对SC系列变频器芯片的开发

1、对SC系列变频器芯片的开发2020年5月塞年的企业咨询赖问经验.经:目录第一章绪论1.1 变频器的简介 11.2 国内变频器的发展及应用 21.3 国内变频技术的现状和发展前景 21.4sc400 系列简介 31.5 任务要求 41.6 目标 4第二章 SC400 系列变频器 2808 芯片说明 52.1TMS320F2808 控制器的特点 52 2.tms320f2808 芯片特性 62.3tms320f2808 引脚图及结构框图 8第三章 H8 芯片说明3.1h8 芯片特点 93.2 内部框图 103.3 地址空间和存储器映像 123.4h8 管脚功能对照表 153.5 电源电路及复位电路

2、简介 173.5.1 使用内部电源降压电路的情况 173.5.2 ?加电复位电路 18第四章引脚功能对应替换及原理图 pcb 版图绘制 204.1 制作复位电路启动电路引脚功能对照表 204.2 绘制 h8 控制板电路原理图及其 pcb 版图 204.3开发完成后的电路原理图及其 PCb版图24总结.28 参考文献：29致谢.30 1 绪论1.1 变频器的简介 近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动 与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一， 电气传动技术面临着一场历史革 命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发 展趋势。电机交流变

3、频调速技术是当今节电、 改善工艺流程以提高产品质量和改 善环境、推动技术进步的一种主要手段。 变频调速以其优异的调速和起制动性能， 高效率、高功率因数和节电效果， 广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公 认为最有发展前途的调速方式。 深入了解交流传动与控制技术的走向， 具有十分 积极的意义 .一、变频器调速运行的节能原理 实现变频调速的装置称为变频器。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保 护电路以及控制器（MCU /DSP）等部分组成。首先将单相或三相交流电源通过整 流器并经电容滤波后， 形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上， 利用逆变器 功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状

4、的矩形脉冲波形。在这里， 通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率， 从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满足变频调速对Uf 协调控制的要求。 PWM 的优点是能消除或抑制低次谐波，使负载电机在近正弦波的 交变电压下运行，转矩脉冲小，调速范围宽。采用 PWM 控制方式的电机转速受到上限转速的限制。 如对压缩机来讲， 一般不 超过 7000r rain 。而采用 PAM 控制方式的压缩机转速可提高 1.5 倍左右，这 样大大提高了快速增速和减速能力。同时，由于 PAM 在调整电压时具有对电流 波形的整形作用， 因而可以获得比 PWM 更高的效率。 此外，在抗

5、干扰方面也有 着 PWM 无法比拟的优越性， 可抑制高次谐波的生成， 减小对电网的污染。 采用 该控制方式的变频调速技术后，电机定子电流下降 64% ，电源频率降低 30%， 出胶压力降低57%。由电机理论可知，异步电机的转速可表示为：n=60 f8（1 8 pfs 为电机定子频率 （也即是电网频率 ）， P 电机定子的绕组极对数， s 为转差率。 由上式可知，只要转差率不太大，可以近似认为转速 n 与 fs 成正比，这就意味 着连续平滑的改变电源频率， 就可以实现交流电动机大范围的连续平滑调速。 例 如一个额定转速 3000 转分的电动机，由变频器供电，若启动频率设定为 5HZ， 那么变频器

6、可以运行在 5 50HZ 之间的任一频率上，则电动机可以运行在30o 3000转/分之间的任一转速上电动机由市电启动，启动平衡，力矩大 又节能。50HZ380V 的市电经过整流滤波环节后成为直流电，再经过逆变环节变成了频率和幅度都可调的交流电。在变频器主回路中电能经过了交流直流交流的变换，所以这类变频器称作交一一直一一交类变频器1.2 国内变频器的发展及应用随着生产技术的不断发展， 直流拖动的薄弱环节逐步显露出来。 由于换向器的存， 直流电机的维护量加大，单机容量、 最高转速以及使用环境都受到限制。 人们开 始转向结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉的异步电动机。但异步电动机 的调速性能难以

