專利名稱：基于數(shù)字信號(hào)處理器的工業(yè)變頻器一拖二控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適用于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域內(nèi)采用 一臺(tái)變頻器同時(shí)控制兩臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī) 的一拖二 (或一拖多)的系統(tǒng)。本系統(tǒng)基于德州儀器(Texas Instrument)公司(以下簡(jiǎn)稱TT 公司)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) TMS320F28015PZA (片上資源為6路PWM波)，配合外圍硬件電 路，生成12路PWM波，控制12個(gè)IGBT管，從而可產(chǎn)生出兩路三相電輸出，目的是以低成本 方式實(shí)現(xiàn)一片DSP主控芯片同時(shí)控制兩臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)，從而有效降低設(shè)備成本，同時(shí)提 高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
背景技術(shù)：
目前，工業(yè)變頻器一般采用一拖一的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即由一片DSP主控芯片生成六路 PWM (Pulse Width Modulation)波，控制六個(gè)功率晶體管或IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)管等的導(dǎo)通順序，從而產(chǎn)生出電壓和頻率可調(diào)節(jié)的三相電輸出。這一般意味著每 臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)均需采用一個(gè)單獨(dú)的CPU來(lái)控制(一拖一控制系統(tǒng))，當(dāng)應(yīng)用中 只包含單臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，問(wèn)題并不突出，然而對(duì)于諸多需要同時(shí)控制多臺(tái)三相異步電動(dòng) 機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合, 一拖一系統(tǒng)就顯得累贅而且昂貴了。典型的多重三相異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用包括工程 機(jī)械、暖通空調(diào)設(shè)備(HVAC)、汽車以及其他許多應(yīng)用。
因此，在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制領(lǐng)域，出現(xiàn)了一拖二或一拖多的系統(tǒng)控制。目前，主流的 控制方案有以下兩種。
第一種方案由變頻器的超強(qiáng)的外部端子功能，結(jié)合工業(yè)領(lǐng)域常用的外部設(shè)備，如繼電 器，PLC (Programmer Logic Control)等，組成一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)。 一般來(lái)講，采用該種方 案，外圍設(shè)備造價(jià)高，并且系統(tǒng)連線復(fù)雜，不利于系統(tǒng)的保養(yǎng)及維修。再者，此種系統(tǒng)在同 一時(shí)刻只能控制一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，而對(duì)于同一時(shí)刻多臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn) 的情況下，唯一的措施就是增加變頻器的數(shù)量，這會(huì)進(jìn)一步增加系統(tǒng)的成本，并且還會(huì)增加維護(hù)的難度。
第二種方案利用CPU主控單元多路PWM 口的能力，同時(shí)控制兩臺(tái)或多臺(tái)三相異步電動(dòng)
機(jī)。 一般CPU有6路PWM 口輸出，此種芯片能輸出一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)控制所需要的6路PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)。而本身片上資源具有12路PWM信號(hào)(驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī))的CPU價(jià)格往往 成本很高，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。
本發(fā)明提供一種基于TI公司的TMS320F28015PZA (片上資源為6路PWM波)DSP芯片， 配合外圍硬件電路，生成12路PWM波，控制12個(gè)IGBT管，從而可產(chǎn)生出兩路三相電輸出， 目的是以低成本方式實(shí)現(xiàn)一片DSP主控芯片同時(shí)控制兩臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)，從而有效降低設(shè) 備成本，同時(shí)提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
