MD380总体技术方案.doc

总体技术方案

产品总体技术方案编制的说明：

1、产品总体技术方案的制定及更改控制：
Ÿ 在计划阶段，系统工程师（项目经理）组织相关人员根据产品规格书，并在考虑成本分析和资源计划要求的情况下，进行系统设计，编制产品总体技术方案。
Ÿ 经过评审的产品总体技术方案必须归档并纳入更改控制。在开发的后续阶段，如有必需，产品总体技术方案也会被更新，但必须经过系统工程师审核，召集系统组或总体组评审，由总体办备案。
Ÿ 产品总体技术方案的每一次更改，应由系统工程师进行一次版本升级和发布，保证项目组及相关部门使用的总体技术方案为有效版本。

2、产品总体技术方案的内容要求：
Ÿ 产品总体技术方案包括对产品的名称和型号、系统组成和接口关系、主回路初步设计和关键器件选型、系统测试方案、整机结构工艺方案、单元的技术规格、EMC、防护和可靠性方案的设计以及存在的风险进行全面描述。
Ÿ 产品总体技术方案的描述应该全面、清晰，各单元之间接口关系的定义只能有唯一的解释。总体技术方案的内容应明确产品的规格书提出各项要求的实现方式或过程。单元的规格描述应按产品规格书描述的方法进行。
Ÿ 总体技术方案不应再描述实现单元规格的方式或过程，以及单元内部的接口关系，这些将在单元的设计中描述。

3、产品总体技术方案的用途：
Ÿ 产品总体技术方案是产品开发过程中最重要的文档之一。它将作为开发活动任务分解的依据，各个分解单元概要设计的依据和实现的目标，也将作为开发计划和单元测试验收的依据，还将作为产品宣传、产品维护、技术培训、技术交流以及技术积累的资料来源。

4、保密要求：
Ÿ 产品总体技术方案属于机密文件，所有文档的创作者及使用者都负有保密责任。

目录
1、设计背景 4
1.1 总体技术方案编制的依据 4
1.2 总体技术方案描述的产品名称和型号 4
1.3 引用的标准和规范 6
1.4 缩略词和术语定义 6
2、电气方案设计 7
2.1 系统原理 7
2.1.1 系统原理图 7
2.2 系统架构 7
2.3 系统组成 8
2.3 系统接口 8
2.3.1 主回路端子 8
2.3.2 控制端子 8
2.4 电气关系 8
2.5 主回路设计 8
3、结构方案设计 8
4、系统测试方案 9
4.1 开发阶段样机系统测试 9
4.2 中试阶段样机型式试验 9
5、单元技术规格 10
5.1 控制板技术规格 10
5.1.1 单板名称和型号 10
5.1.2 单板电气性能和功能描述 10
5.1.3 输入输出接口 10
5.1.4 单板结构工艺要求 12
5.1.5 软件接口 12
5.2 位置控制扩展板技术规格 13
5.2.1 单板名称和型号 13
5.2.2 输入输出接口 13
5.2.3 单板结构工艺要求 14
5.3 驱动板技术规格 14
5.5 散热器技术规格 14
6、电磁兼容性（EMC）、可靠性和可维护性、防护性和安规的方案设计 15
6.1 EMC的方案设计 15
6.2 可靠性和可维护性的方案设计 15
6.3 防护性和安规的方案设计 15
7、风险分析和评估 15
7.1 风险分析 15
7.2 风险评估和缓解措施 15
8、附件 15

1、设计背景
1.1 总体技术方案编制的依据
MD380总体技术方案是依据产品规格书和需求分析报告，并考虑到产品的成本分析报告，以及公司现有的开发人员、技术储备和测试装备的条件和MD380产品开发计划的要求而编制的。
MD380是MD320的升级版本，MD380相对于MD320有如下改变：
表1-1 MD380 vs MD320 比较
项目
子项
MD380相对MD320的改变
总体
功率段
MD380覆盖MD320全部功率段
电压等级
覆盖MD320电压等级，新增加三相480VAC电压等级
主拓扑
不变，借用MD320驱动部分
结构
借用
BCD结构借用MD320N
塑胶
Size E改为塑胶结构
钣金
全新优化设计，保持320N风格，盖板全改为上下盖板结构
硬件
DSP平台
选用280XDSP平台，相对于2403资源更丰富，性能更强大
硬件性能
增加硬件逐波限流，双编码器接口设计等
软件
软件性能
更快速的系统响应，控制精度提高等
软件功能
增加位置扩展，更多实用功能等
非标整合
将80％的非标整合进通用产品中
生产

