一种网络变频器软硬件设计与实现

　　1 引言

随着现代控制理论、电力电子技术、计算机控制技术和传感器技术的发展，整个拖动领域正在进行一场革命，交流电机的调速理论取得了突破性的进展，交流传动取代直流传动已成为不可逆转的趋势。变频器的英文译名是VFD（Variable-frequency Drive），这可能是现代科技由中文反向译为英文的为数不多实例之一。（但VFD也可解释为Vacuum fluorescent display，真空荧光管，故这种译法并不常用）。变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。变频器在中、韩等亚洲地区受日本厂商影响而曾被称作VVVF（Variable Voltage Variable Frequency Inverter）。是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。

　　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。变频器的电流流入改善功率因数用的电容器，由于其充电电流造成变频器过电流（OCT），所以不能起动，作为对策，请将电容器拆除后运转，甚至改善功率因数，在变频器的输入侧接入AC电抗器是有效的。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

PM20CSJ060内部集成6个IGBT、栅极驱动电路、欠电压、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为三相交流电压输出端；VUP1~VUPC, VVP1~VVPC, VWP1~VWPC, VN1~VNC是4组独立的驱动电源，前3组分别供给U, V, W 3个上桥臂元件，第4组电源供给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，模块也会通过自保护电路封锁基极驱动信号，从而将自己保护起来。

　　2.2 控制电路设计

变频器控制电路以ARM单片机LPC2292为控制，主要由电源电路、交流电压电流检测电路、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。使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均200V/60Hz（50Hz）或100V/60Hz（50Hz），等等。通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC）。把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter”（逆变器）。由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”，故该产品本身就被命名为“inverter”，即：变频器，变频器也可用于家电产品。使用变频器的家电产品中不仅有电机（例如空调等），还有荧光灯等产品。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。汽车上使用的由电池（直流电）产生交流电的设备也以“inverter”的名称进行出售。变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。例如计算机电源的供电，在该项应用中，变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。

　　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的电源我们是通过4个三端稳压器LM7815来实现的；而+1.8V和+3.3V电源则利用三端稳压器LM7805和LDO芯片（低压差电源芯片）共同来实现。

　　2、交流电流电压检测电路

交流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。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0~40A，输出电流范围为0~20mA，而单片机的采样电压范围为0~3V，所以取反馈电阻Rf1=150Ω。

　　3、直流电压检测电路

直流电压检测是通过取滤波电容两端电压，经过电阻分压后转换成0~5V电压信号，然后经过线性光电耦合器6N138整定为0~3V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。

　　5、PWM脉冲输出电路

驱动IPM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

虽然PM20CSJ060有过流、欠压、短路或过热等自保护功能，但为了提高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能力有限，而电网的电压波动非常大，从而会导致直流回路过压或欠压，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，6N138为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较，小于则经比较器LM393比较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较，大于则经比较器LM393比较后也输出低电平的过压故障信号。

　　2、限流起动保护电路

此电路是用来防止在电机起动过程中，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，结束限流起动过程，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，反馈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。如果不对此电压进行限制，它将造成IGBT的损坏。产生泵升电压是电机制动过程不可避免的现象。

　　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）两大部分构成，目前常见的以太网接口芯片，如RTL8019, RTL8029, RTL8039, CS8900等，其内部结构也主要包含这两部分。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，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。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。那么也就是说，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。？LPC2292采用PHILIPS LPC2292微处理器，可实现高达60MHz工作频率，片内晶体振荡器和片内PLL。LPC2292是一款基于16/32位ARM7TDMI-S，并支持实时仿真和跟踪的CPU，并带有256 k字节（kB）嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。 LPC2292采用144脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、2路CAN通道、PWM输出以及多达9个的外部中断，这款微控制器特别适合自动化、工业控制、汽车、医疗系统、访问控制和故障容限维护总线等应用领域。其内部可用GPIOs范围为76脚（外部存储区）到112脚（单片）。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。

4 基于μC/OS-II的系统整体软件的设计

μC/OS-II是一个占先式、多任务的实时操作系统，它可以管理64个任务，除8个系统任务外，应用程序多可以有56个任务。若采用μC/OS-II来实现某系统的软件设计，通常是把这整个系统分成若干个部分来完成，每个部分可以当成一个单独任务，然后在μC/OS-II的统一管理下来协调各部分的工作，从而达到整个系统的软件设计要求。

在一般32位ARM应用系统中，软件大多数采用C语言进行编程，并且以嵌入式操作系统为开发平台，这样就大大地提高了开发效率和软件性能。为了能够进行系统初始化，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、地址重映射等操作。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语言程序提供基本运行环境。

本文设计的变频器，其控制是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、交流侧电压电流等，并进行相应的算法处理。（4）侦听服务（Task4）：侦听服务端口，当客户端要求连接时，提供给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；或者客户端PING本地WEB服务器时，做出回显应答。（5） 故障处理（Task5）：当有故障发生时，根据故障类型进行相应的处理。（6） LCD显示（Task6）：显示一些系统参数。

为此，把LPC2292要实现的功能分成6个部分，每个部分用μC/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。