基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)變頻器軟硬件設(shè)計(jì)

1 引言

隨著現(xiàn)代控制理論、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，整個(gè)拖動(dòng)領(lǐng)域正在進(jìn)行一場(chǎng)革命，交流電機(jī)的調(diào)速理論取得了突破性的進(jìn)展，交流傳動(dòng)取代直流傳動(dòng)已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。變頻器以其節(jié)能顯著、過(guò)載能力強(qiáng)、調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、保護(hù)功能完善、使用和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)在交流傳動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。本文研究了一種基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)變頻器設(shè)計(jì)過(guò)程。

2 變頻器的硬件設(shè)計(jì)

2.1 主電路設(shè)計(jì)

變頻器根據(jù)主電路的設(shè)計(jì)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(diǎn)。本文設(shè)計(jì)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(gòu)成，如圖1所示。

PM20CSJ060內(nèi)部集成6個(gè)IGBT、柵極驅(qū)動(dòng)電路、欠電壓、過(guò)流、過(guò)熱、短路等保護(hù)電路以及故障信號(hào)輸出電路。P, N分別為直流輸入正負(fù)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(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源，前3組分別供給U, V, W 3個(gè)上橋臂元件，第4組電源供給3個(gè)下橋臂元件和制動(dòng)回路元件;UP, VP,WP, UN, VN, WN分別為6個(gè)IGBT的基極驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)，它們都是低電平有效的電平信號(hào)，與外部控制電路之間通過(guò)光電隔離;F0是IPM模塊內(nèi)故障檢測(cè)電路的輸出信號(hào)，當(dāng)其為低電平時(shí)，表示模塊發(fā)生了過(guò)流、短路、欠電壓或過(guò)熱中的某種故障，它只是向外部控制電路提供指示信號(hào)，即使外部控制電路不采取措施，模塊也會(huì)通過(guò)自保護(hù)電路封鎖基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而將自己保護(hù)起來(lái)。由于PM20CSJ060具有自保護(hù)功能，故不需要在整個(gè)系統(tǒng)中為所有的IGBT提供過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱保護(hù)電路了。

圖1 變頻器主電路

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

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

1、電源電路

控制電路所需的電源除了4組IGBT驅(qū)動(dòng)電源+15V以外，單片機(jī)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(guò)4個(gè)三端穩(wěn)壓器LM7815來(lái)實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)。

2、交流電流電壓檢測(cè)電路

交流側(cè)的每相電流檢測(cè)采用的是TA17系列電流互感器TA17-04，由運(yùn)算放大電路將互感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，供單片機(jī)采樣。圖2(a)所示的是其中A相的電流檢測(cè)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(jī)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(lái)補(bǔ)償相移。

(a) 相電流檢測(cè)電路

(b) 相電壓檢測(cè)電路

圖2交流電流電壓檢測(cè)電路

3、直流電壓檢測(cè)電路

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

4、故障檢測(cè)與處理電路

PM20CSJ060有自保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流、欠壓、短路或過(guò)熱時(shí)，IMP的柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷電流并輸出一個(gè)故障信號(hào)(FO);當(dāng)U, V或W相的任一個(gè)上橋臂出現(xiàn)故障時(shí)，也會(huì)從相應(yīng)的輸出端輸出故障信號(hào)，另外系統(tǒng)增加的過(guò)壓/欠壓保護(hù)電路也有兩個(gè)故障輸出端。所有這些故障信號(hào)都是低電平有效，因此我們可以通過(guò)一個(gè)與門將這些故障輸出端相與后送到單片機(jī)的中斷口，不過(guò)有些端口在與之前先要進(jìn)行光耦隔離。

5、PWM脈沖輸出電路

驅(qū)動(dòng)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(guò)光耦隔離后再送到IMP的六路脈沖輸入端。

2.3 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

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

1、欠壓/過(guò)壓保護(hù)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(dòng)非常大，從而會(huì)導(dǎo)致直流回路過(guò)壓或欠壓，因此要設(shè)置直流電壓欠壓/過(guò)壓保護(hù)電路，以保護(hù)IGBT和其他元件不被損壞。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的欠壓/過(guò)壓保護(hù)電路，如圖3所示。圖中6N138為一個(gè)線性光電隔離器，輸出電壓信號(hào)與直流回路電壓成正比，當(dāng)直流回路電壓過(guò)低時(shí)，從6N138的VO端輸出一個(gè)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(hào);當(dāng)直流回路電壓過(guò)高時(shí)，從6N138的VO端輸出一個(gè)較高電壓，與臨界過(guò)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(guò)壓故障信號(hào)。將這兩個(gè)信號(hào)通過(guò)與門送到單片機(jī)的中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷就可以進(jìn)行相應(yīng)的處理了，從而起到欠壓/過(guò)壓保護(hù)作用。

圖3欠壓/過(guò)壓保護(hù)電路

2、限流起動(dòng)保護(hù)電路

此電路是用來(lái)防止在電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，電容充電電流過(guò)大而損壞整流管。當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流很大，為了保護(hù)整流管，在主電路上串了一個(gè)限流電阻R1,定時(shí)15s后，單片機(jī)就控制繼電器將常開觸點(diǎn)閉合，使限流電阻R1短路，結(jié)束限流起動(dòng)過(guò)程，進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。