TI公司是全球DSP研發(fā)和生產(chǎn)的領(lǐng)先者。自1982年推出第一塊DSP芯片以來(lái)，道20 世紀(jì)90年代中期，TI先后推出了CIO、 C20、 C30、 C40、 C50及C80等第六代TMS320系列的 DSP產(chǎn)品。緊接者又推出了C2000系列、C5000系列和C6000系列三大主流產(chǎn)品，并推出了將 DSP和ARM合為一體的OMAP系列。其中該公司最新推出的TMS320C28015是當(dāng)今世界上先進(jìn) 的32位定點(diǎn)DSP芯片。PWM口控制靈活。它不但運(yùn)行速度高，處理能力強(qiáng)大，并且具有豐富 的片內(nèi)外圍設(shè)備，便于接口和模塊化設(shè)計(jì)，其性價(jià)比極高，尤其適用于大批量和多品種的家 電產(chǎn)品、數(shù)碼相機(jī)、電話、測(cè)試儀器儀表等，還可廣泛應(yīng)用于數(shù)字馬達(dá)控制、工業(yè)自動(dòng)化、 電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及通訊設(shè)備等。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種采用一片數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) TMS320C28015PZA主控芯片，配合外圍 相應(yīng)的硬件電路，生成2組6路PWM波，控制2個(gè)IGBT模塊，從而可生成兩路三相電輸出， 目的是用一臺(tái)變頻器同時(shí)控制商臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，縮小控制設(shè)備體積，降低控 制系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
本發(fā)明中，所產(chǎn)生的12路PWM波被分為兩組，每組都有一個(gè)控制信號(hào)，由DSP輸入輸 出口發(fā)出，該控制信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)光藕的一路輸入，控制光藕的導(dǎo)通，由此控制PWM波是否作 用到開(kāi)關(guān)器件上，并且在故障發(fā)生時(shí)，可以快速關(guān)斷此路信號(hào)，切斷模塊B、 E端的PWM波信 號(hào)。一種變頻器一拖二控制系統(tǒng)，包括數(shù)字信號(hào)處理器，其特征在于:數(shù)字信號(hào)處理器的每一個(gè) PWM口單獨(dú)使用，和外部配套的硬件電路產(chǎn)生一對(duì)上下橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
所述數(shù)字信號(hào)處理器的每一個(gè)PWM 口的配套硬件電路的構(gòu)成為 一個(gè)PWM 口的輸出連接第一 施密特觸發(fā)器的輸入端，第一施密特觸發(fā)器的輸出端連接第一二極管電阻并聯(lián)電路的一端， 第一二級(jí)管電阻并聯(lián)電路的另一端連接第一電容的一端，第一電容的另一端接地，第二施密 特觸發(fā)器的輸入端連接第一二極管電阻并聯(lián)電路的另一端，第二施密特觸發(fā)器的輸出端輸出 上橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)；第三施密特觸發(fā)器的輸入端連接第一施密特觸發(fā)器的輸出端，第三施密特觸 發(fā)器的輸出端連接第二二極管電阻并聯(lián)電路，第二二級(jí)管電阻并聯(lián)電路的另一端連接第二電 容的一端，第二電容的另一端接地，第四施密特觸發(fā)器的輸入端連接第二二極管電阻并聯(lián)電 路的另一端，第四施密特觸發(fā)器的輸出端輸出下橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
第一二極管電阻并聯(lián)電路中的電阻與第一電容構(gòu)成上橋信號(hào)的死區(qū)時(shí)間控制電路，第二二極 管電阻并聯(lián)電路中的電阻與第二電容構(gòu)成上橋信號(hào)的死區(qū)時(shí)間控制電路。 數(shù)字信號(hào)處理器的六個(gè)PWM 口生成十二路PWM波，從而達(dá)到一拖二的目的。


圖1表示用3個(gè)PWM 口 ，加上特殊的外圍硬件電路，生成六路PWM波的圖； 圖2表示PWM波生成中硬件電路中相應(yīng)各點(diǎn)的波形具體實(shí)施方式
以下，參照附圖，說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方式。
本發(fā)明采用的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為TMS320F28015PZAPZA，此DSP本身具有六個(gè)PWM 生成口，每個(gè)PWM 口可以任意生成需要的PWM波。通過(guò)其中的三個(gè)PWM口，連接外圍硬件電 路就可以生成六路PWM波，從而產(chǎn)生同時(shí)控制兩臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)所需要的12路PWM波。
一臺(tái)變頻器一般有6個(gè)開(kāi)關(guān)器件，每一相輸出占有2個(gè)開(kāi)關(guān)器件，分別稱作相應(yīng)相的上 橋和下橋，3相輸出共占用6個(gè)開(kāi)關(guān)器件。在同一時(shí)刻，上橋和下橋是不能同時(shí)導(dǎo)通的。而 在電路中，信號(hào)的傳輸具有一定的延時(shí)性，延時(shí)的結(jié)果就有可能在上橋還沒(méi)來(lái)得及關(guān)斷的情 況下，下管已經(jīng)導(dǎo)通了。這就需要在設(shè)計(jì)中考慮上橋由關(guān)斷到導(dǎo)通時(shí)(此時(shí)下橋處于由導(dǎo)通到關(guān)斷的狀態(tài))，有一定的信號(hào)滯后時(shí)間，此段時(shí)間，稱之為死區(qū)時(shí)間。利用死區(qū)發(fā)生器，應(yīng) 用者可以很方便的設(shè)置每對(duì)PWM波的死區(qū)時(shí)間。
每臺(tái)變頻器中，每一相的上下橋?qū)?yīng)的DSP主控芯片信號(hào)口可以產(chǎn)生一對(duì)PWM波，三相 共可產(chǎn)生3對(duì)(即6路PWM波)，這顯然不能滿足同時(shí)控制兩臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)的要求。本發(fā) 明通過(guò)采用外圍硬件電路，對(duì)6路PWM波進(jìn)行處理，生產(chǎn)12路PWM波，從而可以滿足一拖二 的控制要求。
