河南科技大学学报（自然科学版）基于TMS320LF2407的小型变频器设计田丰1，3，彭晓南2（1.河南科技大学电子信息工程学院，河南洛阳471003；2.河南科技大学机电工程学院，河南洛阳471003；3.中国农业银行洛阳分行，河南洛阳471000）该变频器硬件部分由主电路、操作面板和辅助开关电源等部分组成；软件部分用于实现控制功能，能够实现：PWM信号的产生、模拟信号的采集与处理、故障处理、人机界面通讯和参数设定的处理以及运行模式的选择。

　　该变频器具有体积小，结构简单，控制灵活的特点，可以满足对调速要求高的场合。

　　刖言随着电力电子技术和微机控制技术的迅速发展，交流变频调速系统的性能指标己完全可以与直流调速相媲美，交流调速正在逐步取代直流调速。

　　目前，作为变频调速系统核心部件的变频器有两个研究热点：一是将变频器的功率做的更大，满足超大功率场合调速拖动的需求；二是将功率做到更小，满足小功率、超小功率场合的需求。向大功率方向扩展所要解决的主要难题是提高可靠性和稳定性，向超小功率方向扩展要解决的主要难题是提高性价比。而计算机技术和专用控制芯片的发展，使得提高小功率变频器的性价比成为可能。小功率特别是超小功率变频器的应用对象遍布各行各业，例如在各种小型变频家用电器、小型的纺织生产线、输送带、压缩机、磨粉机、搅拌器、送风机、测试台以及风洞等方面均有应用，一旦推广，必将产生可观的经济效益和社会效率。

　　由于先前的变频器大多采用单片机作为控制核心，而单片机存在着运算速度慢、不易实现复杂控制算法、外围电路复杂等缺点，随着调速要求的提高，基于单片机控制的变频器，己不能满足实际需要，而数字信号处理器则具有运行频率更高且集成许多外围控制电路等特点，非常适合进行电机控制。

　　本研究拟采用变频器交-直-交电压型逆变电路的电机控制专用高速数字信号处理器（DSP）TMS320LF24074和拥有强大的运算功能，可以高效完成电机实时控制算法7，进行小型变频的设计，从而降低成本。

　　TMS320LF2407的特点与变频器系统的组成设计的小功率变频器系统采用TI公司的TMS320LF2407处理器作为核心控制芯片，利用它丰富的外围电路，强大的功能来实现所有的工作、控制和相应的保护功能，该芯片主要有以下特点：采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降到3.3V，减少了控制器的功耗；40MIPS的执行速度使指令周期缩短到25ns，从而提高了控制器的实时控制能力和响应速度。

　　片内有高达32K字16位的Flash程序存储器，高达2.5K字16位的数据/程序RAM，544字的双端口RAM，2K字的单口两个事件管理器模块EVA和EVB，每个模块包括：2个16位的通用定时器，8个16位的脉宽调制（PWM）通道。它们能够实现三相反相器控制，PWM的对称和非对称波形，当外部引脚PDPINTx出现合理论。

　　低电平时，DSP快速关断PWM输出，可编程的PWM死区控制可以防止上下桥臂同时导通；3个捕获单元，片内光电编码器接口，16通道A/D转换器。事件管理模块适合控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多极电机和逆变器。

　　可扩展的外部存储器，共有192K字空间，方便了程序的调试。

　　看门狗定时器模块（WDT），监测系统的运行状态，提高了系统的可靠性。

　　5个外部中断（两个功率驱动保护、复位和两个可屏蔽的中断），当检测到直流母线上出现过流时，通过PDPINT使TMS320LF2407通过内部硬件自动封锁六路PWM输出，同时申请中断对故障作进一步的处理。

　　电源管理包括有3种低功耗模式，能独立将外设器件转入低功耗工作模式，减少系统的功耗。

　　10位A/D转换器的比较小转换时间为500ns，大大提高了A/D的采样和转换速度|91.可以用来检测变频器输出的电压和电流及其它相关信号，显示在控制面板上。当输出电压和电流出现异常时，经快速采样和转换后，调用相应的处理程序，做进一步的处理，调整变频器的输出。由于采用了高速DSP芯片和快速A/D，缩短了DSP响应和处理保护电路信号的时间，避免造成更大的损失。

　　其中，事件管理模块是实现变频调速的关键，也是该变频器设计的重要特点。利用该芯片的事件管理模块，可以十分方便地输出调速所需的变频、变压的同步PWM波形，作为三相逆变器的驱动信号，逆变器的输出驱动三相感应电机，构成了比较简便的变频调速系统。利用芯片的功率驱动保护中断，可以构成相应的保护电路。当输入电压过高，三相逆变器输出电流过大，TMS320LF2407会立即关闭PWM波形输出，可以保护功率器件。该变频器输入为常用的50Hz、220V交流，故特别适用于小功率及超小功率调速场合。变频器的控制面板采用专用的键盘和显示芯片HD7279101.为降低成本，辅助开关电源部分采用价格低、性能良好、外围元件少的UC32|n|.变频器的原理框图如所示。

