Сопряжение отладочной платы TMS320 F2812 фирмы Texas

Лекция1 (4 часа)
Тема: «Сопряжение отладочной платы TMS320 F2812 фирмы Texas Instruments со
схемой трехфазного инвертора на IGBT транзисторах»
В настоящее время во многих областях техники широкое применение находят
программируемые микроконтроллеры (МК). В литературе, посвященной данной
тематике, рассматривается большое количество примеров их применения в разных
областях, как в промышленности, так и в быту. Как показывает опыт работы со
студентами, популяризации данного интересного направления способствует
ознакомление с ним студентов на младших курсах или даже в старших классах на
классных часах или на факультативных занятиях.
При использовании МК для управления различными устройствами возникают
проблемы их согласования. Согласовывать необходимо по уровню сигнала, по его
мощности
и
требуется
обеспечить
гальваническую
развязку
силовых
и
управляющих цепей.
Одним из возможных направлений применения МК является электропривод.
На рис.1 изображена схема устройства управления электроприводом переменного
тока, на рис. 2 – блок управления, реализуемый программно в МК. Реализация
данного устройства возможна на стандартной элементной базе выпускаемой
промышленностью, структурная схема которой приведена на рис. 3. Схема (рис.3)
рассчитана на малые и средние мощности асинхронных двигателей. В качестве
управляемого выпрямителя 4 и инвертора 5 используется IGBT модули фирмы
Mitsubishi серии 1200V DIP-IPM. Данные модули обладают высокой степенью
интеграции и рассчитаны на работу с электроприводами. В одном корпусе
интегрирован драйвер, трехфазная мостовая схема, а также схема защиты силовых
элементов от короткого замыкания и перенапряжения. Силовой модуль CP25TD124A расчитан на ток 25А, и максимальную частоту переключений в 15кГц (рис. 4).
2
2
4
3
5
10
Сеть
13
14
7
11
1
12
Д
8
6
16
9
u a1 ,
i a1 ,
u c1
i c1
15
Id
i a2 ,
u a2 ,
i c2
u c2
2
Рисунок 1 - Схема устройства
23
25
22
20
M
F   
I 22
21
 
