S120硬件结构及工作原理分析

S120硬件结构及工作原理分析

变频器分类

（1）根据变流环节不同分为：

1. 交-直-交变频器先将频率固定的交流电“整流”成直流电，再把直流电“逆变”成频率任意可调的三相交流电。

2. 交-交变频器把频率固定的交流电直接转换成频率任意可调的交流电。

（2）变频器按其供电电压分为：

低压变频器( 110V 220V 380V ) 、中压变频器( 500V660V 1140V ) 和高压变频器( 3KV

3.3KV 6KV 6.6KV 10KV )。

（3）根据直流电路的储能环节（滤波方式）分为：

1. 电压型变频器其储能元件为电容器。中、小容量变频器以电压型变频器为主。

2. 电流型变频器其储能元件为电感线圈

（4）变频器按其功能分为：

恒转矩（恒功率）通用型变频器、平方转矩风机水泵节能型变频器、简易型变频器、迷你型变频调速器、通用型变频器、纺织专用型变频器、高频电主轴变频器、电梯专用变频器、直流输入型矿山电力机车用变频器、防爆变频器等。

最常用的为交直交电压型变频器

变频器的工作原理

变频器硬件组成

电源模块，电机模块，控制单元－CU320，（采样部分，驱动部分）外围设备（制动单元，接口模块-通讯板，编码器）

S120配置示意图

控制单元CU320接口图

CU320接线图

通讯板实物图

电机模块的接线图

电机轴上安装的编码器转换模块

编码器接口模块实物图

SMC 30 的接线图及各管脚含义

变频器工作原理

系统通过以键盘智能控制芯片HD7279A为核心的键盘输入系统运行所需参数(频率也可以通过模拟给定)，再通过DSP实时计算出脉宽，最终将PWM信号通过外围驱动电路，转化成能驱动功率模块IPM的信号，控制逆变器的输出。同时DSP通过采样电路对系统实时采样，一方面监控系统工作状态，供LED显示，另一方面还实时检测系统故障，以便能及时地加以保护并诊断故障原因。

变频器的结构原理图

逆变电路原理图

硬件电路的结构

本文研究开发的通用变频器采用交一直一交电压源型主电路结构形式，控制芯片是以TI公司的

MS320LF2407ADSP为控制核心，硬件电路分为:主电路部分、控制电路部分、采样检测及保护电路部分。系统结构框图如图4一1所示[9]:

TMS320LF2407A简介及资源配置

（概括说，TMS320LF2407A是TI公司推出的一款定点DSP控制器，它采用了高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3．3V，减小了控制器的功耗；40MIPS的执行速度使得指令周期缩短到25ns(40MHz)，从而提高了控制器的实时控制能力；集成了32K字的闪存(可加密)、2．5K的RAM、500ns转换时间的A

／D转换器，片上事件管理器提供了可以满足各种电机的PWM接口和I／O功能，此外还提供了适用于工业控制领域的一些特殊功能，如看门狗电路、SPI、SCI和CAN控制器等，从而使它可广泛应用于工业控制领域。）

TMS320LF2407A采用高性能静态CMOS技术，25ns指令周期，速度为40MIPS，低电压3.3V设计；总寻址范围192K字，其中包括64K程序空间,64K数据空间,64KI/O空间；片内程序空间集成32K字Flash；数据空间集成2.5K字RAM，包括544字DARAM，2K字SARAM；两个事件管理模块EVA、EVB，分别提供两个16bit全局计数器，8个脉冲宽度可调调制通道PWM，三个外部事件的定时采样捕获单元；同步的16通道高性能10bitADC，转换速率为500ns；串行异步通信接口(SCI)、串行同步外设接口(SPI)、CAN总线2.0接口。由于TMS320LF2407A集成了多种数据传输接口，并且片内集成ADC模块，可被广泛用于控制、接口转换以及数据采集等领域。

