一种集成MODBUS协议的交交变频控制板的制作方法

本发明涉及交交变频控制领域，具体是一种集成MODBUS协议的交交变频控制板。

背景技术：

随着数字控制和电力电子技术的发展，在目前的调速领域，交流传动逐渐取代直流传动的地位成为主流，而在大功率交流传动领域，交交变频器是目前应用最广泛的交流调速方案。交交变频器的控制系统非常复杂，传统的交交变频器控制系统由多个模拟系统组成，由于模拟器件本身存在的温漂、零漂和老化问题，系统成本高，构成复杂，调试和使用不便。随着数字控制技术的发展，近年来国外公司采用了多处理器系统来完成交交变频器的矢量控制任务。

随着工业自动化的迅速发展，信息交换的范围正迅速覆盖从工厂的管理、控制到现场设备层的各个层次，并逐步形成了全分布式网络集成自动化系统和以此为基础的企业信息系统，传统的串口通讯方式渐渐被现场总线标准所取代。MODBUS总线由于其开发成本低，简单易用等特点目前己经广泛应用于工业现场，通过MODBUS总线，我们可以很方便地将不同厂商生产的控制设备连成工业网络，进行集中监控；所以研制和开发一种集成MODBUS协议的交交变频控制板，具有重要现实意义。

技术实现要素：

本发明针对采用多处理器系统来完成交交变频器的矢量控制任务时，控制器的结构复杂效率低等问题，提供了一种集成MODBUS协议的交交变频控制板；

具体包括：DSP+FPGA协同处理器，MODBUS接口，同步电压接口，脉冲驱动接口，A/D转换模块，供电电源模块，电压电流采样模块和电机转速位置采样模块。

各个模块之间的连接关系如下：

DSP+FPGA协同处理器通过MODBUS接口接入MODBUS现场总线，实现MODBUS主站与DSP+FPGA协同处理器之间的通信；同时，DSP+FPGA协同处理器还连接供电电源模块，A/D转换模块，电机转速位置采样模块，同步电压接口和脉冲驱动接口；

A/D转换模块连接电压电流采样模块；电压电流采样模块连接外供的电压电流传感器；同步电压接口连接外供的同步变压器；脉冲驱动接口连接外供的主功率电路；

DSP+FPGA协同处理器通过MODBUS接口和MODBUS主站通信，接收同步电压接口产生的同步电压，A/D转换模块产生的电流电压信号，以及电机转速位置采样模块产生的电机速度和位置信号，根据以上的检测信号，通过速度调节，直流电流调节，矢量控制，弱磁控制，交流电流调节，交流电压前馈补偿环节，交流电流断续补偿环节，无环流换向逻辑以及移相触发环节任务后产生控制脉冲，控制脉冲通过脉冲驱动接口，被转换成合适的电平信号去驱动交交变频功率电路。

DSP+FPGA协同处理器中，DSP采用TMS320F28335芯片，FPGA采用EPF10K30A芯片，DSP芯片通过数据总线、地址总线和控制信号线和FPGA芯片互联，从而实现DSP主板和FPGA接口板的信息交换，具体是TMS320LF28335芯片的19根地址线、16根数据线以及读写控制线均和EPF10K30A芯片的相应管脚相连；

其中，TMS320F28335芯片的16根数据线具体连接为：TMS320F28335芯片的XD0到XD3管脚分别和EPF10K30A芯片的IO38到IO41管脚一一连接；TMS320F28335芯片的XD4到XD7管脚分别和EPF10K30A芯片的IO44到IO47管脚一一连接；TMS320F28335芯片的XD8到XD13管脚分别和EPF10K30A芯片的IO53到IO58管脚一一连接；TMS320F28335芯片的XD14到XD15管脚分别和EPF10K30A芯片的IO60到IO61管脚一一连接；

