CN201282429Y

CN201282429Y - 逆变器控制装置

Info

Publication number: CN201282429Y
Application number: CNU2008202186363U
Authority: CN
Inventors: 赵殿滨; 韩红彬
Original assignee: China CNR Corp Ltd
Current assignee: CRRC Yangtze Co Ltd
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2018-10-23

Abstract

本实用新型公开了一种逆变器控制装置，包括核心微处理器和外围配置电路。外围配置电路包括数字量输入电路、数字量输出电路、模拟量输入电路及故障处理电路、PWM输出和PWM锁存电路、脉冲捕捉电路、实时时钟电路、串行FLASH电路、复位电路、CAN总线接口电路、RS232总线接口电路所组成。本装置不仅完成电机矢量控制功能，还完成电机控制故障处理、记录、报警功能。并具有与上位机通过CAN、RS232总线通信功能。本装置可广泛应用于机车电力牵引逆变器、电机变频控制等实时性和控制算法要求较高的逆变控制领域。

Description

逆变器控制装置

技术领域

本实用新型涉及逆变器控制装置。广泛应用于机车电力牵引逆变器、电机变频控制等实时性和控制算法要求较高的逆变控制领域。

背景技术

目前电力电子技术的迅速发展极大推进了变频器的开发和应用。目前，通用变频器在国内外已产品化和系列化，并在电力拖动领域广泛应用。在已研制的产品中控制性能和方法各有不同，国外厂家采用的微处理器多以专用类型为主；国内厂家采用的微处理器多以TI公司的TMS320F28xx或TMS320F24xx系列芯片为主。TI公司的2000系列芯片是专为电机控制而设计的，速度快，功能强，且具有电机控制专用PWM逻辑控制单元和接口，但该系列芯片含的乘法器为32位定点乘法器，对处理矢量控制、直接转距控制等复杂算法时非常困难。也有很多设计采用双DSP结构，即在原有微处理器基础上再扩展一片TMS320VC33浮点微处理器，分控制和计算两部分，采用双串口RAM进行数据交换，这种设计增加了成本和设计的复杂性，整体的抗干扰能力降低。针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种新型的基于TMS320F28335核微处理器的逆变器控制装置，作为系统的中央处理单元，从而克服现有技术中所存在的问题是十分必要的。

发明内容

鉴于上述现有技术中所存在的问题，本实用新型的目的是研究设计一种新型的基于TMS320F28335核微处理器的逆变器控制装置，从而解决原有装置所存在的对处理矢量控制、直接转距控制等复杂算法的困难问题。本实用新型所述的逆变器控制装置是由核心微处理器和外围配置电路所组成。外围配置电路包括数字量输入电路、数字量输出电路、模拟量输入电路及故障处理电路、PWM输出和PWM锁存电路、脉冲捕捉电路、实时时钟电路、串行FLASH电路、复位电路、CAN总线接口电路、RS232总线接口电路所组成。所述数字量输入电路的开关量输入信号IN[0..13]与核心微处理器的IO管脚GPIO66-GPIO79连接；所述数字量输出电路的信号DO[0..7]与核心微处理器的IO管脚GPIO40-GPIO47连接；所述模拟量输入电路及故障处理电路的ADC[0..7]、ERR[0..7]信号对应核心微处理器AD管脚ADCINA0-ADCINA7和IO管脚GPIO80-GPIO87连接；所述的PWM输出和PWM锁存电路的PWM输出信号PWM[1-12]对应核心微处理器的6对功能管脚GPIO0-GPIO11连接、RET[1-12]锁存信号对应核心微处理器的IO管脚GPIO16-GPIO23和GPIO50-53连接；脉冲捕捉电路的信号SPEED[0..5]对应核心微处理器的功能管脚ECAP1-ECAP6连接；所述的实时时钟电路的信号SCL、SDA对应核心微处理器的功能管脚SCLA、SDAA连接；所述的串行FLASH电路的信号SCL、SDO、SDI、/CS3_EE对应核心微处理器的功能管脚SPICLKA、SPISOMIA、SPISIMOA、SPISTEA连接；所述的复位电路的信号RESET对应核心微处理器的复位管脚XRS连接；所述的CAN总线接口电路的信号CANTX，CANRX对应核心微处理器的功能管脚CANTXA、CANRXA连接；所述的RS232总线接口电路的信号SCITXD、SCIRXD对应核心微处理器的功能管脚SCITXDA、SCIRXDA连接。本实用新型所述的核心微处理器选用32位处理器TMS320F28335芯片；数字量输入电路、数字量输出电路都采用光耦TLP627-2隔离、阻容滤波，继电器采用RY612005；模拟量输入电路及故障处理电路的运放采用高精度LM158芯片。故障检测部分采用LM311比较器；PWM输出和PWM锁存电路采用每组桥臂两路PWM输出逻辑互锁；脉冲捕捉电路的高速光耦采用HCPL0661芯片；实时时钟电路采用DALLAS公司的DS3231芯片；串行FLASH电路采用ATMEL公司的DataFlash：AT45DB161B芯片、复位电路复位芯片选用TI公司电源管理芯片TPS767D301芯片；CAN总线接口电路采用CAN收发器为SN65HVD232D芯片；RS232总线接口电路采用收发器为MAX3232ESE芯片。