充分利用TMS320LF2407A芯片自身的资源，其数据空间的分配如图2所示。在地址0060-007F数据空间，存放FAT32文件系统的重要参数和3个文件信息表，可以同时访问3个文件，满足很多应用场合的要求。文件信息表极为简单，其结构见图2，它提供了文件访问所需要的必要信息，能够方便的对文件操作。在文件信息表中，直接存放要访问的文件的目录所在的逻辑扇区号，避免了地址的重复计算，并记录了当前文件内容缓冲区存放的内容所在的簇号，便于对FAT分区表进行搜索。由于对文件的访问需要经常搜索FAT 分区表，为了减少重复读取同一扇区的次数，分配了两个FA T表扇区缓冲区。为要访问的文件分配了文件目录缓冲区和文件内容缓冲区，大小均为256字(1个扇区的大小)。很多应用场合可能仅需要同时访问一个文件，为了提高数据传输率，可将文件内容缓冲区大小扩充到256×5字，即将文件目录缓冲区2、3和文件内容缓冲区2、3作为文件内容缓冲区1的扩充。由于TMS320LF2407A只有8级硬件堆栈，为保证系统软件工作的稳定性和正确性，且方便函数调用进行参数传递和临时变量的存放，将地址0200-02FF的数据空间作为系统函数调用堆栈段。另外，TMS320LF2407A集成了多种通讯接口和两个事件管理器，很多实时功能实现均依赖中断来实现，能响应的中断信号多达50个，为了满足实时性的要求减少软件设计的复杂度，将地址0300-03FF的数据空间作为中断程序的堆栈段。

采样及保护电路的设计

TMs320LF2407DSP具有5个外部引脚中断:复位(RS)，两个功率驱动保护中断(PDPINTA(B))和两个可屏蔽中断(XINTl/2)。同时内核提供了一个非屏蔽中断(NMI)和6个按优先级获得中断服务的可屏蔽中断(INT1一inT6)。这些中断源为设计系统保护电路提供了诸多方便。本文设计了硬件和软件相结合的全面的保护措施，下面首先介绍硬件保护电路的设计。

交流电流采样电路的

直流侧过流保护电路原理图

直流侧电压检测电路

欠压，过压保护电路

控制板功能：本文在以TMS320LF24O7ADSP为核心开发的控制板上，利用其数字和模拟接口完成PWM 信号输出、AD转换、人机界面和模拟控制端子的设计。

控制板电源部分电路

TMS320LF2407A采用高性能静态CMOS技术，使工作电压降到3.3V，有效减少了控制器的功耗，同时也对供电电源提出了更高的要求，况且其他元器件采用5V供电，所以必须要设计电源转换电路。这里我们选用TI公司专门为其DSP系列产品推出的电源转换芯片TPs7333。TPs7333为s0一8封装，3.3v输出，输出电流达到5oomA，具有上电复位功能，同时能随时检测输出电压，当输出电压不稳定或低于复位门限电压时，复位引脚RESET产生200ms的复位信号进行保护。DSP及其外围电路既需要数字电源又需要模拟电源，设计时要用磁珠将他们隔离，提高系统稳定性。电源转换电路如图4一13所示:

AD转换电路

AD转换电路是系统中数字和模拟信号相互转换的通道，DSP通过此电路监测系统运行，与其他模拟设备进行数据交互。TMS320LF2407A自带两个10位模数转换模块，

这就使ADC转换电路的设计大为简化。ADC具有如下特征[6]:

带内置采样/保持(S舰)功能:

·多达16路模拟输入通道(ADCINO一ADCIN15);

·自动排序能力，一次可执行最多16个通道的自动转换，而且每次要转换的通道都可以通过编程来选择; ·两个独立的最多可选择8个模拟转换通道的排序器(SEQI和sD之2)可以独立工作在双排序器模式下，或者级连之后工作在一个最多可选择16个模拟转换通道的排序器模式;

·可单独访问的16个结果寄存器(RESULTO一RESULT15)用来存储转换结果;

·多个触发源可以启动AD转换;

