对SC400系列变频器芯片的开发(8).docx

目录

第一章 绪论
1.1变频器的简介 1
1.2 国内变频器的发展及应用 2
1.3国内变频技术的现状和发展前景 2
1.4 sc400系列简介 3
1.5 任务要求 4
1.6 目标 4
第二章 SC400系列变频器2808芯片说明 5
2.1 TMS320F2808 控制器的特点 5
2．2.tms320f2808芯片特性 6
2.3 tms320f2808引脚图及结构框图 8
第三章H8芯片说明
3.1 h8芯片特点 9
3.2 内部框图 10
3.3 地址空间和存储器映像 12
3.4 h8管脚功能对照表 15
3.5电源电路及复位电路简介 17
3.5.1使用内部电源降压电路的情况 17
3.5.2 •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 20
4.1制作复位电路启动电路引脚功能对照表 20
4.2 绘制h8控制板电路原理图及其pcb版图 20
4.3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U／f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·f 8(1—8)／p
　　f s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f s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——直——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V／F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。V／F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V／F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，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。
1.4 sc400系列简介

图 1.1sc400系列变频器
1. 采用美国TI公司高性能32BIT DSP 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. 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
2 SC400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。
2.1 TMS320F2808 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32×32 MAC
- 12 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：32KB ～ 128KB
- 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)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，C28xTM DSP 内核的效率至少也要高出43%。这得益于C28x DSP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%。C28x DSP 内核架构与TI 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比，C28x DSP 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。TI 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PWM
F2801、F2806 和F2808 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。

2.3 tms320f2808引脚图及结构框图

　 图2.1 PQFP 封装引脚图

图2.2 PSOP 封装引脚图

3 H8芯片说明
3.1 h8芯片特点
• 16 位高速H8/300H CPU
在目标码级，与H8/300 CPU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A/D转换器
• 通用输入/输出端口
输入/输出端口：45个管脚（H8/3687N：43个管脚）。
其中8个大电流端口（IOL=20mA @VOL=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3.1F-ZTATTM 版、掩模型ROM 版 H8/3687 群内部框图

图3.2 EEPROM 叠层版 H8/3687N 内部框图

图3.3

3.3 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）

3.4 h8管脚功能对照表
表3.1
类型
H8
电源
符号
管脚编号
输入/输出
功能
Vcc
12
输入
电源管脚。请与系统电源连接。
Vss
9
接地管脚。请与系统电源（0V）连接。
Avcc
3
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。
VCL
6
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
0.1μF 左右的电容
时钟
OSC1
11
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 时钟发生器”
OSC2
10
输出
X1
5
输入
用于子时钟的32.768kHz 晶体谐振器的连接管脚。

