專利名稱：一種基于數(shù)字信號(hào)處理器控制的變頻電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及變頻電源，尤涉及一種基于數(shù)字信號(hào)處理器控制的變頻電源。
背景技術(shù)：
儲(chǔ)緯器是無(wú)梭織機(jī)上儲(chǔ)備緯紗的專用設(shè)備，大多采用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 根據(jù)雙噴儲(chǔ)緯器的工藝特點(diǎn)，其變頻電源必須滿足如下技術(shù)要求能同時(shí) 獨(dú)立調(diào)節(jié)兩臺(tái)異步電機(jī)的速度；能通過(guò)開(kāi)關(guān)量控制異步電機(jī)升降速時(shí)間； 體積小、功耗低；噪音小、節(jié)能效果好；可靠性高；成本低，適宜于批量 生產(chǎn)。
采用通用變頻器作為儲(chǔ)緯器的變頻電源存在以下缺點(diǎn)
1、 每臺(tái)變頻器雖然能同時(shí)控制兩臺(tái)異步電機(jī)，但是不能獨(dú)立調(diào)節(jié)各異 步電機(jī)的速度，各異步電機(jī)只能工作在同一轉(zhuǎn)速；
2、 通用變頻器的接口單一，不能通過(guò)開(kāi)關(guān)量控制異步電機(jī)升降速時(shí)間；
3、 體積大，噪音大；
4、 若要同時(shí)獨(dú)立調(diào)節(jié)兩臺(tái)異步電機(jī)的速度，必須配置兩臺(tái)變頻器，成 本增加，可靠性低。
由以上分析不難看出，采用通用變頻器作為儲(chǔ)緯器的變頻電源是難以 滿足上述要求的。
控制電路是整個(gè)專用變頻電源設(shè)計(jì)的核心，其主要功能是產(chǎn)生三相六 路脈寬調(diào)制信號(hào)，同時(shí)根據(jù)開(kāi)關(guān)量的輸入狀態(tài)控制異步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。 在常見(jiàn)的變頻器控制電路設(shè)計(jì)中，較多采用單片機(jī)或?qū)Ｓ眉尚酒?如 HEF4752， SLE480等)，這樣使得硬件電路較為復(fù)雜，難以滿足儲(chǔ)緯器專用 變頻器體積小和成本低要求。而且上述芯片僅具有6路脈寬調(diào)制信號(hào)的輸出，不能同時(shí)滿足雙噴儲(chǔ)緯器兩路電源所需的12路脈寬調(diào)制信號(hào)的要求。
常見(jiàn)變頻器中多采用分立功率開(kāi)關(guān)元件，使得驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路復(fù) 雜，造成變頻器穩(wěn)定性和可靠性差的缺點(diǎn)。本變頻電源采用了性價(jià)比很高 的智能功率模塊IPM作為逆變電路的主要功率器件，簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè) 計(jì)，縮小了電路體積，并充分利用智能功率模塊IPM集成的保護(hù)單元實(shí)現(xiàn) 了快速、可靠的保護(hù)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)的儲(chǔ)緯器專用變頻器不能獨(dú)立調(diào)節(jié)各異步電機(jī)的速
度，各異步電機(jī)只能工作在同一轉(zhuǎn)速；不能通過(guò)開(kāi)關(guān)量控制異步電機(jī)升降 速時(shí)間；硬件電路較為復(fù)雜，難以滿足儲(chǔ)緯器專用變頻器體積小和成本低 要求且噪音大、穩(wěn)定性和可靠性差；若要同時(shí)獨(dú)立調(diào)節(jié)兩臺(tái)異步電機(jī)的速 度，成本增加，可靠性低的等一系列問(wèn)題，為此，本發(fā)明的目的是提供具 有較大的程序存儲(chǔ)空間和豐富的外設(shè)資源、僅需少量外圍電路、簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng) 電路的設(shè)計(jì)，縮小電路體積，實(shí)現(xiàn)快速、可靠保護(hù)的設(shè)計(jì)，為此，本發(fā)明 提供一種基于數(shù)字信號(hào)處理器控制的變頻電源。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用先進(jìn)的微控制器技術(shù)、脈寬調(diào)制 技術(shù)和電力電子技術(shù)相結(jié)合，提供的基于數(shù)字信號(hào)處理器控制的變頻電源 的技術(shù)方案，包括開(kāi)關(guān)電源模塊、控制電路、脈寬調(diào)制信號(hào)隔離整形電 路、IPM逆變電路、母線電壓檢測(cè)及保護(hù)電路、整流輸入慢啟動(dòng)電路、通 信電路、并行信號(hào)隔離輸入接口電路和顯示按鍵人機(jī)接口電路，其中 一開(kāi)關(guān)電源模塊為控制電路及IPM逆變電路提供控制電壓； 一控制電路產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，用于控制IPM逆變電路的輸出頻率和 電壓；
一脈寬調(diào)制信號(hào)隔離整形電路對(duì)控制電路產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號(hào)進(jìn)行隔 離、整形；
一IPM逆變電路對(duì)脈寬調(diào)制信號(hào)隔離整形電路隔離、整形后的脈寬調(diào) 制信號(hào)進(jìn)行功率放大和逆變，產(chǎn)生兩路獨(dú)立的變頻三相電源，用于驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)(M);
一母線電壓檢測(cè)及保護(hù)電路，用于實(shí)現(xiàn)電源的過(guò)壓、欠壓以及過(guò)流保