本实用新型的目的是提供一种新型的基于TMS320F28335核微处理器的逆变器控制装置，作为系统的中央处理单元。它处理复杂算法的能力强、实时性好、具有增强的电机控制接口。可完成电机的变频控制、故障处理、数据通讯等功能，完成逆变器的中央控制功能。

所述的核心处理器电路采用32位DSP处理器具有高速处理功能。核心处理器电路作为装置的核心处理部分，内嵌浮点单元可完成复杂的浮点运算；内嵌CAN驱动程序，完成CAN应用层功能；内嵌RS232控制器，具有RS232通讯能力；内嵌16路AD，可完成16路12位精度模拟量测量；内嵌电机PWM逻辑控制单元和接口，完成电机驱动控制。

所述的外围配置电路包括数字量输入、输出部分电路；模拟量输入部分及故障处理电路；PWM输出和PWM锁存部分电路；脉冲捕捉部分电路；实时时钟电路；串行FLASH电路；复位电路；CAN总线接口电路；RS232总线接口电路。

所述的装置上还嵌入了电机矢量控制软件、维护软件、故障诊断处理软件、数据规约通信软件。

与现有技术相比较，本实用新型的优点在于：

(1)本实用新型采用TMS320F28335芯片为逆变器控制装置核心处理器，适合进行复杂浮点计算的电机变频控制，具有很高性价比。

(2)本实用新型核心芯片内嵌了大多数电机控制资源，集成度高，可使控制器做的很小，电机控制资源不出芯片使系统的抗干扰能力强。

(3)本实用新型外扩强大的外围配置电路完成电机的逆变控制。

附图说明

本实用新型共有12张附图，其中

图1是数字量输入电路；

图2是数字量输出电路；

图3是模拟量输入电路及故障处理电路；

图4是PWM输出和PWM锁存电路；

图5是脉冲捕捉电路；

图6是实时时钟电路；

图7是串行FLASH电路；

图8是复位电路；

图9是CAN总线接口电路图；

图10是RS232总线接口电路图；

图11是核心微处理器电路；

图12是本实用新型的控制装置逻辑框图。

图中：1、数字量输入电路 2、数字量输出电路 3、模拟量输入电路及故障处理电路 4、PWM输出和PWM锁存电路 5、脉冲捕捉电路 6、实时时钟电路 7、串行FLASH电路 8、复位电路 9、CAN总线接口电路 10、RS232总线接口电路 11、核心微处理器

具体实施方式

本实用新型的具体实施例如附图所示，图12所示为控制装置逻辑框图，包括核心微处理器11和外围配置电路。如图11所示的核心微处理器11电路图，其中DSP处理器选用TI公司的最新32位处理器TMS320F28335，它运算速度快，工作时钟频率达150MHz，指令周期可以达到6.67ns以内，低功耗(核心电压1.9V，I/O口电压3.3V)；采用哈佛总线结构，具有强大的操作能力、迅速的中断响应和处理以及统一的寄存器编程模式。可以实现16×16位和32×32位乘累加操作，并且含有单精度浮点单元；片内存储器包括256K×16位的Flash存储器，1K×16位的OTP型只读存储器，34K×16位的随机存储器，外部存储器接口可实现多达2M存储器的扩展。本电路采用串行外围接口(SPI)、I2C接口、串行通信接口(SCI)、局域网络接口(eCAN)、复位管脚(XRS)、普通IO接口与外围配置电路连接。

