河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）基于TMS320LF2407的小型變頻器設(shè)計(jì)田豐1，3，彭曉南2（1.河南科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471003；2.河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471003；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)銀行洛陽(yáng)分行，河南洛陽(yáng)471000）該變頻器硬件部分由主電路、操作面板和輔助開(kāi)關(guān)電源等部分組成；軟件部分用于實(shí)現(xiàn)控制功能，能夠?qū)崿F(xiàn)：PWM信號(hào)的產(chǎn)生、模擬信號(hào)的采集與處理、故障處理、人機(jī)界面通訊和參數(shù)設(shè)定的處理以及運(yùn)行模式的選擇。

　　該變頻器具有體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活的特點(diǎn)，可以滿足對(duì)調(diào)速要求高的場(chǎng)合。

　　刖言隨著電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)己完全可以與直流調(diào)速相媲美，交流調(diào)速正在逐步取代直流調(diào)速。

　　目前，作為變頻調(diào)速系統(tǒng)核心部件的變頻器有兩個(gè)研究熱點(diǎn)：一是將變頻器的功率做的更大，滿足超大功率場(chǎng)合調(diào)速拖動(dòng)的需求；二是將功率做到更小，滿足小功率、超小功率場(chǎng)合的需求。向大功率方向擴(kuò)展所要解決的主要難題是提高可靠性和穩(wěn)定性，向超小功率方向擴(kuò)展要解決的主要難題是提高性價(jià)比。而計(jì)算機(jī)技術(shù)和專用控制芯片的發(fā)展，使得提高小功率變頻器的性價(jià)比成為可能。小功率特別是超小功率變頻器的應(yīng)用對(duì)象遍布各行各業(yè)，例如在各種小型變頻家用電器、小型的紡織生產(chǎn)線、輸送帶、壓縮機(jī)、磨粉機(jī)、攪拌器、送風(fēng)機(jī)、測(cè)試臺(tái)以及風(fēng)洞等方面均有應(yīng)用，一旦推廣，必將產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效率。

　　由于先前的變頻器大多采用單片機(jī)作為控制核心，而單片機(jī)存在著運(yùn)算速度慢、不易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法、外圍電路復(fù)雜等缺點(diǎn)，隨著調(diào)速要求的提高，基于單片機(jī)控制的變頻器，己不能滿足實(shí)際需要，而數(shù)字信號(hào)處理器則具有運(yùn)行頻率更高且集成許多外圍控制電路等特點(diǎn)，非常適合進(jìn)行電機(jī)控制。

　　本研究擬采用變頻器交-直-交電壓型逆變電路的電機(jī)控制專用高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）TMS320LF24074和擁有強(qiáng)大的運(yùn)算功能，可以高效完成電機(jī)實(shí)時(shí)控制算法7，進(jìn)行小型變頻的設(shè)計(jì)，從而降低成本。

　　TMS320LF2407的特點(diǎn)與變頻器系統(tǒng)的組成設(shè)計(jì)的小功率變頻器系統(tǒng)采用TI公司的TMS320LF2407處理器作為核心控制芯片，利用它豐富的外圍電路，強(qiáng)大的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)所有的工作、控制和相應(yīng)的保護(hù)功能，該芯片主要有以下特點(diǎn)：采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降到3.3V，減少了控制器的功耗；40MIPS的執(zhí)行速度使指令周期縮短到25ns，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力和響應(yīng)速度。

　　片內(nèi)有高達(dá)32K字16位的Flash程序存儲(chǔ)器，高達(dá)2.5K字16位的數(shù)據(jù)/程序RAM，544字的雙端口RAM，2K字的單口兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)模塊包括：2個(gè)16位的通用定時(shí)器，8個(gè)16位的脈寬調(diào)制（PWM）通道。它們能夠?qū)崿F(xiàn)三相反相器控制，PWM的對(duì)稱和非對(duì)稱波形，當(dāng)外部引腳PDPINTx出現(xiàn)合理論。

　　低電平時(shí)，DSP快速關(guān)斷PWM輸出，可編程的PWM死區(qū)控制可以防止上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通；3個(gè)捕獲單元，片內(nèi)光電編碼器接口，16通道A/D轉(zhuǎn)換器。事件管理模塊適合控制交流感應(yīng)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、多極電機(jī)和逆變器。

　　可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器，共有192K字空間，方便了程序的調(diào)試。

　　看門(mén)狗定時(shí)器模塊（WDT），監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　5個(gè)外部中斷（兩個(gè)功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽的中斷），當(dāng)檢測(cè)到直流母線上出現(xiàn)過(guò)流時(shí)，通過(guò)PDPINT使TMS320LF2407通過(guò)內(nèi)部硬件自動(dòng)封鎖六路PWM輸出，同時(shí)申請(qǐng)中斷對(duì)故障作進(jìn)一步的處理。

