S120硬件結構及工作原理分析

1、 S120硬件結構及工作原理分析變頻器分類根據(jù)變流環(huán)節(jié)不同分為：交-直-交變頻器先將頻率固定的交流電“整流”成直流電，再把直流電“逆變”成頻率任意可調(diào)的三相交流電。交-交變頻器把頻率固定的交流電直接轉(zhuǎn)換成頻率任意可調(diào)的交流電。變頻器按其供電電壓分為：低壓變頻器(110V220V380V)、中壓變頻器(500V660V1140V)和高壓變頻器(3KV3.3KV6KV6.6KV10KV)。根據(jù)直流電路的儲能環(huán)節(jié)(濾波方式)分為：電壓型變頻器其儲能元件為電容器。中、小容量變頻器以電壓型變頻器為主。電流型變頻器其儲能元件為電感線圈變頻器按其功能分為：恒轉(zhuǎn)矩(恒功率)通用型變頻器、平方轉(zhuǎn)矩風機水泵節(jié)能型

2、變頻器、簡易型變頻器、迷你型變頻調(diào)速器、通用型變頻器、紡織專用型變頻器、高頻電主軸變頻器、電梯專用變頻器、直流輸入型礦山電力機車用變頻器、防爆變頻器等。最常用的為交直交電壓型變頻器變頻器的工作原理變頻器硬件組成電源模塊，電機模塊，控制單元一CU320,(采樣部分，驅(qū)動部分)外圍設備(制動單元，接口模塊-通訊板，編碼器)S120配置示意圖奧型配晝圖或5了SirriolkinC.DT酸有Starter（或SCOUT#ISimaticManager我件的PC札24VDC何祐曙桂塊1=1minIII1IIIIIIIIIIIIIIillilT電抗器-說叭1：丄控和橫塊CU32D2:也源模塊5LMALM3

3、:單軸電機鍥換斗發(fā)軸電機模疑:電涌線:Drive-CLiO:漏餌器反鍛信號線 #不帶繽帶有DrM帶有標建CUQtic的0靄建口的電機電機電機 控制單元CU320接口圖4xDrive-CLiQ.連欝:電源模塊電肌犍決端于摸塊測盤系統(tǒng)+24V電閒輸入I二極|1iJIII1叫!IfPrafibd-DP按口J*lrwJdiHrfj,CF卡插槽竝孑豈輸&輸出-3DI-8DUDQ，其中&個溝快過輸人ProfibuDP丸中設定CU320接線圖1個逶件托柩-端子扳遽訊板R52B2f&n Ext24VX1C3+24VMMX1241PROFI&US #選件板-rkoi1-fLdi2Ttyf013l-MiIzr十D

4、LWeDI/D0&1)FDI/DO1C1-TDID0111、十ControlUnit320 f-3)X132DI4DI5DI6I7“用作快速輻入?yún)急仨氂闷寥诰€2冷戡斷開徽字呈隔離3)-輸入嚇出可以通過參數(shù)來設定MOI/DO12DI/DO131)MDI/DOUnj-DI/DO151)MXU0串口通訊板實物圖 匚ProfiNet砧L3OS-0M00-2EBQGJ爺Ornfinetifi訊接訂樞直接掃人匚舊起儒猗中(2)4RJ45nA4相曲的瑞口幵羌啟)支捋RJMRI的Profinel電機模塊的接線圖電機軸上安裝的編碼器轉(zhuǎn)換模塊 SME20/SME25(蝦部左續(xù)的歸可as轉(zhuǎn)蟆畏塊)外矗SFC3O55

5、-QM0O-5EAO6FC3055-a/UKh5HAa功龍將外樓的1邯口匚加或EnDHtWl瑕烷碼此信號轉(zhuǎn)棧拘DriyeLiQ信號(1)通過Drive7DataSSI數(shù)瞞正Sata*2：sii豹幣負2）K531匿只有訂費號為:6SL3H5541AAD5CA1才為諛信號-尺用于軟竹瞬豐舊.4戒更鬲變頻器工作原理系統(tǒng)通過以鍵盤智能控制芯片HD7279A為核心的鍵盤輸入系統(tǒng)運行所需參數(shù)（頻率也可以通過模擬給定）,再通過DSP實時計算出脈寬，最終將PWM信號通過外圍驅(qū)動電路，轉(zhuǎn)化成能驅(qū)動功率模塊IPM的信號,控制逆變器的輸出。同時DSP通過采樣電路對系統(tǒng)實時采樣，一方面監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)，供LED顯示，

