河南科技大學學報（自然科學版）基于TMS320LF2407的小型變頻器設計田豐1，3，彭曉南2（1.河南科技大學電子信息工程學院，河南洛陽471003；2.河南科技大學機電工程學院，河南洛陽471003；3.中國農業銀行洛陽分行，河南洛陽471000）該變頻器硬件部分由主電路、操作面板和輔助開關電源等部分組成；軟件部分用于實現控制功能，能夠實現：PWM信號的產生、模擬信號的采集與處理、故障處理、人機界面通訊和參數設定的處理以及運行模式的選擇。

　　該變頻器具有體積小，結構簡單，控制靈活的特點，可以滿足對調速要求高的場合。

　　刖言隨著電力電子技術和微機控制技術的迅速發展，交流變頻調速系統的性能指標己完全可以與直流調速相媲美，交流調速正在逐步取代直流調速。

　　目前，作為變頻調速系統核心部件的變頻器有兩個研究熱點：一是將變頻器的功率做的更大，滿足超大功率場合調速拖動的需求；二是將功率做到更小，滿足小功率、超小功率場合的需求。向大功率方向擴展所要解決的主要難題是提高可靠性和穩定性，向超小功率方向擴展要解決的主要難題是提高性價比。而計算機技術和專用控制芯片的發展，使得提高小功率變頻器的性價比成為可能。小功率特別是超小功率變頻器的應用對象遍布各行各業，例如在各種小型變頻家用電器、小型的紡織生產線、輸送帶、壓縮機、磨粉機、攪拌器、送風機、測試臺以及風洞等方面均有應用，一旦推廣，必將產生可觀的經濟效益和社會效率。

　　由于先前的變頻器大多采用單片機作為控制核心，而單片機存在著運算速度慢、不易實現復雜控制算法、外圍電路復雜等缺點，隨著調速要求的提高，基于單片機控制的變頻器，己不能滿足實際需要，而數字信號處理器則具有運行頻率更高且集成許多外圍控制電路等特點，非常適合進行電機控制。

　　本研究擬采用變頻器交-直-交電壓型逆變電路的電機控制專用高速數字信號處理器（DSP）TMS320LF24074和擁有強大的運算功能，可以高效完成電機實時控制算法7，進行小型變頻的設計，從而降低成本。

　　TMS320LF2407的特點與變頻器系統的組成設計的小功率變頻器系統采用TI公司的TMS320LF2407處理器作為核心控制芯片，利用它豐富的外圍電路，強大的功能來實現所有的工作、控制和相應的保護功能，該芯片主要有以下特點：采用高性能靜態CMOS技術，使得供電電壓降到3.3V，減少了控制器的功耗；40MIPS的執行速度使指令周期縮短到25ns，從而提高了控制器的實時控制能力和響應速度。

　　片內有高達32K字16位的Flash程序存儲器，高達2.5K字16位的數據/程序RAM，544字的雙端口RAM，2K字的單口兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個模塊包括：2個16位的通用定時器，8個16位的脈寬調制（PWM）通道。它們能夠實現三相反相器控制，PWM的對稱和非對稱波形，當外部引腳PDPINTx出現合理論。

　　低電平時，DSP快速關斷PWM輸出，可編程的PWM死區控制可以防止上下橋臂同時導通；3個捕獲單元，片內光電編碼器接口，16通道A/D轉換器。事件管理模塊適合控制交流感應電機、無刷直流電機、開關磁阻電機、步進電機、多極電機和逆變器。

　　可擴展的外部存儲器，共有192K字空間，方便了程序的調試。

　　看門狗定時器模塊（WDT），監測系統的運行狀態，提高了系統的可靠性。

　　5個外部中斷（兩個功率驅動保護、復位和兩個可屏蔽的中斷），當檢測到直流母線上出現過流時，通過PDPINT使TMS320LF2407通過內部硬件自動封鎖六路PWM輸出，同時申請中斷對故障作進一步的處理。

　　電源管理包括有3種低功耗模式，能獨立將外設器件轉入低功耗工作模式，減少系統的功耗。

　　10位A/D轉換器的比較小轉換時間為500ns，大大提高了A/D的采樣和轉換速度|91.可以用來檢測變頻器輸出的電壓和電流及其它相關信號，顯示在控制面板上。當輸出電壓和電流出現異常時，經快速采樣和轉換后，調用相應的處理程序，做進一步的處理，調整變頻器的輸出。由于采用了高速DSP芯片和快速A/D，縮短了DSP響應和處理保護電路信號的時間，避免造成更大的損失。

　　其中，事件管理模塊是實現變頻調速的關鍵，也是該變頻器設計的重要特點。利用該芯片的事件管理模塊，可以十分方便地輸出調速所需的變頻、變壓的同步PWM波形，作為三相逆變器的驅動信號，逆變器的輸出驅動三相感應電機，構成了比較簡便的變頻調速系統。利用芯片的功率驅動保護中斷，可以構成相應的保護電路。當輸入電壓過高，三相逆變器輸出電流過大，TMS320LF2407會立即關閉PWM波形輸出，可以保護功率器件。該變頻器輸入為常用的50Hz、220V交流，故特別適用于小功率及超小功率調速場合。變頻器的控制面板采用專用的鍵盤和顯示芯片HD7279101.為降低成本，輔助開關電源部分采用價格低、性能良好、外圍元件少的UC32|n|.變頻器的原理框圖如所示。

