基于DSP和IPM技術(shù)的平網(wǎng)印花機(jī)印花單元專用變頻器的設(shè)計(jì)
（西安工程科技學(xué)院 電子信息學(xué)院 西安 710048）
摘要：本文介紹了面向電機(jī)控制的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）TI公司的TMS320F2407和智能功率模塊（IPM）的特性。通過運(yùn)用DSP的快速特性進(jìn)行運(yùn)算處理和對(duì)平網(wǎng)印花單元的控制參數(shù)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出基于DSP（TMS320F2407）和IPM（PS21865）的專用變頻器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)調(diào)速性能。
關(guān)鍵字：DSP ；IPM ；印花單元
中國分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
0 引 言
在現(xiàn)代平網(wǎng)印花機(jī)生產(chǎn)中，為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量，多套色印花，一般采用多電機(jī)拖動(dòng)，各套色的刮印系統(tǒng)分別由各自的電機(jī)來拖動(dòng)，不僅簡(jiǎn)化了印花單元機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，還可以使各拖動(dòng)系統(tǒng)選擇合適速度進(jìn)行印花，從而提高了印花質(zhì)量。由于平網(wǎng)印花機(jī)加工范圍較廣，不同的織物，不同的工藝，不同的染料，要求各印花單元執(zhí)行部件具有不同的刮印次數(shù)、刮印速度及刮印行程，因此平網(wǎng)印花機(jī)的各印花單元應(yīng)能獨(dú)立進(jìn)行調(diào)速。傳統(tǒng)的辦法是刮印單元采用專用變頻器，它的速度分十檔，刮印次數(shù)、刮印行程可以通過面板設(shè)定，具有RS-232或RS-485串行通訊功能。一種典型的作法是用8位單片機(jī)開發(fā)的功能專用的變頻器，采用普通的V/F控制，其功能較少，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。例如，瑞士生產(chǎn)的BUSH-5V、7V型平網(wǎng)印花機(jī)國內(nèi)紡織機(jī)械廠仿制的平網(wǎng)印花機(jī)上的刮印單元就采用這種方案。該方案對(duì)刮印電機(jī)進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，而有級(jí)調(diào)速通常不能滿足市場(chǎng)對(duì)印花色彩和層次的要求。印花單元無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是保證印花質(zhì)量的關(guān)鍵，其性能優(yōu)異、靈活性和可靠性高等特點(diǎn)。為快速、高精度、高性能的平網(wǎng)印花機(jī)印花單元的研究提出了新的思路。
自20世紀(jì)80年代第一代DSP推向市場(chǎng)以來，處理速度和性能不斷提高，在價(jià)格上也從最初的幾百美元下降到幾美元。正是由于運(yùn)動(dòng)控制專用的DSP芯片技術(shù)日趨成熟、功能完善、價(jià)格降低，用它們開發(fā)平網(wǎng)印花機(jī)刮印單元專用變頻器不僅技術(shù)上可行，功能上提高，而且經(jīng)濟(jì)上可取。在我們的方案中采用了TI公司生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)控制DSP芯片TMS320LF2407，借助于該芯片不僅可以方便的完成普通V/F控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制等控制策略，而且片內(nèi)建有現(xiàn)場(chǎng)總線CAN控制器和串行通訊接口，使用它們可以方便完成組網(wǎng)和與面板連接，大大提高系統(tǒng)的技術(shù)檔次和性能指標(biāo)。逆變功率模塊采用三菱公司最新的第五代IPM PS21865，可以直接與DSP接口，無須光電隔離或者變壓器隔離，電源也大為簡(jiǎn)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這樣開發(fā)的專用變頻器硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、軟件也不復(fù)雜。
1 電機(jī)控制專用數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F240
高速16位定點(diǎn)D S P控制器是美國TI公司推出的高性能數(shù)字信號(hào)處理器。它是專門為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的，特別適用于電機(jī)的高性能控制。下面給出了TMS320F240主要技術(shù)特性：
（1）以T320C2XLP為內(nèi)核，配合哈佛結(jié)構(gòu)和4級(jí)流水線作業(yè)設(shè)計(jì)，指令指令執(zhí)行速度很快：在20MHZ的內(nèi)部時(shí)鐘頻率下，指令周期僅為50ns。
（2）存儲(chǔ)器 544 16位片內(nèi)數(shù)據(jù)/編程尋址RAM；16K字片內(nèi)可編程ROM或閃速存儲(chǔ)器；最大可尋址空間為224K.
