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  • 采用 C2000™ 和 MSPM0 的750W 电机逆变器参考设计

    • ZHCUBM2 December   2023

       

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  • 采用 C2000™ 和 MSPM0 的750W 电机逆变器参考设计
  1.   1
  2.   说明
  3.   资源
  4.   特性
  5.   应用
  6.   6
  7. 1系统说明
    1. 1.1 术语
    2. 1.2 关键系统规格
  8. 2系统概述
    1. 2.1 方框图
    2. 2.2 设计注意事项
    3. 2.3 重点产品
      1. 2.3.1 TMS320F2800137
      2. 2.3.2 MSPM0G1507
      3. 2.3.3 TMP6131
      4. 2.3.4 UCC28881
      5. 2.3.5 TPS54202
      6. 2.3.6 TLV9062
      7. 2.3.7 TLV74033
    4. 2.4 系统设计原理
      1. 2.4.1 硬件设计
        1. 2.4.1.1 模块化设计
        2. 2.4.1.2 高压降压辅助电源
        3. 2.4.1.3 直流链路电压检测
        4. 2.4.1.4 电机相电压检测
        5. 2.4.1.5 电机相电流检测
        6. 2.4.1.6 外部过流保护
        7. 2.4.1.7 TMS320F2800F137 的内部过流保护
      2. 2.4.2 三相 PMSM 驱动器
        1. 2.4.2.1 PM 同步电机的场定向控制
          1. 2.4.2.1.1 空间矢量定义和投影
            1. 2.4.2.1.1.1 ( a ,   b ) ⇒ ( α , β ) Clarke 变换
            2. 2.4.2.1.1.2 α , β ⇒ ( d ,   q ) Park 变换
          2. 2.4.2.1.2 交流电机 FOC 基本配置方案
          3. 2.4.2.1.3 转子磁通位置
        2. 2.4.2.2 PM 同步电机的无传感器控制
          1. 2.4.2.2.1 具有锁相环的增强型滑模观测器
            1. 2.4.2.2.1.1 IPMSM 的数学模型和 FOC 结构
            2. 2.4.2.2.1.2 IPMSM 的 ESMO 设计
            3. 2.4.2.2.1.3 使用 PLL 的转子位置和转速估算
        3. 2.4.2.3 弱磁 (FW) 和每安培最大扭矩 (MTPA) 控制
        4. 2.4.2.4 电机驱动器的硬件必要条件
          1. 2.4.2.4.1 电机电流反馈
            1. 2.4.2.4.1.1 三分流器电流检测
            2. 2.4.2.4.1.2 单分流器电流检测
          2. 2.4.2.4.2 电机电压反馈
  9. 3硬件、软件、测试要求和测试结果
    1. 3.1 入门硬件
      1. 3.1.1 硬件板概述
      2. 3.1.2 测试条件
      3. 3.1.3 电路板验证所需的测试设备
    2. 3.2 入门 GUI
      1. 3.2.1 测试设置
      2. 3.2.2 GUI 软件概述
      3. 3.2.3 设置串行端口
      4. 3.2.4 电机识别
      5. 3.2.5 旋转电机
      6. 3.2.6 电机故障状态
      7. 3.2.7 调整控制参数
      8. 3.2.8 虚拟示波器
    3. 3.3 C2000 固件入门
      1. 3.3.1 下载并安装电路板测试所需的软件
      2. 3.3.2 在 CCS 内打开工程
      3. 3.3.3 工程结构
      4. 3.3.4 测试步骤
        1. 3.3.4.1 构建级别 1：CPU 和电路板设置
          1. 3.3.4.1.1 启动 CCS 并打开工程
          2. 3.3.4.1.2 构建和加载工程
          3. 3.3.4.1.3 设置调试环境窗口
          4. 3.3.4.1.4 运行代码
        2. 3.3.4.2 构建级别 2：带 ADC 反馈的开环检查
          1. 3.3.4.2.1 启动 CCS 并打开工程
          2. 3.3.4.2.2 构建和加载工程
          3. 3.3.4.2.3 设置调试环境窗口
          4. 3.3.4.2.4 运行代码
        3. 3.3.4.3 构建级别 3：闭合电流环路检查
          1. 3.3.4.3.1 启动 CCS 并打开工程
          2. 3.3.4.3.2 构建和加载工程
          3. 3.3.4.3.3 设置调试环境窗口
          4. 3.3.4.3.4 运行代码
        4. 3.3.4.4 版本级别 4：完整电机驱动控制
          1. 3.3.4.4.1 启动 CCS 并打开工程
          2. 3.3.4.4.2 构建和加载工程
          3. 3.3.4.4.3 设置调试环境窗口
          4. 3.3.4.4.4 运行代码
          5. 3.3.4.4.5 调整电机驱动 FOC 参数
          6. 3.3.4.4.6 调整弱磁和 MTPA 控制参数
          7. 3.3.4.4.7 调整电流检测参数
    4. 3.4 测试结果
      1. 3.4.1 负载和热力测试
      2. 3.4.2 通过外部比较器进行过流保护
      3. 3.4.3 通过内部 CMPSS 进行过流保护
    5. 3.5 将固件迁移至新的硬件板
      1. 3.5.1 配置 PWM、CMPSS 和 ADC 模块
      2. 3.5.2 设置硬件板参数
      3. 3.5.3 配置故障保护参数
      4. 3.5.4 设置电机电气参数
    6. 3.6 MSPM0 固件入门
  10. 4设计和文档支持
    1. 4.1 设计文件
      1. 4.1.1 原理图
      2. 4.1.2 物料清单
      3. 4.1.3 PCB 布局建议
      4. 4.1.4 Altium 工程
      5. 4.1.5 Gerber 文件
    2. 4.2 软件文件
    3. 4.3 文档支持
    4. 4.4 支持资源
    5. 4.5 商标
  11. 5作者简介
  12. 重要声明
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Design Guide