6、另一方面還實時檢測系統(tǒng)故障，以便能及時地加以保護并診斷故障原因。變頻器的結構原理圖逆變電路原理圖酣mI若閉建受屯腳原理圖硬件電路的結構本文研究開發(fā)的通用變頻器采用交一直一交電壓源型主電路結構形式，控制芯片是以TI公司的MS320LF2407ADSP為控制核心，硬件電路分為:主電路部分、控制電路部分、采樣檢測及保護電路部分。系統(tǒng)結構框圖如圖4一1所示9:TMS320LF2407A簡介及資源配置（概括說，TMS320LF2407A是TI公司推出的一款定點DSP控制器，它采用了高性能靜態(tài)CMOS技術，使得供電電壓降為3.3V，減小了控制器的功耗；40MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到25ns（40

7、MHz），從而提高了控制器的實時控制能力；集成了32K字的閃存（可加密）、2.5K的RAM、500ns轉(zhuǎn)換時間的A/D轉(zhuǎn)換器，片上事件管理器提供了可以滿足各種電機的PWM接口和I/O功能，此外還提供了適用于工業(yè)控制領域的一些特殊功能，如看門狗電路、SPI、SCI和CAN控制器等，從而使它可廣泛應用于工業(yè)控制領域。TMS320LF2407A采用高性能靜態(tài)CMOS技術，25ns指令周期，速度為40MIPS，低電壓3.3V設計；總尋址范圍192K字,其中包括64K程序空間,64K數(shù)據(jù)空間,64KI/O空間；片內(nèi)程序空間集成32K字Flash；數(shù)據(jù)空間集成2.5K字RAM，包括544字DARAM，2K

8、字SARAM；兩個事件管理模塊EVA、EVB，分別提供兩個16bit全局計數(shù)器，8個脈沖寬度可調(diào)調(diào)制通道PWM，三個外部事件的定時采樣捕獲單元；同步的16通道高性能10bitADC，轉(zhuǎn)換速率為500ns；串行異步通信接口(SCI)、串行同步外設接口(SPI)、CAN總線2.0接口。由于TMS320LF2407A集成了多種數(shù)據(jù)傳輸接口，并且片內(nèi)集成ADC模塊，可被廣泛用于控制、接口轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)采集等領域。充分利用TMS320LF2407A芯片自身的資源，其數(shù)據(jù)空間的分配如圖2所示。在地址0060-007F數(shù)據(jù)空間，存放FAT32文件系統(tǒng)的重要參數(shù)和3個文件信息表，可以同時訪問3個文件，滿足很多應

9、用場合的要求。文件信息表極為簡單，其結構見圖2,它提供了文件訪問所需要的必要信息，能夠方便的對文件操作。在文件信息表中，直接存放要訪問的文件的目錄所在的邏輯扇區(qū)號，避免了地址的重復計算，并記錄了當前文件內(nèi)容緩沖區(qū)存放的內(nèi)容所在的簇號，便于對FAT分區(qū)表進行搜索。由于對文件的訪問需要經(jīng)常搜索FAT分區(qū)表，為了減少重復讀取同一扇區(qū)的次數(shù)，分配了兩個FAT表扇區(qū)緩沖區(qū)。為要訪問的文件分配了文件目錄緩沖區(qū)和文件內(nèi)容緩沖區(qū)，大小均為256字(1個扇區(qū)的大小)。很多應用場合可能僅需要同時訪問一個文件，為了提高數(shù)據(jù)傳輸率，可將文件內(nèi)容緩沖區(qū)大小擴充到256X5字，即將文件目錄緩沖區(qū)2、3和文件內(nèi)容緩沖區(qū)2、