支持自动测试，自校正，更短的的测试时间等
MD380借用MD320功率驱动部分，结构上Size B/C/D 借用MD320N结构，后续新设计的结构风格与MD320N保持一致。因此本总体技术方案侧重于控制系统架构，软件的优化、结构优化方面的描述。
1.2 总体技术方案描述的产品名称和型号
表1.2 MD380系列型号

功率等级(kW)
电压等级(V)
单相220V
三相220V
三相380V
三相480V
三相690V
单机
0.4G
B

0.7G
B

B

1.5G
B

B

2.2G
B

B

3.7G

C

5.5P

C

5.5G

C

7.5P

C

7.5G

D

11P

D

11G

D

15P

D

15G

D

18.5P

D

18.5G

E

22P

E

22G

E

30P

E

30G

E

37P

E

37G

F

45P

F

45G

F

55P

F

55G

F

75P

F

75G

G

90P

G

90G

G

110P

G

110G

H

132P

H

132G

H

H
160P

H

H
160G

H

H
200P

I

H
200G

I

H
220P

I

H
220G

I

H
250P

I

H
250G

I

H
280P

I

I
280G

I

I
315P

I

I
315G

J

I
355P

J

I
355G

J

I
400P

J

J
400G

J

J
450P

J

J
450G

J
500P

J
500G

J
560P

J
并联
450G

I

500P

I

500G

I

560P

I

560G

J

I
630P

J

I
630G

J

J
710P

J

J
710G

J

J
800P

J

J
800G

J
900P

J
500DY

I

560DY

I

630DY

I

710DY

J

I
800DY

J

J
900DY

J

J
1000DY

J
1100DY

J

1.3 引用的标准和规范
无
1.4 缩略词和术语定义

2、电气方案设计
2.1 系统原理
人机界面
LED
键盘
电源输入
单相220AC
三相220AC
三相380AC
三相480AC
三相690AC
整流单元
通讯
Profibus
MODBUS
逆变单元
控制单元
编码器
反馈
驱动单元
制动单元
用户给定
DI输入
AI输入
故障输出
DO
状态输出
AO

图2-1 系统原理图
变频器主电路拓扑采用交－直－交 整流逆变型拓扑。
三相交流电经不可控整流单元整流滤波后的到平稳的直流，逆变单元通过PWM调制将直流逆变为频率，幅值可变的三相交流电。
控制单元通过用户设置，系统给定，编码器反馈，电压电流采样，实时计算产生PWM脉冲波控制逆变单元产生三相交流驱动电机。
2.2 系统架构

28xx平台

人机界面
(LED、键盘)
本机IO
扩展接口
扩展IO
SCI(485)通讯
调试接口
ProfBUS
MODBUS
PWM输出
输出使能

功率驱动单元
制动单元
逐波限流
单元电路
缺相检测
扩展卡1
PG卡
主电路继电器
反馈给系统
模拟量归一化
UVW电流,母线电压,温度采样
ABZ信号及正余弦信号
保护中断
位置控制接口
制动PWM信号
硬件保护单元
过压过流,VCE

