基于MSP430F5438A单片机的交流变频器的设计

向 楠，黄道业

（安徽国防科技职业学院汽车工程系，安徽 六安 237011）

基于MSP430F5438A单片机的交流变频器的设计

向 楠，黄道业

（安徽国防科技职业学院汽车工程系，安徽 六安 237011）

设计的交流变频器由MSP430单片机电路、数码管显示和键盘电路、二极管整流电路、二极管整流保护电路、IPM模块电路等几个模块电路组成.数码管显示及键盘模块电路和IPM模块电路由单片机直接控制；电压整流部分是由二极管整流电路及其整流保护电路来控制；最后由单片机产生6路SPWM脉冲来实现对三相交流电机转速的开环控制.

交流变频器；MSP430F5438A；开环控制

交流变频器是利用电力电子半导体器件控制通断变换频率的电能控制装置，它能够实现对交流异步电机的软启动、变频调速、提高运转精度等功能.目前实际中应用最为广泛的是交-直-交变频器，简称VVVF电源.这种变频器是由AC-DC、DC-AC两类基本的变流电路组合形成，先将交流电整流为直流电，再将直流电逆变为交流电.交流变频器的设计采用MSP430F5438A为主控模块，由它分别产生6路SPWM波形，经过IPM模块电路来实现对三相交流电机的开环控制.

1 系统总体方案设计

交流变频器由单片机电路、显示和键盘电路、二极管整流电路、二极管整流保护电路、IPM模块电路等几部分组成.主控部分采用TI公司的MSP430F5438A芯片，显示和键盘电路由主控模块控制；220 V电压整流由二极管整流电路及二极管整流保护电路来处理；IPM模块电路由单片机电路直接产生6路SPWM脉冲来控制，通过改变来实现对三相交流电机的转速控制.

系统设计总体方案如图1所示.

图1 系统总体设计方案

1.1 MSP430单片机

MSP430系列单片机是美国TI公司生产的16位的高性能的一款工业级混合信号处理器.它以拥有超低电压、超低功耗，超高的指令处理速度迅速的占领市场.本系统主控模块选用MSP430系列的MSP430F5438A芯片，其原理图如图2所示.芯片有100个管脚，第13脚XIN和第14脚XOUT连接XTAL1晶振，第62管脚接瓷片电容C9的一端，另一端接地.

图2 MSP430F5438A单片机原理图

1.2 二极管整流模块

交流电可以通过整流电路转变为直流电，本系统采用四个二极管连接的整流桥电路，电路比较简单，在此就不赘述了.

1.3 二极管整流保护模块电路

由整流模块输出的直流电需要再经过一个二极管整流保护电路，该模块主要起到保护负载的作用，其原理图如图3（a）、（b）所示.

图3 二极管整流保护模块电路原理图

由图3（a），该模块刚启动时，在主回路上串联一个限流电阻，其作用是为防止C1的电容充电电流过大而损坏电路.当电压加到60 V左右时，继电器K1吸合，限流电阻被短接；当电压加至120 V左右时，继电器K2吸合，K2的主要作用为当线路故障时，电流增大会拉低母线电压，从而切断K2保护后面的负载.

由图3（b）所示的电路是一个具有正反馈的电压比较器，同时具有迟滞特性，可以防止母线电压波动时，造成继电器的误动作.当运放2脚电压低于3脚电压时，1脚输出高电平，继电器不动作，当2脚电压高于3脚电压时，运放1脚输出低电平，继电器动作.

1.4 IPM模块电路

IPM是Intelligent Power Module（智能功率模块）的缩写，它将IGBT连同其驱动电路和多种保护电路封装在同一模块内，提高了系统的可靠性.IPM中的每个功率模块都设置有各自独立的驱动电路和多种保护电路，能够实现过电流、短路电流、控制电压降低及过热保护等功能，一旦发生负载事故或使用不当等异常情况，模块内部即以最快的速度进行保护，同时将保护信号主控模块进行第二次保护.这种多重保护措施可保证IPM模块不受损坏，与IGBT模块相比，可靠性及安全性显著提高.而且，IPM的开关损耗、转换效率都优于IGBT模块.

该模块主要由TLP250光耦隔离电路部分、保护部分和IPM模块PS21564-P.如图4～图6所示.

图4 光耦隔离部分

图5 保护部分

开发板输出信号通过TLP250快速光耦进行隔离，其输入、输出逻辑相同.

保护电路模块部分FO1为故障信号，低电平有效，当发生故障时，FO变为低电平.该模块具有欠压、过流、过热保护.

该模块连接到固定电源的反向二极管耐压值必须大于主电路母线电压峰值，且为了防止自举电容两端放电，二极管应选高频快恢复二极管.为防止自举电容放电造成其两端电压低于欠电压保护的门槛电压值，电容的取值应足够大.

1.5 显示和键盘模块

系统是通过按键来调节交流变频器的载波频率来调节电机的转速并能实时显示频率，显示部分电路采用常见的七段显示译码管，按键也是传统电路，这两部分电路都是与单片机电路相连接，结构相对简单，在此不赘述了.

2 程序设计思路

程序开发流程图如图7所示：

图6 PS21564-P

图7 系统整体设计流程图

3 结语

系统设计的交流变频器由单片机电路、数码管显示及键盘电路、二极管整流电路、二极管整流保护电路及IPM模块电路等几个模块电路组成，可以实现对三相交流电机转速的开环控制.当然，系统设计中还有很多的不足，以后将更深一步研究.

［1］ 梁源，贾灵，郝强.大学生嵌入式学习实践——基于MSP430系列［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2010.

［2］ 《msp430单片机技术白皮书》TI公司.

［3］ 周杏鹏，仇国富，王寿荣，等.现代检测技术［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［责任编辑王新奇］

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

安徽省示范实验实训中心《汽车技术实验实训中心》项目（2013sxzx042）阶段性成果

向 楠（1983—），女，湖北恩施人，安徽国防科技职业学院汽车工程系讲师，硕士，主要从事汽车电子技术研究；

黄道业（1964—），男，安徽六安人，安徽国防科技职业学院汽车工程系教授，硕士，主要从事系统建模与仿真研究.