10、3作為文件內(nèi)容緩沖區(qū)1的擴充。由于TMS320LF2407A只有8級硬件堆棧，為保證系統(tǒng)軟件工作的穩(wěn)定性和正確性，且方便函數(shù)調(diào)用進行參數(shù)傳遞和臨時變量的存放，將地址0200-02FF的數(shù)據(jù)空間作為系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用堆棧段。另外，TMS320LF2407A集成了多種通訊接口和兩個事件管理器，很多實時功能實現(xiàn)均依賴中斷來實現(xiàn)，能響應的中斷信號多達50個，為了滿足實時性的要求減少軟件設計的復雜度，將地址0300-03FF的數(shù)據(jù)空間作為中斷程序的堆棧段。采樣及保護電路的設計TMs320LF2407DSP具有5個外部引腳中斷:復位(RS)，兩個功率驅(qū)動保護中斷(PDPINTA(B)和兩個可屏蔽中斷(XINTl

11、/2)。同時內(nèi)核提供了一個非屏蔽中斷(NMI)和6個按優(yōu)先級獲得中斷服務的可屏蔽中斷(INT1inT6)。這些中斷源為設計系統(tǒng)保護電路提供了諸多方便。本文設計了硬件和軟件相結合的全面的保護措施,下面首先介紹硬件保護電路的設計。交流電流采樣電路的直流側過流保護電路原理圖直流側電壓檢測電路P圖4-7直沈電壓采樣電路原理圖欠壓，過壓保護電路控制板功能：本文在以TMS320LF24O7ADSP為核心開發(fā)的控制板上，利用其數(shù)字和模擬接口完成PWM信號輸出、AD轉(zhuǎn)換、人機界面和模擬控制端子的設計?？刂瓢咫娫床糠蛛娐稵MS320LF2407A采用高性能靜態(tài)CMOS技術，使工作電壓降到3.3V，有效減少了控制

12、器的功耗，同時也對供電電源提出了更高的要求，況且其他元器件采用5V供電，所以必須要設計電源轉(zhuǎn)換電路。這里我們選用TI公司專門為其DSP系列產(chǎn)品推出的電源轉(zhuǎn)換芯片TPs7333。TPs7333為s0一8封裝，3.3v輸出，輸出電流達到5oomA，具有上電復位功能，同時能隨時檢測輸出電壓，當輸出電壓不穩(wěn)定或低于復位門限電壓時，復位引腳RESET產(chǎn)生200ms的復位信號進行保護。DSP及其外圍電路既需要數(shù)字電源又需要模擬電源，設計時要用磁珠將他們隔離，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。電源轉(zhuǎn)換電路如圖4一13所示：+5V0M麗SEK5EQUTIN1oirrBEADffl4-13電源電路原理圖AD轉(zhuǎn)換電路AD轉(zhuǎn)換電路是

13、系統(tǒng)中數(shù)字和模擬信號相互轉(zhuǎn)換的通道，DSP通過此電路監(jiān)測系統(tǒng)運行，與其他模擬設備進行數(shù)據(jù)交互。TMS320LF2407A自帶兩個10位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，這就使ADC轉(zhuǎn)換電路的設計大為簡化。ADC具有如下特征6:帶內(nèi)置采樣/保持(S艦)功能：多達16路模擬輸入通道(ADCINO一ADCIN15);自動排序能力，一次可執(zhí)行最多16個通道的自動轉(zhuǎn)換，而且每次要轉(zhuǎn)換的通道都可以通過編程來選擇兩個獨立的最多可選擇8個模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器(SEQI和sD之2)可以獨立工作在雙排序器模式下，或者級連之后工作在一個最多可選擇16個模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器模式；可單獨訪問的16個結果寄存器(RESULTO一RESULT

14、15)用來存儲轉(zhuǎn)換結果；多個觸發(fā)源可以啟動AD轉(zhuǎn)換；靈活的中斷控制允許在每一個或隔一個序列的結束時產(chǎn)生中斷請求。本文使用了6路A/D轉(zhuǎn)換通道，分別包括3路交流電流模擬輸入，l路母線電壓模擬輸入，1路模擬給定輸入和1路反饋信號輸入，由于該接口設計比較簡單。鍵盤、顯示接口電路如上所述，HD7279A可同時驅(qū)動8位共陰極數(shù)碼管和64鍵的鍵盤矩陣，本文根據(jù)系統(tǒng)需要，鍵盤設計成4X5式矩陣鍵盤，按鍵包括數(shù)字鍵、正反轉(zhuǎn)，加速，停車，突出和寫入鍵，顯示采用5位共陰數(shù)碼管，可以顯示數(shù)字和少量字母，并配有發(fā)光LED，用來指示各種運行狀態(tài)。鍵盤、顯示接口電路如圖 IKIk置弋g.giHHf3HS.SDvanaif

