基于DSP和IPM技術的平網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印花單元的控制參數進行分析，設計出基于DSP（TMS320F2407）和IPM（PS21865）的專用變頻器。實驗結果表明，系統具有優良的動態、靜態調速性能。
關鍵字：DSP ；IPM ；印花單元
中國分類號：TP274 文獻標識碼：A
0 引 言
在現代平網印花機生產中，為實現高質量，多套色印花，一般采用多電機拖動，各套色的刮印系統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選擇合適速度進行印花，從而提高了印花質量。由于平網印花機加工范圍較廣，不同的織物，不同的工藝，不同的染料，要求各印花單元執行部件具有不同的刮印次數、刮印速度及刮印行程，因此平網印花機的各印花單元應能獨立進行調速。傳統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、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，瑞士生產的BUSH-5V、7V型平網印花機國內紡織機械廠仿制的平網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速，而有級調速通常不能滿足市場對印花色彩和層次的要求。印花單元無級調速系統的實現是保證印花質量的關鍵，其性能優異、靈活性和可靠性高等特點。為快速、高精度、高性能的平網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，用它們開發平網印花機刮印單元專用變頻器不僅技術上可行，功能上提高，而且經濟上可取。在我們的方案中采用了TI公司生產的運動控制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，而且片內建有現場總線CAN控制器和串行通訊接口，使用它們可以方便完成組網和與面板連接，大大提高系統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為內核，配合哈佛結構和4級流水線作業設計，指令指令執行速度很快：在20MHZ的內部時鐘頻率下，指令周期僅為50ns。
（2）存儲器 544 16位片內數據/編程尋址RAM；16K字片內可編程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：脈沖寬度調制電路，它由空間向量PWM電路、死區發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（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生所需的CPU時鐘。SCI串行通訊模塊可實現與上位機通訊。
（5）靈活簡潔的指令集 可在單周期內完成16×16為乘法運算和后續的累加操作
（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）模塊是專門為數字化控制電機而引入的功能模塊。
模塊內置的硬件電路最大限度地簡化了對稱空間矢量聯定調制（SVPWM）波形的產生，其內部的發生電路框圖如圖 1所示。產生的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）設置為連續加/減計數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點，亦使整個電路設計更簡化，設計、開發和制造的成本降低，產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生的噪聲有時會使 IGBT產生誤動作。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。為提高變頻系統的可靠性，進一步降低系統成本和實現小型化，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。
內有電源自舉電路，僅需要15V單電源驅動。與傳統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。
滬公網安備31010802001143號