采用 C2000™ 和 MSPM0 的
750W 电机逆变器参考设计

本资源的原文使用英文撰写。 为方便起见，TI 提供了译文；由于翻译过程中可能使用了自动化工具，TI 不保证译文的准确性。 为确认准确性，请务必访问 ti.com 参考最新的英文版本（控制文档）。

说明

该参考设计是一款适用于洗衣机或类似应用的 750W 电机驱动器，展示了一种通过 FAST™ 软件编码器或 eSMO 为三相 PMSM 实现无传感器 FOC 控制的方法。该参考设计采用模块化设计，支持 C2000™ MCU 和 MSPM0 系列微控制器子板位于同一主板上。此参考设计提供的硬件和软件已经过测试，而且可随时使用，有助于加快开发，从而缩短产品上市时间。该设计指南提供了硬件设计详细信息和测试结果。

资源

TIDA-010265设计文件夹
TMS320F2800137产品文件夹
MSPM0G1507产品文件夹
UCC28881、TPS54202、TLV9062产品文件夹
C2000WARE-MOTORCONTROL-SDK工具文件夹
请咨询我司 TI E2E™ 支持专家

特性

  • 宽工作电压输入范围：165V 至 265V 交流，50/60Hz。
  • 具有高达 750W 的逆变器级、15kHz 开关频率、扭矩补偿和自动弱磁控制
  • C2000 或 MSPM0 控制器子板位于同一电源主板上的模块化设计
  • 无传感器磁场定向控制 (FOC) 电机控制，支持 FAST 和 eSMO 观测器
  • 用户友好型图形用户界面 (GUI)，用于控制、识别和监控电机

应用

  • 洗衣机和烘干机
  • 空调室内机
  • 冰箱和冷冻柜
  • 电器：压缩机

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1 系统说明

当今大型家电或类似应用所采用的电机控制技术必须满足日益增长的对于更低成本、更小尺寸、更高功率和更高能效的需求。磁同步电机 (PMSM) 在大型家电应用中越来越常用。

该参考设计提供单个 750W 逆变器主板，并通过 TMS320F2800137 和 MSPM0G1507 子卡进行控制，因此用户可以方便地使用该参考设计来在同一硬件平台上评估 C2000 和 MSPM0 系列微控制器。

软件支持 FAST 和 eSMO 观测器，因此可以比较这两个器件的性能。用户友好型 GUI 还有助于识别电机并调整控制参数，从而加快开发速度。

1.1 术语

    SLYZ022 TI 术语表：本术语表列出并解释了术语、首字母缩略词和定义
    PMSM 永久磁性同步电机
    BLDC 无刷直流
    BEMF 反电动势
    PWM 脉宽调制
    FET、MOSFET 金属氧化物半导体场效应晶体管
    IGBT 绝缘栅双极晶体管
    RMS 均方根
    MTPA 每安培最大扭矩
    FWC 弱磁控制
    FOC 场定向控制
    HVAC 暖通空调
    ESMO 增强型滑模观测器
    PLL 锁相环
    FAST 磁通、角度、转速和扭矩观测器

