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变频器CPU主板的基本电路

来源: [山西太原铭天宇工控服务中心]
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发布时间:2023-05-16
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变频器CPU主板电路之一

——CPU的基本电路


 


图1:松下VFO 220V 0.4kW变频器CPU主板电路之一:CPU的基本电路

    

    在对CPU电路的检修中,有人提出过CPU工作的三要素。三要素:供电电源,提供时钟脉冲的晶振电路、上电瞬间提供复位脉冲的复位电路。三要素提供了CPU正常工作最基本的三大条件,三要素的具备,说明不管其它外围电路是否正常,但CPU本身(内部程序)可以运行了,可以干一些,比如开机自检,相应的故障报警等的活儿了。

   此后,陆续有人提出,CPU工作的第四要素:CPU的按键电路、I/O口指令输入电路等;CPU工作的五要素,如外挂存储器的工作状态,由此延伸出CPU正常工作的六要素、七要素,乃至八要素。如以系统眼光来看,任一个故障环节的出现,都会使CPU的工作过程嵌定于某一状态下,阻断了正常运行的进程,则满足CPU——CPU主板正常工作的要素,又何止几十种!

    从变频器本身的工作特点出发,从满足检修的条件来看,图1电路,包括了CPU供电电源电路、晶振电路、复位电路、操作显示面板的按键操作电路、显示电路——工作状态和参数值的显示电路,应该可以称之为CPU的基本工作电路了。

    供电电路:

CPU的供电电源为直流5V,由变频器的开关电源电路供给,具有较好的稳定度。但本电路,是由开关电源来的直流电源,再经稳压电路处理,才进入CPU供电引脚的。CPU本身对供电的要求也较为苛刻,要求供电在+5V±5%以内,偏高或偏低都会造成工作失常。为避免数字与模拟信号的相互串扰,往往将两种电路的供电电源独立引入,CPU内部数字电路供电端一般标注为VDD(正供电端)、VSS(负供电端),模拟电路的供电端一般标注为Vcc(正供电端)、GND(负供电端),因而CPU的供电脚不会是两个脚,再加上CPU的一些端子直接接入+5V或供电地端,实际接入供电的引脚,有的多达十几个。本电路IC1的21、53脚为(数字)供电的正电源端,30、50脚为(数字)供电负端。而58、67为模拟电路供电正端,标注为AVcc、AVss,加“A”字表明为模拟供电电源引入端。

    复位电路:

    所谓复位,是指对CPU的初始化操作,清除内部程序计数器、指令寄存器内容,以便为CPU转入正常工作,做好准备。复位也是一个上电过程的确认,说明供电条件已经建立。早期的变频器产品,还具有手动复位功能,除对系统进行初始化以外,当程序运行出错或操作错误使程序运行被“卡死”——程序进行死循环时,为解除此种状态,也需实施复位操作,以重新启动程序运行。

复位电压:上电瞬间为低电平,经μs级延时后,上升为+5V高电平,可认为上电瞬间的一个低脉冲电压信号;当需用高电平复位信号时,则上电瞬间为高电平,经μs级延时后,恢复为0V低电平,可认为上电瞬间的一个高脉冲电压信号。

电路图中CPU的48脚为复位脉冲引入脚,工作方式为上电自动复位,复位信号是低电平复位信号有效。当此端子标注字母RES(或RETST)上方不带横杠时,为高电平复位信号有效。本机电路,则为低电平复位信号有效。

    本电路CPU的稳压供电和低电平复位脉冲的提供均由五线端元件78LR05提供。五线端78L05是一个带复位信号输出端的5V电压的稳压IC,输出两路5V电压,第一路提供+5V供电电源,第二路由内部延时电路提供一个经延时的5V电压信号,输入到CPU的48复位脚。

    复位电路的常见形式还有以下几种:



图2 复位电路的其它电路形式

 

