基于MSP430单片机的制动单元设计

赵泽生，张向前，赵磊，刘娜，王玉博，杨燕

（1.天津电气传动设计研究所有限公司，天津300180；2.天津天传新能源电气有限公司，天津300180）

1 引言

基于变频器的交流电气传动系统减速及制动时，由于惯性，电动机速度可能大于其同步转速。此时，电动机工作于发电状态，电动机轴上的动能回馈到变频器直流母线上，使直流母线电压不断上升。这种情况下可以使用制动单元将直流母线电压控制在安全范围内，避免因直流母线电压过高引起变频器故障停机或损坏，造成损失。

制动单元主回路结构框图如图1 所示，当母线电压检测电路检测到直流母线电压高于设定的限值时，控制电路便发出控制信号使IGBT 接通，再生能量消耗到制动电阻Rb上，从而将直流母线电压保持在安全范围以内。

图1 制动单元主回路框图Fig.1 The main circuit diagram of brake unit

MSP430 系列是美国TI 公司生产的低功耗16位单片机，它具有自身功耗低、处理能力强、工作稳定、片内的外设丰富、开发方便等优点，且具有很高的性价比，在工业控制、仪器仪表等领域得到了广泛应用。本文提出了一种基于MSP430单片机的制动单元设计与实现。

2 总体设计方案

制动单元的原理框图见图2。本文选用MSP430F1232 为主控芯片，片内集成了flash，8路高性能的10 位A/D 转换器、高精度比较器、带PWM 功能的定时器等，制动单元设计时充分利用其资源，实现了A/D采样、PWM波的驱动脉冲发生、外置看门狗的复位设计、通用IO 口信号的输入输出等功能，使电路简洁、高效，系统功能强，精度好，可靠性高。

图2 制动单元系统框图Fig.2 System block diagram of brake unit

3 硬件电路设计

3.1 母线电压检测

制动单元控制部分的基本功能是实时检测直流母线电压值，将此值与设定的过压限值比较，适时发出驱动信号控制功率器件（IGBT）的通断。直流母线电压为高压信号，通过电阻分压得到供CPU 采样处理的低压信号。母线电压检测电路见图3。

图3 直流母线电压检测电路Fig.3 DC bus voltage detection circuit

3.2 直流母线取电电路

制动单元控制电路需要多种电源且要有一定的带载能力。考虑到制动单元须接在逆变器直流母线上，本文设计了一种输出功率高、输出电压可调且限流电阻损耗小的直接从高压直流母线取控制电的线路，如图4所示。图4中，R1是限流电阻；2 是串联稳压管组；5 是降压斩波功率单元；4 是驱动脉冲发生单元；6 是过压保护单元。此电路采用稳压管串联的方式，可以提高输出功率，减小流经限流电阻R1的电流，同时具有输出过压保护功能，具有结构简单、成本低廉、性能可靠的特点，巧妙解决了控制部分的供电问题。

图4 从直流母线取控制电源Fig.4 Take control power from the DC bus

3.3 温度检测隔离

当环境温度过高、冷却不足或制动单元与制动电阻不匹配以及制动电阻故障的情况下，制动单元的功率器件就可能因为温度过高而损坏。鉴于此，本文加入了散热器温度过热保护功能，温度检测隔离电路见图5。图5中RT为安装于散热器上的正温度系数热敏电阻；方波脉冲信号来自MSP430 单片机的P1.4 口；脉冲变压器TX1 用于热敏电阻与控制回路的隔离；在电阻R52上的电压值反映了RT 的大小，作为温度信号输入到MSP430单片机的P2.1口进行A/D采样。

图5 温度检测隔离电路Fig.5 Temperature detection and isolation circuit

3.4 外置看门狗电路

MSP430 内部自带看门狗及复位电路，理论上如果程序跑飞，可用此看门狗复位。但在实际使用过程中，发现其自带看门狗的作用并非万无一失。所以本文采用了外置看门狗专用芯片TPS3823-33，与单片机的连接电路如图6 所示。TPS3823 输出定时溢出信号给MSP430 的Reset端，在程序运行过程中，CPU不断地通过I/O口输出喂狗信号，使看门狗计数器清零。实验证明：该设计能使系统重启成功率达到100%。