TMS320F28335芯片的19根地址线具体连接为：TMS320F28335芯片的XA0到XA2管脚分别和EPF10K30A芯片的IO7到IO9管脚一一连接；TMS320F28335芯片的XA3到XA7管脚分别和EPF10K30A芯片的IO11到IO15管脚一一连接；TMS320F28335芯片的XA8到XA9管脚分别和EPF10K30A芯片的IO17到IO18管脚一一连接；TMS320F28335芯片的XA10到XA17管脚分别和EPF10K30A芯片的IO24到IO31管脚一一连接；TMS320F28335芯片的XA18管脚和EPF10K30A芯片的IO36管脚一一连接；

TMS320F28335芯片的控制线XR/W管脚和EPF10K30A芯片的IO63管脚连接；TMS320F28335芯片的控制线XRD管脚和EPF10K30A芯片的IO64管脚连接；TMS320F28335芯片的控制线XWE0管脚和EPF10K30A芯片的IO65管脚连接；TMS320F28335芯片的控制线XZCS7管脚和EPF10K30A芯片的IO67管脚连接；TMS320F28335芯片的控制线XZCS6管脚和EPF10K30A芯片的IO68管脚连接。

MODBUS接口电路采用ADM4587芯片，DSP+FPGA协同处理器与MODBUS接口的管脚连接为：

TMS320F28335芯片的GPIO12管脚和ADM4587芯片的DE管脚相连，TMS320F28335芯片的SCIRXB管脚和ADM4587芯片的R管脚相连，TMS320F28335芯片的SCITXB管脚和ADM4587芯片的D管脚相连。

DSP+FPGA协同处理器与电机转速位置采样模块的管脚连接为：

电机转速位置采样模块通过增量式码盘对电机的速度和位置进行采样，将采集的电机速度检测信号A+,A-,B+,B-,Z+,Z-，通过光耦器件TLP114A隔离后，分别接入TMS320F28335芯片的QEP1A，QEP1B和QEP1I管脚上。

同步电压接口包括：功放器件OPA2277隔和光耦器件TLP114A；DSP+FPGA协同处理器与同步电压接口的管脚连接为：同步变压器的电压信号输入经功放器件OPA2277进行放大、整形，光耦器件TLP114A隔离后接到FPGA的GPIO74管脚上。

DSP+FPGA协同处理器与A/D转换模块的管脚连接为：

A/D转换模块采用ADS8365芯片，电压电流采样模块采集不同的电流电压检测信号，分别经不同的功放器件INA159进行放大和整形后，输入到ADS8365芯片的CHA0+管脚，CHA0-管脚，CHB0+管脚，CHB0-管脚，CHC0+管脚，CHC0-管脚，CHA1+管脚，CHA1-管脚，CHB1+管脚，CHB1-管脚，CHC1+管脚，CHC1-管脚上，经过模数转换成并行信号，通过数据线上传给FPGA；

ADS8365芯片的数据线AXD0管脚与EPF10K30A芯片的IO167管脚连接；ADS8365芯片AXD1管脚与EPF10K30A芯片的IO163管脚连接；ADS8365芯片AXD2管脚与EPF10K30A芯片的IO160管脚连接；ADS8365芯片AXD3管脚与EPF10K30A芯片的IO150管脚连接；ADS8365芯片AXD4管脚与EPF10K30A芯片的IO149管脚连接；ADS8365芯片AXD5管脚与EPF10K30A芯片的IO148管脚连接；ADS8365芯片AXD6管脚与EPF10K30A芯片的IO147管脚连接；ADS8365芯片AXD7管脚到AXD12管脚分别与EPF10K30A芯片的IO144管脚到IO139管脚一一连接；ADS8365芯片AXD13管脚到AXD15管脚分别与EPF10K30A芯片的IO136管脚到IO134管脚一一连接；

ADS8365芯片的地址线AXA0管脚到AXA2管脚分别和EPF10K30A芯片的IO170到IO168管脚一一连接；

ADS8365芯片的控制线CS管脚和EPF10K30A芯片的IO133管脚连接，ADS8365芯片的控制线WR管脚和EPF10K30A芯片的IO132管脚连接，ADS8365芯片的控制线RD管脚和EPF10K30A芯片的IO131管脚连接，ADS8365芯片的控制线CLK管脚和EPF10K30A芯片的IO128管脚连接，ADS8365芯片的控制线EOC管脚和EPF10K30A芯片的IO127管脚连接；

