基于MODBUS 協議的變頻器通訊控制的實現

韓中海

（許昌供電公司 河南 許昌 461000）

0 緒論

電機變頻調速是電力電子技術應用的最大領域之一，具有極大的吸引力，同時也具有較強的挑戰性。

目前，我國國產變頻器的生產，主要是交流380V 的中小型變頻器，且大部分產品為低壓，而高壓大功率則很少，能夠研制、生產并提供服務的高壓變頻器廠商更少，不過是少數幾個具備科研能力或資金實力強的企業。 我國高壓變頻器的品種和性能，還處于發展的初步階段，仍需大量從國外進口[1]。

變頻器的控制方式發展趨勢主要有數字控制變頻器的實現、多種控制方式的結合、遠程控制的實現、綠色變頻器等。 其中遠程控制的實現是依靠計算機網絡對變頻器進行遠程控制的，通過RS485 接口以及一些合適的網絡協議對變頻器進行遠程控制，這樣在有些不適合于人類進行現場操作的場合，也可以很容易的實現控制目標。

鑒于變頻器有著廣泛的用途和比較顯著的節能效果，對變頻器進行開發應用是有一定市場前景的。 總結市場上常見的變頻器類型，本文所依據的變頻器的系統組成有以下幾個部分[2]：

（1）控制板系統，以TI 公司的DSP TMS320LF2406A 為核心，實現系統的整體控制功能。 板上包括：由CPU 電源、晶振、復位監控、仿真調試接口電路、數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反饋電路等。

（2）電源及驅動板系統，包括交流輸入電源整流濾波電路、開關電源系統、智能功率模塊（IPM）實現的逆變電路、及電流反饋檢測調理電路等。

（3）按鍵顯示板，包括按鍵電路、數碼管顯示及LED 燈指示驅動電路。

圖1 變頻器控制系統硬件結構示意圖

1 通訊控制系統方案的具體的設計

通訊控制系統方案所做的主要工作是在基本理解變頻器結構組成的基礎上，重點理解完善變頻器遠程通信控制系統的設計。 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DSP 芯片的串行通訊口（SCI 接口）實現數據的底層收發，采用MODBUS 應用層通信協議，底層物理線路采用RS485 差分信號傳輸數據，與上位機（電腦）構成主、從式交互通訊系統。 從而使變頻器的操作人員可以方便地實現對變頻器的遠程通訊及控制功能[3]。

1.1 主電路結構

主電路采用典型的交-直-交電壓源型通用變頻器結構。交-直-交變頻器的主電路框圖如圖2 所示。 主電路設計包括三個組成部分：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電路等不同的形式，濾波電路是對整流電路的輸出進行電壓或電流濾波，經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；制動電路是利用設置在直流回路中的制動電阻或制動單元吸收電動機的再生電能實現動力制動。 逆變電路是將直流電變換為頻率和幅值可調節的交流電，逆變電路中采用集成功率模塊，內部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路，使用起來方便,不僅減小了系統的體積以及開發時間，也大大增強了系統的可靠性[4]。

圖2 交-直-交變頻器框圖

1.2 MODBUS 協議功能簡介

MODBUS 是OSI 模型第7 層上的應用層報文傳輸協議，它在連接至不同類型總線或網絡的設備之間提供客戶機/服務器通信。 自從1979 年出現工業串行鏈路的事實標準以來，MODBUS 使成千上萬的自動化設備能夠通信。 因此MODBUS 協議是一種可靠而有效的工業控制系統通信協議。

MODBUS 協議定義了一個與基礎通信層無關的簡單協議數據單元（PDU）。特定總線或網絡上的MODBUS 協議映射能夠在應用數據單元（ADU）上引入一些附加域。 通用MODBUS 幀結構如圖3 所示。

圖3 通用MODBUS 幀

在RTU 模式中，新的數據幀傳送總是以至少3.5 個字節的傳輸時間靜默作為開始。 在以波特率計算傳輸速率的網絡上，3.5 個字節的傳輸時間可以輕松把握。 緊接著傳輸的數據域依次為：從機地址、操作命令碼、數據和CRC 校驗字，每個域傳輸字節都是十六進制的0-9，A-F。 網絡設備始終監視著通訊總線的活動，即使在靜默間隔時間內。 當接收到第一個域（地址信息），每個網絡設備都對該字節進行確認。 隨著最后一個字節的傳輸完成， 又有一段類似的3.5 個字節的傳輸時間間隔，用來表識本幀的結束，在此以后，將開始一個新幀的傳送。

一個幀的信息必須以一個連續的數據流進行傳輸，如果整個幀傳輸結束前超過1.5 個字節以上的間隔時間， 接收設備將清除這些不完整的信息，并錯誤認為隨后一個字節是新一幀的地址域部分，同樣的，如果一個新幀的開始與前一個幀的間隔時間小于3.5 個字節時間， 接收設備將認為它是前一幀的繼續，由于幀的錯亂，最終CRC 校驗值不正確，導致通訊故障[5]。

