Control by LPC2148 Communication-based inverter
ABSTRACT
Frequency conversion motor speed as a major means of communication in the industry has been applied widely, the wide speed range, high precision and steady speed fast dynamic response, and wide application scope, technical performance, reliable operation has been gradually replacing dc motor control system. General inverter with RS232/422/485 communication interface, can achieve superior polymerizing-kettle's 1 on 1 of frequency converter to 32 communications or a function, can be PC operation orders, or will the operation state upload. Inverter In the growing popularity of network, and the common today point-to-point connection string, through high-speed communications connection of inverter system can reduce the maximum extent system maintenance time and improve production efficiency and reduce operation costs.
Based on the LPC2148 under control, using the RS-485 communication interface with Danfoss, mitsubishi inverter Modbus, Danfoss FC under through communication, communication protocol finally able to realize PID closed-loop control requirements for automatic control.
Keywords Variable-frequency, LPC2148, communication protocol, RS-485, serial
communication
1 选题背景
1.1 发展现状
1.1.1 国内发展现状
变频器在中国的应用始于20世纪80年代末，从1988 年日本三垦公司第一台通用变频器进入中国市场后，经过近多年的推广和使用，通用变频器已得到各行各业的认可，并显示出了它的活力。随着能源的紧缺和认识的深入，20世纪90年代末以来，交流变频调速技术在我国有了突飞猛进的发展。变频调速在调速范围、调速精度、动态响应、低速转矩、通信功能、智能控制、功率因数、节约电能、工作效率、使用方便等方面具有优异的性能，是其他的交流调速方式无法比拟的。通用变频器以体积小、重量轻、通用性强、适用范围广，保护功能完善、可靠性高、操作简便等优点，受到众多行业的欢迎。取得了良好的经济效益和社会效益。同时变频器经常被用于系统复杂、工作环境恶劣、高负荷、长时间运行的工况中，如无人值守泵站、油田磕头机等。变频器故障率在这种环境中自然，比较高，一般都采取事后维修的方式进行，随着电子技术的发展，传统的维修方式将变为故障预报和整机在线维修。有必要对其实现在线工作状态的监测以及常规故障机理的综合分析研究，以便对其故障的事先诊断分析。目前大功率变频器的故障诊断、远程监控系统及智能控制方面取得了较大进展，并已经投入实际运行。 1.1.2 国外发展现状
国外交流变频器通讯技术的现状：新型变频器一般都带有RS232/422/485通信接口，可以实现上位工控机对变频器的1对1或1对32的通信功能，可将上位机的运行指令下达，或将变频器的运行状态上传。随着变频调速技术、计算机技术、微电子技术、信息技术、网络技术和传感技术等的飞速发展，可以利用上位机来与变频器之间进行数据的传送及控制变频器。在网络化日益普及的今天，与普通的点对点硬线连接方式而言，通过高速通讯连接的变频器系统可以最大程度上降低系统维护时间、提高生产效率、减少运行成本。目前安装的现场总线模块有ProfibusDP、Interbus、DeviceNet、CANOpen和ModbusPlus等。我们可以有更大的自由根据生产过程来选择主控机的型号和品牌，并非常简单地集成到现有地网络中去。而且通过现场总线模块，可以不考虑变频器的型号，而以同一种语言来与不同功率段、不同型号地变频器进行组构，如功率、速度、转矩、电流、设定值等。由于采用了通讯方式，可以通过上位机来方便地进行组态和系统维护，
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包括上传、下载、复制、监控、参数读写等。
国内外变频调速作为交流电机调速的主要手段已经在工业领域中应用的十分广泛，其具有的调速范围宽、稳速精度高、动态响应快、适用范围广、运行可靠等技术性能，已逐步取代直流电机调速系统。正是基于变频器的发展，在我们毕业设计大课题《多功能智能烘烤科学试验箱》中，我们选用变频器来控制三相异步电动机的转向和转速。其中利用LPC2148与变频器的通讯来更改变频器的参数设置。
1.2 设计要求
1、熟悉电路设计、掌握LPC2148的应用开发。 2、熟悉变频器的原理、功能及使用。
3、掌握LPC2148和变频器的MODBUS通信协议及其他通信协议。 4、掌握RS-485的接口电路。
5、实现LPC2148对单个及总线上多台变频器的参数设置。 6、实现对丹弗斯、三菱两种类型变频器通信控制。
2 方案论证
2.1 主控芯片的选择
方案一：利用PLC控制变频器运行参数的设置。
方案二：利用单片机以通信的方式对变频器运行参数进行设置。 方案三：利用LPC2148以通信的方式对变频器运行参数进行设置。