保护中断
ABZ信号
差分/OC/UVW/旋变
位置PG接口
虚拟IO

图2-2 系统框图
MD380采用单芯片架构，避免MD320双芯片架构所带来的系统响应的问题。双芯片方案中由于电机性能控制和电机功能控制是由不同的CPU完成，相互之间通过SPI连接，数据交换的瓶颈使的MD320在一些要求高速响应的情况下不能快速响应系统控制指令。
MD380采用一片TMS320F2808完成电机性能和功能控制，通过内部RAM数据交换，快速响应系统控制指令。MD380提供硬件逐波限流技术，使系统报故障的几率大大降低，同时还能有效的保护系统损坏。同时还提供双编码器接口，兼容差分、OC、UVW、Sin/Cos、旋转变压器等编码器。一路用与连接被控电机，另外一路用于定位控制，这些使得MD380比MD320有更广阔的市场应用领域。
MD380除支持通用的MODBUS协议外，还可以支持得到广泛应用的Profibus总线，通过后续的开发可以提供更丰富的总线支持。可以无缝集成到工厂集中控制环境中，便于工厂自动化建设。
MD380集成真正意义的可编程扩展卡，该可编程扩展卡是一个独立的PLC，通过内部厂家协议与变频器无缝连接在一起。可编程卡节省了用户投资，通过内部特殊的控制变量可以更灵活控制变频器。
MD380还增加了虚拟IO功能，可以将远程设备如数据采集单元采集的数字量、模拟量，控制系统中间变量做为本机IO或者变量。
2.3 系统组成
MD380是MD320升级而来，在系统组成上基本相同，如下表
表2.3.1 MD380系列系统组成
项目
描述
功率单元
借用MD320
驱动电路
借用MD320（Size E新设计，不完全借用）
散热器
借用MD320
控制板
新设计，采用TMS320F2808 DSP平台
键盘显示
新设计
扩展板
兼容老扩展板，带位置控制的控制板是新设计
PG卡
新设计
塑胶
Size 完全BCD借用MD320N,Size E新设计
钣金
新设计，但外形尺寸保持和MD320兼容
2.3 系统接口
2.3.1 主回路端子
参见《MD380开发规格书》6.1
2.3.2 控制端子
参见《MD380开发规格书》6.2
2.4 电气关系
参见图2-2
2.5 主回路设计
保持和MD320一致
3、结构方案设计
MD380功率等级从0.4kW～450kW，共分9个体积。其中Size B/C/D结构借用已经完成开发的MD320N结构，在此基础上Size E～J在外观造型上沿用MD320N的风格。
Size E由钣金结构改为塑胶结构
Size F～J保持钣金结构，在满足需求的情况下外形尺寸最大程度保持与MD320一致。初步外形尺寸如下表。
表3.1外形尺寸及安装尺寸
功率(kW)
Size
H(mm)
W(mm)
D(mm)
H1(mm)
W1(mm)
H2(mm)
W2(mm)
0.4
B
186
125
164
172
113
204
76
0.75
1.5
2.2
3.7
C
248
160
183
236
148
266
100
5.5
7.5
D
322
208
192
305
190
342
136
11
15
18.5
E
430
280
220
412
265
/
/
22
30
37
F
575
385
260
600
250
/
/
45
55
75
G
700
460
320
730
340
/
/
90
110
H
880
580
370
910
450
/
/
132
160
200
I
980
650
380
1030
420
/
/
220
250
280
315
J
1200
800
400
1300
540
/
/
355
400
H：外形长度
W：外形宽度
D：外形高度
H1：普通安装时的安装长度
W1：普通安装时的安装宽度
H2：散热器外装时的安装长度
W2：散热器外装时的安装宽度
具体详细结构方案设计参见各体积的结构方案设计。
4、系统测试方案
4.1 开发阶段样机系统测试
参见《MD380系统测试方案》。
4.2 中试阶段样机型式试验
参见《MD380系统测试方案》。

5、单元技术规格
MD380系列变频器在功率模块，驱动单元借用MD320。在MD320的基础上更改了结构，控制单元。控制单元的单板基本重新设计，MD380新增单板如下表所示。
表5-1 MD380新增单板列表
项目
描述
单板名称
通用
全系列通用控制板
MST552KZ1
塑胶件键盘显示板
MST552GA1
参数拷贝卡
MD38CP
扩展卡
扩展接口1
PG接口扩展卡，OC与差分输入兼容，选件
MD38PG1
PG接口扩展卡，差分输入，带差分分频输出，选件
MD38PG2
PG接口扩展卡，实现UVW编码器，选件
MD38PG3
PG接口扩展卡，实现旋转变压器接口，选件
MD38PG4
PG接口扩展卡，实现SIN/COS码盘接口，选件
MD38PG5
扩展接口2
不隔离PG卡：满足Size B结构，实现位置控制(带RS485?)
MD38PGB
DP卡：SIZE-C及以上通用，Size B外置，选件
MD38DP
简易IO卡：满足Size B结构，仅DI x 2，DO x 1、AI x 1(带RS485?)
MD38EIO
定位PG卡：隔离的差分PG卡，并带IO卡相同的IO资源，无分频输出
MD38DW
PLC卡：用户可编程扩展卡
MD38PLC
驱动
MD380 Size E专用驱动板
MST183QD1

