基于MODBUS 協(xié)議的變頻器通訊控制的實(shí)現(xiàn)

韓中海

（許昌供電公司 河南 許昌 461000）

0 緒論

電機(jī)變頻調(diào)速是電力電子技術(shù)應(yīng)用的最大領(lǐng)域之一，具有極大的吸引力，同時(shí)也具有較強(qiáng)的挑戰(zhàn)性。

目前，我國(guó)國(guó)產(chǎn)變頻器的生產(chǎn)，主要是交流380V 的中小型變頻器，且大部分產(chǎn)品為低壓，而高壓大功率則很少，能夠研制、生產(chǎn)并提供服務(wù)的高壓變頻器廠商更少，不過(guò)是少數(shù)幾個(gè)具備科研能力或資金實(shí)力強(qiáng)的企業(yè)。 我國(guó)高壓變頻器的品種和性能，還處于發(fā)展的初步階段，仍需大量從國(guó)外進(jìn)口[1]。

變頻器的控制方式發(fā)展趨勢(shì)主要有數(shù)字控制變頻器的實(shí)現(xiàn)、多種控制方式的結(jié)合、遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)、綠色變頻器等。 其中遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)是依靠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)變頻器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的，通過(guò)RS485 接口以及一些合適的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對(duì)變頻器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，這樣在有些不適合于人類進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作的場(chǎng)合，也可以很容易的實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。

鑒于變頻器有著廣泛的用途和比較顯著的節(jié)能效果，對(duì)變頻器進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用是有一定市場(chǎng)前景的。 總結(jié)市場(chǎng)上常見的變頻器類型，本文所依據(jù)的變頻器的系統(tǒng)組成有以下幾個(gè)部分[2]：

（1）控制板系統(tǒng)，以TI 公司的DSP TMS320LF2406A 為核心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體控制功能。 板上包括：由CPU 電源、晶振、復(fù)位監(jiān)控、仿真調(diào)試接口電路、數(shù)字量輸入及輸出電路、模擬量輸入及輸出電路、485 通訊控制電路，逆變器輸出電流檢測(cè)反饋電路等。

（2）電源及驅(qū)動(dòng)板系統(tǒng)，包括交流輸入電源整流濾波電路、開關(guān)電源系統(tǒng)、智能功率模塊（IPM）實(shí)現(xiàn)的逆變電路、及電流反饋檢測(cè)調(diào)理電路等。

（3）按鍵顯示板，包括按鍵電路、數(shù)碼管顯示及LED 燈指示驅(qū)動(dòng)電路。

圖1 變頻器控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

1 通訊控制系統(tǒng)方案的具體的設(shè)計(jì)

通訊控制系統(tǒng)方案所做的主要工作是在基本理解變頻器結(jié)構(gòu)組成的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)理解完善變頻器遠(yuǎn)程通信控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 因此本篇論文主要分析的是以變頻器的控制芯片DSP TMS320LF2406A 為核心， 通過(guò)DSP 芯片的串行通訊口（SCI 接口）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的底層收發(fā)，采用MODBUS 應(yīng)用層通信協(xié)議，底層物理線路采用RS485 差分信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，與上位機(jī)（電腦）構(gòu)成主、從式交互通訊系統(tǒng)。 從而使變頻器的操作人員可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的遠(yuǎn)程通訊及控制功能[3]。

1.1 主電路結(jié)構(gòu)

主電路采用典型的交-直-交電壓源型通用變頻器結(jié)構(gòu)。交-直-交變頻器的主電路框圖如圖2 所示。 主電路設(shè)計(jì)包括三個(gè)組成部分：整流電路、中間電路和逆變電路。

