基于嵌入式系统的网络变频器软硬件设计

1 引言

随着现代控制理论、电力电子技术、计算机控制技术和传感器技术的发展，整个拖动领域正在进行一场革命，交流电机的调速理论取得了突破性的进展，交流传动取代直流传动已成为不可逆转的趋势。变频器以其节能显著、过载能力强、调速精度高、响应速度快、保护功能完善、使用和维护方便等优点在交流传动领域的应用将越来越广泛。本文研究了一种基于嵌入式系统的网络变频器设计过程。

2 变频器的硬件设计

2.1 主电路设计

变频器根据主电路的设计不同，可以分为交-交、交-直-交变频器和电压型、电流型变频器，它们均有各自的特点。本文设计的变频器属于交-直-交电压型，它的主电路由三相全波整流、电容滤波和智能功率模块PM20CSJ060所构成，如图1所示。

PM20CSJ060内部集成6个IGBT、栅极驱动电路、欠电压、过流、过热、短路等保护电路以及故障信号输出电路。P, N分别为直流输入正负端;U, V, W为三相交流电压输出端;VUP1~VUPC, VVP1~VVPC, VWP1~VWPC, VN1~VNC是4组独立的驱动电源，前3组分别供给U, V, W 3个上桥臂元件，第4组电源供给3个下桥臂元件和制动回路元件;UP, VP,WP, UN, VN, WN分别为6个IGBT的基极驱动输入信号，它们都是低电平有效的电平信号，与外部控制电路之间通过光电隔离;F0是IPM模块内故障检测电路的输出信号，当其为低电平时，表示模块发生了过流、短路、欠电压或过热中的某种故障，它只是向外部控制电路提供指示信号，即使外部控制电路不采取措施，模块也会通过自保护电路封锁基极驱动信号，从而将自己保护起来。由于PM20CSJ060具有自保护功能，故不需要在整个系统中为所有的IGBT提供过流、过压、过热保护电路了。

图1 变频器主电路

2.2 控制电路设计

变频器控制电路以ARM单片机LPC2292为控制核心，主要由电源电路、交流电压电流检测电路、直流电压检测电路、故障检测与处理电路、PWM脉冲输出电路、LCD显示和键盘输入电路等构成。

1、电源电路

控制电路所需的电源除了4组IGBT驱动电源+15V以外，单片机LPC2292本身也需要工作电源，其CPU内核需要+1.8V电源;I/O端口需要+3.3V电源。因此控制电路需要3种电压的电源。4组+15V的电源我们是通过4个三端稳压器LM7815来实现的;而+1.8V和+3.3V电源则利用三端稳压器LM7805和LDO芯片(低压差电源芯片)共同来实现。

2、交流电流电压检测电路

交流侧的每相电流检测采用的是TA17系列电流互感器TA17-04，由运算放大电路将互感器输出的电流信号转换成对应的电压信号，供单片机采样。图2(a)所示的是其中A相的电流检测电路。TA17-04的输入电流范围为0~40A，输出电流范围为0~20mA，而单片机的采样电压范围为0~3V，所以取反馈电阻R_f1=150Ω。另外图中的电容Cr，和可调电阻r1用来补偿相移。

(a) 相电流检测电路

(b) 相电压检测电路

图2交流电流电压检测电路

3、直流电压检测电路

直流电压检测是通过取滤波电容两端电压，经过电阻分压后转换成0~5V电压信号，然后经过线性光电耦合器6N138整定为0~3V的电压信号，通过电压跟随器输出供单片机A/D通道采样。

4、故障检测与处理电路

PM20CSJ060有自保护功能，当出现过流、欠压、短路或过热时，IMP的栅极驱动单元就会关断电流并输出一个故障信号(FO);当U, V或W相的任一个上桥臂出现故障时，也会从相应的输出端输出故障信号，另外系统增加的过压/欠压保护电路也有两个故障输出端。所有这些故障信号都是低电平有效，因此我们可以通过一个与门将这些故障输出端相与后送到单片机的中断口，不过有些端口在与之前先要进行光耦隔离。

5、PWM脉冲输出电路

驱动IPM内部的六路IGBT的PWM脉冲先是从LPC2292内部PWM脉宽调制器输出的，然后通过光耦隔离后再送到IMP的六路脉冲输入端。

2.3 保护电路的设计

虽然PM20CSJ060有过流、欠压、短路或过热等自保护功能，但为了提高系统的可靠性和更好地保护IGBT,我们还是增加了一套快速而准确的保护环节以防止各种故障的发生对系统造成的损坏。