15、iCTvDDBLCNCCLKOvssDIQ7NCDIG6ntrz-cCLKD1C4.rzi丸DIGi保D畑StiDIGID1GQSEDPSDSAscSBRlR1IEtSRL9D-SDy5EyR204拓矩陣鍵盤S4-14犍盤、顯示援口電路考慮到HD7279A作為一個慢速外設器件要與DSP這種高速器件接口，可以利用I/O口模擬串口時時序的方法來解決時鐘頻率相匹配的問題。又由于LF2407A接收和輸出的電平是3.3V的CMOS電平，而HD7279是5V的TTL電平，中間必須加電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC4245，利用此芯片不但起到了電平轉(zhuǎn)化的作用，同時也起到了驅(qū)動的作用，如圖，通過電平轉(zhuǎn)化芯片將HD727

16、9A的片選端接地，DSP控制HD7279A工作只需占用4個I/O口，分別接同步時鐘輸入端CLK、串行數(shù)據(jù)輸入輸出端DATA、按鍵有效輸入端KEY（低電平有效）和電平轉(zhuǎn)換方向控制端DIR。此電路接口簡單，節(jié)省了DSP的系統(tǒng)資源，同時也增強了系統(tǒng)的可靠性。片外存儲器本文對己設置好的參數(shù)及一些重要的數(shù)據(jù)（如U壓曲線等）采用EEPROM存儲器X5043來保存，以使得在掉電的情況下數(shù)據(jù)不會丟失。x5043采用sPI（serialpedpheralinterfaee）總線接口工作方式，能與DSP的SPI模塊很好的配合，完成數(shù)據(jù)的寫入、讀出和存儲。下面分別介紹DSP的SPI模塊、X5043及二者的接口電路，

17、而對X5043的讀寫實現(xiàn)方法將在第五章加以介紹。X5043是Xieo:公司推出的帶EEPROM存儲的“看門狗芯片，它具有的特點：具有四種常見功能:電源上電復位、看門狗定時器、電壓監(jiān)測和EEPROM;最高時鐘速率達到3.3MHz;一4Kbits串行EEPROM，在內(nèi)部按512x8來組織具有10萬次數(shù)據(jù)寫入和100年數(shù)據(jù)存儲功能；具有簡單的四總線工作的串行外設接口SPI。1、管腳說明X5043共有8個引腳，各引腳的功能如下：CS:芯片選擇端，低電平有效；S0:串行數(shù)據(jù)輸出端：SI:串行數(shù)據(jù)輸入端：SCK:串行時鐘輸入端；WP:寫保護輸入端，低電平有效；RESET:復位輸出端；VCC:電源端：VSS

18、:接地端。工作原理由于DSP自帶“看門狗”，所以在實際應用中我們將X5043的“看門狗”屏蔽，下面只介紹X5043的EEPROM的工作原理。X5043主要是通過一個8位的指令寄存器來控制器件的工作，它通過sI輸入，數(shù)據(jù)在SCK的上升沿由時鐘同步寫入，所有指令、地址、數(shù)據(jù)均以高位在前的方式串行傳送。表4一2所列是X5043的指令：搭塾指令格式WREN00000110允許耳操爐WRD000D0IMRSDRoooootoi讀狀崙寄存器WRSR00000091寫狀態(tài)寄存署READ0000Aaflll從所選地址的存儲器陣列中請匕數(shù)培（冷為高位地址）WHITE0000A|QW耙數(shù)據(jù)寫人所選地址的存皤詰徉列

19、至16字節(jié)）X5045內(nèi)有一個8位狀態(tài)寄存器，在任何時間都可以通過RSDR和WRSR指令訪問其中的內(nèi)容，它包含四個非易失性狀態(tài)位和兩個易失性狀態(tài)位?？刂莆挥糜谠O置看門狗定時器的操作和存儲器的塊鎖保護。4.3X5043與DSP接口電路DSP通過SPI模塊與X5043相連，并將DSP設置成主控制器,X5043為從控制器，如圖4一16所示，SPISIMO、SPISOMI、SPICLK分別與s1、s0、SCK相連，作為X5043的輸入、輸出和時鐘線，將SPISTE設置成一般I/O口（IOPC5）作為X5043的片選線與CS相連。端子及接口電路端子的功能主要是提供變頻器和其他設備交互的通道，包括數(shù)字量的