整流電路把電源提供的交流電（AC）壓變換為直流電（DC）。中間電路分為濾波電路和制動(dòng)電路等不同的形式，濾波電路是對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行電壓或電流濾波，經(jīng)大電容濾波的直流電提供給逆變器的稱為電壓型逆變器，經(jīng)大電感濾波的直流電提供給逆變器的稱為電流型逆變器；制動(dòng)電路是利用設(shè)置在直流回路中的制動(dòng)電阻或制動(dòng)單元吸收電動(dòng)機(jī)的再生電能實(shí)現(xiàn)動(dòng)力制動(dòng)。 逆變電路是將直流電變換為頻率和幅值可調(diào)節(jié)的交流電，逆變電路中采用集成功率模塊，內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測(cè)和保護(hù)電路，使用起來(lái)方便,不僅減小了系統(tǒng)的體積以及開發(fā)時(shí)間，也大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性[4]。

圖2 交-直-交變頻器框圖

1.2 MODBUS 協(xié)議功能簡(jiǎn)介

MODBUS 是OSI 模型第7 層上的應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，它在連接至不同類型總線或網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備之間提供客戶機(jī)/服務(wù)器通信。 自從1979 年出現(xiàn)工業(yè)串行鏈路的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)以來(lái)，MODBUS 使成千上萬(wàn)的自動(dòng)化設(shè)備能夠通信。 因此MODBUS 協(xié)議是一種可靠而有效的工業(yè)控制系統(tǒng)通信協(xié)議。

MODBUS 協(xié)議定義了一個(gè)與基礎(chǔ)通信層無(wú)關(guān)的簡(jiǎn)單協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）。特定總線或網(wǎng)絡(luò)上的MODBUS 協(xié)議映射能夠在應(yīng)用數(shù)據(jù)單元（ADU）上引入一些附加域。 通用MODBUS 幀結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 通用MODBUS 幀

在RTU 模式中，新的數(shù)據(jù)幀傳送總是以至少3.5 個(gè)字節(jié)的傳輸時(shí)間靜默作為開始。 在以波特率計(jì)算傳輸速率的網(wǎng)絡(luò)上，3.5 個(gè)字節(jié)的傳輸時(shí)間可以輕松把握。 緊接著傳輸?shù)臄?shù)據(jù)域依次為：從機(jī)地址、操作命令碼、數(shù)據(jù)和CRC 校驗(yàn)字，每個(gè)域傳輸字節(jié)都是十六進(jìn)制的0-9，A-F。 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備始終監(jiān)視著通訊總線的活動(dòng)，即使在靜默間隔時(shí)間內(nèi)。 當(dāng)接收到第一個(gè)域（地址信息），每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都對(duì)該字節(jié)進(jìn)行確認(rèn)。 隨著最后一個(gè)字節(jié)的傳輸完成， 又有一段類似的3.5 個(gè)字節(jié)的傳輸時(shí)間間隔，用來(lái)表識(shí)本幀的結(jié)束，在此以后，將開始一個(gè)新幀的傳送。

一個(gè)幀的信息必須以一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸，如果整個(gè)幀傳輸結(jié)束前超過(guò)1.5 個(gè)字節(jié)以上的間隔時(shí)間， 接收設(shè)備將清除這些不完整的信息，并錯(cuò)誤認(rèn)為隨后一個(gè)字節(jié)是新一幀的地址域部分，同樣的，如果一個(gè)新幀的開始與前一個(gè)幀的間隔時(shí)間小于3.5 個(gè)字節(jié)時(shí)間， 接收設(shè)備將認(rèn)為它是前一幀的繼續(xù)，由于幀的錯(cuò)亂，最終CRC 校驗(yàn)值不正確，導(dǎo)致通訊故障[5]。

