基于MSP430單片機(jī)的制動(dòng)單元設(shè)計(jì)

趙澤生，張向前，趙磊，劉娜，王玉博，楊燕

（1.天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所有限公司，天津300180；2.天津天傳新能源電氣有限公司，天津300180）

1 引言

基于變頻器的交流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)減速及制動(dòng)時(shí)，由于慣性，電動(dòng)機(jī)速度可能大于其同步轉(zhuǎn)速。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)軸上的動(dòng)能回饋到變頻器直流母線上，使直流母線電壓不斷上升。這種情況下可以使用制動(dòng)單元將直流母線電壓控制在安全范圍內(nèi)，避免因直流母線電壓過(guò)高引起變頻器故障停機(jī)或損壞，造成損失。

制動(dòng)單元主回路結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，當(dāng)母線電壓檢測(cè)電路檢測(cè)到直流母線電壓高于設(shè)定的限值時(shí)，控制電路便發(fā)出控制信號(hào)使IGBT 接通，再生能量消耗到制動(dòng)電阻Rb上，從而將直流母線電壓保持在安全范圍以內(nèi)。

圖1 制動(dòng)單元主回路框圖Fig.1 The main circuit diagram of brake unit

MSP430 系列是美國(guó)TI 公司生產(chǎn)的低功耗16位單片機(jī)，它具有自身功耗低、處理能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定、片內(nèi)的外設(shè)豐富、開發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn)，且具有很高的性價(jià)比，在工業(yè)控制、儀器儀表等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文提出了一種基于MSP430單片機(jī)的制動(dòng)單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 總體設(shè)計(jì)方案

制動(dòng)單元的原理框圖見圖2。本文選用MSP430F1232 為主控芯片，片內(nèi)集成了flash，8路高性能的10 位A/D 轉(zhuǎn)換器、高精度比較器、帶PWM 功能的定時(shí)器等，制動(dòng)單元設(shè)計(jì)時(shí)充分利用其資源，實(shí)現(xiàn)了A/D采樣、PWM波的驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生、外置看門狗的復(fù)位設(shè)計(jì)、通用IO 口信號(hào)的輸入輸出等功能，使電路簡(jiǎn)潔、高效，系統(tǒng)功能強(qiáng)，精度好，可靠性高。

圖2 制動(dòng)單元系統(tǒng)框圖Fig.2 System block diagram of brake unit

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 母線電壓檢測(cè)

制動(dòng)單元控制部分的基本功能是實(shí)時(shí)檢測(cè)直流母線電壓值，將此值與設(shè)定的過(guò)壓限值比較，適時(shí)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制功率器件（IGBT）的通斷。直流母線電壓為高壓信號(hào)，通過(guò)電阻分壓得到供CPU 采樣處理的低壓信號(hào)。母線電壓檢測(cè)電路見圖3。

圖3 直流母線電壓檢測(cè)電路Fig.3 DC bus voltage detection circuit

3.2 直流母線取電電路

制動(dòng)單元控制電路需要多種電源且要有一定的帶載能力。考慮到制動(dòng)單元須接在逆變器直流母線上，本文設(shè)計(jì)了一種輸出功率高、輸出電壓可調(diào)且限流電阻損耗小的直接從高壓直流母線取控制電的線路，如圖4所示。圖4中，R1是限流電阻；2 是串聯(lián)穩(wěn)壓管組；5 是降壓斬波功率單元；4 是驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生單元；6 是過(guò)壓保護(hù)單元。此電路采用穩(wěn)壓管串聯(lián)的方式，可以提高輸出功率，減小流經(jīng)限流電阻R1的電流，同時(shí)具有輸出過(guò)壓保護(hù)功能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、性能可靠的特點(diǎn)，巧妙解決了控制部分的供電問(wèn)題。

