高压变频器硬件设计优化攻略

所研制的6kV高压变频器装置，系统采用TI公司的TMS320C32浮点型DSP和Cypress公司的CPLD组成双DSP全数字交流控制电路，实现级联型高压变频器的调速控制以及人机交互和网络控制等功能^[191]。

1.系统基本构成及硬件电路框图

级联型高压变频器的控制系统采用两级DSP构成主—从通信，主要由从站DSP控制电路、主站DSP控制电路、PWM生成电路和PLC控制四大部分组成。6kV高压变频器装置控制系统结构框图如图8-3所示。

DSP主站主要由中文液晶显示屏、键盘、TMS320C32DSP控制板三大部分组成，可完成设定参数、指令操作、数据读取、状态显示、与上位机通信等功能。

图8-3 级联型高压变频器的双DSP控制系统框图

图8-4 从站DSP控制系统硬件框图

DSP从站主要实现模拟量输入输出、开关量输入输出、完成上一级发出的各种执行指令，综合和处理各种故障，对系统进行自诊断，并向上一级反馈装置的状态和参数。

PWM生成电路以CPLD为核心，主要完成18个功率单元36路PWM控制信号的生成、控制信号和单元状态信号的编码和解码，并通过光纤来传送控制信号以及接受状态信号。

PLC可编程序控制器主要完成变频器外围的各种操作、保护、联锁等功能。

从站DSP控制电路硬件框图如图8-4所示，DSP芯片选用TI公司的TMS320C32，另有A/D、D/A、SRAM、FIFO、RS485、RS232、ISO124、ST16C552等器件，主要完成8路模拟量输入、4路模拟量输出、8路开关量输入、8路开关量输出的高速数据采集与处理、对系统进行保护和自诊断、发出各种执行指令、综合和处理各种故障报警、与其他电路进行通信，以满足高性能交流调速系统的实时性要求。从站DSP控制板上设有2个通信口，即串口1（RS485）用于与主站通信，串口2（RS232）用于与现场总线Profibus相连。

主站控制硬件框图如图8-5所示，主要由液晶显示屏（8×8行中文显示）、键盘（7个按键）、TMS320C32DSP控制板三大部分组成，完成系统参数的设置、运行控制、状态显示，实时监控及通信等功能。主站DSP控制板也设有2个串行通信口：1个RS485通信口与从站通信，另1个RS232通信口与上位机通信，以实现远程监控。

图8-5 主站DSP控制系统硬件框图(www.xing528.com)

2.模拟量输入通道设计

6kV高压变频器装置系统的模拟量主要包括模拟量给定、A相输出线电流、C相输出线电流、直流母线电压等信号。模拟量输入信号经低通π型RC滤波器，至射极跟随放大器，再到隔离放大器ISO124隔离后，连接至A/D转换器的输入端。ISO124的隔离电压为1500V，线性度为0.01%，输入信号频率小于50kHz。

图8-6所示为AD7864A/D转换器与TMS320C32 DSP的接口设计硬件框图。其中，A/D转换器采用12位四通道高速芯片AD7864，系统共采用2片AD7864A/D转换器组成8通道同时采样/保持、每通道采样率为130KSPS、分辨率为12位、输入电压范围±10V。一个触发信号同时启动2片AD7864采样，A/D转换完成后，数据由CPLD（CY37064P84）控制写入数据缓冲器FIFO中，FIFO数据准备好，产生中断或查询信号，通知DSP取数。8个通道完成一遍采样的时间为17.04μs。

图8-6　AD7864A/D转换器与TMS320C32 DSP的接口硬件框图

3.模拟量输出通道设计

6kV高压变频器装置系统的模拟量输出通道采用1片DAC4813D/A转换器组成4通道模拟量同时输出。DAC4813是一种12位、4通道、高速转换、同时输出的D/A转换器，满量程建立时间为4.5μs，分辨率为12位，输出电压范围±10V。4路D/A转换数据由各通道的锁存器分别锁存，再由统一的D/A输出命令同时输出。DAC4813带输出复位功能，上电或对D/A复位口操作时，使4路D/A输出全部置为0。复位操作只影响D/A输出寄存器，而不影响D/A锁存器。模拟输出经隔离放大器ISO124隔离输出，隔离电压为1500V。

4.系统通信接口设计

6kV高压变频器装置系统采用PC16552芯片管理主从DSP之间、从站DSP和Profibus之间、主站DSP和上位机之间的通信，DSP不直接参与通信。通信方式为中断方式，在中断服务程序中完成数据发送和数据接收。通信遵循的是SiemensU-SS协议，这是Siemens所有传动产品的通用协议。

PC16552是带有FIFO的双路异步通信器件，具有集成度高、使用方便、兼容性好等特点，一片PC16552可以提供完全独立的两个串口和一个并口，每个通道具有独立的发送、接收、线路状态和设置中断功能，分别可对数据位数、奇偶校验、停止位及波特率等进行编程。PC16552的串口1经高速光电隔离和RS232接口芯片到从站的串口1端口，PC16552的串口2经高速光电隔离和RS485接口芯片到从站的串口2端口，接收/发送则由PC16552的MODEM控制寄存器的OUT2位控制，当OUT2位为0电平时，工作为接收方式，OUT2位为1电平时，工作为发送方式。

5.CPLD在IGBT驱动中的应用

对于采用级联型结构的高压变频调速装置，如何实现脉冲移相PWM策略，生成N（N可设）组对称PWM波形，并且保证PWM信号传输的准确性和可靠性，满足电机控制在实时性、快速性方面等较高要求，是重点要解决的问题。理论上讲，从触发电路到IGBT栅极和发射极的引线应做到既短又一致，但考虑散热和绝缘等条件，实际装置的尺寸较大，PWM信号需经过较长的距离才能送到功率单元中的IGBT。

复杂的可编程逻辑器件（CPLD）突出的特点是系统内编程、高速传输信号、高可靠性、高抗干扰能力，编程功能既灵活又强大。以CY37128为例，内含128个宏单元，最高工作频率可达167MHz。而在目前诸多传输介质中，只有光纤具有损耗低、频带宽、重量轻、不受电磁干扰等突出优点。以HFBR1521/HFBR2521为例，传输速率可达5MBd，标准电缆的传输距离为48m，传输损耗可忽略不计。因此，系统选用CPLD组成PWM生成电路，并利用光纤传输PWM信号。实验表明，CPLD与光纤的结合是解决高压大功率变频装置中信号传输的最佳方案。

6kV高压变频器装置的PWM信号生成如图8-7所示，由从站DSP和PWM生成电路最多可产生18路PWM信号，然后利用两根光纤传输至每个功率单元，每个功率单元首先由PWM信号译码电路接收信号并译码后再传输至IGBT驱动电路，IGBT驱动电路经隔离、功率放大、电平转换之后，去驱动IGBT。功率单元的状态编码后，用一根光纤传输至PWM生成电路，经译码后送至从站DSP。从站DSP和PWM生成电路靠96针连接器连接。