贸泽电子原创开发板大赛【二等奖作品】|一板搞定电力电子开发

大家好,相信通过前面几期的文章,对本次贸泽电子原创开发板大赛的部分获奖作品已经有了深刻印象。从今天开始,我们将一一揭晓二等奖和一等奖的获奖作品,相信他们的硬实力更加不负期待哦!

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理工科专业的同学们在学习过程中或许也遇到过这样的窘境:对于常规的电力电子设备开发过程,我们能在市面上找到的开发板,基本都是针对特定电力电子设备定向搭建的硬件平台,做到专板专用。遇到小批量电力电子设备设计生产需求时,这种开发方式就显得成本高、周期长,直接导致了项目竞争力下降。

此次大赛中,来自东北电力大学的赵东争、曹珊、王朝斌同学针对这一现实需求,设计开发了作品《多功能电力电子控制开发板》,一款低成本、通用化、统一化和模块化的电力电子控制开发板应运而生。

让我们看看设计者团队对这款开发板的介绍吧!

硬件设计

多功能电力电子控制板硬件分为6个部分:电源、TMS320F28377D核心板、硬件闭锁、电平输出、驱动板卡、采集板卡以及隔离通讯。

电力电子控制板提供丰富的接口,如电源轨接口、隔离总线通讯接口、24路开关管驱动接口、20路采集输入接口、18路GPIO口、8路硬件保护接口、2路继电器输出接口等,为电力电子设备开发提供足够的资源。驱动、采集与核心板均采用热插拔设计,提供足够高的灵活度与应用范围。

“图1:电力电子开发板实物图”
图1:电力电子开发板实物图

1. 电源设计

电源设计采用24V单电源对整个开发板进行供电,降低供电要求。

“图2:开发板电源供电系统框图”
图2:开发板电源供电系统框图

其中赛事提供的美信MAX17574ATG+芯片实现同步降压。采用MAX17574ATG将+24V降为5-15V电压为驱动电路供电。这颗芯片具有宽工作电压4。5V-60V,输出电压高精度在-45°到+125°,误差在+-0。9%以内,效率大于90%,以及输出频率从500KHz到2。2MHz可调。

“图3:MAX17574ATG+同步降压原理图”
图3:MAX17574ATG+同步降压原理图

“图4:MAX17574ATG+同步降压实物图”
图4:MAX17574ATG+同步降压实物图

2. TMS320F28377核心板设计

TMS320F28377D是目前TIC2000系列中功能强大并且比较新的型号,双核加上CLA相当于4核的计算能力、200MHz高主频、单周期乘法器(FPU)、(三角法数学单元)TMU加速器可快速执行包含变换和转矩环路计算中常见的三角运算的算法;(复杂数学单元)VCU加速器可缩短编码应用中常见的复杂数学运算的时间,轻松处理复杂的数学运算、配合上输出高精度PWM以及16/12位高速4通道AD同时采集,满足电力电子设备对控制器外设的需求。

核心板部分采用了四层板设计,提高抗干扰能力以及缩小体积,与主板采用接口灵活插拔设计,为后续的设备更新提供了方便。

“图5:TMS320F28377核心板原理图”
图5:TMS320F28377核心板原理图

“图6:TMS320F28377核心板实物图”
图6:TMS320F28377核心板实物图

3. 硬件闭锁设计

为了防止调试过程中程序暂停而无法启动软件保护的情况下导致功率器件的损坏,额外设计了8路通道可选的硬件过压、过流和过温等闭锁保护,任意一路触发保护会使所有PWM闭锁以及继电器开断,保护整个电力电子设备不受损坏,其与软件闭锁呈或关系,并且可以被软件清零。

“图7:硬件闭锁原理图”
图7:硬件闭锁原理图

“图8:硬件闭锁实物图”
图8:硬件闭锁实物图

4. 电平输出设计

DSP输出为3。3V电平电压,无法适应驱动板卡要求,而且为了防止驱动板卡损坏后电压反串到DSP导致DSP损坏,加入了74ALVC164245以及74LS07开集电极同相器进行两级缓冲,同时由于74LS07的开集电极特性,其驱动电压可从5-15V调整以适应驱动板卡的需求。