    上图(1)、(2)电路为低电平复位脉冲形成电路。(1)电路为R、C延时电路,在上电瞬间,因电容C两端电位不能突变,C上正端电压由零逐渐升高,经20μs延时后到达+5V高电平。当此充电电压升高到一定值时,CPU进入程序复位状态,开始寄存器清零,系统自检等工作;(2)电路利用三极管Q1的导通延时,来提供上电期间的一个低电平的复位信号输入。因+5V电源输出端接有大容量的滤波电容,因电容的充电造成+5V形成的延迟。上电期间,+5V电压逐渐建立,在未达到4V以上时,稳压二极管DW呈开路状态,三极管Q1因无基极偏流通路而截止,CPU复位端为R3引入的低电平;当电压上升到4V以上时,DW击穿导通,形成Q1的基极偏流,Q1饱合导通,将复位端引入+5V高电平,复位过程结束。

    上图(3)、(4)电路为高电平复位脉冲形成电路。(3)电路出为R、C延时电路,上电瞬间,C的充电电流使RST输入端产生一个高电平电压跳变,随充电过程的进行,RST端子上电压逐渐降低,约20μs后,RST复位信号输入端变为OV地电平,复位过程结束;(4)电路,在(3)电路的基础上,增加了SW、R2手动复位电路,在变频器运行过程中,若因某种原因出现故障锁定或“程序死机”现象时,可按动一次SW按键,实施人工强制复位。

    晶振电路:

    晶振电路用于产生CPU工作所需的时钟脉冲。CPU本身为一个同步时序电路,电路应在时钟信号控制下按时序进行工作,犹如部队行军,须按口令进行才能不乱套。在CPU晶振引脚内部,有一个高增益放大器,与外接晶振元件一起,构成了一个振荡器电路,产生振荡信号,再经分频后作为时钟信号。晶振引脚一般标注为XTAL1(X1)、XTAL2(X2),外接晶振元件和两只小容量电路。早期产品有外接陶瓷谐振器的,后期产品则大多采用晶振元件。晶振选用为4 MHz、6 MHz、12MHz、16MHz、20MHz振荡频率的,随CPU工作速度的不同,而不同。以采用16MHz的为多。两只小容量瓷片电容的取值一般为30PF或22PF。

    CPU外接晶振电路的常见形式:


 


图3 晶振电路的其它电路形式

 

    因CPU型号的不同和振荡元件的差异,CPU外接晶振电路也有所不同。另,极少数变频器产品,采用双CPU控制,由专用时钟信号发生器,直接输出振荡信号给CPU,如图7-3(3)电路。

 

    CPU的外存储器电路:

    与CPU的43、54、55、56脚相连的为外接存储器(L56R 245W)8脚IC元件。四路信号的传输均为低电平有效模式。55、56脚为读写选通信号,另两脚则传输串行数据信号和时钟脉冲信号。

CPU内部已设置有只读存储器ROM,这种存储器数据是固定的,用来存放工厂程序,出厂时已固化在ROM中。此类程序无法改写,但断电也不会消失;CPU内部还有另一类存储器,称为随机存储器RAM,这类存储器可读可写,但断电后数据即行消失。RAM用于处理一些“暂时应用”的数据,用于运行中的数据暂存,数据的写入和读出。以上两类存储器又可称为“内存”。第三类存储器,为EEPROM电可编程读写存储器,当电源掉电后,可保存数据,同时又可用电擦除改写内部内容。该类存储器又称为外部存储器,用于存入用户控制程序,如控制参数的更改与储存。变频器CPU电路中常用EEPROM存储器,一般为8脚贴片封装,5V单电源供电。

操作显示面板电路:

图1右侧电路即为操作面板的显示电路,右下侧为按键信号输入电路,按键电路接成矩阵电路,对按键信号的读取一般采用循环扫描方式,以判断是哪个按键按下。按键电路,除供用户用作参数修改和设置外,还可实现与控制端子一样的功能——用于变频器的启、停操作,故障复位操作等。右上侧电路为显示电路,小功率和经济型机型,操作显示面板多采用本电路。而在通用机型中,操作显示面板,内含CPU控制,作为一个独立器件,与CPU进行三线式通讯。

显示电路:LED1、LED2、LED3三只数码显示器为共阳极接线方式,采用动态扫描的方法进行显示。LED显示器由7个发光二极管组成,也称为七段LED显示器。此外,还有一只圆点型发光二极管,供显示小数点。CPU的内部驱动电路,输出脉冲式工作电流,对显示器的发光实施段控和位控。数码显示器直接由CPU引脚驱动,无外置驱动电路。

 


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