護(hù)；
一整流輸入慢啟動(dòng)電路，用于限制開(kāi)機(jī)充電電流，以保護(hù)整流橋和濾 波電容；
一通信電路通過(guò)串口或CAN總線將變頻電源的運(yùn)行狀態(tài)信息實(shí)時(shí)傳 送給上位機(jī)并將上位機(jī)的指令傳送給變頻電源，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控；
一并行信號(hào)隔離輸入接口電路和顯示按鍵人機(jī)接口電路用于現(xiàn)場(chǎng)指令 信號(hào)的輸入和狀態(tài)信息的顯示，實(shí)現(xiàn)本地實(shí)時(shí)監(jiān)控。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，開(kāi)關(guān)電源模塊包含電源控制芯片、含有九組副 邊繞組的高頻脈沖變壓器和反饋回路，利用直流母線電壓作為輸入，輸出 七路+15V電壓提供給IPM逆變電路、 一路+24V電壓提供給外接的風(fēng)扇或 繼電器、 一路+5V電壓提供給控制電路。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，控制電路采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP作為CPU， 控制IPM逆變電路的輸出頻率和電壓，產(chǎn)生十二路脈寬調(diào)制信號(hào)經(jīng)信號(hào)隔 離整形電路隔離整形后，用于驅(qū)動(dòng)IPM逆變電路。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，控制電路產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號(hào)采用16KHz的開(kāi) 關(guān)頻率和電壓空間矢量脈寬調(diào)制算法。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，控制電路還具有JTAG接口電路，用于實(shí)現(xiàn)控 制軟件的調(diào)試和升級(jí)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述的脈寬調(diào)制信號(hào)隔離整形電路采用高速光 耦對(duì)脈寬調(diào)制信號(hào)隔離，并經(jīng)反相器對(duì)脈寬調(diào)制信號(hào)整形后驅(qū)動(dòng)IPM逆變 電路。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，兩路IPM逆變電路共用直流母線工作。 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，母線電壓檢測(cè)及保護(hù)電路由母線電壓檢測(cè)電路 實(shí)時(shí)檢測(cè)母線電壓值并與設(shè)定門限值進(jìn)行比較，產(chǎn)生保護(hù)信號(hào)，再結(jié)合IPM 逆變電路的過(guò)流信號(hào)， 一起送至控制電路進(jìn)行邏輯處理，用于保護(hù)IPM逆 變電路和異步電機(jī)M。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，整流輸入慢啟動(dòng)電路通過(guò)串聯(lián)在直流母線上的 限流電阻R18和延時(shí)啟動(dòng)繼電器J1的常開(kāi)觸點(diǎn)Jl-l實(shí)現(xiàn)慢啟動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述的通信電路通過(guò)RS-232串口或CAN總線 與上位機(jī)進(jìn)行通信。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，并行信號(hào)隔離輸入接口電路采用由可編程邏輯 器件和緩沖器組成的電路對(duì)控制電路的輸入口進(jìn)行擴(kuò)展，并經(jīng)過(guò)光耦隔離 后實(shí)現(xiàn)多路并行開(kāi)關(guān)量信號(hào)的隔離輸入，輸入的開(kāi)關(guān)量信號(hào)包括速度指令、 升降速時(shí)間和其他控制指令開(kāi)關(guān)量信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，顯示按鍵人機(jī)接口電路采用基于串行SPI通信 方式的芯片作為顯示按鍵的管理芯片，采用六位數(shù)碼管作為顯示器件，六 個(gè)按鍵作為輸入。
本發(fā)明變頻電源采用了智能功率模塊IPM作為功率元件，具有完善的 保護(hù)功能。而且智能功率模塊IPM將多路驅(qū)動(dòng)電路和IGBT功率管集成在 一個(gè)模塊中，使得設(shè)計(jì)和調(diào)試難度降低，縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了成本。