　　電源管理包括有3種低功耗模式，能獨(dú)立將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式，減少系統(tǒng)的功耗。

　　10位A/D轉(zhuǎn)換器的比較小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns，大大提高了A/D的采樣和轉(zhuǎn)換速度|91.可以用來(lái)檢測(cè)變頻器輸出的電壓和電流及其它相關(guān)信號(hào)，顯示在控制面板上。當(dāng)輸出電壓和電流出現(xiàn)異常時(shí)，經(jīng)快速采樣和轉(zhuǎn)換后，調(diào)用相應(yīng)的處理程序，做進(jìn)一步的處理，調(diào)整變頻器的輸出。由于采用了高速DSP芯片和快速A/D，縮短了DSP響應(yīng)和處理保護(hù)電路信號(hào)的時(shí)間，避免造成更大的損失。

　　其中，事件管理模塊是實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的關(guān)鍵，也是該變頻器設(shè)計(jì)的重要特點(diǎn)。利用該芯片的事件管理模塊，可以十分方便地輸出調(diào)速所需的變頻、變壓的同步PWM波形，作為三相逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，逆變器的輸出驅(qū)動(dòng)三相感應(yīng)電機(jī)，構(gòu)成了比較簡(jiǎn)便的變頻調(diào)速系統(tǒng)。利用芯片的功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷，可以構(gòu)成相應(yīng)的保護(hù)電路。當(dāng)輸入電壓過(guò)高，三相逆變器輸出電流過(guò)大，TMS320LF2407會(huì)立即關(guān)閉PWM波形輸出，可以保護(hù)功率器件。該變頻器輸入為常用的50Hz、220V交流，故特別適用于小功率及超小功率調(diào)速場(chǎng)合。變頻器的控制面板采用專用的鍵盤(pán)和顯示芯片HD7279101.為降低成本，輔助開(kāi)關(guān)電源部分采用價(jià)格低、性能良好、外圍元件少的UC32|n|.變頻器的原理框圖如所示。

　　頻器的控制核心。它能夠輸出具有可編程死區(qū)控制的PWM波形，PWM波形的死區(qū)是為了避免同一橋臂的上下功率管同時(shí)導(dǎo)通造成短出三對(duì)互補(bǔ)的PWM信號(hào)經(jīng)光電隔離后，輸入到IGBT的驅(qū)動(dòng)電路，然后驅(qū)動(dòng)帶有續(xù)流二極管的六單元IGBT模塊，根據(jù)不同占空比的PWM波形，可以輸出具有變頻、變壓的三相交流輸出，直接驅(qū)動(dòng)三相小功率交流感應(yīng)電機(jī)。

　　2主電路部分是主電路框圖，主要組成模塊如下：整流電路。采用單相的220AC作為輸入電源，整流電路采用單相全波整流橋。由可知，輸入的220VAC經(jīng)過(guò)整流濾波后可得到光滑的高壓直流，該直流作為三相逆變器的輸入電壓。

　　過(guò)電壓、過(guò)電流檢測(cè)單元。檢查整流濾波電容兩端的電壓及其直流回路的電流，信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后連接到DSP芯片功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)管腳。當(dāng)過(guò)電壓、過(guò)電流等發(fā)生時(shí)，TMS320LF2407能夠?qū)WM輸出引腳置為高阻態(tài)，使逆變器停止工作，從而提供相應(yīng)的安全保護(hù)，避免造成更大的損失，同時(shí)申請(qǐng)中斷對(duì)故障作進(jìn)一步的處理。

　　光電隔離和功率驅(qū)動(dòng)電路。由于信號(hào)是高速變化的，光電隔離采用6N137快速光耦，以滿足系統(tǒng)的訴。功翻動(dòng)：芯片采用三件0它的輸出信號(hào)可直接驅(qū)動(dòng)鐠模塊小功率變頻器原理框圖流二極管的六單元IGBT模塊組成，把整流橋整流后的直流電，再逆變成頻率、幅值都可調(diào)的交流電，這是變頻器實(shí)現(xiàn)變VAC頻的執(zhí)行環(huán)節(jié)，也是變頻器的核心。

　　與檢測(cè)模塊。逆變器輸出的電壓和電流經(jīng)TMS320LF2407采樣和轉(zhuǎn)換后，可以實(shí)時(shí)顯示在控制面板上。同時(shí)，當(dāng)逆變器工作不正常，輸出電壓和電流異常時(shí)，TMS320LF2407也可以調(diào)用相關(guān)子程序，控制逆變器的運(yùn)行。