　　頻器的控制核心。它能夠輸出具有可編程死區控制的PWM波形，PWM波形的死區是為了避免同一橋臂的上下功率管同時導通造成短出三對互補的PWM信號經光電隔離后，輸入到IGBT的驅動電路，然后驅動帶有續流二極管的六單元IGBT模塊，根據不同占空比的PWM波形，可以輸出具有變頻、變壓的三相交流輸出，直接驅動三相小功率交流感應電機。

　　2主電路部分是主電路框圖，主要組成模塊如下：整流電路。采用單相的220AC作為輸入電源，整流電路采用單相全波整流橋。由可知，輸入的220VAC經過整流濾波后可得到光滑的高壓直流，該直流作為三相逆變器的輸入電壓。

　　過電壓、過電流檢測單元。檢查整流濾波電容兩端的電壓及其直流回路的電流，信號經過轉換后連接到DSP芯片功率驅動保護管腳。當過電壓、過電流等發生時，TMS320LF2407能夠將PWM輸出引腳置為高阻態，使逆變器停止工作，從而提供相應的安全保護，避免造成更大的損失，同時申請中斷對故障作進一步的處理。

　　光電隔離和功率驅動電路。由于信號是高速變化的，光電隔離采用6N137快速光耦，以滿足系統的訴。功翻動：芯片采用三件0它的輸出信號可直接驅動鐠模塊小功率變頻器原理框圖流二極管的六單元IGBT模塊組成，把整流橋整流后的直流電，再逆變成頻率、幅值都可調的交流電，這是變頻器實現變VAC頻的執行環節，也是變頻器的核心。

　　與檢測模塊。逆變器輸出的電壓和電流經TMS320LF2407采樣和轉換后，可以實時顯示在控制面板上。同時，當逆變器工作不正常，輸出電壓和電流異常時，TMS320LF2407也可以調用相關子程序，控制逆變器的運行。

　　3操作面板部分該小功率變頻器提供了簡單易操作的控制面板，具有良好的人機界面。面板上有豐富的按鍵和顯示模塊，通過面板能夠對變頻器的啟動和停止進行控制，能夠在線設置變頻器運行模式，交互式設定參數，并能夠顯示各種錯誤代碼，方便維護操作。

　　在系統中，TMS320LF2407采用中斷方式來確認按鍵值，采用中斷能夠減少DSP對HD7279的訪問次數，減少對DSP的占用，同時使得程序運行更有效率，提高系統的實時響應能力。DSP和HD7279的連線有數據線、時鐘線、片選信號和中斷線。當有按鍵操作時，HD7279的中斷引腳產生一個低電平，DSP響應該中斷，并調用相應的中斷處理程序，判斷所按的按鍵，并根據按鍵值做進一步的操作。在該變頻器中，使用4個數碼管顯示變頻器的各種運行狀態，顯示對變頻器的各種設置。由于HD7279可以支持64個按鍵和多于8位的數碼管顯示，因此對沒有用到的按鍵和數碼管，可以不連接，不會影響到鍵盤的使用。

　　4輔助開關電源部分輔助開關電源可以輸出+5V、+5V、+15V等多路直流電壓，為DSP和系統的其他元器件供電。由于TMS320LF2407的工作電壓是3. 3V，必須在系統中加一個電源轉換芯片，這里選用TI公司的TPS7301芯片，接上適當的外圍電阻，構成電阻分壓器，就可以得到3.3V的輸出電壓。由于系統采用了光電隔離器件，為保證良好的接地，必須為系統提供兩路獨立的+5V電源。是開關電源的原理框圖。

　　在該電路中，采用單獨的220VAC作為輸入，這樣可以避免輸入電壓和主電路電流的波動，影響DSP處理器和其它元器件的正常工作。由于采用了高速實時數字信號處理器TMS320LF2407和其它靈敏的電子元器件，為提高變頻器的穩定性，對開關電源的質量提出較高的要求。為滿足系統對開關電源的需求，采用了以下措施：首先，開關電源部分采用專用的整流濾波電路，不共用主電路的整流模塊，可以減少電網電壓波動和主電路中電流的波動對開關電源的影響。其次，對開關電源的PWM脈寬調制控制器集成電路，采用價格低、性能良好、外圍元件少的UC3842，也可以降低成本。試驗證明該開關電源能夠輸出變頻器所需的穩定高質量的直流電壓，能夠使變頻器穩定的工作。

　　開關電源原理框變頻器的軟件設計變頻器的控制功能由TMS320LE2407的軟件部分來實現，包括主程序和中斷服務程序。變頻器的軟件具有以下幾個功能：PWM信號的產生、模擬信號的采集與處理、故障處理、人機界面通訊和參數設定的處理以及運行模式的選擇。

　　根據變頻器的工作原理和特點，其軟件流程圖如所示。

　　主程序對系統進行初始配置，完成初始化后，進入主循環，開始正常的工作方式。當DSP檢測到有中斷的發生時，根據中斷的類型，調用中斷子程序，可以實現參數設置、運行方式設置、報警、保護等功能。

　　6結束語本文所設計的小功率變頻器是以TI公司的TMS320LF2407的應用前景。利用該芯片的串行通訊接口模塊（SCI），還可以實集中控制。

　　本系統理論性能指標如下：輸入：單相交流輸入，電壓波動軟件流程圖+20%c，頻率范圍：50~60Hz.輸出：三相0~到電機額定電壓。輸出頻率范圍：0~ 400Hz.輸出頻率精度：0. 01%c比較高頻率。