20、輸入輸出和模擬量的輸入輸出。最常用的就是模擬量的輸入，即頻率的模擬給定和反饋量的輸入，分為電壓和電流輸入兩種形式，其接口電路比較簡單，包括濾波、限流和限幅，如圖4一17所示，電流形式的電路需加一采樣電阻R28,將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號（圖中a圖）。+3.3VIAML卒ADC0N5DI亡ADCIN4R27=CIODI恣LTAe4*17模擬輸入接趕路S120電控系統(tǒng)是新一代的驅(qū)動產(chǎn)品，是集V/F控制、矢量控制、伺服控制為一體的多軸驅(qū)動系統(tǒng)，具有模塊化的設計。各模塊間（包括控制單元模塊、整流/回饋模塊、電機模塊、傳感器模塊和電機編碼器等）通過高速驅(qū)動接口接口DRIVE-CLiQ相互連接。目前此類系統(tǒng)

21、在多項鉆機系統(tǒng)得到了應用，例如40DB、50DB、70DB鉆機設備中。因其電子協(xié)調(diào)式伺服驅(qū)動減少了整流、開關柜，降低了制造成本以及使用面積，使得采用單VFD房電控系統(tǒng)成為可能，從而節(jié)約了井場面積，降低了調(diào)試、維護時間。二、推廣應用前景及推廣措施S120電控系統(tǒng)作為新的變頻驅(qū)動系統(tǒng)將逐漸代替舊的6SE71系統(tǒng)，在組態(tài)、通訊的諸多應用可以和原有的系統(tǒng)完善的連接。由于120系統(tǒng)具有統(tǒng)一的接口、對應的調(diào)試工具，使得應用和維護容易實現(xiàn)。其簡潔的柜體布局使得材料成本、使用空間得到節(jié)省。目前該套系統(tǒng)在多個項目上穩(wěn)定運行。第2章變頻器的基本原理及控制方式2.1變頻器的基本構成和工作原理2.1.1變頻器的基本構

22、成變頻器的發(fā)展已有數(shù)十年的歷史，在變頻器的發(fā)展過程中也曾出現(xiàn)過多種類型的變頻器，但是目前成為市場主流的變頻器基本上有著圖2-1示的基本結構。圖2-1變頻器的基本結構圖2-2給出了一個典型的電壓控制型通用變頻器的硬件結構框圖。而對于采用了矢量控制方式的變頻器來說，由于進行矢量控制時需要進行大量的運算，其運算電路中有時還有一個以DSP（數(shù)字信號處理器）為主的轉(zhuǎn)矩計算用CPU以及相應的磁通檢測和調(diào)節(jié)電路。2.1.2變頻器內(nèi)部電路的基本功能雖然變頻器的種類很多，其內(nèi)部結構也各有不同，但大多數(shù)變頻器都具有圖2-1給出的基本結構，它們的區(qū)別僅僅是控制電路和檢測電路實現(xiàn)的不同以及控制算法的不同而己。下面我們

23、將結合圖2-1簡單介紹變頻器各部分電路的基本作用。一般的三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成。它的主要作用是對工頻的外部電源進行整流，并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。整流電路按其控制方式可以是直流電壓源也可以是直流電流源。直流中間電路的作用是對整流電路的輸出進行平滑，以保證逆變電路和控制電源能夠得到質(zhì)量較高的直流電源。當整流電路是電壓源時直流中間電路的主要入器件是大容量的電解電容，剛當整流電路是電流源時平滑電路則主要內(nèi)大容量電感組成。此外，由于電動機制動的需要，在直流中間電路中有時還包括制動電阻以及其他輔助電路。逆變電路是變頻器最主要的部分之一。它的主要作用是在控制電路的控制下將平滑電路輸出的宣流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，它被用來實現(xiàn)對異步電動機的調(diào)速控制。變頻器的控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、門極（基級）驅(qū)動電路、外部接口電路以及保護電路等幾個部分，也是