檢查后可以實現(xiàn)閉環(huán)控制，需要檢測三相電動機定子電流,。實際的電路中可以檢測其中兩相,，另一相可計算得到。在軟件中還可以對硬件電路的一些缺陷進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a償,，提高了控制器的可靠性,。
可以根據(jù)電路特點選取不同類型的霍爾電流傳感器，比如CHB-50P型,，最大檢測電流可以達(dá)到為100A,，響應(yīng)時間小于1μs。根據(jù)測試需要選擇原級／次級匝比,，例如原級／次級匝比為1：500時,，原級額定電流為5A，次級額定輸出電流為10mA,。外接測量電阻選擇RA=200Ω,。CHB-50P測量電阻得到的兩相電流信號從TMS320F2812的AD管腳送入片內(nèi)A／D，轉(zhuǎn)換為電流信號的數(shù)字量。對于TMS320F2812,，A／D轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓量程為0V～3．3V,，但測量電阻兩端電壓額定范圍是-2V～2V，因此必須對模擬輸入電壓進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,，使其調(diào)整到0～3V范圍內(nèi),。
4．3 電壓檢查：
如圖5所示，為直流電壓檢測電路,，在系統(tǒng)的工作過程中需要實時檢查DIP-IPM模塊的P端和N端的電壓,，根據(jù)這個電壓可以適當(dāng)?shù)膶λ惴ㄟM(jìn)行修正。其中U1為隔離霍爾電壓傳感器,，電路中采用的是磁平衡式霍爾電壓傳感器HFV25-P,。它采用+15V和-15V雙電源供電，傳感器的前端負(fù)載電阻為RA,，后端負(fù)載電阻為RB,，匝數(shù)比為3000：1200，如果P和N之間的電壓在500V內(nèi),，RA電阻設(shè)定為500K,，則前端的電流為1mA。由于匝數(shù)比的差異,，后端電流為0．4mA,，最后輸入到DSP的信號在2V左右，為了滿足輸入到DSP的電壓要在O-3．3V范圍內(nèi),，則RB電阻可以選取5K左右,。
5 結(jié)論：
TMS320F2812和IPM模塊都是隨著電子技術(shù)發(fā)展的新型元件，結(jié)合TMS320F2812的高速處理能力,，以及IPM模塊在電力電子產(chǎn)品上的新突破,，提供了完整的電流和電壓檢查電路，為三相電機變頻調(diào)速提供了方便,。