7、满足生产的需要。于是，从 20 世纪 30 年代开始，人们致力于 交流调速技术的研究，然而进展缓慢。 在相当长的时期内， 直流调速一直以其优 异的性能统治着电气传动领域。 20 世纪 60 年代以后，特别是 70 年代以来，电 力电子技术、 控制技术和微电子技术的飞速发展， 使得交流调速性能可以与直流 调速相媲美。目前，交流调速已进入逐步代替直流调速的时代。1.3 国内变频技术的现状和发展前景 国内已经有较多的变频器生产厂，但大部分的产品都是 VF 控制和电压空 间矢量控制变频器，使用在调速精度和动态性能要求不高的负载上应该没有问 题。工业应用中绝大部分都是这种负载， 变频器在这种场合应用最重

8、要的要求是 可靠性，国产变频器占国内市场份额不高的主要原因是产品品质不过硬。VF控制和电压空间矢量控制变频器比矢量控制变频器从技术上来看要简单得多， 由 于国内厂家大部分都是手工作坊式的生产，工艺欠佳，检测手段有限， 品质的一 致性和稳定性难以保证。同样是 VF 控制的变频器，国外的产品比国内的产品 品质要好， 这可能是生产工艺方面的差距。 差距最大的是半导体功率器件的制造 业，至今在国内这仍是一个空白。变频器技术的另外一个层面是应用技术。 多年来， 国家经贸委一直会同国家有关 部门致力于变频器技术的开发及推广应用， 在技术开发及技术改造方面给予了重 点扶持， 组织了变频调速技术的评测推荐工作

9、， 并把推广应用变频调速技术作为 风机、水泵节能技改专项的重点投资方向， 同时鼓励单位开展同贷同还方式， 抓 开发、抓示范工程、抓推广应用，还处理了风机、水泵节能中心，开展信息咨询 和培训。 1995 1997 年， 3 年间我国风机、水泵变频调速技术改造投入资金 3.5 亿元，改造总容量达 100 万千瓦，可年节电 7 亿度，平均投资回收期约 2 年。据有关资料表明， 我国变频调速技术应用已经取得了相当大的成绩， 每年有 数十亿元的销售额， 说明我国的变频器应用已非常广泛。 从简单的手动控制到基 于 RS 一 485 网络的多机控制，与计算机和 PLC 联网组成复杂的控制系统。在 大型综合自

10、动化系统，先进控制与优化技术， 大型成套专用系统， 如连铸连轧生 产线、高速造纸生产线、电缆光纤生产线、化纤生产线、建材生产线等，变频器 的作用是电气传动控制， 其控制的复杂性、 控制精度和动态响应都有很高的要求， 已经完全取代了直流调速技术。 近年来，变频器在功能上， 利用先进的控制理论， 开发出了诸如卷取、 提升、主从等控制功能， 使应用系统的构成更加方便和容易， 使变频器的应用技术提高到一个新的水平。1.4sc400 系列简介图 1.1sc400 系列变频器1.采用美国 TI 公司高性能 32BITDSP 控制精度高；2. 运行平顺可靠；3. 独有高效节能功能；4. 输出谐波分量小；5.

11、 内置串行通讯接口，可方便的连接上位机，最多可连接127 台变频器6. 内置智能调节器，参数自适应；7. 结构美观大方；8. 体积小，便于安装；9. 参数设置方便。1.5 任务要求 由于茨服 sc400 变频器系列广泛应用于雕刻机械、纺织机械，但随着科技的发 展及客户要求的升级， 原有的芯片已经不足以完成现有客户的使用要求。 我的任 务是将 SC400 系列变频器的 2808 芯片的功能移植到 h8 芯片中，以便于雕刻机 械、纺织机械行业的用户使用。1.6 目标了解 tmsf2808 芯片各个管脚的功能，掌握 sc400 系列变频器的电路原理图， 对各部分功能进行了解了解 h8 芯片各个管脚的