5. 驱动板卡设计

首先,在电力电子控制板上设计驱动板卡会使得功率电路部分的搭建更加简单,进一步简化拓扑电路的实现,节省硬件开发时间。同时驱动电路采用驱动板卡的插拔式设计,驱动板卡模块化,从而可以接不同的驱动板卡来兼容各种不同的管子,更加灵活,应用范围更广,如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、MOS(场效应管)、SiCMOS(碳化硅场效应管)、GTO(可关断晶闸管)、GTR(功率晶体管)、SCR(可控硅)等常用开关管,不同的管子有不同的驱动电压或驱动电流或者驱动方式,需配用不同的驱动板卡进行驱动。驱动方式有隔离式驱动、非隔离式驱动如自举驱动以及共地驱动。其中非隔离共地MOS驱动板卡使用了本次大赛提供的微芯MCP14A0151T-E/CH。

“图9:非隔离共地MOS驱动板卡实物图”
图9:非隔离共地MOS驱动板卡实物图

“图10:非隔离共地MOS驱动板卡实物图”
图10:非隔离共地MOS驱动板卡实物图

6. 采集板卡设计

采集板卡也采用插拔式设计,以匹配接入不同的采集方式的传感器的需要,常用的电压采集方式有:电阻分压采集、差分电压采集、霍尔电压互感器采集、电磁式电压互感器采集等,常用的电流采集方式有:电阻式差分放大采集、集成IC(如MAX471)转换采集、霍尔电流互感器采集、电磁式电流互感器采集等,同时采集方式也分隔离与非隔离的方式。总之,不同的采集方式需要的采集板卡对信号处理的方式也不一样,如高阻共地的系统,采集电压一般采用差分方式采集,直接单点共地的系统,一般采用电阻分压式同相放大采集,对于电流,除以上两种采集方式外,对于电磁式电流互感器采集还有一种采集方式。

“图11:非隔离高阻共地的差分采集方式原理图”
图11:非隔离高阻共地的差分采集方式原理图

“图12:非隔离直接共地的同相电压采集方式原理图”
图12:非隔离直接共地的同相电压采集方式原理图

“图13:隔离电磁式电流互感器采集方式原理图”
图13:隔离电磁式电流互感器采集方式原理图

根据不同采集方式设计了对应的三种信号采集板卡,同时设计了是否加入直流偏置选择端口,让采集板卡能够采集交流信号,输入信号可以从+15到-15V宽范围波动,并且设计了输入、输出限幅保护,保证DSP设备以及采集板卡的运行安全。在放大倍数电阻调整上预留一些接口方便调整放大倍数。

“图14:差分采集板卡电路实物图”
图14:差分采集板卡电路实物图

“图15:同相采集板卡电路实物图”
图15:同相采集板卡电路实物图

“图16:电磁式电流互感器采集板卡电路实物图”
图16:电磁式电流互感器采集板卡电路实物图

7. 隔离通讯设计

为了实现多块电力电子开发板的互联以及与上位机进行通讯,设计了三种工业总线接口,有RS232、RS485以及CAN总线通讯,满足通讯需求,同时为了保证上位机的安全以及多块开发板通讯的安全,将三种通讯都采用隔离通讯方式进行。

“图17:隔通讯电路实物图”
图17:隔通讯电路实物图

设计者结语:

有没有觉得实力确实不俗!

该款电力电子开发板将驱动部分集成在板上,进一步简化了实际电路的搭建,且将24路驱动板与20路采集板设计成热插拔,可以接入多种不同的驱动和采集板卡,适应多种需要,更加灵活,用途更广、调整方便,且符合模块化设计理念。同时设计单电源供电并提供各种电源轨输出,满足供电需求,提供8路通道可选硬件闭锁以及隔离的通讯总线接口。加之采用TI的C2000系列中最强的一款双核DSP作为主控芯片,为电力电子设备研发和生产提供了快速搭建平台。

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