基于DSP和IPM技術的平網(wǎng)印花機印花單元專用變頻器的設計
（西安工程科技學院 電子信息學院 西安 710048）
摘要：本文介紹了面向電機控制的數(shù)字信號處理器（DSP）TI公司的TMS320F2407和智能功率模塊（IPM）的特性。通過運用DSP的快速特性進行運算處理和對平網(wǎng)印花單元的控制參數(shù)進行分析，設計出基于DSP（TMS320F2407）和IPM（PS21865）的專用變頻器。實驗結果表明，系統(tǒng)具有優(yōu)良的動態(tài)、靜態(tài)調(diào)速性能。
關鍵字：DSP ；IPM ；印花單元
中國分類號：TP274 文獻標識碼：A
0 引 言
在現(xiàn)代平網(wǎng)印花機生產(chǎn)中，為實現(xiàn)高質(zhì)量，多套色印花，一般采用多電機拖動，各套色的刮印系統(tǒng)分別由各自的電機來拖動，不僅簡化了印花單元機械傳動機構，還可以使各拖動系統(tǒng)選擇合適速度進行印花，從而提高了印花質(zhì)量。由于平網(wǎng)印花機加工范圍較廣，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)印花機的各印花單元應能獨立進行調(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，但結構簡單、成本低。例如，瑞士生產(chǎn)的BUSH-5V、7V型平網(wǎng)印花機國內(nèi)紡織機械廠仿制的平網(wǎng)印花機上的刮印單元就采用這種方案。該方案對刮印電機進行有級調(diào)速，而有級調(diào)速通常不能滿足市場對印花色彩和層次的要求。印花單元無級調(diào)速系統(tǒng)的實現(xiàn)是保證印花質(zhì)量的關鍵，其性能優(yōu)異、靈活性和可靠性高等特點。為快速、高精度、高性能的平網(wǎng)印花機印花單元的研究提出了新的思路。
自20世紀80年代第一代DSP推向市場以來，處理速度和性能不斷提高，在價格上也從最初的幾百美元下降到幾美元。正是由于運動控制專用的DSP芯片技術日趨成熟、功能完善、價格降低，用它們開發(fā)平網(wǎng)印花機刮印單元專用變頻器不僅技術上可行，功能上提高，而且經(jīng)濟上可取。在我們的方案中采用了TI公司生產(chǎn)的運動控制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、直接轉矩控制、矢量控制等控制策略，而且片內(nèi)建有現(xiàn)場總線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)的技術檔次和性能指標。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，電源也大為簡化。實驗結果表明，這樣開發(fā)的專用變頻器硬件結構簡單、性能可靠、軟件也不復雜。
1 電機控制專用數(shù)字信號處理器TMS320F240
高速16位定點D S P控制器是美國TI公司推出的高性能數(shù)字信號處理器。它是專門為電機控制設計的，特別適用于電機的高性能控制。下面給出了TMS320F240主要技術特性：
（1）以T320C2XLP為內(nèi)核，配合哈佛結構和4級流水線作業(yè)設計，指令指令執(zhí)行速度很快：在20MHZ的內(nèi)部時鐘頻率下，指令周期僅為50ns。
（2）存儲器 544 16位片內(nèi)數(shù)據(jù)/編程尋址RAM；16K字片內(nèi)可編程ROM或閃速存儲器；最大可尋址空間為224K.
（3）事件管理器模塊（EV） 3個16為通用定時，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方向檢測。
（4）其它片內(nèi)外設 雙通道共16路A/D轉換器設置，最短為6.6us。28個可編程、復用I/O口。基于鎖相環(huán)（PLL）的時鐘模塊，通過軟件設置，可是起外部2－32MHz之間的晶體振蕩器產(chǎn)生所需的CPU時鐘。SCI串行通訊模塊可實現(xiàn)與上位機通訊。
（5）靈活簡潔的指令集 可在單周期內(nèi)完成16×16為乘法運算和后續(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。
TMS320F240中的事件管理器（EV）模塊是專門為數(shù)字化控制電機而引入的功能模塊。
模塊內(nèi)置的硬件電路最大限度地簡化了對稱空間矢量聯(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是關于每個周期中心對稱的波形。為了獲得SVPWM波形輸出，用戶在軟件上只需做以下工作：
a. 配置全比較動作控制寄存器（ACTR）來定義會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模式會自動設置所有的全比較輸出引腳為 PWM輸出），并設置會比較動作控制寄存器（ACTR）的重載條件為下溢。
c. 通用定時器（GPT1）設置為連續(xù)加/減計數(shù)模式并可進行啟動操作。
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，控制和驅動電路，過（欠）壓、過流、短路和過熱保護電路、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、高可靠性和易維護性等眾多優(yōu)點，亦使整個電路設計更簡化，設計、開發(fā)和制造的成本降低，產(chǎn)品的上市時間也得到縮短。由于IPM模塊的智能化、模塊化、集成化、性價比高、保護功能全、控制驅動簡單等特點，其被廣泛應用于
變頻器等其它領域。
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)生的噪聲有時會使 IGBT產(chǎn)生誤動作。隨著開關頻率的不斷提高，致使寄生電感、寄生電容對電路的影響愈加嚴重，對器件造成的過電壓、過電流的影響也更大。為提高變頻系統(tǒng)的可靠性，進一步降低系統(tǒng)成本和實現(xiàn)小型化，在2003年日本三菱電機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是針對家電產(chǎn)品對功率器件的要求（低成本、小型化、高可靠性、易使用等），在第三代 IPM成功的基礎上而開發(fā)的。三菱的第五代IGBT集成電路，有如下特點[3]：
集成三相逆變電路，采用平面IGBT和CSTBT（Carrier Stored Trench-gate Bipolar Transistor）技術。
內(nèi)有電源自舉電路，僅需要15V單電源驅動。與傳統(tǒng)使用的四路隔離驅動電源相比，對驅動電源的要求大為簡化。
內(nèi)建的控制電源欠壓（UV）保護和主電路短路（SC）保護功能。驅動電源電壓低于12.5V時，自動封鎖六路PWM驅動輸入信號。
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，顯著簡化了驅動電路的復雜性。
使用高有效驅動邏輯，取消了開機和關機時對驅動電源和驅動輸入施加先后順序的限制，使器件具有了自動防止這類故障的功能。這一點常常被設計人員忽視，因而也常常由于這個原因引起損壞。
無須電平轉換，可直接與3V的CPU或DSP接口。TMS320LF2407是3.3V的DSP芯片，這個特點免除了它和逆變模塊接口時的很多麻煩。
本文設計的印花單元專用變頻器就是采用了DIP -IPM，再配以DSP控制板和相應的軟件，就可構成一套較完備的印花單元專用變頻器。
滬公網(wǎng)安備31010802001143號
