1 引言

隨著現(xiàn)代控制理論、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，整個(gè)拖動(dòng)領(lǐng)域正在進(jìn)行一場革命，交流電機(jī)的調(diào)速理論取得了突破性的進(jìn)展，交流傳動(dòng)取代直流傳動(dòng)已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。變頻器的英文譯名是VFD（Variable-frequency Drive），這可能是現(xiàn)代科技由中文反向譯為英文的為數(shù)不多實(shí)例之一。（但VFD也可解釋為Vacuum fluorescent display，真空熒光管，故這種譯法并不常用）。變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源的頻率和幅度的方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力傳動(dòng)元件。變頻器在中、韓等亞洲地區(qū)受日本廠商影響而曾被稱作VVVF（Variable Voltage Variable Frequency Inverter）。是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實(shí)現(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)、改變功率因數(shù)、過流/過壓/過載保護(hù)等功能。

　　2 變頻器的硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 主電路設(shè)計(jì)

變頻器根據(jù)主電路的設(shè)計(jì)不同，可以分為交-交、交-直-交變頻器和電壓型、電流型變頻器，它們均有各自的特點(diǎn)。變頻器的電流流入改善功率因數(shù)用的電容器，由于其充電電流造成變頻器過電流（OCT），所以不能起動(dòng)，作為對策，請將電容器拆除后運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至改善功率因數(shù)，在變頻器的輸入側(cè)接入AC電抗器是有效的。本文設(shè)計(jì)的變頻器屬于交-直-交電壓型，它的主電路由三相全波整流、電容濾波和智能功率模塊PM20CSJ060所構(gòu)成

PM20CSJ060內(nèi)部集成6個(gè)IGBT、柵極驅(qū)動(dòng)電路、欠電壓、過流、過熱、短路等保護(hù)電路以及故障信號(hào)輸出電路。P, N分別為直流輸入正負(fù)端；U, V, W為三相交流電壓輸出端；VUP1~VUPC, VVP1~VVPC, VWP1~VWPC, VN1~VNC是4組獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源，前3組分別供給U, V, W 3個(gè)上橋臂元件，第4組電源供給3個(gè)下橋臂元件和制動(dòng)回路元件；UP, VP,WP, UN, VN, WN分別為6個(gè)IGBT的基極驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)，它們都是低電平有效的電平信號(hào)，與外部控制電路之間通過光電隔離；F0是IPM模塊內(nèi)故障檢測電路的輸出信號(hào)，當(dāng)其為低電平時(shí)，表示模塊發(fā)生了過流、短路、欠電壓或過熱中的某種故障，它只是向外部控制電路提供指示信號(hào)，即使外部控制電路不采取措施，模塊也會(huì)通過自保護(hù)電路封鎖基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而將自己保護(hù)起來。

　　2.2 控制電路設(shè)計(jì)

變頻器控制電路以ARM單片機(jī)LPC2292為控制，主要由電源電路、交流電壓電流檢測電路、直流電壓檢測電路、故障檢測與處理電路、PWM脈沖輸出電路、LCD顯示和鍵盤輸入電路等構(gòu)成。使用的交流供電電源，無論是用于家庭還是用于工廠，其電壓和頻率均200V/60Hz（50Hz）或100V/60Hz（50Hz），等等。通常，把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把電源的交流電變換為直流電（DC）。把直流電（DC）變換為交流電（AC）的裝置，其科學(xué)術(shù)語為“inverter”（逆變器）。由于變頻器設(shè)備中產(chǎn)生變化的電壓或頻率的主要裝置叫“inverter”，故該產(chǎn)品本身就被命名為“inverter”，即：變頻器，變頻器也可用于家電產(chǎn)品。使用變頻器的家電產(chǎn)品中不僅有電機(jī)（例如空調(diào)等），還有熒光燈等產(chǎn)品。用于電機(jī)控制的變頻器，既可以改變電壓，又可以改變頻率。但用于熒光燈的變頻器主要用于調(diào)節(jié)電源供電的頻率。汽車上使用的由電池（直流電）產(chǎn)生交流電的設(shè)備也以“inverter”的名稱進(jìn)行出售。變頻器的工作原理被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。例如計(jì)算機(jī)電源的供電，在該項(xiàng)應(yīng)用中，變頻器用于抑制反向電壓、頻率的波動(dòng)及電源的瞬間斷電。