X2
4
输出
系统控制
RES
7
输入
复位管脚。内置上拉电阻（typ. 150kΩ）。该管脚如设定为低电平，
则为复位状态。
TEST
8
测试管脚。请与 VSS 电位连接。
外部中断
NMI
35
输入
非屏蔽中断请求输入管脚。
IRQ0～
IRQ3
51～54
输入
外部中断请求输入管脚。能选择上升沿/下降沿
WKP0～
WKP5
13、14
19～22
输入
外部中断请求输入管脚。能选择上升沿/下降沿
RTC
TMOW
23
输出
分频时钟输出管脚
定时器 B1
TMIB1
52
输入
外部事件输入管脚
定时器 V
TMOV
30
输出
输出比较功能的波形输出管脚
TMCIV
29
输入
外部事件输入管脚。
TMRIV
28
计数器复位输入管脚。
TRGV
54
计数开始触发输入管脚。
定时器Z
FTIOA0
36
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。
FTIOB0
34
输出比较的输出/输入捕捉的输入/PWM 输出兼用管脚。
FTIOC0
33
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）。
FTIOD0
32
输出比较的输出/输入捕捉的输入/PWM 输出兼用管脚。
FTIOA1
37
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）。
FTIOB1～
FTIOD1
38～40
输出比较的输出/输入捕捉的输入/PWM 输出兼用管脚。
14 位PWM
PWM
24
输出
14位PWM 方波输出管脚。
I2C 总线接口
（IIC）
SDA*1
26
输入/输出
I2C 数据输入/输出管脚。能用NMOS 漏极开路输出直接驱动总线。
使用时，外部需要上拉电阻。
SCL*1
27
输入/输出
（EEPROM：
输入）
I2C 时钟输入/输出管脚。能用NMOS 漏极开路输出直接驱动总线。
使用时，外部需要上拉电阻。
串行通信
接口（SCI）
TXD、
TXD_2
46、50
输出
发送数据输出管脚。
RXD、
RXD_2
45、49
输入
接收数据输入管脚。
SCK3、
SCK3_2
44、48
输入/输出
时钟输入/输出管脚。
A/D 转换器
AN7～
AN0
2、1
64、63
59～62
输入
模拟信号输入管脚。
ADTRG
22
转换开始触发输入管脚。
I/O 接口pwm兼用
PB7～PB0
2、1
64、63
59～62
输入
8位输入端口。
P17～P14
P12～P10
54～51
25～23
输入/输出
7位输入/输出端口。
P24～P20
31、47～
44
5位输入/输出端口。
P37～P30
18～15
55～58
8位输入/输出端口。
P57～P50
27*2、26*2
22～19
14、13
8位输入/输出端口。
P67～P60
40～37
32～34
36
8位输入/输出端口。
P76～P74
P72～P70
30～28
50～48
6位输入/输出端口。
P87～P85
43～41
3位输入/输出端口。
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
0.1μF 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VCC 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3.0V～3.6V。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
H8
tms2808
电源
符号
管脚编号
输入/输出
符号
管脚编号
输入/输出
Vcc
12
输入
Vdd
32/43

Vss
9
Vss/VSSA
Dec-44

Avcc
3
VDDA
11

VCL
6
VDD?

时钟
OSC1
11
输入
XCLKIN
23/25

OSC2
10
输出
XCLKOUT
24

X1
5
输入
X1
45

X2
4
输出
X2
46

系统控制
RES
7
输入
XRS
3

TEST
8
TEST
30

4.2 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Altium Designer 6.0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Altium Designer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4.2 2808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 X1 X2
最终成果图为

图4.7
H8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4.8 H8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，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Altium Designer 6.0，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。
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致谢
本文是在我的导师王中庆教授的谆谆教诲和悉心指导下完成。王老师在学术上有着严谨的科研作风，实事求是的治学态度，并时刻能够把握最新科技的前沿，了解当今世界顶级变频器研究动态，让我受益匪浅，王老师生活上平易近人，和蔼可亲，令我钦佩不已，是我学习和生活中的榜样；王老师渊博的知识、严谨的作风、高度的责任感以及忘我的工作热情，将永远激励我在以后的学习科研中开拓进取、奋发向上。在毕业设计研究之中，王老师给了我最及时和最有效的指导，这使得我最终克服各种困难，顺利地完成了论文。王老师一直鼓励我提高自己的综合素质，并给我创造了许多锻炼的机会，让我在实际锻炼中不断进步。在此，谨向我的导师表示最崇高的敬意和最衷心的感谢。
在此尤其要感谢韩师兄于赵总，感谢他们不厌其烦的指导我设计制图，感谢他为我推荐参考书籍、论文。同时，我还要感谢北京茨服电器有限公司所有工程师师兄师姐，感谢他们在我进行毕业设计过程中不断给我无私的关怀和帮助，对我遇到的迷惑和不解给充分的解答和说明，使我的知识面和科研能力得到很大的提高。他们对本文的完成以及修订提供了很多的宝贵的指导意见，并提出了修改方案，感谢他们所做的工作。
感谢我的所有朋友，多年来一直对我进行鼓励和支持，使我端正了学习和生活的态度，使我有恒心有毅力在学习和科研的道路上不断进步。感谢08050541班所有的同学，四年来对我无微不至的照顾和的关怀，伴我度过充实而美好的大学时光。
最后，深深感谢我的亲人对我的一贯关心、爱护和帮助，他们的支持、理解和鼓励是我努力完成学业的精神支柱，父母的殷切期望是我前进的最大动力