·灵活的中断控制允许在每一个或隔一个序列的结束时产生中断请求。

本文使用了6路A/D转换通道，分别包括3路交流电流模拟输入，l路母线电压模拟输入，1路模拟给定输入和1路反馈信号输入，由于该接口设计比较简单。

键盘、显示接口电路

如上所述，HD7279A可同时驱动8位共阴极数码管和64键的键盘矩阵，本文根据系统需要，键盘设计成4X5式矩阵键盘，按键包括数字键、正反转，加速，停车，突出和写入键，显示采用5位共阴数码管，可以显示数字和少量字母，并配有发光LED，用来指示各种运行状态。键盘、显示接口电路如图

考虑到HD7279A作为一个慢速外设器件要与DSP这种高速器件接口，可以利用I/0口模拟串口时时序的方法来解决时钟频率相匹配的问题。又由于LF2407A接收和输出的电平是3.3V的CMOS电平，而HD7279是5V的TTL电平，中间必须加电平转换芯片74LVC4245，利用此芯片不但起到了电平转化的作用，同时也起到了驱动的作用，如图，通过电平转化芯片将HD7279A的片选端接地，DSP控制HD7279A工作只需占用4个I/0口，分别接同步时钟输入端CLK、串行数据输入输出端DATA、按键有效输入端KEY(低电平

有效)和电平转换方向控制端DIR。此电路接口简单，节省了DSP的系统资源，同时也增强了系统的可靠性。

片外存储器

本文对己设置好的参数及一些重要的数据(如U压曲线等)采用EEPROM存储器X5043来保存，以使得在

掉电的情况下数据不会丢失。x5043采用sPI(serialpedpheral interfaee)总线接口工作方式，能与DSP的SPI

模块很好的配合，完成数据的写入、读出和存储。下面分别介绍DSP的SPI模块、X5043及二者的接口电

路，而对X5043的读

写实现方法将在第五章加以介绍。

X5043是Xieo:公司推出的带EEPROM存储的“看门狗’，芯片，它具有的特点:

·具有四种常见功能:电源上电复位、看门狗定时器、电压监测和EEPROM;

·最高时钟速率达到3.3MHz;

一4Kbits串行EEPROM，在内部按512x8来组织

·具有10万次数据写入和100年数据存储功能;

·具有简单的四总线工作的串行外设接口SPI。

1、管脚说明

X5043共有8个引脚，各引脚的功能如下:

CS:芯片选择端，低电平有效;

S0:串行数据输出端:

SI:串行数据输入端:

SCK:串行时钟输入端;

WP:写保护输入端，低电平有效;

RESET:复位输出端;

VCC: 电源端:

VSS: 接地端。

2.工作原理

由于DSP自带“看门狗”，所以在实际应用中我们将X5043的“看门狗”屏蔽，下面只介绍X5043的EEPROM 的工作原理。

X5043主要是通过一个8位的指令寄存器来控制器件的工作，它通过sI输入，数据在SCK的上升沿由时钟同步写入，所有指令、地址、数据均以高位在前的方式串行传送。表4一2所列是X5043的指令:

X5045内有一个8位状态寄存器，在任何时间都可以通过RSDR和WRSR指令访问其中的内容，它包含四个非易失性状态位和两个易失性状态位。控制位用于设置看门狗定时器的操作和存储器的块锁保护。

4.3 X5043与DSP接口电路

DSP通过SPI模块与X5043相连，并将DSP设置成主控制器，X5043为从控制器，如图4一16所示，SPISIMO、SPISOMI、SPICLK分别与s1、s0、SCK相连，作为X5043的输入、输出和时钟线，将SPISTE设置成一般I/O口(IOPC5)作为X5043的片选线与CS相连。

端子及接口电路

端子的功能主要是提供变频器和其他设备交互的通道，包括数字量的输入输出和模拟量的输入输出。最常用的就是模拟量的输入，即频率的模拟给定和反馈量的输入，分为电压和电流输入两种形式，其接口电路比较简单，包括滤波、限流和限幅，如图4一17所示，电流形式的电路需加一采样电阻R28，将电流信号转化为电压信号(图中a图)。

S120电控系统是新一代的驱动产品，是集V/F控制、矢量控制、伺服控制为一体的多轴驱动系统，具有模块化的设计。各模块间（包括控制单元模块、整流/回馈模块、电机模块、传感器模块和电机编码器等）通过高速驱动接口接口DRIVE-CLiQ 相互连接。