　　1、電源電路

控制電路所需的電源除了4組IGBT驅(qū)動(dòng)電源+15V以外，單片機(jī)LPC2292本身也需要工作電源，其CPU內(nèi)核需要+1.8V電源；I/O端口需要+3.3V電源。因此控制電路需要3種電壓的電源。4組+15V的電源我們是通過4個(gè)三端穩(wěn)壓器LM7815來實(shí)現(xiàn)的；而+1.8V和+3.3V電源則利用三端穩(wěn)壓器LM7805和LDO芯片（低壓差電源芯片）共同來實(shí)現(xiàn)。

　　2、交流電流電壓檢測電路

交流側(cè)的每相電流檢測采用的是TA17系列電流互感器TA17-04，由運(yùn)算放大電路將互感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓信號(hào)，供單片機(jī)采樣。所示的是其中A相的電流檢測電路。TA17-04的輸入電流范圍為0~40A，輸出電流范圍為0~20mA，而單片機(jī)的采樣電壓范圍為0~3V，所以取反饋電阻Rf1=150Ω。

　　3、直流電壓檢測電路

直流電壓檢測是通過取濾波電容兩端電壓，經(jīng)過電阻分壓后轉(zhuǎn)換成0~5V電壓信號(hào)，然后經(jīng)過線性光電耦合器6N138整定為0~3V的電壓信號(hào)，通過電壓跟隨器輸出供單片機(jī)A/D通道采樣。

　　4、故障檢測與處理電路

PM20CSJ060有自保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)過流、欠壓、短路或過熱時(shí)，IMP的柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷電流并輸出一個(gè)故障信號(hào)（FO）；當(dāng)U, V或W相的任一個(gè)上橋臂出現(xiàn)故障時(shí)，也會(huì)從相應(yīng)的輸出端輸出故障信號(hào)，另外系統(tǒng)增加的過壓/欠壓保護(hù)電路也有兩個(gè)故障輸出端。

　　5、PWM脈沖輸出電路

驅(qū)動(dòng)IPM內(nèi)部的六路IGBT的PWM脈沖先是從LPC2292內(nèi)部PWM脈寬調(diào)制器輸出的，然后通過光耦隔離后再送到IMP的六路脈沖輸入端。

　　2.3 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

雖然PM20CSJ060有過流、欠壓、短路或過熱等自保護(hù)功能，但為了提高系統(tǒng)的可靠性和更好地保護(hù)IGBT,我們還是增加了一套快速而準(zhǔn)確的保護(hù)環(huán)節(jié)以防止各種故障的發(fā)生對系統(tǒng)造成的損壞。

　　1、欠壓/過壓保護(hù)電路

由于IGBT集電極與發(fā)射極之間的耐壓和承受反向壓降的能力有限，而電網(wǎng)的電壓波動(dòng)非常大，從而會(huì)導(dǎo)致直流回路過壓或欠壓，因此要設(shè)置直流電壓欠壓/過壓保護(hù)電路，以保護(hù)IGBT和其他元件不被損壞。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的欠壓/過壓保護(hù)電路，6N138為一個(gè)線性光電隔離器，輸出電壓信號(hào)與直流回路電壓成正比，當(dāng)直流回路電壓過低時(shí)，從6N138的VO端輸出一個(gè)較低電壓，與臨界欠電壓值相比較，小于則經(jīng)比較器LM393比較后輸出低電平的欠壓故障信號(hào)；當(dāng)直流回路電壓過高時(shí)，從6N138的VO端輸出一個(gè)較高電壓，與臨界過電壓值相比較，大于則經(jīng)比較器LM393比較后也輸出低電平的過壓故障信號(hào)。

　　2、限流起動(dòng)保護(hù)電路

此電路是用來防止在電機(jī)起動(dòng)過程中，電容充電電流過大而損壞整流管。當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流很大，為了保護(hù)整流管，在主電路上串了一個(gè)限流電阻R1,定時(shí)15s后，單片機(jī)就控制繼電器將常開觸點(diǎn)閉合，使限流電阻R1短路，結(jié)束限流起動(dòng)過程，進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。

　　3、泵升電壓保護(hù)電路

當(dāng)電機(jī)負(fù)載進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，反饋電流將向中間直流回路電容充電，導(dǎo)致直流電壓上升，產(chǎn)生所謂的泵升電壓。如果不對此電壓進(jìn)行限制，它將造成IGBT的損壞。產(chǎn)生泵升電壓是電機(jī)制動(dòng)過程不可避免的現(xiàn)象。

　　3 變頻器以太網(wǎng)接口電路的硬件設(shè)計(jì)

從硬件的角度看，以太網(wǎng)接口電路主要由MAC控制器和物理層接口（PHY）兩大部分構(gòu)成，目前常見的以太網(wǎng)接口芯片，如RTL8019, RTL8029, RTL8039, CS8900等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也主要包含這兩部分。本文在設(shè)計(jì)以太網(wǎng)接口電路時(shí)，采用RTL8019AS作為以太網(wǎng)接口芯片，接口電路的電路圖，其中FC-518LS是網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器。