　　3操作面板部分該小功率變頻器提供了簡(jiǎn)單易操作的控制面板，具有良好的人機(jī)界面。面板上有豐富的按鍵和顯示模塊，通過(guò)面板能夠?qū)ψ冾l器的啟動(dòng)和停止進(jìn)行控制，能夠在線設(shè)置變頻器運(yùn)行模式，交互式設(shè)定參數(shù)，并能夠顯示各種錯(cuò)誤代碼，方便維護(hù)操作。

　　在系統(tǒng)中，TMS320LF2407采用中斷方式來(lái)確認(rèn)按鍵值，采用中斷能夠減少DSP對(duì)HD7279的訪問(wèn)次數(shù)，減少對(duì)DSP的占用，同時(shí)使得程序運(yùn)行更有效率，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。DSP和HD7279的連線有數(shù)據(jù)線、時(shí)鐘線、片選信號(hào)和中斷線。當(dāng)有按鍵操作時(shí)，HD7279的中斷引腳產(chǎn)生一個(gè)低電平，DSP響應(yīng)該中斷，并調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序，判斷所按的按鍵，并根據(jù)按鍵值做進(jìn)一步的操作。在該變頻器中，使用4個(gè)數(shù)碼管顯示變頻器的各種運(yùn)行狀態(tài)，顯示對(duì)變頻器的各種設(shè)置。由于HD7279可以支持64個(gè)按鍵和多于8位的數(shù)碼管顯示，因此對(duì)沒(méi)有用到的按鍵和數(shù)碼管，可以不連接，不會(huì)影響到鍵盤(pán)的使用。

　　4輔助開(kāi)關(guān)電源部分輔助開(kāi)關(guān)電源可以輸出+5V、+5V、+15V等多路直流電壓，為DSP和系統(tǒng)的其他元器件供電。由于TMS320LF2407的工作電壓是3. 3V，必須在系統(tǒng)中加一個(gè)電源轉(zhuǎn)換芯片，這里選用TI公司的TPS7301芯片，接上適當(dāng)?shù)耐鈬娮瑁瑯?gòu)成電阻分壓器，就可以得到3.3V的輸出電壓。由于系統(tǒng)采用了光電隔離器件，為保證良好的接地，必須為系統(tǒng)提供兩路獨(dú)立的+5V電源。是開(kāi)關(guān)電源的原理框圖。

　　在該電路中，采用單獨(dú)的220VAC作為輸入，這樣可以避免輸入電壓和主電路電流的波動(dòng)，影響DSP處理器和其它元器件的正常工作。由于采用了高速實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407和其它靈敏的電子元器件，為提高變頻器的穩(wěn)定性，對(duì)開(kāi)關(guān)電源的質(zhì)量提出較高的要求。為滿足系統(tǒng)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的需求，采用了以下措施：首先，開(kāi)關(guān)電源部分采用專用的整流濾波電路，不共用主電路的整流模塊，可以減少電網(wǎng)電壓波動(dòng)和主電路中電流的波動(dòng)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的影響。其次，對(duì)開(kāi)關(guān)電源的PWM脈寬調(diào)制控制器集成電路，采用價(jià)格低、性能良好、外圍元件少的UC3842，也可以降低成本。試驗(yàn)證明該開(kāi)關(guān)電源能夠輸出變頻器所需的穩(wěn)定高質(zhì)量的直流電壓，能夠使變頻器穩(wěn)定的工作。

　　開(kāi)關(guān)電源原理框變頻器的軟件設(shè)計(jì)變頻器的控制功能由TMS320LE2407的軟件部分來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括主程序和中斷服務(wù)程序。變頻器的軟件具有以下幾個(gè)功能：PWM信號(hào)的產(chǎn)生、模擬信號(hào)的采集與處理、故障處理、人機(jī)界面通訊和參數(shù)設(shè)定的處理以及運(yùn)行模式的選擇。

　　根據(jù)變頻器的工作原理和特點(diǎn)，其軟件流程圖如所示。

　　主程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行初始配置，完成初始化后，進(jìn)入主循環(huán)，開(kāi)始正常的工作方式。當(dāng)DSP檢測(cè)到有中斷的發(fā)生時(shí)，根據(jù)中斷的類型，調(diào)用中斷子程序，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行方式設(shè)置、報(bào)警、保護(hù)等功能。

　　6結(jié)束語(yǔ)本文所設(shè)計(jì)的小功率變頻器是以TI公司的TMS320LF2407的應(yīng)用前景。利用該芯片的串行通訊接口模塊（SCI），還可以實(shí)集中控制。

　　本系統(tǒng)理論性能指標(biāo)如下：輸入：?jiǎn)蜗嘟涣鬏斎耄妷翰▌?dòng)軟件流程圖+20%c，頻率范圍：50~60Hz.輸出：三相0~到電機(jī)額定電壓。輸出頻率范圍：0~ 400Hz.輸出頻率精度：0. 01%c比較高頻率。