在本發(fā)明的系統(tǒng)中，采用DSP作為主控芯片，充分利用了DSP豐富的 片內(nèi)外設(shè)資源，減少了外圍電路元器件的數(shù)量，使控制電路的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn) 單可靠。長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行結(jié)果表明系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性優(yōu)良，同時(shí)具有體積小、 成本低的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的系統(tǒng)采用繼電器等開(kāi)關(guān)元件和相應(yīng)的邏輯電路設(shè)計(jì)了完備的 過(guò)壓、欠壓、過(guò)流等保護(hù)電路，使得系統(tǒng)在出現(xiàn)異常情況時(shí)能夠及時(shí)檢測(cè) 出故障信號(hào)并能及時(shí)切斷系統(tǒng)的輸出，使系統(tǒng)停止工作以保證功率器件和 異步電機(jī)不被損壞。此保護(hù)電路采用了硬件電路和軟件控制相結(jié)合的方式 進(jìn)行保護(hù)，具有簡(jiǎn)單、全面、可靠的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明可用于各種雙噴儲(chǔ)緯器 的變頻調(diào)速，以及其他需要同時(shí)對(duì)兩臺(tái)異步電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速的場(chǎng)合，也 可以作為通用變頻器單獨(dú)對(duì)一臺(tái)異步電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。


圖l為本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)總體框2為本發(fā)明開(kāi)關(guān)電源模塊電路原理圖 圖3為本發(fā)明控制電路原理圖
圖4為本發(fā)明脈寬調(diào)制信號(hào)隔離整形電路原理圖
圖5為本發(fā)明IPM逆變電路原理圖
圖6為本發(fā)明母線電壓檢測(cè)及保護(hù)電路原理圖
圖7為本發(fā)明整流輸入慢啟動(dòng)電路原理圖
圖8為本發(fā)明通信模塊電路原理圖
圖9為本發(fā)明并行信號(hào)隔離輸入接口電路原理圖
圖10為本發(fā)明顯示按鍵人機(jī)接口電路原理圖
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明加以詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)指出的是，所描述的實(shí)施 例僅旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。
本發(fā)明可用于各種雙噴儲(chǔ)緯器的變頻調(diào)速，以及其他需要同時(shí)對(duì)兩臺(tái) 異步電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速的場(chǎng)合，也可以作為通用變頻器單獨(dú)對(duì)一臺(tái)異步電 機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。
本發(fā)明僅僅舉出用于基于數(shù)字信號(hào)處理器控制的雙噴儲(chǔ)緯器專用變頻 電源實(shí)施例，參照?qǐng)D1，為本發(fā)明實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)總體框圖。它由開(kāi)關(guān) 電源模塊l、控制電路2、脈寬調(diào)制信號(hào)隔離整形電路3、 IPM逆變電路4、 母線電壓檢測(cè)及保護(hù)電路5、整流輸入慢啟動(dòng)電路6、通信電路7、并行信 號(hào)隔離輸入接口電路8及顯示按鍵人機(jī)接口電路9組成。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源模塊1采用POWER INTEGERATION公司的 TOP224Y芯片作為主控芯片U0、并設(shè)計(jì)了具有九組副邊繞組的高頻脈沖變 壓器T和反饋回路，利用電容CO兩端的直流母線作為輸入電壓，根據(jù)單端 反激式開(kāi)關(guān)電源的原理產(chǎn)生了九路互相隔離的控制電壓，其中七路+15V電 壓V1、 V2、 V3、 V4、 V5、 V6、 V7提供給IPM逆變電路4、 l路+24V電壓提 供給風(fēng)扇或繼電器、l路+5V電壓VCC提供給控制電路2，其詳細(xì)的電路原 理見(jiàn)圖2，由于采用了集成芯片TOP224Y作為控制芯片，使得開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單可靠，而且大大縮小了體積。其中TOP224Y芯片有三個(gè)端子
漏極D、控制端C、源極S，其內(nèi)部集成了脈寬調(diào)制器、功率開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管 MOSFET、自動(dòng)偏置電路、保護(hù)電路、高壓?jiǎn)?dòng)電路和環(huán)路補(bǔ)償電路，通 過(guò)高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，實(shí)現(xiàn)了無(wú)工頻變壓器、隔離、反 激式開(kāi)關(guān)電源的集成化，使用安全可靠。高頻脈沖變壓器T采用EI35的磁芯， 工作頻率為100KHz，共有10個(gè)繞組，其中l(wèi)個(gè)為初級(jí)繞組，l個(gè)為反饋繞組， 8個(gè)為次級(jí)繞組，繞組均使用三重絕緣線繞制，有效的減小了變壓器的體積。 圖中D3、 D4組成箝位電路，用于吸收尖峰電壓；位于C、 S端子之間由R3、 C3組成的電路為TOP224Y內(nèi)部的門驅(qū)動(dòng)級(jí)提供驅(qū)動(dòng)電流；反饋電路采用了 由二極管D1、穩(wěn)壓管D2以及電阻R1組成的改進(jìn)型反饋電路，簡(jiǎn)化了電路， 降低了成本；同時(shí)為了使電源更加可靠的工作，在反饋電路中加入了由R2 和C2組成的軟啟動(dòng)電路。超快恢復(fù)二極管D和電容C組成整流濾波電路，將 每個(gè)輸出繞組的脈沖電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的直流電壓。