前面講過變頻器控制電路的設(shè)計(jì)，其中實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)控制功能的是微處理器LPC2292。可以看到，實(shí)現(xiàn)此變頻器的以太網(wǎng)接口功能，采用的微處理器仍然是LPC2292。那么也就是說，LPC2292除了實(shí)現(xiàn)SVPWM波形的產(chǎn)生以外，還要負(fù)責(zé)與外界網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換。？LPC2292采用PHILIPS LPC2292微處理器，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60MHz工作頻率，片內(nèi)晶體振蕩器和片內(nèi)PLL。LPC2292是一款基于16/32位ARM7TDMI-S，并支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的CPU，并帶有256 k字節(jié)（kB）嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。 LPC2292采用144腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、8路10位ADC、2路CAN通道、PWM輸出以及多達(dá)9個(gè)的外部中斷，這款微控制器特別適合自動(dòng)化、工業(yè)控制、汽車、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制和故障容限維護(hù)總線等應(yīng)用領(lǐng)域。其內(nèi)部可用GPIOs范圍為76腳（外部存儲(chǔ)區(qū)）到112腳（單片）。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟件調(diào)制解調(diào)器以及其它各種類型的應(yīng)用。

4 基于μC/OS-II的系統(tǒng)整體軟件的設(shè)計(jì)

μC/OS-II是一個(gè)占先式、多任務(wù)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它可以管理64個(gè)任務(wù)，除8個(gè)系統(tǒng)任務(wù)外，應(yīng)用程序多可以有56個(gè)任務(wù)。若采用μC/OS-II來實(shí)現(xiàn)某系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，通常是把這整個(gè)系統(tǒng)分成若干個(gè)部分來完成，每個(gè)部分可以當(dāng)成一個(gè)單獨(dú)任務(wù)，然后在μC/OS-II的統(tǒng)一管理下來協(xié)調(diào)各部分的工作，從而達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)要求。

在一般32位ARM應(yīng)用系統(tǒng)中，軟件大多數(shù)采用C語言進(jìn)行編程，并且以嵌入式操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺(tái)，這樣就大大地提高了開發(fā)效率和軟件性能。為了能夠進(jìn)行系統(tǒng)初始化，采用一個(gè)匯編文件作啟動(dòng)代碼是常用的做法，它可以實(shí)現(xiàn)堆棧初始化、系統(tǒng)變量初始化、中斷系統(tǒng)初始化、I/O初始化、地址重映射等操作。啟動(dòng)代碼是芯片復(fù)位后進(jìn)入C語言的main（）函數(shù)前執(zhí)行的一段代碼，主要是為運(yùn)行C語言程序提供基本運(yùn)行環(huán)境。

本文設(shè)計(jì)的變頻器，其控制是ARM單片機(jī)LPC2292，根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，它主要完成以下工作：（1） 鍵盤設(shè)定（Task1）：通過鍵盤可以設(shè)定一些參數(shù)，如電機(jī)工作頻率、系統(tǒng)時(shí)間等。（2） 脈沖產(chǎn)生（Task2）：生成SVPWM波形，驅(qū)動(dòng)IGBT。（3） 數(shù)據(jù)采樣與處理（Task3）：采樣變頻器直流側(cè)電壓電流、交流側(cè)電壓電流等，并進(jìn)行相應(yīng)的算法處理。（4）偵聽服務(wù)（Task4）：偵聽服務(wù)端口，當(dāng)客戶端要求連接時(shí)，提供給客戶端預(yù)先設(shè)計(jì)好的網(wǎng)頁，此網(wǎng)頁中含有本系統(tǒng)的一些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；或者客戶端PING本地WEB服務(wù)器時(shí)，做出回顯應(yīng)答。（5） 故障處理（Task5）：當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，根據(jù)故障類型進(jìn)行相應(yīng)的處理。（6） LCD顯示（Task6）：顯示一些系統(tǒng)參數(shù)。

為此，把LPC2292要實(shí)現(xiàn)的功能分成6個(gè)部分，每個(gè)部分用μC/OS-II中的一個(gè)任務(wù)來實(shí)現(xiàn)，這六個(gè)任務(wù)分別為Task1、Task2, Task3, Task4, Tasks, Task6。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)： 本文采用嵌入式系統(tǒng)來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)變頻器，使得變頻器可靠性高、性能強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好，將以太網(wǎng)接口集成于變頻器中，使得基于Web的變頻器的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視變得簡單易行。