图6 外置看门狗电路Fig.6 External watchdog circuit

同时，TPS3823-33 还有电源监控的功能。在电源上电或掉电过程中给单片机复位信号，防止电源不稳定过程中单片机输出错误信号。

3.5 IGBT驱动电路

如引言所述，制动单元主回路是基于IGBT的斩波电路。主控芯片根据直流母线电压超过设定限值的比例改变IGBT 驱动脉冲的占空比，从而控制从直流母线释放到制动电阻的能量。IGBT 驱动电路如图7 所示。单片机的P1.2 口输出IGBT 驱动脉冲，经与非门实现电平转换和整形，最后利用推挽电路增加驱动能力、降低输出阻抗后经R33输出到IGBT 的门极，控制IGBT 的可靠通断。

图7 IGBT驱动电路Fig.7 IGBT gate drive circuit

3.6 IGBT过流保护

IGBT 过流保护就是当IGBT 集电极电流过大时，在IGBT损坏之前将IGBT关断。本文通过检测IGBT 的C，E 两端的电压来实现过流保护。过流检测电路如图8 所示，将过流保护临界电压动作值设定为3.3 V，通过选择二极管D14和电阻R14的值，调整IGBT 的过流动作门槛。比较器输出电平翻转，表示发生过流故障，此时要封锁IGBT驱动脉冲，并发出过流保护和报警信号。

图8 过流检测电路Fig.8 Over current detection circuit

4 软件设计

本文设计的制动单元软件分主程序和中断程序两部分。主程序主要完成系统初始化、参数定义、MSP430 各功能模块初始化、A/D 采样、门坎判断、各种系统故障分析及计算比较寄存器的刷新值。刷新比较寄存器的值及外部看门狗的复位等由中断程序完成。下面重点介绍A/D 采样及制动电阻过载保护的软件实现。

4.1 A/D采样

系统需要采样的信号值包括母线电压值、温度信号及控制电源电压值，为了进一步提高采样精度，在软件设计中加入软件滤波器。滤波器使用中位值平均滤波法，即在一个寄存器刷新周期中连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值，取剩余的N-2个数据的算术平均值作为此次采样的结果。

4.2 过载保护

当直流母线电压超过设定限值时，制动电阻接入直流母线回路，消耗多余电能，电阻上释放的功率为

式中：Pb为制动功率；U 为母线电压；Rb为制动电阻阻值。

制动能量以热的形式耗散在制动电阻上，导致其温度升高。当电阻温度超过其额定值时，制动电阻会因温度过高而损坏。但温度不高时又有一定的能量耗散能力。本文设计的过载保护方案是实时计算制动电阻温升，当计算值超过其额定温升时，通过限制制动电阻的通电时间来确保制动电阻不会因为温升过高而烧毁。

计算制动电阻温升所依据的计算公式为

式中：Y为制动电阻的温升；X为电阻上消耗的功率（对应的温升）；TA为采样周期；T为制动电阻的发热时间常数。

实际工作中，系统根据母线电压判断制动功率的大小，计算制动电阻的温升，再根据当前的温升值，判断电阻是否还能继续放电，并在不能继续放电时限制IGBT 的PWM 驱动信号的周期和占空比。

4.3 程序流程图

程序流程图见图9。

图9 软件流程图Fig.9 The flow chart of software

5 实验结果

图10为变频器+制动单元系统在电机制动时制动单元IGBT 的管压降波形。从图10 中可看出，当母线电压超过设定的电压限值时，制动单元通过斩波控制IGBT 通断，确保母线电压不持续升高。当母线电压低于限值时，制动单元停止放电。

图10 IGBT管压降波形Fig.10 The Vce waveform of the IGBT

6 结论

本文采用TI 公司的430 系列低功耗混合信号处理器为控制核心，利用其使用方便、外围电路少、效率高等特点，设计实现了具有母线电压实时监控、IGBT斩波控制、多种故障保护等功能的制动单元系列，并成功应用于工业现场。在现场应用中，制动单元运行稳定，安全可靠，完全满足工业现场需求，现已小批量试制。

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［2］方涌奎，屈敏娟，张支钢.变频器控制系统的制动单元及其应用［J］.精密制造与自动化，2009，40（1）：36-38.

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