基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡變頻器軟硬件設計

1 引言

隨著現(xiàn)代控制理論、電力電子技術、計算機控制技術和傳感器技術的發(fā)展，整個拖動領域正在進行一場革命，交流電機的調(diào)速理論取得了突破性的進展，交流傳動取代直流傳動已成為不可逆轉的趨勢。變頻器以其節(jié)能顯著、過載能力強、調(diào)速精度高、響應速度快、保護功能完善、使用和維護方便等優(yōu)點在交流傳動領域的應用將越來越廣泛。本文研究了一種基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡變頻器設計過程。

2 變頻器的硬件設計

2.1 主電路設計

變頻器根據(jù)主電路的設計不同，可以分為交-交、交-直-交變頻器和電壓型、電流型變頻器，它們均有各自的特點。本文設計的變頻器屬于交-直-交電壓型，它的主電路由三相全波整流、電容濾波和智能功率模塊PM20CSJ060所構成，如圖1所示。

PM20CSJ060內(nèi)部集成6個IGBT、柵極驅動電路、欠電壓、過流、過熱、短路等保護電路以及故障信號輸出電路。P, N分別為直流輸入正負端;U, V, W為三相交流電壓輸出端;VUP1~VUPC, VVP1~VVPC, VWP1~VWPC, VN1~VNC是4組獨立的驅動電源，前3組分別供給U, V, W 3個上橋臂元件，第4組電源供給3個下橋臂元件和制動回路元件;UP, VP,WP, UN, VN, WN分別為6個IGBT的基極驅動輸入信號，它們都是低電平有效的電平信號，與外部控制電路之間通過光電隔離;F0是IPM模塊內(nèi)故障檢測電路的輸出信號，當其為低電平時，表示模塊發(fā)生了過流、短路、欠電壓或過熱中的某種故障，它只是向外部控制電路提供指示信號，即使外部控制電路不采取措施，模塊也會通過自保護電路封鎖基極驅動信號，從而將自己保護起來。由于PM20CSJ060具有自保護功能，故不需要在整個系統(tǒng)中為所有的IGBT提供過流、過壓、過熱保護電路了。

圖1 變頻器主電路

2.2 控制電路設計

變頻器控制電路以ARM單片機LPC2292為控制核心，主要由電源電路、交流電壓電流檢測電路、直流電壓檢測電路、故障檢測與處理電路、PWM脈沖輸出電路、LCD顯示和鍵盤輸入電路等構成。

1、電源電路

控制電路所需的電源除了4組IGBT驅動電源+15V以外，單片機LPC2292本身也需要工作電源，其CPU內(nèi)核需要+1.8V電源;I/O端口需要+3.3V電源。因此控制電路需要3種電壓的電源。4組+15V的電源我們是通過4個三端穩(wěn)壓器LM7815來實現(xiàn)的;而+1.8V和+3.3V電源則利用三端穩(wěn)壓器LM7805和LDO芯片(低壓差電源芯片)共同來實現(xiàn)。

2、交流電流電壓檢測電路

交流側的每相電流檢測采用的是TA17系列電流互感器TA17-04，由運算放大電路將互感器輸出的電流信號轉換成對應的電壓信號，供單片機采樣。圖2(a)所示的是其中A相的電流檢測電路。TA17-04的輸入電流范圍為0~40A，輸出電流范圍為0~20mA，而單片機的采樣電壓范圍為0~3V，所以取反饋電阻R_f1=150Ω。另外圖中的電容Cr，和可調(diào)電阻r1用來補償相移。

(a) 相電流檢測電路

(b) 相電壓檢測電路

圖2交流電流電壓檢測電路

3、直流電壓檢測電路

直流電壓檢測是通過取濾波電容兩端電壓，經(jīng)過電阻分壓后轉換成0~5V電壓信號，然后經(jīng)過線性光電耦合器6N138整定為0~3V的電壓信號，通過電壓跟隨器輸出供單片機A/D通道采樣。

4、故障檢測與處理電路

PM20CSJ060有自保護功能，當出現(xiàn)過流、欠壓、短路或過熱時，IMP的柵極驅動單元就會關斷電流并輸出一個故障信號(FO);當U, V或W相的任一個上橋臂出現(xiàn)故障時，也會從相應的輸出端輸出故障信號，另外系統(tǒng)增加的過壓/欠壓保護電路也有兩個故障輸出端。所有這些故障信號都是低電平有效，因此我們可以通過一個與門將這些故障輸出端相與后送到單片機的中斷口，不過有些端口在與之前先要進行光耦隔離。

5、PWM脈沖輸出電路

驅動IPM內(nèi)部的六路IGBT的PWM脈沖先是從LPC2292內(nèi)部PWM脈寬調(diào)制器輸出的，然后通過光耦隔離后再送到IMP的六路脈沖輸入端。

2.3 保護電路的設計

雖然PM20CSJ060有過流、欠壓、短路或過熱等自保護功能，但為了提高系統(tǒng)的可靠性和更好地保護IGBT,我們還是增加了一套快速而準確的保護環(huán)節(jié)以防止各種故障的發(fā)生對系統(tǒng)造成的損壞。

