基于DSP和IPM技术的平网印花机印花单元专用变频器的设计
（西安工程科技学院 电子信息学院 西安 710048）
摘要：本文介绍了面向电机控制的数字信号处理器（DSP）TI公司的TMS320F2407和智能功率模块（IPM）的特性。通过运用DSP的快速特性进行运算处理和对平网印花单元的控制参数进行分析，设计出基于DSP（TMS320F2407）和IPM（PS21865）的专用变频器。实验结果表明，系统具有优良的动态、静态调速性能。
关键字：DSP ；IPM ；印花单元
中国分类号：TP274 文献标识码：A
0  引 言
在现代平网印花机生产中，为实现高质量，多套色印花，一般采用多电机拖动，各套色的刮印系统分别由各自的电机来拖动，不仅简化了印花单元机械传动机构，还可以使各拖动系统选择合适速度进行印花，从而提高了印花质量。由于平网印花机加工范围较广，不同的织物，不同的工艺，不同的染料，要求各印花单元执行部件具有不同的刮印次数、刮印速度及刮印行程，因此平网印花机的各印花单元应能独立进行调速。传统的办法是刮印单元采用专用变频器，它的速度分十档，刮印次数、刮印行程可以通过面板设定，具有RS-232或RS-485串行通讯功能。一种典型的作法是用8位单片机开发的功能专用的变频器，采用普通的V/F控制，其功能较少，但结构简单、成本低。例如，瑞士生产的BUSH-5V、7V型平网印花机国内纺织机械厂仿制的平网印花机上的刮印单元就采用这种方案。该方案对刮印电机进行有级调速，而有级调速通常不能满足市场对印花色彩和层次的要求。印花单元无级调速系统的实现是保证印花质量的关键，其性能优异、灵活性和可靠性高等特点。为快速、高精度、高性能的平网印花机印花单元的研究提出了新的思路。
自20世纪80年代第一代DSP推向市场以来，处理速度和性能不断提高，在价格上也从最初的几百美元下降到几美元。正是由于运动控制专用的DSP芯片技术日趋成熟、功能完善、价格降低，用它们开发平网印花机刮印单元专用变频器不仅技术上可行，功能上提高，而且经济上可取。在我们的方案中采用了TI公司生产的运动控制DSP芯片TMS320LF2407，借助于该芯片不仅可以方便的完成普通V/F控制、直接转矩控制、矢量控制等控制策略，而且片内建有现场总线CAN控制器和串行通讯接口，使用它们可以方便完成组网和与面板连接，大大提高系统的技术档次和性能指标。逆变功率模块采用三菱公司最新的第五代IPM PS21865，可以直接与DSP接口，无须光电隔离或者变压器隔离，电源也大为简化。实验结果表明，这样开发的专用变频器硬件结构简单、性能可靠、软件也不复杂。
1  电机控制专用数字信号处理器TMS320F240
高速16位定点D S P控制器是美国TI公司推出的高性能数字信号处理器。它是专门为电机控制设计的，特别适用于电机的高性能控制。下面给出了TMS320F240主要技术特性：
（1）以T320C2XLP为内核，配合哈佛结构和4级流水线作业设计，指令指令执行速度很快：在20MHZ的内部时钟频率下，指令周期仅为50ns。
（2）存储器  544 16位片内数据/编程寻址RAM；16K字片内可编程ROM或闪速存储器；最大可寻址空间为224K.
（3）事件管理器模块（EV） 3个16为通用定时，可工作6种模式：脉冲宽度调制电路，它由空间向量PWM电路、死区发生器和输出逻辑电路组成，可提供12路PWM输出；正交脉冲编码电路可要于速度和旋转方向检测。
（4）其它片内外设   双通道共16路A/D转换器设置，最短为6.6us。28个可编程、复用I/O口。基于锁相环（PLL）的时钟模块，通过软件设置，可是起外部2－32MHz之间的晶体振荡器产生所需的CPU时钟。SCI串行通讯模块可实现与上位机通讯。
（5）灵活简洁的指令集   可在单周期内完成16×16为乘法运算和后续的累加操作
（6）备有4种掉电模式，采用基于JTAG扫描的仿真技术。
TMS320F240中的事件管理器（EV）模块是专门为数字化控制电机而引入的功能模块。                                                                                                                        
模块内置的硬件电路最大限度地简化了对称空间矢量联定调制（SVPWM）波形的产生，其内部的发生电路框图如图 1所示。产生的SVPWDAINJIM是关于每个周期中心对称的波形。为了获得SVPWM波形输出，用户在软件上只需做以下工作：
    a. 配置全比较动作控制寄存器（ACTR）来定义会比较输出引脚的极性。
    b. 配置比较控制寄存器（COMCON）比较操作和空间矢量模式（可使空间矢量PWM模式会自动设置所有的全比较输出引脚为 PWM输出），并设置会比较动作控制寄存器（ACTR）的重载条件为下溢。
    c. 通用定时器（GPT1）设置为连续加/减计数模式并可进行启动操作。
2  第五代智能化IGBT模块IPM
智能化IGBT模块（IPM）将IGBT芯片，快速二极管芯片，控制和驱动电路，过（欠）压、过流、短路和过热保护电路、嵌位电路以及自诊断电路等封装在一起，从而使电力电子逆变器具备了高频化、小型化、高性能、高可靠性和易维护性等众多优点，亦使整个电路设计更简化，设计、开发和制造的成本降低，产品的上市时间也得到缩短。由于IPM模块的智能化、模块化、集成化、性价比高、保护功能全、控制驱动简单等特点，其被广泛应用于
变频器等其它领域。
但是在传统的IPM中，由于使用了大量分立元器件，使得控制电路难以实现小型化和低成本，而且控制电路的各种引线寄生电容或寄生电感产生的噪声有时会使 IGBT产生误动作。随着开关频率的不断提高，致使寄生电感、寄生电容对电路的影响愈加严重，对器件造成的过电压、过电流的影响也更大。为提高变频系统的可靠性，进一步降低系统成本和实现小型化，在2003年日本三菱电机推出了第五代智能功率模块,双排直插智能功率模块（DIP-IPM）。 DIP-IPM是针对家电产品对功率器件的要求（低成本、小型化、高可靠性、易使用等），在第三代 IPM成功的基础上而开发的。三菱的第五代IGBT集成电路，有如下特点[3]：
    集成三相逆变电路，采用平面IGBT和CSTBT（Carrier Stored Trench-gate Bipolar Transistor）技术。
    内有电源自举电路，仅需要15V单电源驱动。与传统使用的四路隔离驱动电源相比，对驱动电源的要求大为简化。
    内建的控制电源欠压（UV）保护和主电路短路（SC）保护功能。驱动电源电压低于12.5V时，自动封锁六路PWM驱动输入信号。
    使用集成的高压IC（HVIC），无须光电隔离和变压器隔离，直接和CPU接口，显著简化了驱动电路的复杂性。
    使用高有效驱动逻辑，取消了开机和关机时对驱动电源和驱动输入施加先后顺序的限制，使器件具有了自动防止这类故障的功能。这一点常常被设计人员忽视，因而也常常由于这个原因引起损坏。
    无须电平转换，可直接与3V的CPU或DSP接口。TMS320LF2407是3.3V的DSP芯片，这个特点免除了它和逆变模块接口时的很多麻烦。
本文设计的印花单元专用变频器就是采用了DIP -IPM，再配以DSP控制板和相应的软件，就可构成一套较完备的印花单元专用变频器。                    

印花机程序?