1.2 关键系统规格

表 1-1 中列出了 TIDA-010265 规格。

表 1-1 关键系统规格

参数

测试条件最小值标称值最大值单位
系统输入特性
输入电压 (VINAC)–165230265VAC

输入频率 (fLINE)

–47Ω5063Hz

空载待机功耗 (PNL)

VINAC = 230V，Iout = 0A–3.0–W

输入电流 (IIN)

VINAC = 230V，Iout

= IMAX

-

8

–A

电机逆变器特性

PWM 开关频率 (fSW)

–-15

20

kHz

额定输出功率 (POUT)

VINAC = 标称值–500

750

W

输出电流 (IRMS)

VINAC = 标称值-

3

–A

逆变器效率 (Ƞ)

VINAC = 标称值，POUT

= 标称值

–98–%

电机电频率 (f)

VINAC = 最小值至最大值20200400Hz

故障保护

过流、恢复失速、欠压、过压

驱动控制方法和功能

采用三个或单个用于电流检测的分流电阻器的无传感器 FOC
系统特性

内置辅助电源

VINAC = 最小值至最大值

15V ±10%、200mA，3.3V ±10%、300mA

工作环境

开放式框架–102555°C

电路板尺寸

长 × 宽 × 高

105mm × 85mm × 60mm

mm3
警告：

TI 建议该参考设计仅可在实验室环境中运行，不应将该器件作为成品供一般消费者使用。

TI 建议，该参考设计仅可由熟悉处理高压电子和机械部件、系统及子系统所存在相关风险的合格工程师和技术人员使用。

高电压！ 电路板中存在可接触的高电压。如电路板的电压和电流处理不当或施加不正确，则可能导致电击、火灾或伤害事故。使用该设备时应特别小心，并采取相应的保护措施，以避免伤害自己或损坏财产。

表面高温！接触会导致烫伤。请勿触摸！电路板上电后，某些元件可能会达到 55°C 以上的高温。由于存在高温，在运行过程中或运行刚结束时，用户不得触摸电路板。

警告： 请勿在无人照看的情况下使该设计通电。

2 系统概述

2.1 方框图

图 2-1 所示为该参考设计的方框图。

GUID-20231030-SS0I-H4H9-MGLM-LLDT6PXSVBRL-low.svg图 2-1 TIDA-010265 750W 电机逆变器方框图

整个系统可分为七个块：

  • EMI 滤波器
  • 桥式整流器
  • 三相逆变器
  • 辅助电源
  • TMS320F2800137 子卡
  • MSPM0G1507 子卡

2.2 设计注意事项

该设计支持使用 C2000 或 MSPM0 控制器进行单电机控制。具有高抗噪性能的电流和电压检测设计对于精确的电机驱动而言是必不可少的。以下部分详细介绍了该设计中使用的检测和驱动电路。硬件设计文件位于 C2000Ware Motor Control SDK 安装目录 <install_location>\solutions \tida_010265_wminv\hardware 下。

2.3 重点产品

本参考设计采用了以下重点产品。以下各节介绍为该参考设计选择器件时应考虑的主要特性。如需了解有关重点器件的更多详细信息，请参阅各自的产品数据表。

2.3.1 TMS320F2800137

TMS320F280013x 是 C2000™ 可扩展、超低延迟实时微控制器器件系列中的一款器件，专为提高电力电子应用的效率而设计。实时控制子系统基于 TI 的 32 位 C28x 数字信号处理器 (DSP) 内核，可针对从片上闪存或 SRAM 运行的浮点或定点代码提供 120MHz 的信号处理性能。三角函数加速器 (TMU) 和循环冗余校验 (VCRC) 扩展指令集进一步增强了 C28x CPU 的性能，从而加快了实时控制系统关键常用算法的速度。高性能模拟块集成在 F280013x 实时微控制器 (MCU) 上，并与处理单元和 PWM 单元紧密耦合，从而提供出色的实时信号链性能。14 个 PWM 通道均支持与频率无关的分辨率模式，可控制从三相逆变器到高级多级电源拓扑的各种功率级。连接可以通过各种业界通用通信端口（如 SPI、三个 SCI|URAT、I2C 和 CAN）进行，另外还提供了多个引脚多路复用选项，可实现出色的信号布局。