1、欠壓/過壓保護電路

由于IGBT集電極與發(fā)射極之間的耐壓和承受反向壓降的能力有限，而電網(wǎng)的電壓波動非常大，從而會導致直流回路過壓或欠壓，因此要設置直流電壓欠壓/過壓保護電路，以保護IGBT和其他元件不被損壞。系統(tǒng)設計的欠壓/過壓保護電路，如圖3所示。圖中6N138為一個線性光電隔離器，輸出電壓信號與直流回路電壓成正比，當直流回路電壓過低時，從6N138的VO端輸出一個較低電壓，與臨界欠電壓值相比較，小于則經(jīng)比較器LM393比較后輸出低電平的欠壓故障信號;當直流回路電壓過高時，從6N138的VO端輸出一個較高電壓，與臨界過電壓值相比較，大于則經(jīng)比較器LM393比較后也輸出低電平的過壓故障信號。將這兩個信號通過與門送到單片機的中斷口，單片機響應中斷就可以進行相應的處理了，從而起到欠壓/過壓保護作用。

圖3欠壓/過壓保護電路

2、限流起動保護電路

此電路是用來防止在電機起動過程中，電容充電電流過大而損壞整流管。當電機起動時，起動電流很大，為了保護整流管，在主電路上串了一個限流電阻R1,定時15s后，單片機就控制繼電器將常開觸點閉合，使限流電阻R1短路，結束限流起動過程，進入正常運行狀態(tài)。

3、泵升電壓保護電路

當電機負載進入制動狀態(tài)時，反饋電流將向中間直流回路電容充電，導致直流電壓上升，產(chǎn)生所謂的泵升電壓。如果不對此電壓進行限制，它將造成IGBT的永久損壞。產(chǎn)生泵升電壓是電機制動過程不可避免的現(xiàn)象，為此要給制動過程提供一條能量釋放路徑。

3 變頻器以太網(wǎng)接口電路的硬件設計

從硬件的角度看，以太網(wǎng)接口電路主要由MAC控制器和物理層接口(PHY)兩大部分構成，目前常見的以太網(wǎng)接口芯片，如RTL8019, RTL8029, RTL8039, CS8900等，其內(nèi)部結構也主要包含這兩部分。本文在設計以太網(wǎng)接口電路時，采用RTL8019AS作為以太網(wǎng)接口芯片，接口電路的電路圖如圖4所示，其中FC-518LS是網(wǎng)絡隔離變壓器。

前面講過變頻器控制電路的設計，其中實現(xiàn)整個系統(tǒng)控制功能的是微處理器LPC2292。由圖4可以看到，實現(xiàn)此變頻器的以太網(wǎng)接口功能，采用的微處理器仍然是LPC2292。那么也就是說，LPC2292除了實現(xiàn)SVPWM波形的產(chǎn)生以外，還要負責與外界網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交換。就網(wǎng)絡而言，LPC2292主要是對網(wǎng)卡芯片RTL8019AS進行監(jiān)控，通過此芯片將數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)上或從以太網(wǎng)上接收數(shù)據(jù)，然后通過以太網(wǎng)連接到Internet，從而實現(xiàn)真正的嵌入式TCP/IP設備。

圖4以太網(wǎng)接口電路圖

4 基于μC/OS-II的系統(tǒng)整體軟件的設計

μC/OS-II是一個占先式、多任務的實時操作系統(tǒng)，它可以管理64個任務，除8個系統(tǒng)任務外，應用程序最多可以有56個任務。若采用μC/OS-II來實現(xiàn)某系統(tǒng)的軟件設計，通常是把這整個系統(tǒng)分成若干個部分來完成，每個部分可以當成一個單獨任務，然后在μC/OS-II的統(tǒng)一管理下來協(xié)調(diào)各部分的工作，從而達到整個系統(tǒng)的軟件設計要求。本文在軟件設計時，就是采用μC/OS-II框架，把系統(tǒng)軟件模塊化，分成多個任務來共同完成。

在一般32位ARM應用系統(tǒng)中，軟件大多數(shù)采用C語言進行編程，并且以嵌入式操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺，這樣就大大地提高了開發(fā)效率和軟件性能。為了能夠進行系統(tǒng)初始化，采用一個匯編文件作啟動代碼是常用的做法，它可以實現(xiàn)堆棧初始化、系統(tǒng)變量初始化、中斷系統(tǒng)初始化、I/O初始化、地址重映射等操作。啟動代碼是芯片復位后進入C語言的main()函數(shù)前執(zhí)行的一段代碼，主要是為運行C語言程序提供基本運行環(huán)境。

本文設計的變頻器，其控制核心是ARM單片機LPC2292，根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，它主要完成以下工作:(1) 鍵盤設定(Task1):通過鍵盤可以設定一些參數(shù)，如電機工作頻率、系統(tǒng)時間等。(2) 脈沖產(chǎn)生(Task2):生成SVPWM波形，驅動IGBT。(3) 數(shù)據(jù)采樣與處理(Task3):采樣變頻器直流側電壓電流、交流側電壓電流等，并進行相應的算法處理。(4)偵聽服務(Task4):偵聽服務端口，當客戶端要求連接時，提供給客戶端預先設計好的網(wǎng)頁，此網(wǎng)頁中含有本系統(tǒng)的一些實時數(shù)據(jù);或者客戶端PING本地WEB服務器時，做出回顯應答。(5) 故障處理(Task5):當有故障發(fā)生時，根據(jù)故障類型進行相應的處理。(6) LCD顯示(Task6):顯示一些系統(tǒng)參數(shù)。

為此，把LPC2292要實現(xiàn)的功能分成6個部分，每個部分用μC/OS-II中的一個任務來實現(xiàn)，這六個任務分別為Task1、Task2, Task3, Task4, Tasks, Task6。

本文作者創(chuàng)新點: 本文采用嵌入式系統(tǒng)來設計和實現(xiàn)變頻器，使得變頻器可靠性高、性能強、實時性好，將以太網(wǎng)接口集成于變頻器中，使得基于Web的變頻器的遠程控制和監(jiān)視變得簡單易行。

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