通常使用上位机、PLC、变频器构成一套监控系统，PLC作为桥梁把变频器与上位机联系起来，向下控制变频器，向上实现与上位机的数据交换。如今变频器提供了标准的工业RS－485通信接口和内置协议，为计算机监控管理提供了方便。若变频器直接与上位机相连，省去了PLC，降低了成本，便于实现分布式控制。
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路、1 个USART）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
LPC2148 是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16 位ARM7TDMI-SCPU 的微控制器，并带有32kB 和512kB 嵌入的高速Flash 存储器。由于内置了宽范围的串行
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通信接口（从USB 2.0 全速器件、多个UART、SPI、SSP到I2C 总线）和8kB～40kB 的片内SRAM，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、软modem、语音识别、低端成像，为这些应用提供大规模的缓冲区和强大的处理功能。多个32 位定时器、1 个或2 个10 位ADC、10 位DAC、PWM 通道、45 个高速GPIO 以及多达9个边沿或电平触发的外部中断管脚，使它们特别适用于工业控制和医疗系统。
通过三种控制器的比较，最终方案三，利用LPC2148控制器，主要由于LPC2148功能更强大，端口多，有两个UART 能够满足我们毕业设计大课题《多功能智能烘烤科学试验箱》的要求，需要两个UART分别控制变频器与液晶显示、需要较多的端口来控制四个电机、一个USB接口用于存储数据、一个温度传感器接口、八个限位开关、两个备用继电器、六个按键接口。若利用单片机，要增加不少外围电路，使电路更为复杂。而使用PLC控制成本高。
2.2 变频器控制方式的选择
方案一：通过变频器面板操作，即通过操作面板改变频率的输出和其他运行参数; 方案二：在变频器模拟量输入端输入0～10V或4～20mA信号,通过改变输入模拟量
的大小控制变频器的输出频率;
方案三：通过变频器的通讯口(多为RS-485)进行控制。
第一种方案一般用于现场手动调节和参数设定，后二种方案多用于自动调节和远程控制。工控领域中常用的PLC、DCS等控制系统都具有适用于变频器接口条件的控制模块，可以方便的实现变频器的闭环自动控制，在大中型的控制系统中使用较为普遍。而对于一些小型实验装置和嵌入式控制装置，处理器在控制变频器之外，一般还需要处理键盘输入、显示屏、数据采集和其它过程控制等工作，这种控制要求更适合采用ARM7或单片机系统作为控制核心。
使用ARM7或单片机控制变频器可以选择后二种方案，采用通讯口方式控制，其优点是控制功能全面，通过相应的电平转换电路适合变频器的通讯口形式(RS484/RS232/CAN等)，就可与变频器进行通讯，硬件简单，二者间的连线数量少连接方便。 同时考虑到我们毕业设计大课题《多功能智能烘烤科学试验箱》的要求，利用ARM7发送命令直接控制。因此在后两种方案中，方案三通过变频器的通讯口(多为RS-485)进行控制符合我们的要求。
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3 电路原理设计
3.1 主控芯片的简介
LPC2148 是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16 位ARM7TDMI-SCPU 的微控制器，并带有32kB 和512kB 嵌入的高速Flash 存储器。128 位宽的存储器接口和独特的加速结构使32 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16 位Thumb 模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。较小的封装和很低的功耗使LPC2148特别适用于访问控制和POS 机等小型应用中；由于内置了宽范围的串行通信接口（从USB 2.0 全速器件、多个UART、SPI、SSP到I2C 总线）和8kB～40kB 的片内SRAM，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、软modem、语音识别、低端成像，为这些应用提供大规模的缓冲区和强大的处理功能。多个32 位定时器、1 个或2 个10 位ADC、10 位DAC、PWM 通道、45 个高速GPIO 以及多达9个边沿或电平触发的外部中断管脚，使它们特别适用于工业控制和医疗系统[1]。其中LPC2148的引脚分布图见附录D
3.2 UART串行通讯
UART是一种通用串行数据总线，用于异步通信。[1]该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。UART首先将接收到的并行数据转换成串行数据来传输。消息帧从一个低位起始位开始，后面是7个或8个数据位，一个可用的奇偶位和一个或几个高位停止位。接收器发现开始位时它就知道数据准备发送，并尝试与发送器时钟频率同步。如果选择了奇偶，UART就在数据位后面加上奇偶位。奇偶位可用来帮助错误校验。在接收过程中，UART从消息帧中去掉起始位和结束位，对进来的字节进行奇偶校验，并将数据字节从串行转换成并行。UART也产生额外的信号来指示发送和接收的状态。例如，如果产生一个奇偶错误，UART就置位奇偶标志。
LPC2141/42/44/46/48 包含2 个UART。除了标准的发送和接收数据线外，LPC2144/46/48UART1 还提供一个完全的调制解调器控制握手接口。与先前的LPC2000 微控制器相比，LPC2141/42/44/46/48 的UART 在两个UART 中引入分数波特率发生器，使能这些微控制器来激活标准波特率如115200（具有2MHz 以上的晶振频率）。另外， 在硬件中完全实现自动-CTS/RTS 流控制功能（UART1 仅用于LPC2144/46/48）。
特性：
", 16 字节接收和发送FIFO。
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