表1 RTU 幀的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、復(fù)位電路與通訊驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、RS485 通訊轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，其中重點(diǎn)介紹485 通訊電路設(shè)計(jì)。 依據(jù)通訊硬件電路設(shè)計(jì)，可知電路實(shí)現(xiàn)DSP 芯片輸出的TTL 電平與485 電平的轉(zhuǎn)換電路。電路以485 轉(zhuǎn)換芯片為核心，RO、DI、DE、RE 這幾個(gè)端是TTL 電平，A、B 端是485 差分電平。 ACT244 是DSP 到485 芯片的驅(qū)動(dòng)電路，起到電平緩沖、轉(zhuǎn)換作用。 接收電路，單獨(dú)用了一個(gè)反相器，到DSP 的SCI 接收端。 至于差分信號(hào)輸出端A、B 端后邊接的元件，是為了提高信號(hào)抗干擾性，還有使A/B 端在平常狀態(tài)下，有一個(gè)固定的狀態(tài)。

2.1 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電源驅(qū)動(dòng)板包括整流電路、開關(guān)電源電路、逆變電路、電流檢測(cè)電路及風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路等。 工業(yè)用的交流電經(jīng)過(guò)整流成為直流， 經(jīng)過(guò)大電容平滑濾波儲(chǔ)能得到直流母線電壓，然后母線電壓輸入經(jīng)過(guò)開關(guān)電源系統(tǒng)，可以轉(zhuǎn)換出+5V、±15V、±24V 幾種電壓。 而DSP 芯片僅由一個(gè)外部5V 電源供電， 由于TMS320LF2406A 芯片供電正常工作電壓只能是3.3V， 所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)， 需要將5V 電源變換為3.3V 給CPU 供電， 因此使用了TI 公司的5V/3.3V 電源轉(zhuǎn)換芯片ASM117，+5V 電壓經(jīng)過(guò)ASM117 電源轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成+3.3V的電壓給DSP 控制芯片供電[6]。

AMS1117 系列電源轉(zhuǎn)換芯片有可調(diào)版與多種固定電壓版，設(shè)計(jì)用于提供1A 輸出電流且工作壓差可低至1V。 在最大輸出電流時(shí)，AMS1117 器件的壓差保證最大不超過(guò)1.3V，并隨負(fù)載電流的減小而逐漸降低。AMS1117 的片上微調(diào)把基準(zhǔn)電壓調(diào)整到1.5%的誤差以內(nèi)， 而且電流限制也得到了調(diào)整， 以盡量減少因穩(wěn)壓器和電源電路超載而造成的壓力。AMS1117 應(yīng)用極多， 可作為高效線性穩(wěn)壓器或者后置穩(wěn)壓器，例如交換式電源5V 至3.3V 線性穩(wěn)壓器、電池充電器、有源SCSI 終端筆記本電源管理、電池供電設(shè)備。如圖4 所示，是+5V 到+3V 電平轉(zhuǎn)換電路。 電路中主要使用了AMS1117 芯片，為DSP 控制芯片提供+3.3V 的工作電壓。 圖中的小電感起電源隔離的作用，輸入和輸出端的極性電容與無(wú)極性電容起濾除電源紋波的作用。

圖4 +5V 到+3V 轉(zhuǎn)換電路

2.2 復(fù)位電路與通訊驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

圖5 復(fù)位電路與通訊驅(qū)動(dòng)電路圖

通訊實(shí)現(xiàn)的外圍連接電路如圖4 所示，在第三章的總體概述中已經(jīng)講解了圖4 所示的電路的整體流程， 其中MAX708 具有比較器手動(dòng)復(fù)位輸入兩組復(fù)位電平輸出的微處理器電源監(jiān)控芯片。MAX708 是一種微處理器電源監(jiān)控芯片，可同時(shí)輸出高電平有效和低電平有效的復(fù)位信號(hào)復(fù)位信號(hào)。可由VCC 電壓、手動(dòng)復(fù)位輸入或由獨(dú)立的比較器觸發(fā)，獨(dú)立的比較器可用于監(jiān)視第二個(gè)電源信號(hào)，為處理器提供電壓跌落的預(yù)警功能。 這一功能是為器件發(fā)出復(fù)位信號(hào)前的正常關(guān)機(jī)、向操作者發(fā)送警報(bào)、或電源切換而考慮的。

