一种数字化变频器控制电路的制作方法

本实用新型一种数字化变频器控制电路，涉及数字化变频器技术领域。

背景技术：

数字化变频器的发展是世界经济高速发展的产物。其发展的趋势大致如下：

1、低电磁噪音、静音化：通用变频器在输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正电路APFC，而在逆变电路中采取Soft-PWM控制技术等，以改善输入电流波形、降低电网谐波，在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC国际标准，实现所谓的清洁电能的变换。如三菱公司的柔性PWM控制技术，实现了更低噪音运行。

2、专用化：数字化变频器为更好地发挥变频调速控制技术的独特功能，并尽可能满足现场控制的需要，派生了许多专用机型如风机水泵空调专用型、起重机专用型、恒压供水专用型、交流电梯专用型、纺织机械专用型、机械主轴传动专用型、电源再生专用型、中频驱动专用型、机车牵引专用型、单相变频器等。

3、系统化：数字化变频器除了发展单机的数字化、智能化、多功能化外，还向集成化、系统化方向发展。如西门子公司提出的集通讯、设计和数据管理三者于一体的“全集成自动化“（TIA）平台概念，可以使变频器、伺服装置、控制器及通讯装置等集成配置，甚至自动化和驱动系统、通讯和数据管理系统都可以像驱动装置通常嵌入“全集成自动化”系统那样进行，目的是为用户提供最佳的系统功能。

4、网络化：数字化变频器可提供多种兼容的通信接口，支持多种不同的通信协议，内装RS485接口，可由个人计算机向通用变频器输入运行命令和设定功能码数据等，通过选件可与现场总线：Profibus-DP、 Interbus-S 、 Device Net 、 Modbus Plus、CC-Link、LONWORKS、Ethernet、CAN Open、T-LINK等通讯。如西门子、VACON、富士、日立、三菱、台安等品牌的通用变频器，均可通过各自可提供的选件支持上述几种或全部类型的现场总线。

5、操作傻瓜化：数字化变频器机内固化的“调试指南”会引导你一步一步地填入调试表格，无需记住任何参数，充分体现了易操作性。如西门子公司的新一代MICROMASTER420/440因采用了一种称为“易于使用”的成功概念，使得在连接技术、安装和调试方面的操作变得非常简单。

6、参数趋势图形：数字化变频器的参数趋势图可适时地显示各信号的现时运行状态，用户在调试过程中，可随时监控和记录运行参数。如西门子公司的新一代MICROMASTER420/440的高级操作板AOP，变频器的参数可上装或下装，通过现场总线的USS连接调试和控制多达31台变频器驱动装置。AOP可以存储10组数据。存储在AOP中的各组数据可以直接装入其它的MICROMASTER420/440，或者通过USS装入。

7、内置式应用软件：数字化变频器可以内置多种应用软件，有的品牌可提供多达130余种的应用软件，以满足现场过程控制的需要，如：PID控制软件、张力控制软件、速度级链、速度跟随、电流平衡、变频器功能设置软件、通讯软件等。变频器功能设置软件可以在WINDOWS95/98环境下设置变频器的功能及数据通讯。

8、参数自调整：用户只要设定数据组编码，而不必逐项设置，通用变频器会将运行参数自动调整到最佳状态（矢量型变频器可对电机参数进行自整定）。

而数字化变频器控制电路的设计，是数字化变频器的重要组成部分之一。

技术实现要素：

本实用新型提供一种数字化变频器控制电路，以TMS320F2808为控制核心，由DSP最小系统、PWM电平转换电路、SCI串行通讯电路、CAN总线通讯电路、转速信号处理电路、输入\输出电路组成。具备结构简单、成本低、控制效果良好的优点。

本实用新型采取的技术方案为：

一种数字化变频器控制电路，包括DSP模块， DSP模块分别连接DSP最小系统、PWM电平转换电路、SCI串行通讯电路、CAN总线通讯电路、转速信号处理电路、输入电路、输出电路；