2

2
18
ia
I2
1
БЗМ
24
not

ib
-
not
-
ic
not
-
19
ia 2
ib 2
-
- ic 2
2
Id


  от датчиков 
 

  12, 15 и 16 


28
k
26
X
Id 
-
27
СУ
Рисунок 2 - Блок управления
БКУ



 к 3






 к 2 



17
3
Отладочная плата
eZdsp F2812
на базе контроллера TEXAS TMS320 F2812
ПЛАТА
СОПРЯЖЕНИЯ
6
4
СЕТЬ
~ 220 В
1
7
5
2
3
8
АД
9
Рисунок 3 - Структурная схема лабораторной установки
Рисунок 4 – Схема силового модуля CP25TD1-24A
Для обеспечения нормальной работы силового модуля необходимо правильно
подключить все выводы через согласующие элементы со схемой управления. Для
этих целей применяется отладочная плата EVBCPххTD1, принципиальная схема
которой приводится на рис.5. Силовой модуль и отладочная плата представляют
собой законченную силовую схему инвертора на IGBT транзисторах, габаритные
размеры которого составляют 100x100x30мм. Оба силовых интеллектуальных
модуля DIP IPM крепятся на общем радиаторе HS 145-300. Для лучшего
4
теплообмена используется термопаста. Таким образом, получается компактный
силовой модуль мощностью 3,5кВт.
Уровень напряжения управляющих сигналов платы EVB - 5В. Для
подключения выводов управляющего микроконтроллера к данному силовому блоку
использована
ПЛАТА
СОПРЯЖЕНИЯ,
выполняющая
функцию
усиления
управляющего сигнала, согласования по уровню напряжения (3,3V и 5V) и
гальванической развязки (рис. 6). Плата сопряжения состоит из: 12 триггеров
Шмидта фирмы Texas Instruments SN74HC14n 12 (2 шт.), 12 транзисторных оптопар
фирмы NEC RS2501-4 (3 шт.), 12 токоограничивающих сопротивлений в цепях
светодиодов по 390 Ом и 12 токоограничивающих сопротивлений в цепях
фототранзисторов по 330 Ом.
Рисунок 5 – Принципиальная схема отладочной платы EVBCPххTD1
В качестве блока управления используется отладочная плата eZdsp F2812 на
базе контроллера TMS320 F2812 производства фирмы TEXAS INSTRUMENTS.
Этот контроллер имеет:
- 6 PWM выходов (3V);
5
- 16 транзисторных входов (DI) и 16 транзисторных выходов DO (3V);
- Цифровой сигнальный процессор TMS320F2812 работающий при 150 МГц;
- 18 K RAM на кристалле, 128 K FLASH ROM на кристалле, 64 K RAM на
плате.
- быстродействующий двухканальный АЦП на 16 входов (AD input) (0～3V)
Рисунок 6 – Структурная схема сопряжения контроллера TMS и модуля EVB
Отладочная плата eZdsp F2812 получает питание от источника 5В, а
контроллер TMS320 F2812 рассчитан на работу с напряжением 3,3В.
Для контроля и регулирования тока были разработаны платы измерения 1, 2
и 3. Плата 1 контролирует только ток в звене постоянного тока (рис.7), а платы 2 и 3
измеряют токи (рис.8) и напряжения (рис.9) в двух фазах до и после
преобразователя
соответственно.
Платы
измерения
напряжений
и
токов
подключаются к разъему P9 контроллера. При определении числа витков навивки на
датчики тока CSLA1CH AC/DC 150A примем во внимание максимальный ток
преобразователя -25 А, т.е. n = 150/25=6 витков.
6
X1
1
2
3
4
X2
U1
CSLA1CH AC/DC 150A
15V
R2
0~3,3V
А1*
2
1
2
82 kOm
GND
GND
А1
3
1
R1
PIN OUT
1 GND (-)
2 OUT (0)
3 Vs
(+)
Навивка 6 витков
22 kOm
Рисунок 7 – Плата измерения величины тока звена постоянного тока
X1
1
2
3
4
X2
U1
R4
0~3,3V
3
4
2
5
U1
1
36 kOm
GND
5V
GND
CSLW6B40M
2
V1
1
3
R3
PIN OUT
1 Vs
(+)
2 GND (-)
3 OUT (0)
4 PRIMARY Iout
5 PRIMARY Iin
62 kOm
R1
8 kOm,
10 Вт
U2
5
6
R6
0~3,3V
CSLW6B40M
3
4
2
5
U2
4
36 kOm
GND
5
V2
1
R5
62 kOm
PIN OUT
1 Vs
(+)
2 GND (-)
3 OUT (0)
4 PRIMARY Iout
5 PRIMARY Iin
R2
8 kOm,
10 Вт
Рисунок 8 – Плата измерения напряжений
6
7
Для обеспечения сопряжения датчиков тока и напряжения с контроллером
TEXAS на выходе каждого датчика включен делитель напряжения, который
приводит все напряжения к уровню 3,3V.
X3
1
2
3
4
X4
U3
CSLA1CH AC/DC 150A
15V
3
R8
0~3,3V
А1*
2
1
2
82 kOm
GND
GND
А1
1
R7
PIN OUT
1 GND (-)
2 OUT (0)
3 Vs
(+)
Навивка 6 витков
22 kOm
U4
CSLA1CH AC/DC 150A
3
5
6
R10
0~3,3V
2
82 kOm
GND
1
R9
22 kOm
PIN OUT
1 GND (-)
2 OUT (0)
3 Vs
(+)
Навивка 6 витков
Рисунок 9 – Плата измерения токов
А2
А2*
3
4
8
Лекция2 (2 часа)
Тема: «Сопряжение отладочной платы TMS320 F2812 фирмы Texas Instruments со
схемой однофазного инвертора с релейным регулятором тока»
Для
отработки
алгоритмов
релейного
гистерезисного
регулирования
рассмотрим схему однофазного инвертора напряжения с релейным регулятором
тока (рис.10). Здесь блоки 3 и 4 это элементы модуля CP25TD1-24A и
конструктивно
расположены
в
одном
корпусе.
Программа
управления
контроллером, реализующая требуемые алгоритмы, выполнена в пакете Matlab Simulink с использованием специализированных библиотек для контроллеров серии
С2000, а затем транслирована в специализированное средство программирования
контроллеров фирмы TEXAS Code Composer Studio.
Отладочная плата
eZdsp F2812
на базе контроллера TEXAS TMS320 F2812
ПЛАТА
СОПРЯЖЕНИЯ
FU1
СЕТЬ
~ 220 В
3
4
FU2
2
1
АД
Рисунок 10 – Структурная схема лабораторной установки для отладки алгоритмов
релейного регулирования
Модель релейного регулирования для электропривода переменного тока в
среде Simulink приведена на рис.11. Для подачи разрешения на работу был
задействован один дискретный вход платы eZdsp F2812 с помощью блока GPIO DI.
Сигнал с датчика тока (блок 2, рис.10) подан на вход АЦП ADCINAO (разъем платы
P9, pin#1,2).
9
Рисунок 11 – Модель релейного регулирования для отладки алгоритмов управления
и проверки работоспособности платы сопряжения
Поскольку режим АЦП 12 разрядный, то после преобразования АЦП выдает
беззнаковое число от 0 до 4096. Нулю соответствует -3,3V, а 4096-ти соответствует
+3,3V. Для определения нуля необходимо снять показания АЦП при нулевом токе, и
ввести в программу процедура смещения нуля путем вычитания полученного
значения
(2200)
из
текущего
показания
АЦП.
Далее
для
определения
действительной величины тока в Амперах необходимо экспериментальным образом
зафиксироваь коэффициент приведения (680). В модуле Relay задается ширина
полосы
гистерезиса,
после
чего
призводится
транслирование
полученного
программного продукта в Code Composer Studio и компиляция с заливкой в память
контроллера. В результате получены графики выходного тока с частотой 50Гц
(рис.12, 13).
10
Рисунок 12 – Токи инвертора при пуске
Рисунок 13 – Токи инвертора в статике