12、功能，绘制新的电路原理图， pcb 版图，并且将 2808 芯片上的复位电路和启动电路移植到 h8 芯片上2SC400 系列变频器 2808 芯片说明TMS320F2801 、F2806 和 F2808 控制器实现了优化的控制系统能力集成将 脉宽调制 (PWM) 发生、多功能的定时器、传感器捕获、模拟 - 数字转换、通信接 口以及程序和数据存储器集成为一个器件， 减少和降低了系统成本、 板级空间以 及系统复杂性。2.1TMS320F2808 控制器的特点32 位 DSP 内核ADC-100MIPS 性能- 高速吞吐量 (160ns/6.25MSPS)-单周期 32 ×32MAC-12

13、 位分辨率-超高速中断响应-同时或单采样模式存储器-16 通道、多路转换输入-快闪存储器：32KB128KB- 两个集成采样及保持电路-RAM ： 12KB-36KB- 内部或外部基准- 引导 ROM ： 8KB通信控制外设-多达 4 个 SPI 通道-能够同时控制多达 5 个三相逆变器- 多达 2 个 SCI- 多达 16 个独立 PWM 通道-I2C-多达 4 个增强型捕获单元-多达 2 个 CAN 接口-多达 2 个增强型 QEP 单元-增强型定时器单元2 2.tms320f2808 芯片特性集成化和灵活性TMS320F2808 控制器实现了优化的控制系统能力集成将脉宽调制 （PWM）

14、发 生、多功能的定时器传感器捕获、模拟 - 数字转换、通信接口以及程序和数据存 储器集成为一个器件， 减少和降低了系统成本板级空间以及系统复杂性。 灵活性 多样的功能来源于一组具有专用用法和好处的改进型外设功能和模式。例如， F2808 控制器新近得到提升的 PWM 功能实现了对所有 16 个 PWM 输出的独立 控制。这使得采用单个 F2808 控制器便能够控制多达 5 个三相逆变器，同时还 可执行功率因数校正。 片上的外设是专为最大限度地提升软件模块性和可扩展性 而设计的。比如， PWM 子系统就是由经过相同编程的可互换、重复部件所组成 的。将软件从片上资源较少的低成本器件移植到性能较高的

15、器件因此变得轻而易 用举。该款重新设计的高准确度、16通道、12位模拟-数字转换器（ADC）具有可 满足极高性能控制应用之需的转换速度 （高达 6.25MSPS） ，并具备可根据您的系 统要求而采用内部基准、简化外部基准、 甚至是软件校准型基准的灵活性。 灵活 丰富的片上资源令设计师能够通过增强、 替换或取消以往需要采用额外元件方可 实现的其他系统功能 （比如：功率因数校正、滤波、速度和位置传感器、运动剖 析、通信协议和通用主处理器任务 ）来引入其他节省成本的措施。控制架构 在当今的应用中，性能并不仅限于处理器速度或者采用 32 位数据通路的更高计 算精度。 在实时控制系中， 认识到中断响应时

16、间、 代码密度以及架构效率的重要 性是很重要的。在处理 32 位数据时， TMS320C2808MDSP 内核的效率是 16 位竞争器件的两倍。即使是在 16 位计算中，与竞争对手相比， C28xTMDSP 内 核的效率至少也要高出 43% 。这得益于 C28xDSP 架构中的寻址和存储器存取效 率。这些架构优势还体现在代码长度基准程序上不管是采用汇编语言还是 C 语言来进行人工编码， 对于相同的操作， 竞争器件所需的程序存储器至少要比我 们的产品多出10%。C28xDSP内核架构与Tl编译器技术的组合意味着开发人 员能够在开销很小的情况下进行 C 语言编程。即使是与性能最为接近的竞争器 件相