DSP+FPGA协同处理器与脉冲驱动接口的管脚连接为：

脉冲驱动接口包括12个光耦器件TLP114A和隔离芯片ULN2803A；

FPGA产生的12路脉冲输出信号分别从EPF10K30A芯片IO111管脚到IO116管脚，IO119管脚到IO122管脚，以及IO125管脚到IO126管脚，经过12个光耦器件TLP114A隔离后分别接到2个ULN2803A芯片的IN1管脚-IN6管脚上。

本发明的优点在于:

1、一种集成MODBUS协议的交交变频控制板，采用DSP和FPGA协同工作作为核心处理器取代现有的多处理器，解决了通用控制器存在的结构复杂，效率低，成本高等问题。

2、一种集成MODBUS协议的交交变频控制板，采用基于MODBUS现场总线协议的设计方案，将控制板作为MODBUS总线的一个从站实现数据传输。

附图说明

图1是本发明一种集成MODBUS协议的交交变频控制板示意图；

图2是本发明一种集成MODBUS协议的交交变频控制板的电路原理图；

图3是本发明一种集成MODBUS协议的交交变频控制板中DSP芯片局部放大图；

图4是本发明一种集成MODBUS协议的交交变频控制板中FPGA芯片局部放大图；

图5是本发明一种集成MODBUS协议的交交变频控制板中A/D转换模块局部放大图。

具体实施例

下面结合附图，对本发明的具体实施方法进行详细说明。

本发明一种集成MODBUS协议的交交变频控制板；如图1所示，包括：DSP+FPGA协同处理器，MODBUS接口，同步电压接口，脉冲驱动接口，A/D转换模块，供电电源模块，电压电流采样模块和电机转速位置采样模块。

交交变频控制板各个模块之间的连接关系如下：

DSP+FPGA协同处理器通过MODBUS接口接入MODBUS现场总线，实现MODBUS主站与DSP+FPGA协同处理器之间的通信；同时，DSP+FPGA协同处理器还连接供电电源模块，A/D转换模块，电机转速位置采样模块，同步电压接口和脉冲驱动接口；

供电电源模块连接外供的电源；

A/D转换模块连接电压电流采样模块；电压电流采样模块连接外供的电压电流传感器等检测器件；电压电流采样模块采集不同的电流电压检测信号，分别经不同的功放器件进行放大和整形后，输入到A/D转换模块上，经过模数转换成并行信号，通过数据线上传给FPGA；

电机转速位置采样模块连接外供的电机；电机转速位置采样模块通过增量式码盘对电机的速度和位置进行采样，将采集的电机速度检测信号A+,A-,B+,B-,Z+,Z-，通过光耦器件隔离后接入DSP中。

同步电压接口连接外供的同步变压器；同步变压器的电压信号输入经功放器件和光耦器件放大、整形和隔离接到FPGA的管脚上。

脉冲驱动接口连接外供的主功率电路；FPGA产生的12路脉冲输出信号分别经过12个光耦器件隔离后接到连接到主功率回路的触发功放板上。

如图2所示，DSP+FPGA协同处理器通过MODBUS接口和外部通信，接收同步电压接口产生的同步电压，接收A/D转换模块产生的电流电压信号，接收电机转速位置采样模块产生的电机速度和位置信号，根据以上的检测信号，通过速度调节，直流电流调节，矢量控制，弱磁控制，交流电流调节，交流电压前馈补偿环节，交流电流断续补偿环节，无环流换向逻辑以及移相触发环节任务后产生控制脉冲，控制脉冲通过脉冲驱动接口，被转换成合适的电平信号去驱动交交变频功率电路。

如图3和图4所示，DSP采用TI公司的TMS320F28335芯片，FPGA采用ALTERA公司的EPF10K30A(208)芯片，DSP芯片通过数据总线、地址总线和控制信号线和FPGA芯片互联，从而实现DSP主板和FPGA接口板的信息交换，具体是TMS320LF28335芯片的19根地址线、16根数据线以及读写控制线均和EPF10K30A芯片的相应管脚相连；