圖4 從直流母線取控制電源Fig.4 Take control power from the DC bus

3.3 溫度檢測(cè)隔離

當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)高、冷卻不足或制動(dòng)單元與制動(dòng)電阻不匹配以及制動(dòng)電阻故障的情況下，制動(dòng)單元的功率器件就可能因?yàn)闇囟冗^(guò)高而損壞。鑒于此，本文加入了散熱器溫度過(guò)熱保護(hù)功能，溫度檢測(cè)隔離電路見圖5。圖5中RT為安裝于散熱器上的正溫度系數(shù)熱敏電阻；方波脈沖信號(hào)來(lái)自MSP430 單片機(jī)的P1.4 口；脈沖變壓器TX1 用于熱敏電阻與控制回路的隔離；在電阻R52上的電壓值反映了RT 的大小，作為溫度信號(hào)輸入到MSP430單片機(jī)的P2.1口進(jìn)行A/D采樣。

圖5 溫度檢測(cè)隔離電路Fig.5 Temperature detection and isolation circuit

3.4 外置看門狗電路

MSP430 內(nèi)部自帶看門狗及復(fù)位電路，理論上如果程序跑飛，可用此看門狗復(fù)位。但在實(shí)際使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其自帶看門狗的作用并非萬(wàn)無(wú)一失。所以本文采用了外置看門狗專用芯片TPS3823-33，與單片機(jī)的連接電路如圖6 所示。TPS3823 輸出定時(shí)溢出信號(hào)給MSP430 的Reset端，在程序運(yùn)行過(guò)程中，CPU不斷地通過(guò)I/O口輸出喂狗信號(hào)，使看門狗計(jì)數(shù)器清零。實(shí)驗(yàn)證明：該設(shè)計(jì)能使系統(tǒng)重啟成功率達(dá)到100%。

圖6 外置看門狗電路Fig.6 External watchdog circuit

同時(shí)，TPS3823-33 還有電源監(jiān)控的功能。在電源上電或掉電過(guò)程中給單片機(jī)復(fù)位信號(hào)，防止電源不穩(wěn)定過(guò)程中單片機(jī)輸出錯(cuò)誤信號(hào)。

3.5 IGBT驅(qū)動(dòng)電路

如引言所述，制動(dòng)單元主回路是基于IGBT的斬波電路。主控芯片根據(jù)直流母線電壓超過(guò)設(shè)定限值的比例改變IGBT 驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比，從而控制從直流母線釋放到制動(dòng)電阻的能量。IGBT 驅(qū)動(dòng)電路如圖7 所示。單片機(jī)的P1.2 口輸出IGBT 驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)與非門實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和整形，最后利用推挽電路增加驅(qū)動(dòng)能力、降低輸出阻抗后經(jīng)R33輸出到IGBT 的門極，控制IGBT 的可靠通斷。

圖7 IGBT驅(qū)動(dòng)電路Fig.7 IGBT gate drive circuit

3.6 IGBT過(guò)流保護(hù)

IGBT 過(guò)流保護(hù)就是當(dāng)IGBT 集電極電流過(guò)大時(shí)，在IGBT損壞之前將IGBT關(guān)斷。本文通過(guò)檢測(cè)IGBT 的C，E 兩端的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。過(guò)流檢測(cè)電路如圖8 所示，將過(guò)流保護(hù)臨界電壓動(dòng)作值設(shè)定為3.3 V，通過(guò)選擇二極管D14和電阻R14的值，調(diào)整IGBT 的過(guò)流動(dòng)作門檻。比較器輸出電平翻轉(zhuǎn)，表示發(fā)生過(guò)流故障，此時(shí)要封鎖IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖，并發(fā)出過(guò)流保護(hù)和報(bào)警信號(hào)。

圖8 過(guò)流檢測(cè)電路Fig.8 Over current detection circuit

4 軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的制動(dòng)單元軟件分主程序和中斷程序兩部分。主程序主要完成系統(tǒng)初始化、參數(shù)定義、MSP430 各功能模塊初始化、A/D 采樣、門坎判斷、各種系統(tǒng)故障分析及計(jì)算比較寄存器的刷新值。刷新比較寄存器的值及外部看門狗的復(fù)位等由中斷程序完成。下面重點(diǎn)介紹A/D 采樣及制動(dòng)電阻過(guò)載保護(hù)的軟件實(shí)現(xiàn)。