17、比， C28xDSP 内核的中断开销处理效率也要高出两倍。这意味着更快的系 统响应，那些仅仅为了响应中断而被浪费掉的时钟周期也将减致最少。 最大限度地提升性能对于系统性能而言， 存储器资源的存取速度也是很重要的。 Tl 的高速、流水线型 片上快闪存储器 （可支持接近满时钟频率的程序执行）消除了大多数嵌入式控制器的常见瓶颈。F2808 集成了用于实时代码或需要进行快速存取的数据的快闪存储器和RAM（其存储容量分别高达128KB和 36KB） 。借助能够保护所有片上存储器免遭非法存取的128位口令，您宝贵的知识产权（IP）绝无被盗 用之忧。高分辨率 PWMF2801 、F2806 和 F2808

18、控制器是首批融入了 TI 的新型高分辨率 PWM 能力的 处理器。该独特功能使得这些处理器能够提供的 PWM 分辨率比市面上任何同类 竞争器件高出 6 位。现在，对于 1MHz 以上的开关频率，电源设计师可以转而 采用可编程的数字环路控制方案。 较高分辨率的 PWM 控制也使低频开关应用受 益，以数字电机控制器为例， 更高的分辨率和准确度将意味着更加精确的环路和 更加优良的系统控制。随着该有效分辨率的提高， TMS320F2808 控制器的 PWM 模块如今已可被用作集成数字 - 模拟转换器，从而为嵌入式控制系统设计师提供 了更高的可用性能。2.3tms320f2808 引脚图及结构框图图 2

19、.1PQFP 封装引脚图图 2.2PSOP 封装引脚图3H8 芯片说明3.1h8 芯片特点?16 位高速 H8/300HCPU在目标码级，与 H8/300CPU 向上兼容通用寄存器：16位×16个基本指令： 62 种?丰富的外围功能RTC （可作为自由运行计数器使用）定时器 B1 （8 位定时器）定时器 V（ 8 位定时器）定时器 Z（ 16 位定时器）14 位 PWM监视定时器SCI （异步或者时钟同步串行通信接口）×2个通道I2C 总线接口（符合飞利浦公司提倡的 I2C 总线接口方式）10位AlD转换器 ?通用输入/输出端口 输入/输出端口： 45个管脚（H8/3687

20、N : 43个管脚）。其中8个大电流端口（ IOL=20mAVOL=1.5V ）输入端口： 8个管脚（模拟输入管脚兼用）?EEPROM 的接口（只限于 H8/3687N ）I2C总线接口（符合飞利浦公司提倡的I2C总线接口方式）?支持各种低功耗模式3.2内部框图图3仆-ZTATTM 版、掩模型 ROM版H8/3687 群内部框图图3.2EEPROM叠层版H8/3687N 内部框图图3.33.3地址空间和存储器映像H8群的地址空间为64K字节，包含程序区和数据区。存储器映像如下图所示图3.4存储器映像（1）图3.5存储器映像（2）图3.6存储器映像（3）3.4h8管脚功能对照表表3.1类型H8电

21、源符号管脚编号输入/输出功能VCC12输入电源管脚。请与系统电源连接。VSS9接地管脚。请与系统电源（0V）连接。AVCC3用于A/D转换的模拟信号电源管脚。不使用A/D转换器时，请与系统电源连接。VCL6内部降压电源管脚。为了稳定化，请在该管脚和VSS管脚之间插入0.1 F左右的电容时钟OSCI11输入用于系统时钟的晶体谐振器或者陶瓷谐振器的 连接管脚。也能输入外部时钟。连接例子，请参照“第五章时钟发 f .耳口 ”生器0SC210输出X15输入用于子时钟的 32.768kHz 晶体谐振器的连接 管脚。X24输出系统控制RES7输入复位管脚。内置上拉电阻(typ.150k )。该管脚如设定为

22、低电平，则为复位状态。TEST8测试管脚。请与VSS电位连接。外部中断NMI35输入非屏敝中断请求输入管脚。IRQo IRQ351 54输入外部中断请求输入管脚。 能选择上升沿/下降沿WKPO WKP513、1419 22输入外部中断请求输入管脚。 能选择上升沿/下降沿RTCTMOW23输出分频时钟输出管脚定时器B1TMIB152输入外部事件输入管脚疋时器VTMOV30输出输出比较功能的波形输出管脚TMCIV29输入外部事件输入管脚。TMRIV28计数器复位输入管脚。TRGV54计数开始触发输入管脚。定时器ZFTloAo36输入/输出输出比较的输出/输入捕捉的输入/外部时钟输入兼用管脚。FTl