具体管脚的连接如下：

其中，TMS320F28335芯片的16根数据线具体连接为：TMS320F28335芯片的XD0到XD3管脚分别和EPF10K30A芯片的IO38到IO41管脚一一连接；TMS320F28335芯片的XD4到XD7管脚分别和EPF10K30A芯片的IO44到IO47管脚一一连接；TMS320F28335芯片的XD8到XD13管脚分别和EPF10K30A芯片的IO53到IO58管脚一一连接；TMS320F28335芯片的XD14到XD15管脚分别和EPF10K30A芯片的IO60到IO61管脚一一连接；

TMS320F28335芯片的19根地址线具体连接为：TMS320F28335芯片的XA0到XA2管脚分别和EPF10K30A芯片的IO7到IO9管脚一一连接；TMS320F28335芯片的XA3到XA7管脚分别和EPF10K30A芯片的IO11到IO15管脚一一连接；TMS320F28335芯片的XA8到XA9管脚分别和EPF10K30A芯片的IO17到IO18管脚一一连接；TMS320F28335芯片的XA10到XA17管脚分别和EPF10K30A芯片的IO24到IO31管脚一一连接；TMS320F28335芯片的XA18管脚和EPF10K30A芯片的IO36管脚一一连接；

TMS320F28335芯片的控制线XR/W管脚和EPF10K30A芯片的IO63管脚连接；TMS320F28335芯片的控制线XRD管脚和EPF10K30A芯片的IO64管脚连接；TMS320F28335芯片的控制线XWE0管脚和EPF10K30A芯片的IO65管脚连接；TMS320F28335芯片的控制线XZCS7管脚和EPF10K30A芯片的IO67管脚连接；TMS320F28335芯片的控制线XZCS6管脚和EPF10K30A芯片的IO68管脚连接。

MODBUS接口电路利用DSP处理器的现有串行接口，通过软件编制，使得DSP内部集成标准MODBUS协议，将所要通信的信息转换成串行数据，通过RS485接口和其他挂在MODBUS现场总线上的设备进行通信，RS485电路采用ADM4587芯片,RS485接口的特点是抗干扰能力强、传输速率高和传送距离远。RS485采用双端发送，双端接收，是一种半双工的通信方式。RS485允许在电路中可以有多个发送器，并且允许一个发送器驱动多个负载设备，但以RS485互连的设备，在某一时刻两个设备中只有一个可以发送数据，另外一个只能接收数据，因此，其发送电路必须由使能端加以控制。

DSP+FPGA协同处理器与MODBUS接口的管脚连接为：

TMS320F28335芯片的GPIO口输入端GPIO12管脚和ADM4587芯片的DE管脚相连，TMS320F28335芯片的串行通讯接口端SCIRXB管脚和ADM4587芯片的R管脚相连，TMS320F28335芯片的处理器串行通讯接口端SCITXB管脚和ADM4587芯片的D管脚相连。

其中ADM4587芯片的R用来接收DSP上位机发送来的数据,D端用来将转换后串行数据信息发送至DSP；DE端负责将RS485接口电路由MODBUS上位机接收到的数据与向上位机发送的数据两者间的转换。

DSP+FPGA协同处理器与电机转速位置采样模块的管脚连接为：

电机转速位置采样模块通过增量式码盘对电机的速度和位置进行采样，将采集的电机速度检测信号A+,A-,B+,B-,Z+,Z-，通过光耦器件TLP114A隔离后，将电机速度检测信号分别接入TMS320F28335芯片的QEP1A，QEP1B和QEP1I管脚上。

同步电压接口电路包括滤波电路和正弦波转换方波电路，同步变压器采集的三相交流电源的同步电压信号为正弦波，经过阻容滤波网络进行过滤，经过过滤后的正弦波同步电压信号通过正弦波转换方波电路转换成方波同步电压信号，经光耦器件TLP114A接到FPGA的管脚上；传递给DSP+FPGA协同处理器作为系统所需的同步信号，作为触发脉冲产生的基准。因为存在的滞后问题，正弦波转换方波电路采用功放器件OPA2277Y转换成同频的方波信号。

