河南科技大學學報（自然科學版）基于TMS320LF2407的小型變頻器設(shè)計田豐1，3，彭曉南2（1.河南科技大學電子信息工程學院，河南洛陽471003；2.河南科技大學機電工程學院，河南洛陽471003；3.中國農(nóng)業(yè)銀行洛陽分行，河南洛陽471000）該變頻器硬件部分由主電路、操作面板和輔助開關(guān)電源等部分組成；軟件部分用于實現(xiàn)控制功能，能夠?qū)崿F(xiàn)：PWM信號的產(chǎn)生、模擬信號的采集與處理、故障處理、人機界面通訊和參數(shù)設(shè)定的處理以及運行模式的選擇。

　　該變頻器具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活的特點，可以滿足對調(diào)速要求高的場合。

　　刖言隨著電力電子技術(shù)和微機控制技術(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研究熱點：一是將變頻器的功率做的更大，滿足超大功率場合調(diào)速拖動的需求；二是將功率做到更小，滿足小功率、超小功率場合的需求。向大功率方向擴展所要解決的主要難題是提高可靠性和穩(wěn)定性，向超小功率方向擴展要解決的主要難題是提高性價比。而計算機技術(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比成為可能。小功率特別是超小功率變頻器的應用對象遍布各行各業(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、磨粉機、攪拌器、送風機、測試臺以及風洞等方面均有應用，一旦推廣，必將產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益和社會效率。

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

　　本研究擬采用變頻器交-直-交電壓型逆變電路的電機控制專用高速數(shù)字信號處理器（DSP）TMS320LF24074和擁有強大的運算功能，可以高效完成電機實時控制算法7，進行小型變頻的設(shè)計，從而降低成本。

　　TMS320LF2407的特點與變頻器系統(tǒng)的組成設(shè)計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，強大的功能來實現(xiàn)所有的工作、控制和相應的保護功能，該芯片主要有以下特點：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時控制能力和響應速度。

　　片內(nèi)有高達32K字16位的Flash程序存儲器，高達2.5K字16位的數(shù)據(jù)/程序RAM，544字的雙端口RAM，2K字的單口兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個模塊包括：2個16位的通用定時器，8個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的對稱和非對稱波形，當外部引腳PDPINTx出現(xiàn)合理論。

　　低電平時，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導通；3個捕獲單元，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電機、無刷直流電機、開關(guān)磁阻電機、步進電機、多極電機和逆變器。

　　可擴展的外部存儲器，共有192K字空間，方便了程序的調(diào)試。

　　看門狗定時器模塊（WDT），監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　5個外部中斷（兩個功率驅(qū)動保護、復位和兩個可屏蔽的中斷），當檢測到直流母線上出現(xiàn)過流時，通過PDPINT使TMS320LF2407通過內(nèi)部硬件自動封鎖六路PWM輸出，同時申請中斷對故障作進一步的處理。

　　電源管理包括有3種低功耗模式，能獨立將外設(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)換時間為500ns，大大提高了A/D的采樣和轉(zhuǎn)換速度|91.可以用來檢測變頻器輸出的電壓和電流及其它相關(guān)信號，顯示在控制面板上。當輸出電壓和電流出現(xiàn)異常時，經(jīng)快速采樣和轉(zhuǎn)換后，調(diào)用相應的處理程序，做進一步的處理，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響應和處理保護電路信號的時間，避免造成更大的損失。

　　其中，事件管理模塊是實現(xiàn)變頻調(diào)速的關(guān)鍵，也是該變頻器設(shè)計的重要特點。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)動信號，逆變器的輸出驅(qū)動三相感應電機，構(gòu)成了比較簡便的變頻調(diào)速系統(tǒng)。利用芯片的功率驅(qū)動保護中斷，可以構(gòu)成相應的保護電路。當輸入電壓過高，三相逆變器輸出電流過大，TMS320LF2407會立即關(guān)閉PWM波形輸出，可以保護功率器件。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)速場合。變頻器的控制面板采用專用的鍵盤和顯示芯片HD7279101.為降低成本，輔助開關(guān)電源部分采用價格低、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導通造成短出三對互補的PWM信號經(jīng)光電隔離后，輸入到IGBT的驅(qū)動電路，然后驅(qū)動帶有續(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)動三相小功率交流感應電機。