5.1 控制板技术规格
5.1.1 单板名称和型号
MD380全系列共用一块控制板，单板名称为：MST552KZ1
5.1.2 单板电气性能和功能描述
表5.1.1 控制板电气性能和功能描述
项目
描述
电源输入
来自驱动板：5V，±15V，GND和隔离24V，COM
电源输出
10V和隔离24V输出
驱动板接口
兼容MD320 DSP接口，通过34PIN排线连接
输入输出IO
兼容MD320：2xAI,1xAO,5xDI,2xDO,1xRELAY
扩展接口
兼容老扩展卡，同时可增加编码器接口
PG接口
满足差分，OC，UVW，旋变等编码器输入
键盘显示接口
满足5 x LED，9 x KEY
具体参见《MD380开发规格书》
5.1.3 输入输出接口
表5.1.2通用PG接口
PIN
标号
描述
1
QEP1A
DSP通用GPIO,可通过设置定义为QEP，SCI，CAN，SPI等功能
2
QEP1B
3
QEP1Z
4
GP22
5
GP34
6

7
VCC
5V电源
8
GND
9
UU4
模拟量输入，做Sin/Cos模拟量输入，也做UVW数字量输入
10
UU5
11
UU6
12
UU7
13

14

15
COM
24V隔离电源
16
COM
17
24V
18
24V
表5.1.3扩展板接口
PIN
标号
描述
1
COM
24V隔离电源
2
COM
3
24V
4
24V
5
DI6
普通DI,5V HC电平
6
DI7
普通DI,5V HC电平
7
QEP-B
通用GPIO,可做SPIMI,也可做QEPB
8
QEP-Z
通用GPIO,可做SPICLK,也可做QEPZ
9
CANATXD
通用GPIO,可做SPIHL,也可做CANATXD
10
DI8
普通DI,5V HC电平
11
AI3
±3V模拟量输入
12
AO2
AO2-PWM 与FM复用
13
RTS485
RS485通讯接口
14
SCIARXD
15
SCIATXD
16
DI9
普通DI,5V HC电平
17
CANARXD
通用GPIO,也可做CANARXD
18
RESET
复位信号
19
QEP-A
通用GPIO,可做SPIMO,也可做QEPA
20
RELAY2
普通DO,5V HC电平,驱动继电器
21
DO2
普通DO,5V HC电平
22
DI10
普通DI,5V HC电平
23
15V
5V，±15V，GND
24
-15V
25
5V
26
5V
27
GND
28
GND
表5.1.4用户端子
分类
端子记号
端子功能说明
技术规格
数字
输入
DI1-DI4
普通多功能输入端子
隔离漏源极输入可编程端子,输入频率<100Hz
DI5
多功能高速脉冲输入端子
最高输入频率100kHz
OP
多功能输入端子公共端
内部与COM、24V隔离，出厂通过跳线与+24V短接
24V
电源
24V
板内提供24V
24V±10%，空载虚电压不超过30V，最大输出电流200mA,内部与OP/CME/GND隔离
COM
板内24V地
内部与CME、GND隔离
数字
输出
DO1
DO1:开路集电极输出
隔离漏源极输出可编程端子24VDC/50mA
FM
FM:可编程脉冲频率输出
作数字输出，内部射极与COM连(可作为普通可编程开路集电集端子)，最高输出频率100kHz
CME
开路集电极输出公共端
内部与COM、GND隔离，出厂通过跳线与COM短接
模拟输入输出
+10V
10V模拟电压输出
10V±10%，最大10mA
GND
模拟地
内部与COM、CME隔离
AI1
模拟单端输入通道AI1
0～10V，12位分辨率，校正精度0.5％
AI2
模拟单端输入通道AI2
0～10V/0～20mA 12位分辨率,校正精度0.5％
AO1
模拟输出1
0～10V(0～20mA,12位分辨率,校正精度1％
继电器输出
TA/TB/TC
继电器输出
TA-TB：常闭；TA-TC：常开，触点容量： 250VAC/3A（COS=0.4）
5.1.4 单板结构工艺要求
1、单板尺寸范围
与MD320控制板尺寸完全一致。
2、单板布局
控制板采用双面贴片，双面插件的方式布局。
3、PCB层数和PCBA的设计要求
四层板（1.6mm厚度）；表面贴装和插装器件混合使用。
4、单板生产工艺
双面回流焊＋单面波峰焊＋手工后补焊的方式生产。
5、单板测试策略和工装夹具设计
进行ICT测试和功能测试。详细过程由单板调试说明文件定义。
6、新工艺、新材料、器件工艺
无。
5.1.5 软件接口
MD380为单芯片架构，由一片主控MCU(TMS320F2808)完成电机性能和功能控制，其资源分配如下。
表5.1.5 DSP资源分配
Pin
管脚功能
用途(MD380)