目前此类系统在多项钻机系统得到了应用，例如40DB、50DB、70DB钻机设备中。因其电子协调式伺服驱动减少了整流、开关柜，降低了制造成本以及使用面积，使得采用单VFD房电控系统成为可能，从而节约了井场面积，降低了调试、维护时间。

二、推广应用前景及推广措施

S120电控系统作为新的变频驱动系统将逐渐代替旧的6SE71系统，在组态、通讯的诸多应用可以和原有的系统完善的连接。由于120系统具有统一的接口、对应的调试工具，使得应用和维护容易实现。其简洁的柜体布局使得材料成本、使用空间得到节省。目前该套系统在多个项目上稳定运行。

第2章变频器的基本原理及控制方式

2.1变频器的基本构成和工作原理

2.1.1 变频器的基本构成

变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中也曾出现过多种类型的变频器，但是目前成为市场主流的变频器基本上有着图2-1示的基本结构。

图2-1 变频器的基本结构

图2-2给出了一个典型的电压控制型通用变频器的硬件结构框图。而对于采用了矢量控制方式的变频器来说，由于进行矢量控制时需要进行大量的运算，其运算电路中有时还有一个以DSP（数字信号处理器）为主的转矩计算用CPU以及相应的磁通检测和调节电路。

2.1.2 变频器内部电路的基本功能

虽然变频器的种类很多，其内部结构也各有不同，但大多数变频器都具有图2-1给出的基本结构，它们的区别仅仅是控制电路和检测电路实现的不同以及控制算法的不同而己。下面我们将结合图2-1简单介绍变频器各部分电路的基本作用。

一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路按其控制方式可以是直流电压源也可以是直流电流源。

直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。当整流电路是电压源时直流中间电路的主要入器件是大容量的电解电容，刚当整流电路是电流源时平滑电路则主要内大容量电感组成。此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制动电阻以及其他辅助电路。

逆变电路是变频器最主要的部分之一。它的主要作用是在控制电路的控制下将平滑电路输出的宣流电源转

换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。

变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极（基级）驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分，也是交频器的核心部分；控制电路的优劣决定了变频器性能的好坏，控制电路的主要作用是将检测电路得到的各种信号送至运算电路，使运算电路能够根据要求为变频器主电路提供必要的门极（基极）驱动信号，计对变频器以及异步电动机提供必要的保护。此外，控制电路还通过A/D，D/A等外部接门电路接收／发送多种形式的外部信号和给出系统内部下作状态，以便使变频器能够和外部设备配合进行各种高性能的控制。

图2-2 典型的电压控制型通用变频器的硬件结构框图

2. 1. 3 逆变电路基本工作原理

前面我们已经提到，逆变电路在变颇器电路中，起着非常重要的作用。逆变电路的基本作用是将直流电源转换为交流电源。在逆变电路中，一般由六个开关组成一个三相桥式电路。交替打开和关断这六个开关，就可以在输出端得到相位上各相差120。（电气角）的三相交流电源。该交流电源的频率由开关频率决定，而幅值则等于直流电源的幅值。为了改变该交流电源的相序从而达到改变异步电动机转向的目的、只要改变各个开关打开和关断的顺序即可。因为这些开关同时又起着改变电流流向的作用，所以它们又被称为换流开关或换流器件。

当位于同一桥臂上的两个开关同时处于开通状态时将会出现短路现象，并烧毁校流器件。所以在实际的变频器逆变电路中还没有各种相应的辅助电路，以保证逆变电路的正常工作和在发生意外情况时对换流器件进行保护。

在由逆变电路所完成的将直流电源转换为交流电源的过程中，开关器件起着非常重要的作用。由于机械式开关的开关频率和使用寿命都很行限，在实际的逆变电路中采用半导体器件作为开关器件。半导体开关器件的种类很多，如晶间管、品体管、GTO、IGBT等。而变频器本身也常常根据其逆变电路中使用的半导体开关器件的种类而被称为晶问管变频器、晶体管逆变器等。