所述的外围配置电路包括数字量输入电路1、数字量输出电路2、模拟量输入电路及故障处理电路3、PWM输出和PWM锁存电路4、脉冲捕捉电路5、实时时钟电路6、串行FLASH电路7、复位电路8、CAN总线接口电路9、RS232总线接口电路10具体连接参考图1—图11。

数字量输入电路1、数字量输出电路2都采用光耦TLP627-2隔离、阻容滤波，使系统强、弱电分离，提高了整个系统的抗干扰性。继电器采用RY612005。核心微处理器11与此电路连接关系参考图1、2所示，DO[0..7]对应核心微处理器11的IO管脚GPIO40-GPIO47(核心微处理器11芯片的151—153、156—158、161—162管脚)、IN[0..13]开关量输入信号连接核心微处理器11的IO管脚GPIO66-GPIO79(核心微处理器11芯片的119、122—124、127—136管脚)。核心微处理器11可提供8路开关量输出、14路开关量输入。

模拟量输入电路及故障处理电路3主要完成模拟信号的调理和过压、欠压等故障事件的检测。信号通过比例放大并抬升满足微处理器内嵌AD(0-3V)测量要求，并采用二极管1N4148过压钳制保护片内AD。运放采用高精度LM158。故障检测部分采用LM311比较器设定上下故障电压限值，监测模拟信号过压、欠压等故障事件。核心微处理器11与此电路连接关系参考图3。ADC[0..7]，ERR[0..7]分别对应核心微处理器11的AD管脚ADCINA0-ADCINA7(核心微处理器11芯片的42—35管脚)和IO管脚GPIO80-GPIO87(核心微处理器11芯片的163—165、168—169、172—175管脚)。核心微处理器11可提供8路模拟量采集、8路过压、欠压故障输入检测。

PWM输出和PWM锁存电路4采用每组桥臂两路PWM输出逻辑互锁，硬件可调整RC值设定死区时间，即使微处理器出现故障，也保证IGBT的驱动电路的可靠。支持单独锁存每组桥臂的PWM信号。核心微处理器11与此电路连接关系参考图4。PWM[1-12]对应核心微处理器11的6对功能管脚GPIO0-GPIO11(核心微处理器11芯片的5—7、10—13、16—20管脚)、RET[1-12]锁存信号连接核心微处理器11的IO管脚GPIO16-GPIO23和GPIO50-53(核心微处理器11芯片的27—28、62—67、90—95管脚)。核心微处理器11可提供6对PWM对输出、12路故障锁存输入检测。

脉冲捕捉电路5采用高速光耦，可测6路速度信号。高速光耦采用HCPL0661。核心微处理器11与此电路连接关系参考图5。SPEED[0..5]对应核心微处理器11的功能管脚ECAP1-ECAP6(核心微处理器11芯片的68—69、72—73、88—89管脚)。核心微处理器11可提供6路速度测量。

实时时钟电路6采用DALLAS公司的DS3231，可提供秒级的日历时钟。核心微处理器11与此电路连接关系参考图6。SCL、SDA对应核心微处理器11的功能管脚SCLA、SDAA(核心微处理器11芯片的75、74管脚)。核心微处理器11可提供1路I2C总线，负责时钟的读取和设定。

串行FLASH电路7采用ATMEL公司的DataFlash：AT45DB161B，可提供16Mb的掉电保持数据。核心微处理器11与此电路连接关系参考：图7。SCL、SDO、SDI、/CS3_EE对应核心微处理器11的功能管脚SPICLKA、SPISOMIA、SPISIMOA、SPISTEA(核心微处理器11芯片的96—99管脚)。核心微处理器11可提供1路SPI总线，负责数据存储。

CAN总线接口电路9采用CAN收发器为SN65HVD232D芯片，具有总线过压保护能力；核心微处理器11与此电路连接关系参考图9。CANTX，CANRX对应核心微处理器11的功能管脚CANTXA、CANRXA(核心微处理器11芯片的176、1管脚)。核心微处理器11可提供1路CAN通讯。

