基于嵌入式系统的网络变频器软硬件设计.docx

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1、基于嵌入式系统的网络变频器软硬件设计ronggang导语：本文具体介绍了基于嵌入式系统的网络变频器设计经过摘要:本文具体介绍了基于嵌入式系统的网络变频器设计经过。本文整体上是分三局部来介绍:1.SVPWM变频器的硬件设计与实现。利用智能功率模块PM20CSJ060构成系统主电路中的逆变电路，以ARM单片机LPC2292为系统控制电路的控制核心;2.以太网接口的硬件开发。利用网卡芯片RTL8019AS完成以太网硬件接口电路;3.变频器的软件开发。完成了基于C/OS-II的系统整体软件的开发。关键字:变频器;嵌入式;以太网随着当代控制理论、电力电子技术、计算机控制技术和传感器技术的开展，整个拖动领

2、域正在进展一场革命，沟通电机的调速理论获得了打破性的进展，沟通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、过载才能强、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沟通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经过。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

3、、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为三相沟通电压输出端;VUP1VUPC,VVP1VVPC,VWP1VWPC,VN1VNC是4组独立的驱动电源，前3组分别供应U,V,W3个上桥臂元件，第4组电源供应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、欠电压或者过热中的某种故障，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

4、过自保护电路封闭基极驱动信号，进而将自己保护起来。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、沟通电压电流检测电路、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

5、通过4个三端稳压器LM7815来实现的;而+1.8V和+3.3V电源那么利用三端稳压器LM7805和LDO芯片低压差电源芯片共同来实现。2、沟通电流电压检测电路沟通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2a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040A，输出电流范围为020mA，而单片机的采样电压范围为03V，所以取反应电阻Rf1=150。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沟通电流电压检测电路3、直流电压检测电路直流电压检测

6、是通过取滤波电容两端电压，经过电阻分压后转换成05V电压信号，然后经过线性光电耦合器6N138整定为03V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、短路或者过热时，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或者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展光耦隔离。5、PWM脉冲输出电路驱动IPM

7、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保护电路的设计固然PM20CSJ060有过流、欠压、短路或者过热等自保护功能，但为了进步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才能有限，而电网的电压波动非常大，进而会导致直流回途经压或者欠压，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

8、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拟，小于那么经比拟器LM393比拟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拟，大于那么经比拟器LM393比拟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展相应的处理了，进而起到欠压/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经过中，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

9、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，完毕限流起动经过，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，反应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。假如不对此电压进展限制，它将造成IGBT的永久损坏。产生泵升电压是电机制动经过不可防止的现象，为此要给制动经过提供一条能量释放途径。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两大局部构成，目前常见的以太网接口芯片，如RTL8019,RTL8029,RTL8039,CS8900等，其内部构造也主要包

10、含这两局部。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。那么也就是讲，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进展监控，通过此芯片将数据发送到以太网上或者从以太网上接收数据，然后通过以太网连接到Internet，进而实现真正的嵌入式TCP/IP设

11、备。图4以太网接口电路图4基于C/OS-II的系统整体软件的设计C/OS-II是一个占先式、多任务的实时操纵系统，它可以治理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。假设采用C/OS-II来实现某系统的软件设计，通常是把这整个系统分成假设干个局部来完成，每个局部可以当成一个单独任务，然后在C/OS-II的统一治理下来协调各局部的工作，进而到达整个系统的软件设计要求。本文在软件设计时，就是采用C/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语言进展编程，并且以嵌入式操纵系统为开发平台，这样就大大地进步了开发效率和软件性

12、能。为了可以进展系统初始化，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、地址重映射等操纵。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语言程序提供根本运行环境。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、沟通侧电压电流等，并进展相应的算法处理。4侦听效劳Task4

13、:侦听效劳端口，当客户端要求连接时，提供应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;或客户端PING本地WEB效劳器时，做出回显应答。5故障处理Task5:当有故障发生时，根据故障类型进展相应的处理。6LCD显示Task6:显示一些系统参数。为此，把LPC2292要实现的功能分成6个局部，每个局部用C/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。1吕汀,石红梅.变频技术原理与应用M.机械工业出版社，20042张燕宾.SPWM变频调速应用技术第二版M.机械工业出版社，20043易旭东.C/OS-II在嵌入式系统中的应用D,20034陈国呈.新型电力电子变换技术M.中国电力出版社，20045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