向 楠，黃道業(yè)

（安徽國防科技職業(yè)學院汽車工程系，安徽 六安 237011）

基于MSP430F5438A單片機的交流變頻器的設(shè)計

向 楠，黃道業(yè)

（安徽國防科技職業(yè)學院汽車工程系，安徽 六安 237011）

設(shè)計的交流變頻器由MSP430單片機電路、數(shù)碼管顯示和鍵盤電路、二極管整流電路、二極管整流保護電路、IPM模塊電路等幾個模塊電路組成.數(shù)碼管顯示及鍵盤模塊電路和IPM模塊電路由單片機直接控制；電壓整流部分是由二極管整流電路及其整流保護電路來控制；最后由單片機產(chǎn)生6路SPWM脈沖來實現(xiàn)對三相交流電機轉(zhuǎn)速的開環(huán)控制.

交流變頻器；MSP430F5438A；開環(huán)控制

交流變頻器是利用電力電子半導體器件控制通斷變換頻率的電能控制裝置，它能夠?qū)崿F(xiàn)對交流異步電機的軟啟動、變頻調(diào)速、提高運轉(zhuǎn)精度等功能.目前實際中應用最為廣泛的是交-直-交變頻器，簡稱VVVF電源.這種變頻器是由AC-DC、DC-AC兩類基本的變流電路組合形成，先將交流電整流為直流電，再將直流電逆變?yōu)榻涣麟?交流變頻器的設(shè)計采用MSP430F5438A為主控模塊，由它分別產(chǎn)生6路SPWM波形，經(jīng)過IPM模塊電路來實現(xiàn)對三相交流電機的開環(huán)控制.

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

交流變頻器由單片機電路、顯示和鍵盤電路、二極管整流電路、二極管整流保護電路、IPM模塊電路等幾部分組成.主控部分采用TI公司的MSP430F5438A芯片，顯示和鍵盤電路由主控模塊控制；220 V電壓整流由二極管整流電路及二極管整流保護電路來處理；IPM模塊電路由單片機電路直接產(chǎn)生6路SPWM脈沖來控制，通過改變來實現(xiàn)對三相交流電機的轉(zhuǎn)速控制.

系統(tǒng)設(shè)計總體方案如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

1.1 MSP430單片機

MSP430系列單片機是美國TI公司生產(chǎn)的16位的高性能的一款工業(yè)級混合信號處理器.它以擁有超低電壓、超低功耗，超高的指令處理速度迅速的占領(lǐng)市場.本系統(tǒng)主控模塊選用MSP430系列的MSP430F5438A芯片，其原理圖如圖2所示.芯片有100個管腳，第13腳XIN和第14腳XOUT連接XTAL1晶振，第62管腳接瓷片電容C9的一端，另一端接地.

圖2 MSP430F5438A單片機原理圖

1.2 二極管整流模塊

交流電可以通過整流電路轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，本系統(tǒng)采用四個二極管連接的整流橋電路，電路比較簡單，在此就不贅述了.

1.3 二極管整流保護模塊電路

由整流模塊輸出的直流電需要再經(jīng)過一個二極管整流保護電路，該模塊主要起到保護負載的作用，其原理圖如圖3（a）、（b）所示.

圖3 二極管整流保護模塊電路原理圖

由圖3（a），該模塊剛啟動時，在主回路上串聯(lián)一個限流電阻，其作用是為防止C1的電容充電電流過大而損壞電路.當電壓加到60 V左右時，繼電器K1吸合，限流電阻被短接；當電壓加至120 V左右時，繼電器K2吸合，K2的主要作用為當線路故障時，電流增大會拉低母線電壓，從而切斷K2保護后面的負載.

由圖3（b）所示的電路是一個具有正反饋的電壓比較器，同時具有遲滯特性，可以防止母線電壓波動時，造成繼電器的誤動作.當運放2腳電壓低于3腳電壓時，1腳輸出高電平，繼電器不動作，當2腳電壓高于3腳電壓時，運放1腳輸出低電平，繼電器動作.