其工作原理為利用反 饋繞組的反饋電流來(lái)調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。例如當(dāng)反 饋繞組V7的電壓升高超出設(shè)計(jì)電壓+15V時(shí)，由反饋電路得到的反饋電流Ic 就會(huì)增加，反饋電流Ic通過(guò)TOP224Y的控制端C來(lái)控制各繞組輸出脈沖的占 空比減小，從而使電壓下降，最終使電壓維持在+15V不變。反饋繞組V7 同時(shí)也作為一組輸出繞組為IPM逆變電路4提供+15V電壓，充分利用了變壓 器繞組，節(jié)約了成本。VCC和VCC2兩路+5V電壓均由U1穩(wěn)壓產(chǎn)生，VCC1 電壓由U2穩(wěn)壓產(chǎn)生，作為DSP的電源，大大降低了輸出電壓的紋波，減少 了開(kāi)關(guān)電源對(duì)控制電路的干擾。其中U1采用了LM7805穩(wěn)壓芯片，U2采用 了LM1117穩(wěn)壓芯片。該開(kāi)關(guān)電源模塊具有較寬的輸入電壓范圍，交流輸入 150V—265V均可正常工作，輸出功率可達(dá)50W。
如圖1中，控制電路2采用數(shù)字信號(hào)處理專用集成DSP芯片 TMS320LF2407作為CPU，根據(jù)并行輸入信號(hào)控制IPM逆變電路4的輸出 頻率和電壓，充分利用其硬件資源，可同時(shí)產(chǎn)生12路脈寬調(diào)制信號(hào)PWM， 經(jīng)脈寬調(diào)制信號(hào)隔離整形電路3隔離整形后用于驅(qū)動(dòng)IPM逆變電路4，由 于DSP具有豐富的外設(shè)資源，使得電路的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，運(yùn)行更加可靠，成本降低。TMS320LF2407是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的一種高性能16位定 點(diǎn)DSP。定點(diǎn)運(yùn)算速度最高可達(dá)到每秒30兆條指令，具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力 和快速實(shí)時(shí)處理能力。TMS320LF2407是一種專用電機(jī)控制DSP芯片，充 分考慮了優(yōu)化電機(jī)控制所需的硬件結(jié)構(gòu)，特別適合于三相異步電動(dòng)機(jī)的高 性能控制，具有靈活可靠、成本低等特點(diǎn)，是電機(jī)數(shù)字化控制的升級(jí)產(chǎn)品。 兩個(gè)事件管理器模塊分別具有兩個(gè)通用定時(shí)器、三個(gè)比較單元和六路脈寬 調(diào)制信號(hào)輸出，適用于控制異步電機(jī)和逆變器，而且能夠同時(shí)控制兩臺(tái)異 步電機(jī)。
利用TMS320LF2407的事件管理器模塊可以方便的調(diào)整脈寬調(diào)制信號(hào) 的開(kāi)關(guān)頻率，并且能夠方便的實(shí)現(xiàn)電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)算法。 本發(fā)明設(shè)計(jì)脈寬調(diào)制信號(hào)PWM的開(kāi)關(guān)頻率為16KHz，并且釆用了電壓空 間矢量脈寬調(diào)制算法，有效的降低了儲(chǔ)緯器的噪音、提高了儲(chǔ)緯器的運(yùn)行 效率。電壓空間矢量脈寬調(diào)制算法(SVPWM)是從電機(jī)的角度出發(fā)，著眼 于使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)，即正弦磁通。它以三相對(duì)稱正弦波電 壓供電時(shí)異步電機(jī)的理想圓形磁通軌跡為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式 產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)磁通圓，從而達(dá)到較高的控制性能。
如圖3所示，DSP還具有豐富的片內(nèi)外設(shè)資源SPI接口 (外圍串行 接口)是一種四線同步串行接口，可以方便的與顯示按鍵人機(jī)接口電路9 進(jìn)行連接，按照SPI標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序與其進(jìn)行全雙工的數(shù)據(jù)交換，速度可達(dá)到幾 Mbps; JTAG接口電路是標(biāo)準(zhǔn)的在線編程接口，可以方便的與仿真調(diào)試設(shè) 備連接，實(shí)現(xiàn)控制軟件的調(diào)試和升級(jí)，無(wú)需拆裝芯片；SCI接口是標(biāo)準(zhǔn)的 異步串行通信接口，端子TX、 RX通過(guò)一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片就可以與工控機(jī) 等上位機(jī)串口進(jìn)行通信，通信協(xié)議采用工業(yè)上通用的MODBUS協(xié)議。CAN 總線是一種多主方式的串行通訊總線，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之 一 ，具有較低的成本與極高的總線利用率。CAN接口端子CANTX、 CANRX 通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片與上位機(jī)進(jìn)行通信，大大方便了硬件設(shè)計(jì)和軟件編程。 由于集成了這兩種工業(yè)上廣泛應(yīng)用的通信方式，使得系統(tǒng)適用面廣、方便 靈活；DSP還具有大量的輸入輸出端口，可以實(shí)現(xiàn)整流輸入慢啟動(dòng)電路6的延時(shí)控制信號(hào)DELAY及各種保護(hù)信號(hào)OV、 LV、 OC的輸入。還可以通
