CN101309066A - 基于数字信号处理器(dsp)实现的工业变频器一拖二系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于德州仪器(Texas Instrument)公司(以下简称TI公司)数字信号处理器(DSP)TMS320F28015PZA的低成本方式实现的工业变频器一拖二系统，即通过一片DSP主控芯片同时控制两台三相异步电动机。采用一片TMS320F28015PZA DSP主控芯片，配合外围硬件电路，生成12路PWM(Pulse Width Module脉宽调制方式)波形，控制12个IGBT管，从而可产生出两路三相电输出，目的是可以用一台变频器同时控制两台三相异步电动机，节约一片DSP主控芯片，减小设备体积，有效降低成本，同时极大提高控制系统的可靠性和稳定性。

Description

基于数字信号处理器(DSP)实现的工业变频器一拖二系统

技术领域

本发明涉及适用于工业自动化控制领域内采用一台变频器同时控制两台三相异步电动机的一拖二(或一拖多)的系统。本系统基于德州仪器(Texas Instrument)公司(以下简称TI公司)数字信号处理器(DSP)TMS320F28015PZA(片上资源为6路PWM波)，配合外围硬件电路，生成12路PWM波，控制12个IGBT管，从而可产生出两路三相电输出，目的是以低成本方式实现一片DSP主控芯片同时控制两台三相异步电动机，从而有效降低设备成本，同时提高系统的可靠性和稳定性。

背景技术

目前，工业变频器一般采用一拖一的电路拓扑结构，即由一片DSP主控芯片生成六路PWM(Pulse Width Modulation)波，控制六个功率晶体管或IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)管等的导通顺序，从而产生出电压和频率可调节的三相电输出。这一般意味着每台三相异步电动机的应用系统均需采用一个单独的CPU来控制(一拖一控制系统)，当应用中只包含单台三相异步电动机时，问题并不突出，然而对于诸多需要同时控制多台三相异步电动机的应用场合，一拖一系统就显得累赘而且昂贵了。典型的多重三相异步电动机应用包括工程机械、暖通空调设备(HVAC)、汽车以及其他许多应用。

因此，在工业电气自动化控制领域，出现了一拖二或一拖多的系统控制。目前，主流的控制方案有以下两种。

第一种方案：由变频器的超强的外部端子功能，结合工业领域常用的外部设备，如继电器，PLC(Programmer Logic Control)等，组成一个复杂的控制系统。一般来讲，采用该种方案，外围设备造价高，并且系统连线复杂，不利于系统的保养及维修。再者，此种系统在同一时刻只能控制一台三相异步电动机的运转，而对于同一时刻多台三相异步电动机同时运转的情况下，唯一的措施就是增加变频器的数量，这会进一步增加系统的成本，并且还会增加维护的难度。

第二种方案：利用CPU主控单元多路PWM口的能力，同时控制两台或多台三相异步电动机。一般CPU有6路PWM口输出，此种芯片能输出一台三相异步电动机控制所需要的6路PWM驱动信号。而本身片上资源具有12路PWM信号(驱动两台三相异步电动机)的CPU价格往往成本很高，不利于大规模生产。

本发明提供一种基于TI公司的TMS320F28015PZA(片上资源为6路PWM波)DSP芯片，配合外围硬件电路，生成12路PWM波，控制12个IGBT管，从而可产生出两路三相电输出，目的是以低成本方式实现一片DSP主控芯片同时控制两台三相异步电动机，从而有效降低设备成本，同时提高系统的可靠性和稳定性。

TI公司是全球DSP研发和生产的领先者。自1982年推出第一块DSP芯片以来，道20世纪90年代中期，TI先后推出了C10、C20、C30、C40、C50及C80等第六代TMS320系列的DSP产品。紧接者又推出了C2000系列、C5000系列和C6000系列三大主流产品，并推出了将DSP和ARM合为一体的OMAP系列。其中该公司最新推出的TMS320C28015是当今世界上先进的32位定点DSP芯片。PWM口控制灵活。它不但运行速度高，处理能力强大，并且具有丰富的片内外围设备，便于接口和模块化设计，其性价比极高，尤其适用于大批量和多品种的家电产品、数码相机、电话、测试仪器仪表等，还可广泛应用于数字马达控制、工业自动化、电力转换系统及通讯设备等。

发明内容

本发明提供一种采用一片数字信号处理器(DSP)TMS320C28015PZA主控芯片，配合外围相应的硬件电路，生成2组6路PWM波，控制2个IGBT模块，从而可生成两路三相电输出，目的是用一台变频器同时控制两台三相异步电动机的运转情况，缩小控制设备体积，降低控制系统成本，提高系统的可靠性和稳定性。

本发明中，所产生的12路PWM波被分为两组，每组都有一个控制信号，由DSP输入输出口发出，该控制信号作为驱动光藕的一路输入，控制光藕的导通，由此控制PWM波是否作用到开关器件上，并且在故障发生时，可以快速关断此路信号，切断模块B、E端的PWM波信号。