　　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。

　　過電壓、過電流檢測單元。檢查整流濾波電容兩端的電壓及其直流回路的電流，信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換后連接到DSP芯片功率驅(qū)動保護管腳。當過電壓、過電流等發(fā)生時，TMS320LF2407能夠?qū)WM輸出引腳置為高阻態(tài)，使逆變器停止工作，從而提供相應的安全保護，避免造成更大的損失，同時申請中斷對故障作進一步的處理。

　　光電隔離和功率驅(qū)動電路。由于信號是高速變化的，光電隔離采用6N137快速光耦，以滿足系統(tǒng)的訴。功翻動：芯片采用三件0它的輸出信號可直接驅(qū)動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，這是變頻器實現(xiàn)變VAC頻的執(zhí)行環(huán)節(jié)，也是變頻器的核心。

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

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

　　在系統(tǒng)中，TMS320LF2407采用中斷方式來確認按鍵值，采用中斷能夠減少DSP對HD7279的訪問次數(shù)，減少對DSP的占用，同時使得程序運行更有效率，提高系統(tǒng)的實時響應能力。DSP和HD7279的連線有數(shù)據(jù)線、時鐘線、片選信號和中斷線。當有按鍵操作時，HD7279的中斷引腳產(chǎn)生一個低電平，DSP響應該中斷，并調(diào)用相應的中斷處理程序，判斷所按的按鍵，并根據(jù)按鍵值做進一步的操作。在該變頻器中，使用4個數(shù)碼管顯示變頻器的各種運行狀態(tài)，顯示對變頻器的各種設(shè)置。由于HD7279可以支持64個按鍵和多于8位的數(shù)碼管顯示，因此對沒有用到的按鍵和數(shù)碼管，可以不連接，不會影響到鍵盤的使用。

　　4輔助開關(guān)電源部分輔助開關(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)中加一個電源轉(zhuǎn)換芯片，這里選用TI公司的TPS7301芯片，接上適當?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)提供兩路獨立的+5V電源。是開關(guān)電源的原理框圖。

　　在該電路中，采用單獨的220VAC作為輸入，這樣可以避免輸入電壓和主電路電流的波動，影響DSP處理器和其它元器件的正常工作。由于采用了高速實時數(shù)字信號處理器TMS320LF2407和其它靈敏的電子元器件，為提高變頻器的穩(wěn)定性，對開關(guān)電源的質(zhì)量提出較高的要求。為滿足系統(tǒng)對開關(guān)電源的需求，采用了以下措施：首先，開關(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)電壓波動和主電路中電流的波動對開關(guān)電源的影響。其次，對開關(guān)電源的PWM脈寬調(diào)制控制器集成電路，采用價格低、性能良好、外圍元件少的UC3842，也可以降低成本。試驗證明該開關(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。

　　開關(guān)電源原理框變頻器的軟件設(shè)計變頻器的控制功能由TMS320LE2407的軟件部分來實現(xiàn)，包括主程序和中斷服務程序。變頻器的軟件具有以下幾個功能：PWM信號的產(chǎn)生、模擬信號的采集與處理、故障處理、人機界面通訊和參數(shù)設(shè)定的處理以及運行模式的選擇。

　　根據(jù)變頻器的工作原理和特點，其軟件流程圖如所示。

　　主程序?qū)ο到y(tǒng)進行初始配置，完成初始化后，進入主循環(huán)，開始正常的工作方式。當DSP檢測到有中斷的發(fā)生時，根據(jù)中斷的類型，調(diào)用中斷子程序，可以實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、運行方式設(shè)置、報警、保護等功能。

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

　　本系統(tǒng)理論性能指標如下：輸入：單相交流輸入，電壓波動軟件流程圖+20%c，頻率范圍：50~60Hz.輸出：三相0~到電機額定電壓。輸出頻率范圍：0~ 400Hz.輸出頻率精度：0. 01%c比較高頻率。