過(guò)數(shù)據(jù)總線對(duì)輸入端口進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)大量并行開(kāi)關(guān)量信號(hào)的輸入。
如圖4所示，為本發(fā)明的脈寬調(diào)制信號(hào)隔離整形電路3中的一路，共有 12路?？刂齐娐?產(chǎn)生的12路脈寬調(diào)制信號(hào)PWM先經(jīng)過(guò)高速光耦U3隔離， 再經(jīng)過(guò)反相器U4對(duì)信號(hào)進(jìn)行反相整形后分別輸入到兩路IPM模塊中，減少 了功率電路對(duì)控制電路的干擾，避免了功率電路故障時(shí)損壞控制電路。高 速光耦U3采用HCPL4504，這是一種高速、高共模比的IPM接口專用光耦， 其極短的寄生延時(shí)為IPM應(yīng)用中的高速開(kāi)關(guān)的死區(qū)時(shí)間確保了安全，同時(shí) 也減少了功率電路對(duì)控制電路的干擾，避免了功率電路故障時(shí)損壞控制電 路。反相器U4采用的是74HC14芯片。其中的電源VCC3 (+3.3V)由母線電 壓檢測(cè)及保護(hù)電路5控制，用以在過(guò)流故障時(shí)關(guān)斷脈寬調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)硬件 保護(hù)。R4為光耦輸入的限流電阻，光耦輸出經(jīng)電阻R5上拉到+5V (VCC2)， 然后經(jīng)過(guò)反相器74HC14進(jìn)行整形，使隔離整形后的脈寬調(diào)制信號(hào)PWM1波 形的上升沿和下降沿更加陡峭。
如圖5所示，IPM逆變電路4對(duì)隔離、整形后的脈寬調(diào)制信號(hào)PWM1 進(jìn)行功率放大和逆變，產(chǎn)生兩路獨(dú)立的變頻三相電源，用于驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)異步 電機(jī)。IPM逆變電路4中的智能功率模塊IPM采用三菱公司的PS21564模 塊。該款智能功率模塊IPM采用第5代低功耗IGBT工藝，內(nèi)置優(yōu)化后的 柵極驅(qū)動(dòng)和短路保護(hù)、驅(qū)動(dòng)電壓欠壓保護(hù)電路，以超小型體積和集成的保 護(hù)電路，使得電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試難度降低，成本下降，驅(qū)動(dòng)電源均采用隔 離電源，比起自舉充電泵電路更加可靠，使得雙路IPM逆變電路4在共母 線工作時(shí)避免了互相干擾，增加了系統(tǒng)的可靠性。該模塊耐壓600V，最大 電流15A，最高開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)20KHz。 IPM對(duì)控制電源的要求非常高，損 壞率是其他原因的數(shù)倍之多，傳統(tǒng)的自舉充電泵方式由于各元件的差異和 充電時(shí)間與電容電阻的函數(shù)必須不斷測(cè)試，因此可靠性比較差。如圖5所 示，本實(shí)施例中，每路IPM模塊的控制電源均采用由開(kāi)關(guān)電源模塊1輸出 的隔離+15V電壓Vl、 V2、 V3、 V4、 V5、 V6、 V7，保證了驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn) 定可靠。隔離整形后的脈寬調(diào)制信號(hào)PWM1經(jīng)智能功率模塊IPM功率放大后逆變?yōu)轭l率可調(diào)的三相正弦波給異步電機(jī)M供電。圖中兩路智能功率模
塊IPM共用電容CO兩端的直流母線作為輸入電壓，N端子和地之間的電 阻Rs為過(guò)流采樣電阻，用于采集電流信號(hào)，電阻Rsf和電容Crf組成濾波電 路，對(duì)電流采樣信號(hào)做濾波處理后輸入到PS21564的CIN端子。FO為過(guò) 流信號(hào)輸出。CFO端子與地之間的電容Cro用于設(shè)置過(guò)流信號(hào)的輸出脈寬。 如圖6所示，為本發(fā)明的母線電壓檢測(cè)及保護(hù)電路5原理圖，包括圖 6-A和圖6-B兩部分組成，母線電壓檢測(cè)及保護(hù)電路5由母線電壓檢測(cè)電 路實(shí)時(shí)檢測(cè)母線電壓值并與設(shè)定門限值進(jìn)行比較，產(chǎn)生保護(hù)信號(hào)，再結(jié)合 雙路IPM逆變電路的過(guò)流信號(hào)和過(guò)熱信號(hào)， 一起送至控制電路2進(jìn)行邏輯 處理用于變頻電源的保護(hù)。該保護(hù)電路既有硬件保護(hù)又有軟件保護(hù)，能夠 同時(shí)對(duì)變頻電源本身和異步電機(jī)進(jìn)行保護(hù)。如圖6-A，由運(yùn)算放大器U4和 電阻R6、 R7、 R8、 R9組成差動(dòng)放大電路，采集電容C0兩端的直流母線 電壓信號(hào)，電容C6、 C7對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，然后通過(guò)電阻R10輸入，分別 與過(guò)壓、欠壓的門限電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生相應(yīng)的過(guò)壓、欠壓保護(hù)信號(hào)OV、 LV輸入至DSP進(jìn)行邏輯處理，實(shí)現(xiàn)軟件保護(hù)。其中運(yùn)算放大器U4采用 TL272，比較器U5采用LM393其工作過(guò)程是當(dāng)釆集的直流母線電壓在 過(guò)壓門限電壓和欠壓門限電壓之間時(shí)，OV、 LV均輸出高電平，當(dāng)直流母 線電壓高于過(guò)壓門限電壓時(shí)，OV輸出低電平的過(guò)壓保護(hù)信號(hào)給DSP，當(dāng) 直流母線電壓低于欠壓門限電壓時(shí)，LV輸出低電平的欠壓保護(hù)信號(hào)給 DSP。