F1
F2
F3
F4

47
GPIO0
EPWM1A
-
-
PWM
44
GPIO1
EPWM1B
SPISIMOD
-
45
GPIO2
EPWM2A
-
-
48
GPIO3
EPWM2B
SPISOMID
-
51
GPIO4
EPWM3A
-
-
53
GPIO5
EPWM3B
SPICLKD
ECAP1

56
GPIO6
EPWM4A
EPWMSYNCI
EPWMSYNCO
DRIVE
58
GPIO7
EPWM4B
SPISTED
ECAP2
HDO-1/AO-2
60
GPIO8
EPWM5A
CANTXB
ADCSOCAO
BREAK
61
GPIO9
EPWM5B
SCITXDB
ECAP3
AO-1/HDO-2
64
GPIO10
EPWM6A
CANRXB
ADCSOCBO
RELAY
70
GPIO11
EPWM6B
SCIRXDB
ECAP4
HDI-1

1
GPIO12
TZ1
CANTXB
SPISIMOB
过流
95
GPIO13
TZ2
CANRXB
SPISOMIB
CBC
8
GPIO14
TZ3
SCITXDB
SPICLKB
CBC
9
GPIO15
TZ4
SCIRXDB
SPISTEB
CBC

50
GPIO16
SPISIMOA
CANTXB
TZ5
DI,DO,显示，键盘
52
GPIO17
SPISOMIA
CANRXB
TZ6
54
GPIO18
SPICLKA
SCITXDB
-
57
GPIO19
SPISTEA
SCIRXDB
-

63
GPIO20
EQEP1A
SPISIMOC
CANTXB
QEP1/旋变RDVEL
67
GPIO21
EQEP1B
SPISOMIC
CANRXB
71
GPIO22
EQEP1S
SPICLKC
SCITXDB
72
GPIO23
EQEP1I
SPISTEC
SCIRXDB

83
GPIO24
ECAP1
EQEP2A
SPISIMOB
QEP2-A/HDI-1
91
GPIO25
ECAP2
EQEP2B
SPISOMIB
QEP2-B
99
GPIO26
ECAP3
EQEP2I
SPICLKB
QEP2-I
79
GPIO27
ECAP4
EQEP2S
SPISTEB
485-R/T