1、欠压/过压保护电路

由于IGBT集电极与发射极之间的耐压和承受反向压降的能力有限，而电网的电压波动非常大，从而会导致直流回路过压或欠压，因此要设置直流电压欠压/过压保护电路，以保护IGBT和其他元件不被损坏。系统设计的欠压/过压保护电路，如图3所示。图中6N138为一个线性光电隔离器，输出电压信号与直流回路电压成正比，当直流回路电压过低时，从6N138的VO端输出一个较低电压，与临界欠电压值相比较，小于则经比较器LM393比较后输出低电平的欠压故障信号;当直流回路电压过高时，从6N138的VO端输出一个较高电压，与临界过电压值相比较，大于则经比较器LM393比较后也输出低电平的过压故障信号。将这两个信号通过与门送到单片机的中断口，单片机响应中断就可以进行相应的处理了，从而起到欠压/过压保护作用。

图3欠压/过压保护电路

2、限流起动保护电路

此电路是用来防止在电机起动过程中，电容充电电流过大而损坏整流管。当电机起动时，起动电流很大，为了保护整流管，在主电路上串了一个限流电阻R1,定时15s后，单片机就控制继电器将常开触点闭合，使限流电阻R1短路，结束限流起动过程，进入正常运行状态。

3、泵升电压保护电路

当电机负载进入制动状态时，反馈电流将向中间直流回路电容充电，导致直流电压上升，产生所谓的泵升电压。如果不对此电压进行限制，它将造成IGBT的永久损坏。产生泵升电压是电机制动过程不可避免的现象，为此要给制动过程提供一条能量释放路径。

3 变频器以太网接口电路的硬件设计

从硬件的角度看，以太网接口电路主要由MAC控制器和物理层接口(PHY)两大部分构成，目前常见的以太网接口芯片，如RTL8019, RTL8029, RTL8039, CS8900等，其内部结构也主要包含这两部分。本文在设计以太网接口电路时，采用RTL8019AS作为以太网接口芯片，接口电路的电路图如图4所示，其中FC-518LS是网络隔离变压器。

前面讲过变频器控制电路的设计，其中实现整个系统控制功能的是微处理器LPC2292。由图4可以看到，实现此变频器的以太网接口功能，采用的微处理器仍然是LPC2292。那么也就是说，LPC2292除了实现SVPWM波形的产生以外，还要负责与外界网络的数据交换。就网络而言，LPC2292主要是对网卡芯片RTL8019AS进行监控，通过此芯片将数据发送到以太网上或从以太网上接收数据，然后通过以太网连接到Internet，从而实现真正的嵌入式TCP/IP设备。

图4以太网接口电路图

4 基于μC/OS-II的系统整体软件的设计

μC/OS-II是一个占先式、多任务的实时操作系统，它可以管理64个任务，除8个系统任务外，应用程序最多可以有56个任务。若采用μC/OS-II来实现某系统的软件设计，通常是把这整个系统分成若干个部分来完成，每个部分可以当成一个单独任务，然后在μC/OS-II的统一管理下来协调各部分的工作，从而达到整个系统的软件设计要求。本文在软件设计时，就是采用μC/OS-II框架，把系统软件模块化，分成多个任务来共同完成。

在一般32位ARM应用系统中，软件大多数采用C语言进行编程，并且以嵌入式操作系统为开发平台，这样就大大地提高了开发效率和软件性能。为了能够进行系统初始化，采用一个汇编文件作启动代码是常用的做法，它可以实现堆栈初始化、系统变量初始化、中断系统初始化、I/O初始化、地址重映射等操作。启动代码是芯片复位后进入C语言的main()函数前执行的一段代码，主要是为运行C语言程序提供基本运行环境。

本文设计的变频器，其控制核心是ARM单片机LPC2292，根据系统的功能要求，它主要完成以下工作:(1) 键盘设定(Task1):通过键盘可以设定一些参数，如电机工作频率、系统时间等。(2) 脉冲产生(Task2):生成SVPWM波形，驱动IGBT。(3) 数据采样与处理(Task3):采样变频器直流侧电压电流、交流侧电压电流等，并进行相应的算法处理。(4)侦听服务(Task4):侦听服务端口，当客户端要求连接时，提供给客户端预先设计好的网页，此网页中含有本系统的一些实时数据;或者客户端PING本地WEB服务器时，做出回显应答。(5) 故障处理(Task5):当有故障发生时，根据故障类型进行相应的处理。(6) LCD显示(Task6):显示一些系统参数。

为此，把LPC2292要实现的功能分成6个部分，每个部分用μC/OS-II中的一个任务来实现，这六个任务分别为Task1、Task2, Task3, Task4, Tasks, Task6。

本文作者创新点: 本文采用嵌入式系统来设计和实现变频器，使得变频器可靠性高、性能强、实时性好，将以太网接口集成于变频器中，使得基于Web的变频器的远程控制和监视变得简单易行。

参考文献

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[2] 张燕宾.SPWM变频调速应用技术(第二版)[M]. 机械工业出版社，2004

[3] 易旭东. μC/OS-II在嵌入式系统中的应用[D] , 2003

[4] 陈国呈.新型电力电子变换技术[M]. 中国电力出版社，2004

[5] 房玉明,杭柏林. 基于嵌入式系统的交交变频器控制[J]. 微计算机信息, 2007, 6-2: 15-16