所述DSP模块采用TMS320F2808；

所述DSP最小系统由外部晶振、供电电源、JTAG下载口、滤波电路组成；

所述PWM电平转换电路包括电平转换芯片74LVX4245，DSP模块通过PWM电平转换电路连接光耦TLP559，PWM电平转换电路用于将3.3V转到5V；

所述转速信号处理电路包括光耦6N137、信号处理单元，光电编码器通过信号处理单元连接光耦6N137；光电编码器发出的信号经过信号处理单元和光耦6N137隔离后得到Encoder_A、Encoder_B两路正交脉冲信号，再将两路信号分别输入DSP模块的EQEPA、EQEPB口进行脉冲计数以计算转速值。

所述输入电路包括光耦TLP521、发光二极管LED，发光二极管LED连接光耦TLP521输入侧，光耦TLP521输出侧连接DSP模块；

所述输出电路包括:反相器TC74HC07AF、光耦TLP521、高电压大电流八达林顿晶体管陈列ULN2804、继电器；反相器TC74HC07AF连接光耦TLP521输入侧，光耦TLP521输出侧连接高电压大电流八达林顿晶体管陈列ULN2804，高电压大电流八达林顿晶体管陈列ULN2804连接继电器。

该电路还包括直流稳压电源，主电路的U、V相线电压作为电源电路的输入，采用线性变压器降低电压等级后输出，输出的低电压等级的交流电再经过全桥不可控整流、三端稳压芯片稳压、电容滤波后得到所需的直流电压。

所述SCI串行通讯电路包括MAX485芯片、光耦HCPL-M611、匹配电阻，所述MAX485芯片、光耦HCPL-M611、匹配电阻均连接DSP模块。

所述CAN总线通讯电路包括CAN总线通讯模块CTM1050T，CAN总线通讯模块CTM1050T连接DSP模块。

本实用新型一种数字化变频器控制电路，以TMS320F2808为控制核心，由DSP最小系统、PWM电平转换电路、SCI串行通讯电路、CAN总线通讯电路、转速信号处理电路、输入\输出电路组成。具备结构简单、成本低、控制效果良好的优点。

附图说明

图1为本实用新型的数字化变频器主电路图。

图2为本实用新型的数字化变频器控制电路示意图。

图3为本实用新型的DSP最小系统电路图。

图4为本实用新型的PWM电平转换电路图。

图5为本实用新型的SCI串行通讯电路图。

图6为本实用新型的CAN总线通讯电路图。

图7为本实用新型的转速信号处理电路图。

图8为本实用新型的输入电路图。

图9为本实用新型的输出电路图。

图10为本实用新型的直流稳压电源电路图。

具体实施方式

如图1所示，一种数字化变频器主电路，包括三相整流桥模块、中间滤波模块、逆变电路模块，三相整流桥模块连接中间滤波模块，中间滤波模块连接逆变电路模块。通过三相整流桥模块完成对三相市电的整流，以获得脉动的直流电压。然后经过中间滤波模块的滤波，去除谐波成份，使母线电压值更为平稳。在该主电路中还加入了1μF/1200VDC的无感吸收电容C3用于吸收高频尖峰电压、电流。逆变电路模块通过控制IGBT的通断，输出所需要的交变脉冲电压。本实用新型选用了MDS50A/1600V三相整流桥模块，其主要参数是：耐压1600V，额定电流50A。本实用新型的逆变电路模块的设计中，采用了富士公司的7单元IPM模块7MBP75RA120，它的内部集成了7个IGBT、驱动电路、保护模块以及制动电路。能够承受1200V的电压，可通过电流最大值为75A，足以满足设计需求。

如图2所示，一种数字化变频器控制电路，包括DSP模块， DSP模块分别连接DSP最小系统、PWM电平转换电路、SCI串行通讯电路、CAN总线通讯电路、转速信号处理电路、输入电路、输出电路。

DSP模块：本实用新型采用的控制核心芯片是TI公司的数字信号控制器TMS320F2808。该芯片完成了所有的控制算法，速度采样和计算，输出SVPWM波，以及电流采样、电压采样和过流、过压、欠压保护等功能。TMS320F2808与常用的TMS320F2812等DSP芯片相比，具有以下特点：