92
GPIO28
SCIRXDA
-
TZ5
SCI，编程
DP卡/PLC卡接口
4
GPIO29
SCITXDA
-
TZ6

6
GPIO30
CANRXA
-
-
GPIO或者监控
7
GPIO31
CANTXA
-
-
GPIO或者监控

100
GPIO32
SDAA
EPWMSYNCI
ADCSOCAO
EEPROM
5
GPIO33
SCLA
EPWMSYNCO
ADCSOCBO

43
GPIO34
-
-
-
旋变sample
5.2 位置控制扩展板技术规格
5.2.1 单板名称和型号
选件，MD380 带定位功能的扩展IO卡，单板名称为：MD38DW
5.2.2 输入输出接口
表5.2.1用户端子
分类
端子记号
端子功能说明
技术规格
通讯接口
485＋
485差分信号正端
标准RS-485通讯接口
485－
485差分信号负端
标准RS-485通讯接口
编码器接口
A+
编码器A相正端
仅差分，可提供5V电源，最大100mA,输入频率<300kHz
A-
编码器A相负端
B+
编码器B相正端
B-
编码器B相负端
Z+
编码器Z相正端
Z-
编码器Z相负端
PGP
编码器5V电源
COM
编码器电源
数字
输入
DI6-DI10
多功能输入端子
光耦隔离漏源极输入可编程端子，最高输入频率100Hz
OP1
多功能输入端子公共端
内部与COM、24V隔离，出厂通过跳线与+24V短接
24V
电源
24V
板内提供24V
24V±10%，空载虚电压不超过30V，最大输出电流200mA,内部与OP/CME/GND隔离
COM
板内24V地
内部与CME、GND隔离
数字
输出
DO2
开路集电极输出
光耦隔离漏源极输出可编程端子，24VDC/50mA
CME1
开路集电极输出公共端
内部与COM、GND隔离，出厂通过跳线与COM短接
模拟输入输出
+10V
10V模拟电压输出
10V±10%，最大10mA
GND
模拟地
内部与COM、CME隔离
AI3
模拟单端输入通道
±10V,1%精度,可选为电机PTC输入
AO2
模拟单端输出通道
0～10V/0～20mA,12位分辨率,1%精度,手动校正,与FM复用
继电器输出
PA/PB/PC
继电器输出
PA-PB：常闭；PA-PC：常开，触点容量：250VAC/3A（COS=0.4）
屏蔽
PE
屏蔽接地
内部与主回路端子PE相连
5.2.3 单板结构工艺要求
1、单板尺寸范围
148mm x 89mm
2、单板布局
控制板采用双面贴片，双面插件的方式布局
3、PCB层数和PCBA的设计要求
四层板（1.6mm厚度）；表面贴装和插装器件混合使用。
4、单板生产工艺
双面回流焊＋单面波峰焊＋手工后补焊的方式生产
5、单板测试策略和工装夹具设计
进行ICT测试和功能测试。详细过程由单板调试说明文件定义。
6、新工艺、新材料、器件工艺
无。
5.3 驱动板技术规格
除Size E外，MD380各功率等级借用相同功率等级的MD320驱动板
Size E 驱动板电路主要部分不变，功率模块选用不变。
相对MD320 Size E驱动板，MD380 Size E驱动板有如下变化。
1 单板名称
单板名称：MST183QD1
2 端子台选择
选用PCB焊接型端子台，可以降低成本，经过计算需要100A的端子来满足37KW功率输出，但市面上没有100APCB焊接型端子台标准品，只能开模设计。
3 整流单元
同样也是为了降低成本，整流单元选用和功率模块相同高度（17mm）的整流单元。具体型号待定。
5.5 散热器技术规格
借用MD320
6、电磁兼容性（EMC）、可靠性和可维护性、防护性和安规的方案设计
6.1 EMC的方案设计
同MD320
6.2 可靠性和可维护性的方案设计
同MD320
6.3 防护性和安规的方案设计
同MD320
7、风险分析和评估
7.1 风险分析
表7.1关键元器件

描述
关键器件
控制板
DSP
TMS320F2808
贴片电解电容
47u/35v 100u/35v
高速光耦
10MHz 光耦：6N137
电平转换芯片
3.3/5V互转：TXB0108
FFC连接器
连接键盘，需要28Pin FFC连接器
Size E
PCB焊接端子台
新开模设计100A栅栏式PCB焊接型端子台
整流单元
17mm高的整流单元，可集成到驱动板上
7.2 风险评估和缓解措施
表7.2 风险评估表
风险排序
风险描述
风险概率
风险可能导致的后果
减小风险的措施
责任人

8、附件
附件1：《Size E结构设计方案书》
附件2：《钣金结构设计方案书》
附件3：《MD380变频器测试方案》
附件4：《MD380开发规格书》