　　频器的控制核心。它能够输出具有可编程死区控制的PWM波形，PWM波形的死区是为了避免同一桥臂的上下功率管同时导通造成短出三对互补的PWM信号经光电隔离后，输入到IGBT的驱动电路，然后驱动带有续流二极管的六单元IGBT模块，根据不同占空比的PWM波形，可以输出具有变频、变压的三相交流输出，直接驱动三相小功率交流感应电机。

　　2主电路部分是主电路框图，主要组成模块如下：整流电路。采用单相的220AC作为输入电源，整流电路采用单相全波整流桥。由可知，输入的220VAC经过整流滤波后可得到光滑的高压直流，该直流作为三相逆变器的输入电压。

　　过电压、过电流检测单元。检查整流滤波电容两端的电压及其直流回路的电流，信号经过转换后连接到DSP芯片功率驱动保护管脚。当过电压、过电流等发生时，TMS320LF2407能够将PWM输出引脚置为高阻态，使逆变器停止工作，从而提供相应的安全保护，避免造成更大的损失，同时申请中断对故障作进一步的处理。

　　光电隔离和功率驱动电路。由于信号是高速变化的，光电隔离采用6N137快速光耦，以满足系统的诉。功翻动：芯片采用三件0它的输出信号可直接驱动镨模块小功率变频器原理框图流二极管的六单元IGBT模块组成，把整流桥整流后的直流电，再逆变成频率、幅值都可调的交流电，这是变频器实现变VAC频的执行环节，也是变频器的核心。

　　与检测模块。逆变器输出的电压和电流经TMS320LF2407采样和转换后，可以实时显示在控制面板上。同时，当逆变器工作不正常，输出电压和电流异常时，TMS320LF2407也可以调用相关子程序，控制逆变器的运行。

　　3操作面板部分该小功率变频器提供了简单易操作的控制面板，具有良好的人机界面。面板上有丰富的按键和显示模块，通过面板能够对变频器的启动和停止进行控制，能够在线设置变频器运行模式，交互式设定参数，并能够显示各种错误代码，方便维护操作。

　　在系统中，TMS320LF2407采用中断方式来确认按键值，采用中断能够减少DSP对HD7279的访问次数，减少对DSP的占用，同时使得程序运行更有效率，提高系统的实时响应能力。DSP和HD7279的连线有数据线、时钟线、片选信号和中断线。当有按键操作时，HD7279的中断引脚产生一个低电平，DSP响应该中断，并调用相应的中断处理程序，判断所按的按键，并根据按键值做进一步的操作。在该变频器中，使用4个数码管显示变频器的各种运行状态，显示对变频器的各种设置。由于HD7279可以支持64个按键和多于8位的数码管显示，因此对没有用到的按键和数码管，可以不连接，不会影响到键盘的使用。

　　4辅助开关电源部分辅助开关电源可以输出+5V、+5V、+15V等多路直流电压，为DSP和系统的其他元器件供电。由于TMS320LF2407的工作电压是3. 3V，必须在系统中加一个电源转换芯片，这里选用TI公司的TPS7301芯片，接上适当的外围电阻，构成电阻分压器，就可以得到3.3V的输出电压。由于系统采用了光电隔离器件，为保证良好的接地，必须为系统提供两路独立的+5V电源。是开关电源的原理框图。

　　在该电路中，采用单独的220VAC作为输入，这样可以避免输入电压和主电路电流的波动，影响DSP处理器和其它元器件的正常工作。由于采用了高速实时数字信号处理器TMS320LF2407和其它灵敏的电子元器件，为提高变频器的稳定性，对开关电源的质量提出较高的要求。为满足系统对开关电源的需求，采用了以下措施：首先，开关电源部分采用专用的整流滤波电路，不共用主电路的整流模块，可以减少电网电压波动和主电路中电流的波动对开关电源的影响。其次，对开关电源的PWM脉宽调制控制器集成电路，采用价格低、性能良好、外围元件少的UC3842，也可以降低成本。试验证明该开关电源能够输出变频器所需的稳定高质量的直流电压，能够使变频器稳定的工作。

　　开关电源原理框变频器的软件设计变频器的控制功能由TMS320LE2407的软件部分来实现，包括主程序和中断服务程序。变频器的软件具有以下几个功能：PWM信号的产生、模拟信号的采集与处理、故障处理、人机界面通讯和参数设定的处理以及运行模式的选择。

　　根据变频器的工作原理和特点，其软件流程图如所示。

　　主程序对系统进行初始配置，完成初始化后，进入主循环，开始正常的工作方式。当DSP检测到有中断的发生时，根据中断的类型，调用中断子程序，可以实现参数设置、运行方式设置、报警、保护等功能。

　　6结束语本文所设计的小功率变频器是以TI公司的TMS320LF2407的应用前景。利用该芯片的串行通讯接口模块（SCI），还可以实集中控制。

　　本系统理论性能指标如下：输入：单相交流输入，电压波动软件流程图+20%c，频率范围：50~60Hz.输出：三相0~到电机额定电压。输出频率范围：0~ 400Hz.输出频率精度：0. 01%c比较高频率。