圖1左側(cè)連到TMS320F28015PZAPZA的三個(gè)PWM 口，經(jīng)硬件電路轉(zhuǎn)換后，至右側(cè)生成六路 PWM波。其中HU和LU為一對(duì)，分別驅(qū)動(dòng)IGBT的一對(duì)上下管同樣，HV和LV，冊(cè)和LW分別
也是一對(duì)。
在本發(fā)明中，DSP的每一個(gè)PWM 口單獨(dú)使用，和外部的配套的硬件電路產(chǎn)生出一對(duì)上下 橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)。中間的施密特觸發(fā)器74HCT14,其一是起上下橋的信號(hào)取反作用，其二是濾除驅(qū) 動(dòng)信號(hào)的干擾信號(hào)。至此，DSP的死區(qū)發(fā)生器就不能被應(yīng)用者采用了，上下橋之間的死區(qū)時(shí) 間就必須由外部硬件電路控制了。以HU和LU為例，圖中的Rl, Cl為HU信號(hào)的死區(qū)時(shí)間長(zhǎng) 短的控制器件，R4， C4為L(zhǎng)U信號(hào)的死區(qū)控制器件。本發(fā)明中，驅(qū)動(dòng)信號(hào)是低有效的。
公知，R， C組成的延時(shí)電路的延時(shí)時(shí)間為R(,故U1A的2腳信號(hào)由高到低時(shí)，由于R1， Cl的延時(shí)作用，U2B的3腳信號(hào)此時(shí)還是高電平，此時(shí)D1導(dǎo)通，可以快速放掉C1儲(chǔ)存的電 荷，使U2B的3腳快速到達(dá)低電平，也就是使U2B的4腳快速到達(dá)高電平，關(guān)斷U相上橋。 U1A的2腳信號(hào)經(jīng)過(guò)U2A的反向，變?yōu)楦撸俳?jīng)過(guò)R4， C4的延時(shí)，再經(jīng)過(guò)U2C的反向，得到 低電平信號(hào)，U相下橋?qū)?。如此得到的HU和LU可以控制一對(duì)IGBT上下管。依此類推，就 可以實(shí)現(xiàn)只用CPU的三個(gè)PWM 口生成六路PWM波，六個(gè)PWM 口生成十二路PWM波的效果，達(dá)到 一拖二的目的。若將所有二極管反向，將得到高有效PWM波，此時(shí)二極管的作用是使電容快 速充電。
圖2為上述分析的各關(guān)鍵點(diǎn)的波形。在圖中標(biāo)出了死區(qū)的時(shí)間段。
本發(fā)明不局限于上述實(shí)施形式，可以在本發(fā)明原則的基礎(chǔ)上進(jìn)行變形，這些變形仍屬于 本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求1、一種變頻器一拖二控制系統(tǒng)，包括數(shù)字信號(hào)處理器，其特征在于數(shù)字信號(hào)處理器的每一個(gè)PWM口單獨(dú)使用，和外部配套的硬件電路產(chǎn)生一對(duì)上下橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)字信號(hào)處理器的每一個(gè)PWM 口的配套硬件電路的構(gòu)成為 一個(gè)PWM 口的輸出連接第一施密特觸發(fā)器的輸入端，第一施密特觸發(fā)器的輸出端連接第一二極管電阻并聯(lián)電路的一端，第一二級(jí)管電阻并聯(lián)電路的另一端連接第一電容的一端，第一電容的另一端接地，第二施密特觸發(fā)器的輸入端連接第一二極管電阻并聯(lián)電路的另一端，第二施密特觸發(fā)器的輸出端輸出上橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)；第三施密特觸發(fā)器的輸入端連接第一施密特觸發(fā)器的輸出端，第三施密特觸發(fā)器的輸出端連接第二二極管電阻并聯(lián)電路，第二二級(jí)管電阻并聯(lián)電路的另一端連接第二電容的一端，第二電容的另一端接地，第四施密特觸發(fā)器的輸厶端連接第二二極管電阻并聯(lián)電路的另一端，第四施密特觸發(fā)器的輸出端輸出下橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于第一二極管電阻并聯(lián)電路中的電阻與第一電容構(gòu)成上橋信號(hào)的死區(qū)時(shí)間控制電路，第二二極管電阻并聯(lián)電路中的電阻與第二電容構(gòu)成上橋信號(hào)的死區(qū)時(shí)間控制電路。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于數(shù)字信號(hào)處理器的六個(gè)PWM 口生成十二路PWM波，從而達(dá)到一拖二控制的目的。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種基于德州儀器(Texas Instrument)公司(以下簡(jiǎn)稱TI公司)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) TMS320F28015PZA的低成本方式實(shí)現(xiàn)的工業(yè)變頻器一拖二控制系統(tǒng)，即通過(guò)一片DSP主控芯片同時(shí)控制兩臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)。采用一片TMS320F28015PZA DSP主控芯片，配合外圍硬件電路，生成12路PWM(Pulse Width Module脈寬調(diào)制方式)波形，控制12個(gè)IGBT管，從而可產(chǎn)生出兩路三相電輸出，目的是可以用一臺(tái)變頻器同時(shí)控制兩臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)，節(jié)約一片DSP主控芯片，減小設(shè)備體積，有效降低成本，同時(shí)極大提高控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)H02P27/04GK201266905SQ20082012674
公開(kāi)日2009年7月1日 申請(qǐng)日期2008年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月26日
發(fā)明者龍 張, 戴天芳 申請(qǐng)人:吳 磊