DSP+FPGA协同处理器与同步电压接口的管脚连接为：同步变压器的电压信号输入经功放器件OPA2277进行放大、整形，光耦器件TLP114A隔离后接到FPGA的GPIO74管脚上。

如图5所示，A/D采样接口电路包括调理电路和A/D转换电路；交交变频器的三相交流电源的交流输出电压和电流信号，经过电压电流传感器产生电流型的检测信号，该检测信号传递给调理电路，经调理电路中的采样电阻转换成模拟检测信号，再经INA159功放器件放大、整形，进入A/D转换模块采用的ADS8365芯片，接到DSP+FPGA协同处理器上，经过必要的控制算法，DSP生成的α角，传输给FPGA计算生成触发脉冲，触发脉冲从FPGA的管脚输出，经光耦隔离芯片TLP114A和ULN2803A芯片，连接到功率回路的触发功放板上。

DSP+FPGA协同处理器与A/D转换模块的管脚连接为：

A/D转换模块采用ADS8365芯片，电压电流采样模块采集不同的电流电压检测信号，分别经不同的功放器件INA159进行放大和整形后，输入到ADS8365芯片的CHA0+管脚，CHA0-管脚，CHB0+管脚，CHB0-管脚，CHC0+管脚，CHC0-管脚，CHA1+管脚，CHA1-管脚，CHB1+管脚，CHB1-管脚，CHC1+管脚，CHC1-管脚上，经过模数转换成并行信号，通过数据线上传给FPGA；

ADS8365芯片的数据线AXD0管脚与EPF10K30A芯片的IO167管脚连接；ADS8365芯片AXD1管脚与EPF10K30A芯片的IO163管脚连接；ADS8365芯片AXD2管脚与EPF10K30A芯片的IO160管脚连接；ADS8365芯片AXD3管脚与EPF10K30A芯片的IO150管脚连接；ADS8365芯片AXD4管脚与EPF10K30A芯片的IO149管脚连接；ADS8365芯片AXD5管脚与EPF10K30A芯片的IO148管脚连接；ADS8365芯片AXD6管脚与EPF10K30A芯片的IO147管脚连接；ADS8365芯片AXD7管脚到AXD12管脚分别与EPF10K30A芯片的IO144管脚到IO139管脚一一连接；ADS8365芯片AXD13管脚到AXD15管脚分别与EPF10K30A芯片的IO136管脚到IO134管脚一一连接；

ADS8365芯片的地址线AXA0管脚到AXA2管脚分别和EPF10K30A芯片的IO170到IO168管脚一一连接；

ADS8365芯片的控制线CS管脚和EPF10K30A芯片的IO133管脚连接，ADS8365芯片的控制线WR管脚和EPF10K30A芯片的IO132管脚连接，ADS8365芯片的控制线RD管脚和EPF10K30A芯片的IO131管脚连接，ADS8365芯片的控制线CLK管脚和EPF10K30A芯片的IO128管脚连接，ADS8365芯片的控制线EOC管脚和EPF10K30A芯片的IO127管脚连接；

DSP+FPGA协同处理器与脉冲驱动接口的管脚连接为：

脉冲驱动接口包括12个光耦器件TLP114A和芯片ULN2803A；

FPGA产生的12路脉冲输出信号分别从EPF10K30A芯片IO111管脚到IO116管脚，IO119管脚到IO122管脚，以及IO125管脚到IO126管脚，经过12个光耦器件TLP114A隔离后分别接到2个ULN2803A芯片的IN1管脚-IN6管脚上。

一种集成MODBUS协议的交交变频控制板，在交交变频控制板上集成MODBUS协议，在保证交交变频装置稳定工作的同时，使控制板在没有硬件支出的情况下可以支持MODBUS现场总线，并具有现场和远程参数的监控功能、智能控制功能。