1.4 IPM模塊電路

IPM是Intelligent Power Module（智能功率模塊）的縮寫，它將IGBT連同其驅(qū)動電路和多種保護電路封裝在同一模塊內(nèi)，提高了系統(tǒng)的可靠性.IPM中的每個功率模塊都設(shè)置有各自獨立的驅(qū)動電路和多種保護電路，能夠?qū)崿F(xiàn)過電流、短路電流、控制電壓降低及過熱保護等功能，一旦發(fā)生負載事故或使用不當?shù)犬惓Ｇ闆r，模塊內(nèi)部即以最快的速度進行保護，同時將保護信號主控模塊進行第二次保護.這種多重保護措施可保證IPM模塊不受損壞，與IGBT模塊相比，可靠性及安全性顯著提高.而且，IPM的開關(guān)損耗、轉(zhuǎn)換效率都優(yōu)于IGBT模塊.

該模塊主要由TLP250光耦隔離電路部分、保護部分和IPM模塊PS21564-P.如圖4～圖6所示.

圖4 光耦隔離部分

圖5 保護部分

開發(fā)板輸出信號通過TLP250快速光耦進行隔離，其輸入、輸出邏輯相同.

保護電路模塊部分FO1為故障信號，低電平有效，當發(fā)生故障時，F(xiàn)O變?yōu)榈碗娖?該模塊具有欠壓、過流、過熱保護.

該模塊連接到固定電源的反向二極管耐壓值必須大于主電路母線電壓峰值，且為了防止自舉電容兩端放電，二極管應選高頻快恢復二極管.為防止自舉電容放電造成其兩端電壓低于欠電壓保護的門檻電壓值，電容的取值應足夠大.

1.5 顯示和鍵盤模塊

系統(tǒng)是通過按鍵來調(diào)節(jié)交流變頻器的載波頻率來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速并能實時顯示頻率，顯示部分電路采用常見的七段顯示譯碼管，按鍵也是傳統(tǒng)電路，這兩部分電路都是與單片機電路相連接，結(jié)構(gòu)相對簡單，在此不贅述了.

2 程序設(shè)計思路

程序開發(fā)流程圖如圖7所示：

圖6 PS21564-P

圖7 系統(tǒng)整體設(shè)計流程圖

3 結(jié)語

系統(tǒng)設(shè)計的交流變頻器由單片機電路、數(shù)碼管顯示及鍵盤電路、二極管整流電路、二極管整流保護電路及IPM模塊電路等幾個模塊電路組成，可以實現(xiàn)對三相交流電機轉(zhuǎn)速的開環(huán)控制.當然，系統(tǒng)設(shè)計中還有很多的不足，以后將更深一步研究.

［1］ 梁源，賈靈，郝強.大學生嵌入式學習實踐——基于MSP430系列［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2010.

［2］ 《msp430單片機技術(shù)白皮書》TI公司.

［3］ 周杏鵬，仇國富，王壽榮，等.現(xiàn)代檢測技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［責任編輯王新奇］

Design of AC Frequency Converter Based on MSP430F5438A M icrocontroller

XIANG Nan，HUANG Dao-ye

（Department of Automobile Engineering，An'hui National Defense Vocational College，Lu'an 237011，China）

The AC frequency inverter introduced here consists of several module circuits，which include MSP430 MCU circuit，digital tube display and keyboard circuit，diode rectifier circuit，diode rectifier protection circuit and IPM module circuit.Digital tube display，keyboard module circuit and IPM module circuit are under the direct control of single chip microcomputer.Voltage rectifier is controlled by diode rectifier and rectifier protection circuit.Finally，six SPWM pulses generated by single chip microcomputer are used tomanipulate open-loop control of three-phase ACmotor speed.

AC frequency converter；MSP430F5438A；open-loop control

TP272

A

1008-5564（2015）02-0042-04

2014-10-28

安徽省示范實驗實訓中心《汽車技術(shù)實驗實訓中心》項目（2013sxzx042）階段性成果

向 楠（1983—），女，湖北恩施人，安徽國防科技職業(yè)學院汽車工程系講師，碩士，主要從事汽車電子技術(shù)研究；

黃道業(yè)（1964—），男，安徽六安人，安徽國防科技職業(yè)學院汽車工程系教授，碩士，主要從事系統(tǒng)建模與仿真研究.