23、oBo34输出比较的输出/输入捕捉的输入/PWM 输出兼用管脚。FTIOCO33输出比较的输出/输入捕捉的输入/PWM 同步输出兼用管脚（在复位、互补PWM模式时）。FTIODO32输出比较的输出/输入捕捉的输入/PWM 输出兼用管脚。FTIOAI37输出比较的输出/输入捕捉的输入/PWM 输出兼用管脚（在复位、互补PWM模式时）。FTIOBIFTIODI38 40输出比较的输出/输入捕捉的输入/PWM 输出兼用管脚。14 位 PWMPWM24输出14位PWM方波输出管脚。I2C总线接SDA*126输入/输出I2C数据输入/输出管脚。能用 路输出直接驱动总线。使用时，外部需要上拉电阻。NMOS

24、漏极开口输入/输出I2C时钟输入/输出管脚。能用NMOS漏极开(IIC)(EEPRoSCL*127M :路输出直接驱动总线。使用时，外部需要上拉电阻。输入）TXD、46、50输出发送数据输出管脚。TXD_2串行通信RXD、45、49输入接收数据输入管脚。接口(SCI)RXD_2SCK3、44、48输入/输出时钟输入/输出管脚。SCK3_22、1AN764、63模拟信号输入管脚。AlD转换器AN05962输入ADTRG22转换开始触发输入管脚。2、1PB7 64、63输入8位输入端口。I/O接口兼用PBo5962PWmP175451输入/输出7位输入/输出端口。P142523P12P10P243

25、1、47 5位输入/输出端口。P2044P3718 158位输入/输出端口。P3055 5827*2、P5726*28位输入/输出端口。P5022 1914、1340 37P6732 348位输入/输出端口。P6036P76P7430 286位输入/输出端口。P7250 48P70P8743 413位输入/输出端口。P85电压调节器控制信号3.5 电源电路及复位电路简介3.5.1 使用内部电源降压电路的情况如图所示，必须将外部电源连接到 VCC 管脚，并且在 VCL 和 VSS 之间连接一 个大约0.1F 的电容。通过附加这个外部电路，使内部降压电路有效。外部电路的输入/ 输出电平以连接到 V

26、CC 的外部电源电压和连接到 VSS 的 GND 电位为基准。例如，端口的 输入/ 输出电平，高电平以VCC为基准，低电平以VSS为基准。A/D转换器的模拟电源不受内部 降压电路的影响。图 3.2 在使用内部电源降压电路的情况下的电源连接图不使用内部电源降压电路的情况如图所示，必须将外部电源连接到VCL和VCC管脚。外部电源被直接提供给内 部电源。可使用的电源电压为 3.0V3.6V。在供给超过这个范围的电源的情况下， 运行不被保证。图 3.3在不使用内部电源降压电路的情况下的电源连接图3.5.2 ?加电复位电路通过外部连接电容，在接通电源时，产生内部复位信号。?低电压检测电路低电压检测复位电

27、路：监视电源电压，在一定电压以下时，产生内部复位信号。 低电压检测中断电路： 监视电源电压， 在从一定电压下降或者上升时， 产生中断。 检测复位发生电压的电平能选择两种情况： 只使用低电压检测复位电路， 或者低 电压检测中断电路和低电压检测复位电路并用。图 3.4 加电复位电路和低电压检测电路的框图4引脚功能对应替换及原理图PCb版图绘制4.1制作复位电路启动电路引脚功能对照表表4.1类型H8tms2808电源符号管脚编号输入/输出符号管脚编号输入/输出VCC12输入Vdd32/43VSS9VSSzVSSADec-44AVCC3VDDA11VCL6VDD?时钟OSC111输入XCLKIN23/