（3）事件管理器模塊（EV） 3個(gè)16為通用定時(shí)，可工作6種模式：脈沖寬度調(diào)制電路，它由空間向量PWM電路、死區(qū)發(fā)生器和輸出邏輯電路組成，可提供12路PWM輸出；正交脈沖編碼電路可要于速度和旋轉(zhuǎn)方向檢測(cè)。
（4）其它片內(nèi)外設(shè) 雙通道共16路A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)置，最短為6.6us。28個(gè)可編程、復(fù)用I/O口。基于鎖相環(huán)（PLL）的時(shí)鐘模塊，通過軟件設(shè)置，可是起外部2－32MHz之間的晶體振蕩器產(chǎn)生所需的CPU時(shí)鐘。SCI串行通訊模塊可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊。
（5）靈活簡(jiǎn)潔的指令集 可在單周期內(nèi)完成16×16為乘法運(yùn)算和后續(xù)的累加操作
（6）備有4種掉電模式，采用基于JTAG掃描的仿真技術(shù)。
TMS320F240中的事件管理器（EV）模塊是專門為數(shù)字化控制電機(jī)而引入的功能模塊。
模塊內(nèi)置的硬件電路最大限度地簡(jiǎn)化了對(duì)稱空間矢量聯(lián)定調(diào)制（SVPWM）波形的產(chǎn)生，其內(nèi)部的發(fā)生電路框圖如圖 1所示。產(chǎn)生的SVPWDAINJIM是關(guān)于每個(gè)周期中心對(duì)稱的波形。為了獲得SVPWM波形輸出，用戶在軟件上只需做以下工作：
a. 配置全比較動(dòng)作控制寄存器（ACTR）來定義會(huì)比較輸出引腳的極性。
b. 配置比較控制寄存器（COMCON）比較操作和空間矢量模式（可使空間矢量PWM模式會(huì)自動(dòng)設(shè)置所有的全比較輸出引腳為 PWM輸出），并設(shè)置會(huì)比較動(dòng)作控制寄存器（ACTR）的重載條件為下溢。
c. 通用定時(shí)器（GPT1）設(shè)置為連續(xù)加/減計(jì)數(shù)模式并可進(jìn)行啟動(dòng)操作。
2 第五代智能化IGBT模塊IPM
智能化IGBT模塊（IPM）將IGBT芯片，快速二極管芯片，控制和驅(qū)動(dòng)電路，過（欠）壓、過流、短路和過熱保護(hù)電路、嵌位電路以及自診斷電路等封裝在一起，從而使電力電子逆變器具備了高頻化、小型化、高性能、高可靠性和易維護(hù)性等眾多優(yōu)點(diǎn)，亦使整個(gè)電路設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)、開發(fā)和制造的成本降低，產(chǎn)品的上市時(shí)間也得到縮短。由于IPM模塊的智能化、模塊化、集成化、性價(jià)比高、保護(hù)功能全、控制驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，其被廣泛應(yīng)用于
變頻器等其它領(lǐng)域。
但是在傳統(tǒng)的IPM中，由于使用了大量分立元器件，使得控制電路難以實(shí)現(xiàn)小型化和低成本，而且控制電路的各種引線寄生電容或寄生電感產(chǎn)生的噪聲有時(shí)會(huì)使 IGBT產(chǎn)生誤動(dòng)作。隨著開關(guān)頻率的不斷提高，致使寄生電感、寄生電容對(duì)電路的影響愈加嚴(yán)重，對(duì)器件造成的過電壓、過電流的影響也更大。為提高變頻系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本和實(shí)現(xiàn)小型化，在2003年日本三菱電機(jī)推出了第五代智能功率模塊,雙排直插智能功率模塊（DIP-IPM）。 DIP-IPM是針對(duì)家電產(chǎn)品對(duì)功率器件的要求（低成本、小型化、高可靠性、易使用等），在第三代 IPM成功的基礎(chǔ)上而開發(fā)的。三菱的第五代IGBT集成電路，有如下特點(diǎn)[3]：
集成三相逆變電路，采用平面IGBT和CSTBT（Carrier Stored Trench-gate Bipolar Transistor）技術(shù)。
內(nèi)有電源自舉電路，僅需要15V單電源驅(qū)動(dòng)。與傳統(tǒng)使用的四路隔離驅(qū)動(dòng)電源相比，對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求大為簡(jiǎn)化。
內(nèi)建的控制電源欠壓（UV）保護(hù)和主電路短路（SC）保護(hù)功能。驅(qū)動(dòng)電源電壓低于12.5V時(shí)，自動(dòng)封鎖六路PWM驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)。
使用集成的高壓IC（HVIC），無須光電隔離和變壓器隔離，直接和CPU接口，顯著簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜性。
使用高有效驅(qū)動(dòng)邏輯，取消了開機(jī)和關(guān)機(jī)時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)電源和驅(qū)動(dòng)輸入施加先后順序的限制，使器件具有了自動(dòng)防止這類故障的功能。這一點(diǎn)常常被設(shè)計(jì)人員忽視，因而也常常由于這個(gè)原因引起損壞。
無須電平轉(zhuǎn)換，可直接與3V的CPU或DSP接口。TMS320LF2407是3.3V的DSP芯片，這個(gè)特點(diǎn)免除了它和逆變模塊接口時(shí)的很多麻煩。
本文設(shè)計(jì)的印花單元專用變頻器就是采用了DIP -IPM，再配以DSP控制板和相應(yīng)的軟件，就可構(gòu)成一套較完備的印花單元專用變頻器。
滬公網(wǎng)安備31010802001143號(hào)