其中過(guò)壓、欠壓的門限電壓可以根據(jù)實(shí)際需要分別通過(guò)電位器Rll、 R12進(jìn)行調(diào)整。如圖6-B，由智能功率模塊IPM產(chǎn)生的過(guò)流信FO經(jīng)光耦 U6隔離后，通過(guò)電阻R14上拉為3.3V信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)電阻R15輸入到D 型觸發(fā)器U7鎖存，產(chǎn)生相位相反的兩個(gè)過(guò)流保護(hù)信號(hào)，其中Q端子的信 號(hào)OC輸入至DSP進(jìn)行邏輯處理，實(shí)現(xiàn)軟件保護(hù)；^端子的信號(hào)通過(guò)電阻 R16輸入至三極管N1的基極，與電阻R17和三極管N1組成硬件保護(hù)電路 用于切斷脈寬調(diào)制信號(hào)PWM1 ，使IPM停止輸出。其中光耦U6采用TLP521 芯片，D型觸發(fā)器U7采用74HC74芯片。其工作過(guò)程是正常運(yùn)行時(shí)，^ 端子輸出低電平，三極管Nl導(dǎo)通，3.3V電源VCC3正常給圖4中的光耦U3供電，當(dāng)智能功率模塊IPM產(chǎn)生過(guò)流信號(hào)時(shí)，U6輸出低電平信號(hào)，在 74HC74的時(shí)鐘輸入端產(chǎn)生一個(gè)下降沿，使^端子輸出高電平，此時(shí)三極 管Nl截止，3.3V電源VCC1不能給圖4中的光耦U3供電，使輸入到IPM 的脈寬調(diào)制信號(hào)PWM1均為低電平，強(qiáng)制停止智能功率模塊IPM的輸出。 以上的硬件保護(hù)和軟件保護(hù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變頻電源本身和異步電機(jī)全 面、可靠的保護(hù)。
如圖7所示，為本發(fā)明的整流輸入慢啟動(dòng)電路6原理圖，包括兩部分組 成圖7-A圖7-B。整流輸入慢啟動(dòng)電路6通過(guò)串聯(lián)在直流母線上的限流電阻 R18和延時(shí)啟動(dòng)繼電器J1的常開(kāi)觸點(diǎn)J1-1實(shí)現(xiàn)慢啟動(dòng)。如圖7-A，當(dāng)變頻電 源開(kāi)機(jī)時(shí)，首先通過(guò)電阻R18給濾波電容C0充電，如圖7-B，此時(shí)延時(shí)控制 信號(hào)DELAY為低電平，三極管N2截止，繼電器J1線圈不能得電，常開(kāi)觸點(diǎn) Jl-1打開(kāi)，等延時(shí)一段時(shí)間后(約3秒鐘)，電容已基本充電完畢，這時(shí)再通 過(guò)DSP使延時(shí)控制信號(hào)DELAY變?yōu)楦唠娖?，使三極管N2導(dǎo)通，此時(shí)繼電器 Jl線圈得電，常開(kāi)觸點(diǎn)J1-1吸合，將電阻R18短路，通過(guò)常開(kāi)觸點(diǎn)直接為電 容CO繼續(xù)充電。采用本電路能有效地降低開(kāi)機(jī)充電電流，減小開(kāi)機(jī)時(shí)對(duì)整 流橋和濾波電容CO的沖擊，延長(zhǎng)其使用壽命，降低了變頻電源維護(hù)的成本。
如圖8所示，為本發(fā)明的通信電路7原理圖。本電路采用電平轉(zhuǎn)換芯片 U9對(duì)DSP的SCI接口端子TX、 RX進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，然后連接到上位機(jī)的 RS-232串口，采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS通信協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信，具有通用 性，可兼容各種基于MODBUS通信協(xié)議的系統(tǒng)。其中電平轉(zhuǎn)換芯片U9采 用的是MAX232芯片。采用電平轉(zhuǎn)換芯片U8對(duì)DSP的CAN接口端子 CANTX、 CANRX進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，然后連接到上位機(jī)的CAN通訊卡，此電 路可以提供對(duì)CAN總線的差動(dòng)發(fā)送與接受，而通信介質(zhì)(總線)采用抗干擾 能力較強(qiáng)的雙絞線，最高通信速率可達(dá)lMbps。其中電平轉(zhuǎn)換芯片U8采用 的是PCA82C250芯片。通過(guò)串口通信或者CAN通信，上位機(jī)(工控機(jī)或PC 機(jī))上可以在線顯示所有用于儲(chǔ)緯器控制的中間變量和重要參數(shù)，使操作 者能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)控儲(chǔ)緯器的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)情況進(jìn)行相應(yīng)的操作和控制， 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。由于集成了這兩種工業(yè)上廣泛應(yīng)用的通信方式，使得系統(tǒng)可以適用于不同的工業(yè)環(huán)境，方便靈活。
如圖9所示，為本發(fā)明的并行信號(hào)隔離輸入接口電路8原理圖。多路外