3、泵升電壓保護(hù)電路

當(dāng)電機(jī)負(fù)載進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，反饋電流將向中間直流回路電容充電，導(dǎo)致直流電壓上升，產(chǎn)生所謂的泵升電壓。如果不對(duì)此電壓進(jìn)行限制，它將造成IGBT的永久損壞。產(chǎn)生泵升電壓是電機(jī)制動(dòng)過(guò)程不可避免的現(xiàn)象，為此要給制動(dòng)過(guò)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(shè)計(jì)

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(gòu)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(jié)構(gòu)也主要包含這兩部分。本文在設(shè)計(jì)以太網(wǎng)接口電路時(shí)，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(luò)隔離變壓器。

前面講過(guò)變頻器控制電路的設(shè)計(jì)，其中實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)控制功能的是微處理器LPC2292。由圖4可以看到，實(shí)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(shuō)，LPC2292除了實(shí)現(xiàn)SVPWM波形的產(chǎn)生以外，還要負(fù)責(zé)與外界網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換。就網(wǎng)絡(luò)而言，LPC2292主要是對(duì)網(wǎng)卡芯片RTL8019AS進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)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(guò)以太網(wǎng)連接到Internet，從而實(shí)現(xiàn)真正的嵌入式TCP/IP設(shè)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(shè)計(jì)

μC/OS-II是一個(gè)占先式、多任務(wù)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它可以管理64個(gè)任務(wù)，除8個(gè)系統(tǒng)任務(wù)外，應(yīng)用程序最多可以有56個(gè)任務(wù)。若采用μC/OS-II來(lái)實(shí)現(xiàn)某系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，通常是把這整個(gè)系統(tǒng)分成若干個(gè)部分來(lái)完成，每個(gè)部分可以當(dāng)成一個(gè)單獨(dú)任務(wù)，然后在μC/OS-II的統(tǒng)一管理下來(lái)協(xié)調(diào)各部分的工作，從而達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)要求。本文在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，就是采用μC/OS-II框架，把系統(tǒng)軟件模塊化，分成多個(gè)任務(wù)來(lái)共同完成。

在一般32位ARM應(yīng)用系統(tǒng)中，軟件大多數(shù)采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，并且以嵌入式操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺(tái)，這樣就大大地提高了開發(fā)效率和軟件性能。為了能夠進(jìn)行系統(tǒng)初始化，采用一個(gè)匯編文件作啟動(dòng)代碼是常用的做法，它可以實(shí)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(dòng)代碼是芯片復(fù)位后進(jìn)入C語(yǔ)言的main()函數(shù)前執(zhí)行的一段代碼，主要是為運(yùn)行C語(yǔ)言程序提供基本運(yùn)行環(huán)境。

本文設(shè)計(jì)的變頻器，其控制核心是ARM單片機(jī)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(shè)定(Task1):通過(guò)鍵盤可以設(shè)定一些參數(shù)，如電機(jī)工作頻率、系統(tǒng)時(shí)間等。(2) 脈沖產(chǎn)生(Task2):生成SVPWM波形，驅(qū)動(dòng)IGBT。(3) 數(shù)據(jù)采樣與處理(Task3):采樣變頻器直流側(cè)電壓電流、交流側(cè)電壓電流等，并進(jìn)行相應(yīng)的算法處理。(4)偵聽服務(wù)(Task4):偵聽服務(wù)端口，當(dāng)客戶端要求連接時(shí)，提供給客戶端預(yù)先設(shè)計(jì)好的網(wǎng)頁(yè)，此網(wǎng)頁(yè)中含有本系統(tǒng)的一些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);或者客戶端PING本地WEB服務(wù)器時(shí)，做出回顯應(yīng)答。(5) 故障處理(Task5):當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，根據(jù)故障類型進(jìn)行相應(yīng)的處理。(6) LCD顯示(Task6):顯示一些系統(tǒng)參數(shù)。

為此，把LPC2292要實(shí)現(xiàn)的功能分成6個(gè)部分，每個(gè)部分用μC/OS-II中的一個(gè)任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這六個(gè)任務(wù)分別為Task1、Task2, Task3, Task4, Tasks, Task6。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 本文采用嵌入式系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)變頻器，使得變頻器可靠性高、性能強(qiáng)、實(shí)時(shí)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(yuǎn)程控制和監(jiān)視變得簡(jiǎn)單易行。

參考文獻(xiàn)

[1] 呂汀, 石紅梅. 變頻技術(shù)原理與應(yīng)用[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2004

[2] 張燕賓.SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)(第二版)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2004

[3] 易旭東. μC/OS-II在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用[D] , 2003

[4] 陳國(guó)呈.新型電力電子變換技術(shù)[M]. 中國(guó)電力出版社，2004

[5] 房玉明,杭柏林. 基于嵌入式系統(tǒng)的交交變頻器控制[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2007, 6-2: 15-16