RS232总线接口电路10采用收发器为MAX3232ESE。与微处理器同电压等级通信。核心微处理器11与此电路连接关系参考图10。SCITXD、SCIRXD对应核心微处理器11的功能管脚SCITXDA、SCIRXDA(核心微处理器11芯片的141、2管脚)。核心微处理器11可提供1路RS232通讯。

复位电路8支持上电、掉电、手动复位，并可统一复位时序，避免产生复位不同步的不可靠故障。复位芯片选用TI公司电源管理芯片TPS767D301，可提供200ms的复位时序。核心微处理器11与此电路连接关系参考图8。RESET对应核心微处理器11的复位管脚XRS(核心微处理器11芯片的80管脚)。核心微处理器11可上电、掉电、手动复位。

本实用新型上运行电机矢量控制软件、维护软件、数据规约通信软件、故障诊断处理软件。

电机矢量控制软件由精简汇编语言编写，完成电机的矢量控制。实时性要求强。

维护软件、数据规约通信软件主要完成以特定通信格式与上位机进行数据交换，设定或读取参数、电流电压等信号监测、主站命令执行等。由ANSI C语言编写完成。

故障诊断处理软件主要完成故障判断、故障事件的事件存储、故障报警等功能。由ANSI C语言编写完成。

Claims

1、一种逆变器控制装置，其特征在于是由核心微处理器(11)和外围配置电路所组成，外围配置电路包括数字量输入电路(1)、数字量输出电路(2)、模拟量输入电路及故障处理电路(3)、PWM输出和PWM锁存电路(4)、脉冲捕捉电路(5)、实时时钟电路(6)、串行FLASH电路(7)、复位电路(8)、CAN总线接口电路(9)、RS232总线接口电路(10)所组成；所述数字量输入电路(1)的开关量输入信号IN[0..13]与核心微处理器(11)的IO管脚GPIO66-GPIO79连接；所述数字量输出电路(2)的信号DO[0..7]与核心微处理器(11)的IO管脚GPIO40-GPIO47连接；所述模拟量输入电路及故障处理电路(3)的ADC[0..7]、ERR[0..7]信号对应核心微处理器(11)AD管脚ADCINA0-ADCINA7和IO管脚GPIO80-GPIO87连接；所述的PWM输出和PWM锁存电路(4)的PWM输出信号PWM[1-12]对应核心微处理器(11)的6对功能管脚GPIO0-GPIO11连接、RET[1-12]锁存信号对应核心微处理器(11)的IO管脚GPIO16-GPIO23和GPIO50-53连接；脉冲捕捉电路(5)的信号SPEED[0..5]对应核心微处理器(11)的功能管脚ECAP1-ECAP6连接；所述的实时时钟电路(6)的信号SCL、SDA对应核心微处理器(11)的功能管脚SCLA、SDAA连接；所述的串行FLASH电路(7)的信号SCL、SDO、SDI、/CS3_EE对应核心微处理器(11)的功能管脚SPICLKA、SPISOMIA、SPISIMOA、SPISTEA连接；所述的复位电路(8)的信号RESET对应核心微处理器(11)的复位管脚XRS连接；所述的CAN总线接口电路(9)的信号CANTX，CANRX对应核心微处理器(11)的功能管脚CANTXA、CANRXA连接；所述的RS232总线接口电路(10)的信号SCITXD、SCIRXD对应核心微处理器(11)的功能管脚SCITXDA、SCIRXDA连接。

2、根据权利要求1所述的逆变器控制装置，其特征在于所述的核心微处理器(11)选用32位处理器TMS320F28335芯片；数字量输入电路(1)、数字量输出电路(2)都采用光耦TLP627-2隔离、阻容滤波，继电器采用RY612005；模拟量输入电路及故障处理电路(3)的运放采用高精度LM158芯片，故障检测部分采用LM311比较器；PWM输出和PWM锁存电路(4)采用每组桥臂两路PWM输出逻辑互锁；脉冲捕捉电路(5)的高速光耦采用HCPL0661芯片；实时时钟电路(6)采用DALLAS公司的DS3231芯片；串行FLASH电路(7)采用ATMEL公司的DataFlash：AT45DB161B芯片、复位电路(8)复位芯片选用TI公司电源管理芯片TPS767D301芯片；CAN总线接口电路(9)采用CAN收发器为SN65HVD232D芯片；RS232总线接口电路(10)采用收发器为MAX3232ESE芯片。