部并行信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離后，經(jīng)擴(kuò)展輸入口輸入到DSP中。擴(kuò)展輸入口電 路采用基于可編程邏輯器件U10和緩沖器U11組成的電路對(duì)控制電路2的輸 入口進(jìn)行擴(kuò)展，并行輸入信號(hào)包括速度指令、升降速時(shí)間和其他控制指令 開(kāi)關(guān)量信號(hào)。其中可編程邏輯器件U10采用GAL16V8芯片，緩沖器U11采用 74HC244芯片。并行輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離后輸入到U11的A端子，光耦采 用超小封裝的TLP121，大大縮小了體積，由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制信號(hào)多為24V 電平，而DSP的電平為3.3V，因此光耦隔離不僅保證了電氣信號(hào)的隔離而 且實(shí)現(xiàn)了電平的轉(zhuǎn)換，使得輸入接口更加靈活、可靠。U10為U11提供片選 信號(hào)/CS，由于GAL16V8是一種邏輯門陣列(GAL)器件，可以通過(guò)對(duì)其 編程來(lái)方便的配置擴(kuò)展輸入口的地址，當(dāng)DSP要讀取某個(gè)擴(kuò)展輸入口地址 的數(shù)據(jù)時(shí)，GAL16V8就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的片選信號(hào)輸入到74HC244的/CS端子， 選通對(duì)應(yīng)的74HC244器件，使數(shù)據(jù)通過(guò)74HC244的Y端子加載到DSP的數(shù)據(jù) 總線上，使DSP接收到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。
如圖10所示，為本發(fā)明的顯示按鍵人機(jī)接口電路9原理圖。本電路采用 基于串行SPI通信方式的接口芯片U12作為顯示按鍵的管理芯片設(shè)計(jì)了顯示 按鍵人機(jī)接口電路。接口芯片U12的具體型號(hào)為CH452，這是一種數(shù)碼管顯 示驅(qū)動(dòng)和鍵盤掃描控制芯片。CH452內(nèi)置時(shí)鐘振蕩電路，可以動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)8 位數(shù)碼管或者64位LED，具有BCD譯碼、閃爍、移位、段位尋址、光柱 譯碼等功能；同時(shí)還可以進(jìn)行64鍵的鍵盤掃描。CH452通過(guò)4線串行SPI接 口 (DCLK、 DIN、 LOAD、 DOUT)與DSP的SPI接口 (SPICLK、 SPISI、 SPISTE、 SPISO)相連，按照SPI時(shí)序與DSP進(jìn)行全雙工的數(shù)據(jù)交換，速度 可達(dá)到幾Mbps。顯示部分由6位數(shù)碼管組成，按鍵為6位按鍵，分別為運(yùn)行 鍵(RUN)、停止/復(fù)位鍵(STOP)、上/下鍵(A/T )、功能模式切換鍵(MODE) 和修改確認(rèn)鍵(ENTER)。這部分電路可以為現(xiàn)場(chǎng)操作者提供狀態(tài)信息的顯 示和指令信號(hào)的輸入接口，實(shí)現(xiàn)本地實(shí)時(shí)監(jiān)控，比起使用分立器件組成的 顯示按鍵管理電路，本電路能更好的節(jié)省空間、降低成本，而且由于元件的減少使得電路的可靠性更高，另外芯片的許多集成功能使得軟件的工作 量大大減少。
前面已經(jīng)具體描述了本發(fā)明的實(shí)施方案，應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)于一個(gè)具有本 技術(shù)領(lǐng)域的普通技能的人，在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，在上述的和 在附加的權(quán)利要求中特別提出的本發(fā)明的范圍內(nèi)進(jìn)行變化和調(diào)整能同樣達(dá) 到本發(fā)明的目的。
權(quán)利要求
1、一種基于數(shù)字信號(hào)處理器控制的變頻電源，其特征在于包括開(kāi)關(guān)電源模塊(1)、控制電路(2)、脈寬調(diào)制信號(hào)隔離整形電路(3)、IPM逆變電路(4)、母線電壓檢測(cè)及保護(hù)電路(5)、整流輸入慢啟動(dòng)電路(6)、通信電路(7)、并行信號(hào)隔離輸入接口電路(8)和顯示按鍵人機(jī)接口電路(9)，其中一開(kāi)關(guān)電源模塊(1)為控制電路(2)及IPM逆變電路(4)提供控制電壓；一控制電路(2)產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，用于控制IPM逆變電路(4)的輸出頻率和電壓；一脈寬調(diào)制信號(hào)隔離整形電路(3)對(duì)控制電路(2)產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號(hào)進(jìn)行隔離、整形；一IPM逆變電路(4)對(duì)脈寬調(diào)制信號(hào)隔離整形電路(3)隔離、整形后的脈寬調(diào)制信號(hào)進(jìn)行功率放大和逆變，產(chǎn)生兩路獨(dú)立的變頻三相電源，用于驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)(M)；一母線電壓檢測(cè)及保護(hù)電路(5)，用于實(shí)現(xiàn)電源的過(guò)壓、欠壓以及過(guò)流保護(hù)；一整流輸入慢啟動(dòng)電路(6)，用于限制開(kāi)機(jī)充電電流，以保護(hù)整流橋和濾波電容(C0)；一通信電路(7)通過(guò)串口或CAN總線將變頻電源的運(yùn)行狀態(tài)信息實(shí)時(shí)傳送給上位機(jī)并將上位機(jī)的指令傳送給變頻電源，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控；一并行信號(hào)隔離輸入接口電路(8)和顯示按鍵人機(jī)接口電路(9)用于現(xiàn)場(chǎng)指令信號(hào)的輸入和狀態(tài)信息的顯示，實(shí)現(xiàn)本地實(shí)時(shí)監(jiān)控。