一种变频器一拖二系统，包括数字信号处理器，其特征在于：数字信号处理器的每一个PWM口单独使用，和外部配套的硬件电路产生一对上下桥驱动信号。

所述数字信号处理器的每一个PWM口的配套硬件电路的构成为：一个PWM口的输出连接第一施密特触发器的输入端，第一施密特触发器的输出端连接第一二极管电阻并联电路的一端，第一二级管电阻并联电路的另一端连接第一电容的一端，第一电容的另一端接地，第二施密特触发器的输入端连接第一二极管电阻并联电路的另一端，第二施密特触发器的输出端输出上桥驱动信号；第三施密特触发器的输入端连接第一施密特触发器的输出端，第三施密特触发器的输出端连接第二二极管电阻并联电路，第二二级管电阻并联电路的另一端连接第二电容的一端，第二电容的另一端接地，第四施密特触发器的输入端连接第二二极管电阻并联电路的另一端，第四施密特触发器的输出端输出下桥驱动信号。

第一二极管电阻并联电路中的电阻与第一电容构成上桥信号的死区时间控制电路，第二二极管电阻并联电路中的电阻与第二电容构成上桥信号的死区时间控制电路。

数字信号处理器的六个PWM口生成十二路PWM波，从而达到一拖二的目的。

附图说明

图1表示用3个PWM口，加上特殊的外围硬件电路，生成六路PWM波的图；

图2表示PWM波生成中硬件电路中相应各点的波形图；

具体实施方式：

以下，参照附图，说明本发明的实现方式。

本发明采用的数字信号处理器(DSP)为TMS320F28015PZAPZA，此DSP本身具有六个PWM生成口，每个PWM口可以任意生成需要的PWM波。通过其中的三个PWM口，连接外围硬件电路就可以生成六路PWM波，从而产生同时控制两台三相异步电动机所需要的12路PWM波。

一台变频器一般有6个开关器件，每一相输出占有2个开关器件，分别称作相应相的上桥和下桥，3相输出共占用6个开关器件。在同一时刻，上桥和下桥是不能同时导通的。而在电路中，信号的传输具有一定的延时性，延时的结果就有可能在上桥还没来得及关断的情况下，下管已经导通了。这就需要在设计中考虑上桥由关断到导通时(此时下桥处于由导通到关断的状态)，有一定的信号滞后时间，此段时间，称之为死区时间。利用死区发生器，应用者可以很方便的设置每对PWM波的死区时间。

每台变频器中，每一相的上下桥对应的DSP主控芯片信号口可以产生一对PWM波，三相共可产生3对(即6路PWM波)，这显然不能满足同时控制两台三相异步电动机的要求。本发明通过采用外围硬件电路，对6路PWM波进行处理，生产12路PWM波，从而可以满足一拖二的控制要求。

图1左侧连到TMS320F28015PZAPZA的三个PWM口，经硬件电路转换后，至右侧生成六路PWM波。其中HU和LU为一对，分别驱动IGBT的一对上下管；同样，HV和LV，HW和LW分别也是一对。

在本发明中，DSP的每一个PWM口单独使用，和外部的配套的硬件电路产生出一对上下桥驱动信号。中间的施密特触发器74HCT14，其一是起上下桥的信号取反作用，其二是滤除驱动信号的干扰信号。至此，DSP的死区发生器就不能被应用者采用了，上下桥之间的死区时间就必须由外部硬件电路控制了。以HU和LU为例，图中的R1，C1为HU信号的死区时间长短的控制器件，R4，C4为LU信号的死区控制器件。本发明中，驱动信号是低有效的。

公知，R，C组成的延时电路的延时时间为R*C，故U1A的2脚信号由高到低时，由于R1，C1的延时作用，U2B的3脚信号此时还是高电平，此时D1导通，可以快速放掉C1储存的电荷，使U2B的3脚快速到达低电平，也就是使U2B的4脚快速到达高电平，关断U相上桥。U1A的2脚信号经过U2A的反向，变为高，再经过R4，C4的延时，再经过U2C的反向，得到低电平信号，U相下桥导通。如此得到的HU和LU可以控制一对IGBT上下管。依此类推，就可以实现只用CPU的三个PWM口生成六路PWM波，六个PWM口生成十二路PWM波的效果，达到一拖二的目的。若将所有二极管反向，将得到高有效PWM波，此时二极管的作用是使电容快速充电。

图2为上述分析的各关键点的波形。在图中标出了死区的时间段。

本发明不局限于上述实施形式，可以在本发明原则的基础上进行变形，这些变形仍属于本发明的范围。

Claims (4)

1、一种变频器一拖二系统，包括数字信号处理器，其特征在于：数字信号处理器的每一个PWM口单独使用，和外部配套的硬件电路产生一对上下桥驱动信号。

2、根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述数字信号处理器的每一个PWM口的配套硬件电路的构成为：一个PWM口的输出连接第一施密特触发器的输入端，第一施密特触发器的输出端连接第一二极管电阻并联电路的一端，第一二级管电阻并联电路的另一端连接第一电容的一端，第一电容的另一端接地，第二施密特触发器的输入端连接第一二极管电阻并联电路的另一端，第二施密特触发器的输出端输出上桥驱动信号；第三施密特触发器的输入端连接第一施密特触发器的输出端，第三施密特触发器的输出端连接第二二极管电阻并联电路，第二二级管电阻并联电路的另一端连接第二电容的一端，第二电容的另一端接地，第四施密特触发器的输入端连接第二二极管电阻并联电路的另一端，第四施密特触发器的输出端输出下桥驱动信号。

3、根据权利要求2所述的系统，其特征在于：第一二极管电阻并联电路中的电阻与第一电容构成上桥信号的死区时间控制电路，第二二极管电阻并联电路中的电阻与第二电容构成上桥信号的死区时间控制电路。

4、根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：数字信号处理器的六个PWM口生成十二路PWM波，从而达到一拖二的目的。

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