表1 RTU 幀的標準結構

2 硬件電路設計

硬件電路的設計主要包括電源系統的設計、復位電路與通訊驅動電路的設計、RS485 通訊轉換電路設計，其中重點介紹485 通訊電路設計。 依據通訊硬件電路設計，可知電路實現DSP 芯片輸出的TTL 電平與485 電平的轉換電路。電路以485 轉換芯片為核心，RO、DI、DE、RE 這幾個端是TTL 電平，A、B 端是485 差分電平。 ACT244 是DSP 到485 芯片的驅動電路，起到電平緩沖、轉換作用。 接收電路，單獨用了一個反相器，到DSP 的SCI 接收端。 至于差分信號輸出端A、B 端后邊接的元件，是為了提高信號抗干擾性，還有使A/B 端在平常狀態下，有一個固定的狀態。

2.1 電源系統設計

系統電源驅動板包括整流電路、開關電源電路、逆變電路、電流檢測電路及風扇驅動電路等。 工業用的交流電經過整流成為直流， 經過大電容平滑濾波儲能得到直流母線電壓，然后母線電壓輸入經過開關電源系統，可以轉換出+5V、±15V、±24V 幾種電壓。 而DSP 芯片僅由一個外部5V 電源供電， 由于TMS320LF2406A 芯片供電正常工作電壓只能是3.3V， 所以在設計電路時， 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 電源轉換芯片ASM117，+5V 電壓經過ASM117 電源轉換芯片轉換成+3.3V的電壓給DSP 控制芯片供電[6]。

AMS1117 系列電源轉換芯片有可調版與多種固定電壓版，設計用于提供1A 輸出電流且工作壓差可低至1V。 在最大輸出電流時，AMS1117 器件的壓差保證最大不超過1.3V，并隨負載電流的減小而逐漸降低。AMS1117 的片上微調把基準電壓調整到1.5%的誤差以內， 而且電流限制也得到了調整， 以盡量減少因穩壓器和電源電路超載而造成的壓力。AMS1117 應用極多， 可作為高效線性穩壓器或者后置穩壓器，例如交換式電源5V 至3.3V 線性穩壓器、電池充電器、有源SCSI 終端筆記本電源管理、電池供電設備。如圖4 所示，是+5V 到+3V 電平轉換電路。 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極性電容起濾除電源紋波的作用。

圖4 +5V 到+3V 轉換電路

2.2 復位電路與通訊驅動電路的設計

圖5 復位電路與通訊驅動電路圖

通訊實現的外圍連接電路如圖4 所示，在第三章的總體概述中已經講解了圖4 所示的電路的整體流程， 其中MAX708 具有比較器手動復位輸入兩組復位電平輸出的微處理器電源監控芯片。MAX708 是一種微處理器電源監控芯片，可同時輸出高電平有效和低電平有效的復位信號復位信號。可由VCC 電壓、手動復位輸入或由獨立的比較器觸發，獨立的比較器可用于監視第二個電源信號，為處理器提供電壓跌落的預警功能。 這一功能是為器件發出復位信號前的正常關機、向操作者發送警報、或電源切換而考慮的。

2.3 485 通訊轉換電路設計

由于實際應用中， 是電腦PC 機對DSP 芯片進行程序的傳輸與通訊控制，所以必須進行外圍的電平轉換。 電腦輸出的是232 標準的電平，而DSP 芯片輸出/接收的是TTL 電平，所以232 電平經過485/232 轉換器，變成485 差分電平，通過一個485 轉換芯片就實現了TTL 電平到485 電平的變換，所以在經過485 轉換芯片，就成為DSP 可以正常運行的TTL 電平，以此形成一個數據輸入與輸出的循環過程。

圖6 DSP 與PC 間電平轉換過程

圖7 RS485 通訊轉換電路

圖7 為485 通訊轉換電路， 通訊轉換的過程主要應用了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； 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下， 有一個確定的電平，從而使線路上有一個確定的信號；圖中SN74HC14D 為單反相器，圖中使用2 個單反相器連接是為了給DSP 芯片提供+3.3V 電壓的同時還濾波的作用保證信號的高低電平不改變從而正確傳輸。

3 結論

本文是基于MODBUS 協議的DSP 串口與變頻器通信控制的設計，以變頻器與計算機的串行通訊為例介紹了變頻器應用中與計算機通訊設計與實現。 通過設計和構思變頻器與計算機的串行通訊，主要介紹了變頻器應用中與計算機通訊設計與實現，其中包括變頻器通訊的硬件電路連接、通訊協議以及通訊連接與控制方式的實現， 并做出了通訊實驗結果。

在變頻調速系統中， 通常采用串口通訊的方式為實現變頻器與上位機的遠距離通信的。 所以這種通訊的控制方式不僅能夠實現對變頻器工作狀態進行切實時監測與控制,而且該應用在實際操作中不僅外圍的接線簡單、 便于組織網絡， 還可使變頻器具有更高抗干擾性和更強的工作穩定性,因此變頻器在優化變頻調速系統的遠程設計、監測與控制，實現工業控制領域的網絡化、智能化等方面具有重大的意義。

［1］徐世許，王鳳杰，紀志堅.使用通信協議宏實現PLC 對變頻器的監控[J].自動化儀表，2007，1：37-39.

［2］高雙，蔡成濤，朱齊丹.基于MODBUS 通信協議的共錐度監控系統[J].微計算機信息，2007，23（01）：18-20.

［3］韓安榮.通用變頻器及其應用[M].機械工業出版社，2000：5-8.

［4］王曉明.電動機的DSP 控制[M].北航出版社，2006：25-26.

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

［6］丁美玉，高西全.數字信號處理[M].西安電子科技大學出版社，1997：14-16.