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的變頻電源，其特征在于所述的開(kāi)關(guān)電源模 塊(1)包含電源控制芯片、含有九組副邊繞組的高頻脈沖變壓器和反饋回 路，利用直流母線電壓作為輸入，輸出七路+15V電壓提供給IPM逆變電 路(4)、 一路+24V電壓提供給外接的風(fēng)扇或繼電器、 一路+5V電壓提供給控制電路(2)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變頻電源，其特征在于所述的控制電路(2)采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP作為CPU，控制IPM逆變電路(4)的輸出頻率 和電壓，產(chǎn)生十二路脈寬調(diào)制信號(hào)經(jīng)信號(hào)隔離整形電路(3)隔離整形后， 用于驅(qū)動(dòng)IPM逆變電路(4)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變頻電源，其特征在于所述的控制電路(2) 產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號(hào)采用16KHz的開(kāi)關(guān)頻率和電壓空間矢量脈寬調(diào)制算 法。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變頻電源，其特征在于所述的控制電路(2) 還具有JTAG接口電路，用于實(shí)現(xiàn)控制軟件的調(diào)試和升級(jí)。
6、根據(jù)權(quán)利要求l所述的變頻電源，其特征在于所述的脈寬調(diào) 制信號(hào)隔離整形電路(3)采用高速光耦對(duì)脈寬調(diào)制信號(hào)隔離，并經(jīng)反相器 對(duì)脈寬調(diào)制信號(hào)整形后驅(qū)動(dòng)IPM逆變電路(4)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變頻電源，其特征在于兩路IPM逆變電 路(4)共用直流母線工作。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變頻電源，其特征在于所述的母線電壓檢 測(cè)及保護(hù)電路(5)由母線電壓檢測(cè)電路實(shí)時(shí)檢測(cè)母線電壓值并與設(shè)定門限 值進(jìn)行比較，產(chǎn)生保護(hù)信號(hào)，再結(jié)合IPM逆變電路(4)的過(guò)流信號(hào)，一 起送至控制電路(2)進(jìn)行邏輯處理，用于保護(hù)IPM逆變電路(4)和異步 電機(jī)M。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變頻電源，其特征在于所述的整流輸入慢啟動(dòng)電路(6)通過(guò)串聯(lián)在直流母線上的限流電阻(R18)和延時(shí)啟動(dòng)繼電 器(Jl)的常開(kāi)觸點(diǎn)(Jl-1)實(shí)現(xiàn)慢啟動(dòng)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變頻電源，其特征在于所述的通信電路(7)通過(guò)RS-232串口或CAN總線與上位機(jī)進(jìn)行通信。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變頻電源，其特征在于所述的并行信號(hào)隔離輸入接口電路(8)采用由可編程邏輯器件和緩沖器組成的電路對(duì)控制 電路(2)的輸入口進(jìn)行擴(kuò)展，并經(jīng)過(guò)光耦隔離后實(shí)現(xiàn)多路并行開(kāi)關(guān)量信號(hào)的隔離輸入，輸入的開(kāi)關(guān)量信號(hào)包括速度指令、升降速時(shí)間和其他控制指 令開(kāi)關(guān)量信號(hào)。
12、根據(jù)權(quán)利要求1所述的變頻電源，其特征在于所述的顯示按鍵 人機(jī)接口電路(9)采用基于串行SPI通信方式的芯片作為顯示按鍵的管理 芯片，釆用六位數(shù)碼管作為顯示器件，六個(gè)按鍵作為輸入。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于數(shù)字信號(hào)處理器控制的變頻電源，它包括開(kāi)關(guān)電源模塊、控制電路、脈寬調(diào)制信號(hào)隔離整形電路、IPM逆變電路、母線電壓檢測(cè)及保護(hù)電路、整流輸入慢啟動(dòng)電路、通信電路、并行信號(hào)隔離輸入接口電路和顯示按鍵人機(jī)接口電路。本發(fā)明采用了單數(shù)字信號(hào)處理器DSP加雙IPM逆變電路的結(jié)構(gòu)，同時(shí)為兩臺(tái)異步電機(jī)提供兩路獨(dú)立的變頻電源，并對(duì)兩臺(tái)異步電機(jī)進(jìn)行獨(dú)立的速度調(diào)節(jié)。本發(fā)明具有體積小、功耗低、可靠性強(qiáng)、便于批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。本發(fā)明的電源采用了合適的開(kāi)關(guān)頻率和先進(jìn)的電壓空間矢量脈寬調(diào)制算法(SVPWM)，使得異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)噪音低并且電壓利用率大大提高，節(jié)能效果顯著。
文檔編號(hào)H02P27/06GK101295933SQ20071009869
公開(kāi)日2008年10月29日 申請(qǐng)日期2007年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月25日
發(fā)明者王云寬, 軍 鄭 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所