2.3.2 MSPM0G1507

MSPM0G150x 微控制器 (MCU) 属于高度集成的超低功耗 32 位混合信号处理 (MSP) MCU 系列，该系列基于增强型 Arm® Cortex®-M0+ 32 位内核平台，工作频率高达 80MHz。这些成本优化型 MCU 提供高性能模拟外设集成，支持 –40°C 至 125°C 的工作温度范围，并在 1.62V 至 3.6V 的电源电压下运行。MSPM0G150x 器件提供具有内置纠错码 (ECC) 且高达 128KB 的嵌入式闪存程序存储器以及具有硬件奇偶校验选项且高达 32KB 的 SRAM。此类器件还包含一个存储器保护单元、7 通道 DMA、数学加速器和各种高性能模拟外设，例如两个 12 位 4MSPS ADC、一个可配置内部共享电压基准、一个 12 位 1MSPS DAC、三个具有内置基准数模转换器 (DAC) 的高速比较器、两个具有可编程增益的零漂移零交叉运算放大器和一个通用放大器。此外，还提供智能数字外设，例如三个 16 位高级控制计时器、三个 16 位通用计时器、一个 24 位高分辨率计时器、两个窗口式看门狗计时器以及一个具有警报和日历模式的 RTC。这类器件可提供数据完整性和加密外设以及增强型通信接口（四个 UART、两个 I2C、两个串行外设接口 (SPI)）。

2.3.3 TMP6131

TMP61x 线性热敏电阻可在整个温度范围内提供线性度和始终如一的灵敏度，支持使用简单而准确的方法进行温度转换。该器件的低功耗和较小的热质量可充分减小自发热的影响。

这些器件具有内置的高温失效防护性能以及对环境变化的强大抵抗力，设计用于长寿命的高性能应用。TMP6 系列器件外型小巧，可靠近热源放置，并具有快速响应时间。

2.3.4 UCC28881

UCC28881 在单片器件中集成了控制器和 14Ω、700V 功率 MOSFET。该器件还集成了高压电流源，能够在经整流的市电电压下直接启动和运行。UCC28881 与 UCC28880 属于同一系列的器件，但电流更高。

该器件的静态电流较低，能够提供出色的效率。凭借 UCC28881，使用最少的外部元件即可构建降压、降压/升压以及反激拓扑等最常用的转换器拓扑。

2.3.5 TPS54202

TPS54202 是一款输入电压范围为 4.5V 至 28V 的 2A 同步降压转换器。该器件包含两个集成式开关场效应晶体管 (FET) 并且具备内部回路补偿和 5ms 内部软启动功能，可降低组件数。

高级 Eco-mode 实现可尽可能提高轻负载效率并降低功率损耗。

两个高侧 MOSFET 内的逐周期电流限制可在过载情况下保护转换器，并通过低侧 MOSFET 续流电流限制防止电流失控，增强限制效果。

2.3.6 TLV9062

TLV9062 是具有轨至轨输入和输出摆幅功能的双路低压（1.8V 至 5.5V）运算放大器。该器件是非常具有成本效益的设计，适用于需要低电压运行、小型封装尺寸和高容性负载驱动能力的应用。虽然 TLV906x 的容性负载驱动能力为 100pF，但电阻式开环输出阻抗便于在更高的容性负载下更轻松地实现稳定。TLV906xS 器件具有关断模式，允许放大器切换至典型电流消耗低于 1µA 的待机模式。TLV906xS 系列有助于简化系统设计，因为该系列具有稳定的单位增益，集成了 RFI 和 EMI 抑制滤波器，而且在过驱条件下不会出现反相。

2.3.7 TLV74033

TLV740P 低压降 (LDO) 线性稳压器是一款低静态电流 LDO，具有出色的线路和负载瞬态性能，专为对功耗敏感的应用设计。此器件可提供 1% 的典型精度。

TLV740P 还可在器件上电和使能期间提供浪涌电流控制。TLV740P 将输入电流限制为定义的电流限值，从而防止从输入电源流出的电流过大。此功能对于电池供电类器件尤为重要。

 
Texas Instruments

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