2.3 485 通訊轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

由于實(shí)際應(yīng)用中， 是電腦PC 機(jī)對(duì)DSP 芯片進(jìn)行程序的傳輸與通訊控制，所以必須進(jìn)行外圍的電平轉(zhuǎn)換。 電腦輸出的是232 標(biāo)準(zhǔn)的電平，而DSP 芯片輸出/接收的是TTL 電平，所以232 電平經(jīng)過(guò)485/232 轉(zhuǎn)換器，變成485 差分電平，通過(guò)一個(gè)485 轉(zhuǎn)換芯片就實(shí)現(xiàn)了TTL 電平到485 電平的變換，所以在經(jīng)過(guò)485 轉(zhuǎn)換芯片，就成為DSP 可以正常運(yùn)行的TTL 電平，以此形成一個(gè)數(shù)據(jù)輸入與輸出的循環(huán)過(guò)程。

圖6 DSP 與PC 間電平轉(zhuǎn)換過(guò)程

圖7 RS485 通訊轉(zhuǎn)換電路

圖7 為485 通訊轉(zhuǎn)換電路， 通訊轉(zhuǎn)換的過(guò)程主要應(yīng)用了MAX483 芯片。圖中的的電感起到濾波、抗干擾的作用； 雙向二極管可抑制線路上的高電壓干擾信號(hào)； 差分電路中上接+5V 電阻與下接地電阻分別為上拉電阻與下拉電阻，線路中間為匹配電阻，上拉與下拉電阻是為了讓線路在空閑的狀態(tài)下， 有一個(gè)確定的電平，從而使線路上有一個(gè)確定的信號(hào)；圖中SN74HC14D 為單反相器，圖中使用2 個(gè)單反相器連接是為了給DSP 芯片提供+3.3V 電壓的同時(shí)還濾波的作用保證信號(hào)的高低電平不改變從而正確傳輸。

3 結(jié)論

本文是基于MODBUS 協(xié)議的DSP 串口與變頻器通信控制的設(shè)計(jì)，以變頻器與計(jì)算機(jī)的串行通訊為例介紹了變頻器應(yīng)用中與計(jì)算機(jī)通訊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 通過(guò)設(shè)計(jì)和構(gòu)思變頻器與計(jì)算機(jī)的串行通訊，主要介紹了變頻器應(yīng)用中與計(jì)算機(jī)通訊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，其中包括變頻器通訊的硬件電路連接、通訊協(xié)議以及通訊連接與控制方式的實(shí)現(xiàn)， 并做出了通訊實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中， 通常采用串口通訊的方式為實(shí)現(xiàn)變頻器與上位機(jī)的遠(yuǎn)距離通信的。 所以這種通訊的控制方式不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變頻器工作狀態(tài)進(jìn)行切實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制,而且該應(yīng)用在實(shí)際操作中不僅外圍的接線簡(jiǎn)單、 便于組織網(wǎng)絡(luò)， 還可使變頻器具有更高抗干擾性和更強(qiáng)的工作穩(wěn)定性,因此變頻器在優(yōu)化變頻調(diào)速系統(tǒng)的遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)化、智能化等方面具有重大的意義。

［1］徐世許，王鳳杰，紀(jì)志堅(jiān).使用通信協(xié)議宏實(shí)現(xiàn)PLC 對(duì)變頻器的監(jiān)控[J].自動(dòng)化儀表，2007，1：37-39.

［2］高雙，蔡成濤，朱齊丹.基于MODBUS 通信協(xié)議的共錐度監(jiān)控系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（01）：18-20.

［3］韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2000：5-8.

［4］王曉明.電動(dòng)機(jī)的DSP 控制[M].北航出版社，2006：25-26.

［5］彭啟琮，李玉柏.DSP 技術(shù)[M].電子科技大學(xué)出版社，1997：13-15.

［6］丁美玉，高西全.數(shù)字信號(hào)處理[M].西安電子科技大學(xué)出版社，1997：14-16.