4.1 A/D采樣

系統(tǒng)需要采樣的信號(hào)值包括母線電壓值、溫度信號(hào)及控制電源電壓值，為了進(jìn)一步提高采樣精度，在軟件設(shè)計(jì)中加入軟件濾波器。濾波器使用中位值平均濾波法，即在一個(gè)寄存器刷新周期中連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，取剩余的N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為此次采樣的結(jié)果。

4.2 過(guò)載保護(hù)

當(dāng)直流母線電壓超過(guò)設(shè)定限值時(shí)，制動(dòng)電阻接入直流母線回路，消耗多余電能，電阻上釋放的功率為

式中：Pb為制動(dòng)功率；U 為母線電壓；Rb為制動(dòng)電阻阻值。

制動(dòng)能量以熱的形式耗散在制動(dòng)電阻上，導(dǎo)致其溫度升高。當(dāng)電阻溫度超過(guò)其額定值時(shí)，制動(dòng)電阻會(huì)因溫度過(guò)高而損壞。但溫度不高時(shí)又有一定的能量耗散能力。本文設(shè)計(jì)的過(guò)載保護(hù)方案是實(shí)時(shí)計(jì)算制動(dòng)電阻溫升，當(dāng)計(jì)算值超過(guò)其額定溫升時(shí)，通過(guò)限制制動(dòng)電阻的通電時(shí)間來(lái)確保制動(dòng)電阻不會(huì)因?yàn)闇厣^(guò)高而燒毀。

計(jì)算制動(dòng)電阻溫升所依據(jù)的計(jì)算公式為

式中：Y為制動(dòng)電阻的溫升；X為電阻上消耗的功率（對(duì)應(yīng)的溫升）；TA為采樣周期；T為制動(dòng)電阻的發(fā)熱時(shí)間常數(shù)。

實(shí)際工作中，系統(tǒng)根據(jù)母線電壓判斷制動(dòng)功率的大小，計(jì)算制動(dòng)電阻的溫升，再根據(jù)當(dāng)前的溫升值，判斷電阻是否還能繼續(xù)放電，并在不能繼續(xù)放電時(shí)限制IGBT 的PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的周期和占空比。

4.3 程序流程圖

程序流程圖見圖9。

圖9 軟件流程圖Fig.9 The flow chart of software

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10為變頻器+制動(dòng)單元系統(tǒng)在電機(jī)制動(dòng)時(shí)制動(dòng)單元IGBT 的管壓降波形。從圖10 中可看出，當(dāng)母線電壓超過(guò)設(shè)定的電壓限值時(shí)，制動(dòng)單元通過(guò)斬波控制IGBT 通斷，確保母線電壓不持續(xù)升高。當(dāng)母線電壓低于限值時(shí)，制動(dòng)單元停止放電。

圖10 IGBT管壓降波形Fig.10 The Vce waveform of the IGBT

6 結(jié)論

本文采用TI 公司的430 系列低功耗混合信號(hào)處理器為控制核心，利用其使用方便、外圍電路少、效率高等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了具有母線電壓實(shí)時(shí)監(jiān)控、IGBT斬波控制、多種故障保護(hù)等功能的制動(dòng)單元系列，并成功應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，制動(dòng)單元運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠，完全滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需求，現(xiàn)已小批量試制。

［1］秦龍.MSP430單片機(jī)C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)例精講［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［2］方涌奎，屈敏娟，張支鋼.變頻器控制系統(tǒng)的制動(dòng)單元及其應(yīng)用［J］.精密制造與自動(dòng)化，2009，40（1）：36-38.

［3］章銳.MSP430 單片機(jī)中的WDT 研究［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006，6（1）：69-70.