①：价格适中，性价比高；

②：100MHZ的工作频率，满足大多数电力电子装置的控制需求；

③：支持C语言编程，编程方便，代码效率高；

④：有很多增强型的功能模块，方便程序的编写和功能的实现；

⑤：A/D采样精度高（12位）。

如图3所示，DSP最小系统由外部晶振、供电电源、JTAG下载口和一些滤波电路组成。外部晶振选用有源20MHz晶振，其供电电压为3.3V。对于TMS320F2808芯片来说，它要求I/O电压为3.3V，内核电压为1.8V。为了方便设计，这里选用了TI公司所配套的电源芯片TPS767D318，芯片的输入5V直流电压，经过芯片处理后，输出3.3V和1.8V两路直流电压。对于整个控制电路，采用磁珠将数字电压与模拟电压隔离、模拟地与数字地隔离，并选择合适的电容对各路电源进行滤波处理。另外本系统中采用的X5043芯片，它的供电电压为3.3V，带有电源电压监控和EEPROM功能，当电源电压低于3.3V时，该芯片会产生复位信号来让系统复位，同时作为EEPROM可以保存部分控制参数。

如图4所示为PWM电平转换电路。选用的高速光耦TLP559的信号输入端，是按照5V的电压设计的，而DSP模块输出的PWM波电压幅值是3.3V，所以需要用到电平转换芯片74LVX4245来实现电平转换。该芯片可以通过对DIR管脚电平的配置来改变电压转换的方向，这里是要将3.3V转到5V，由B口转向A口输出，所以根据芯片资料，可知DIR需要接低电平。

如图5所示为SCI串行通讯电路，本实用新型采用了基于dsPIC30F4011的上位机与变频器主机通讯，以实现从上位机往变频器下发参数和指令，并可读变频器当前状态的目的。通讯的硬件部分采用MAX485芯片，软件上遵循Modbus_RTU协议。为了避免由通讯引入的干扰，需要在DSP侧加入HCPL-M611光耦进行隔离。为了抑制通讯中的回波干扰，加入了匹配电阻。

如图6所示为CAN总线通讯电路，为了便于后期的扩展，本实用新型还预留了一个CAN总线通讯接口，硬件电路采用CAN总线通讯模块CTM1050T实现。

如图7所示为转速信号处理电路，因为光电编码器发出的信号多为差分信号，所以需要经过信号处理和光耦隔离后才能得到Encoder_A、Encoder_B两路正交脉冲信号，再将两路信号分别输入DSP的EQEPA、EQEPB口进行脉冲计数以计算转速值。电机转向可以通过DSP中的增强型QEP模块进行判断。Encoder_Z为零位信号，可以用来在DSP中对脉冲计数值进行清零，防止计数值溢出。

如图8、9所示为输入电路、输出电路。所述输入电路包括光耦TLP521、发光二极管LED，发光二极管LED连接光耦TLP521输入侧，光耦TLP521输出侧连接DSP模块。所述输出电路包括:反相器TC74HC07AF、光耦TLP521、高电压大电流八达林顿晶体管陈列ULN2804、继电器；反相器TC74HC07AF连接光耦TLP521输入侧，光耦TLP521输出侧连接高电压大电流八达林顿晶体管陈列ULN2804，高电压大电流八达林顿晶体管陈列ULN2804连接继电器。

对于一套完整的变频器装置来说，输入、输出口是必不可少的。从实际使用角度考虑，有时需要通过外部给定某一电平信号来切换变频器的某些状态，但是外部给定的电平信号多带有外部干扰，不能直接连接到控制芯片的通用I/O口，需要做相应的隔离和处理。而变频器的内部信号因此也不能直接与外界相连，也需要进行隔离和处理后才能输出。如图9中用到的芯片起到的是反向器的功能，可以将高、低电平反向转变。图9中的输出有的是直接有源输出，这样安排一方面可以方便以后扩展用，另一方面在软件调试中可以通过相应的I/O口电平的变化来起到指示作用；而有的是通过继电器输出，即无源输出，主要用于外部的风扇和软充电控制，在这里使用继电器可以起到强弱电隔离的作用。

如图10所述为直流稳压电源电路，对于变频器来讲，他能长时间正常工作的前提就是有一个可靠的直流稳压电源。通常的电源解决方案有三种：1、可控硅电源；2、开关电源；3、线性电源。考虑到线性电源精度好、易于维修等特点。本系统采用线性电源作为整个装置的直流电源。直流稳压电源的设计方法如图10所示。主电路的U、V相线电压作为电源电路的输入，采用线性变压器降低电压等级后输出，输出的低电压等级的交流电再经过全桥不可控整流、三端稳压芯片稳压、电容滤波后得到所需的直流电压。