28、25OSC210输出XCLKOUT24X15输入X145X24输出X246系统控制RES7输入XRS3TEST8TEST304.2 绘制 h8 控制板电路原理图及其 pcb 版图由于国内的绘图软件无法达到公司绘图要求的精确性和可塑形，于是我学习了 AltiumDesigner6.0 这款软件本款软件在单一设计环境中集成板级和 FPGA 系统设计、基于 FPGA 和分立处 理器的嵌入式软件开发以及 PCB 版图设计、编辑和制造。并集成了现代设计数 据管理功能 ,使得 AltiumDesigner 成为电子产品开发的完整解决方案一个既 满足当前，也满足未来开发需求的解决方案。 在实际应用中远远领先

29、于其他软件。 经过半个月的学习， 我掌握了基本的电路连接技巧和绘图方法， 在北京茨服电气 赵总和工程师的帮助下绘制出了开发前后的电路原理图和 pcb 版图首先我根据公司原有的纸质电路原理图绘制出了以下的电路原理图并借鉴了公司的 PCB 版图图 4.12808 芯片电路原理图图 4.22808 芯片 pcb 版图4.3 开发完成后的电路原理图及其 pcb 版图跟据表的管脚对应关系原有的复位电路图 4.3调整为图 4.4连接到 RES 管脚原有的启动电路图 4.5改为图 4.6并将两管脚连接到 X1X2最终成果图为图 4.7H8 芯片电路原理图由于此次实习时间短暂，我绘制的 PCB 版图来不及进行

30、生产测试等一系列 工序，完整的 PCB 版图很遗憾的并未完成， 现在只有一张未经过生产测试的 PCB 版图，也是本次设计的遗憾所在图 4.8H8 芯片电路 PCB 版图经过公司技术人员的指导和确认，本次设计圆满的完成了任务，成功的将 2808 芯片的复位功能电路和启动电路移植到了 h8 芯片中，为公司技术人员进行下一步的功能移植和程序移植打下了坚实基础总结这次毕业设计我的题目是 对 SC400 系列变频器芯片的研究， 在这次设计中， 我有幸得到了校外实习的机会，北京茨服电器有限公司的工作人员热情的接待了我们， 并提出他们现有的变频器产品的不足， 希望我参与他们的开发测试， 在此次开发 设计中，

31、我了解了 sc400 系列变频器所使用的 2808 芯片的管脚对应功能， 结构 框 图，电路原理 图和 PCB 版图。其次我学习 了绘制 电路 原理图的软件 AltiumDesigner6.0 ，在工程师和赵总的帮助下完成了 h8 芯片的电路原理图和 PCB 版图。成功的移植了 2808 芯片的启动电路和复位电路。参考文献 :1 陈伯时自动控制系统北京：机械工业出版社，2003.72 韩安荣通用变频器及其应用北京：机械工业出版社，2000,3-1393 张燕宾.SPWM变频调速应用技术北京：机械工业出版社，2002.94 沙占友新型单片开关电源的设计与应用北京：电子工业出版社，2001,385

32、0丁斗章变频调速技术与系统应用北京：机械工业出版社，2005,7466 唐中燕基于单片机的单相 SPWM变频器设计.电机电器技术, 2004(4)，35377 陈冲，李维谦，齐虹.8089单片机控制的SPWM逆变器福州大学学报(自 然科学版)， 1997 ( 25)， 50538 赵德元由单片机控制的单相 SPWM变频器的研究微型机与应用.2003(3)， 15179 王慧，任恩恩，孔令刚.IPM智能功率模块及应用科技咨询导报，2007 ( 1 )，515310 许维广，邹江峰智能功率模块IGBT-IPM在逆变器中的应用电气应用，2005 ( 24)， 747611 王晓明，杨秀艳，董玉林智能功率模块IPM故障信号的处理方法辽宁工学院学报， 2005 ( 25)， 959612 周志敏，周纪海，纪爱华.变频电源使用技术中国电力出版社，2005,2125200413 王士湖基于IPM的电机控制系统逆变器的设计淮阴工学院学报,13 ）， 161814