利用单片机设计通用变频器

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1、使用单片机设计的通用变频器1 引言变频器是从上世纪中叶发展起来的一种交流调速设备。 它是 为了解决传统的交流电机调速困难、 传统的交变速设备不但 结构复杂且效率和可靠性均不尽人意的缺点而出现的。 由于 其使交流电机的调速范围和调速性能均大为提升， 因此交流 电机逐渐代替直流电机出现在各种应用领域， 即便是以往只 可能是直流电机出现的伺服控制领域。 随着电力半导体长足 发展，变频器也随之不断进步。如今变频器已深入我们的日 常生活，随处可见其为我们服务的身影。本文主要介绍利用 SPMC75F2413A 和 IPM ( PS21865A ) 实现通用变频器的开发。 SPMC75F2413A 是由台湾

2、凌阳公 司新推出针对工业和家电变频专用的 MCU。它是nS系列产品的一个新成员，它在4.5V5.5V工作电压范围内的工作速度范围为 024MHz ，拥有 2K 字 SRAM和32K字闪存ROM ;64个可编程的多功能I/O端口； 5 个通用 16 位定时器 /计数器，且每个定时器均有 PWM 发 生的事件捕获功能； 2 个专用于定时可编程周期定时器；可 编程看门狗； 低电压复位 /监测功能； 8 通道 10 位模 -数转换。 SPMC75F2413A 在电机控制领域有相当优秀的表现。本文所设计的变频器具备一下标准变频器的所有功能。是 SPMC75F2413A 的一种基本应用。本文的目的主要是给

3、读 者一个用 SPMC75F2413A 实现变频驱动的例子， 让读者对 SPMC75F2413A 有更深的了解。本文所设计的系统具备以 下功能：括电机驱动、异常事件处理、运行参数的设置、信 息状态管理、通信链路接口、人机交互接口等几部分。2 芯片特性简介 本系统是基于智能功率模组芯片和 SPMC75F2413A 实现的 通用变频器方案，下面介绍 SPMC75F2413A 的特性。SPMC75F2413A 是 叮nS系列产品的一个新成员， 是凌阳 科技新推出的一个16位结构的微控制器。与其它 卩nS产 品不同的是， SPMC75F2413A 主要应用在工控或是家电的 变频驱动领域。 由于其拥有出

4、色性能定时器 PWM 信号发生 器组。因此， SPMC75F2413A 可以方便的实现各种电机驱 动方案。SPMC75F2413A 在 4.5V5.5V 工作电压范围内的工作速度 范围为 024MHz ，拥有 2K 字 SRAM 和 32K 字闪存 ROM ； 64 个可编程的多功能 I/O 端口；5 个通用 16 位定时器 /计数 器，且每个定时器均有 PWM 发生的事件捕获功能； 2 个专 用于定时可编程周期定时器；可编程看门狗；低电压复位 / 监测功能； 8 通道 10 位模 -数转换。 SPMC75F2413A 在电 机控制领域有相当优秀的表现。特性包括：凌阳16位叮nS处理器(ISA

5、 1.2) 工作电压：内核：4.5V5.5V 最高运行速度： 24MHz工作温度：-40 C85 C 芯片内存储器：32KW (32KX 16) Flash 2KW (2K X16)SRAM 基于时钟发生模块的锁相环电路 看门狗定时器 10 位模/数转换器 8 通道输入 10us (100kHz) 转换时间串行通讯接口 通用异步串行通讯接口 (UART)标准外 围接口 (SPI) 总计 64 个通用输入输出管脚 电源管理 2 种低功耗模式： Wait/Standby 每个外设都可 以独立的供电 两个比较匹配定时器 5 个 16 位通用定时器 2 个用于脉宽调制， 2 个用于速度捕获， 1 个用

6、于速度反 馈环 MCP定时器3支持 TIO3ATI03F, MCP 定时器4支 持 TIO4A TIO4F 脉宽调制定时器支持递增 /递减计数 PDC 定时器 0/1 均支持 3 通道的 TIO0A TIO0C 输入捕 获 TPM 定时器 2支持捕获 /脉宽调制 12 个 16 位脉宽调制输出 2 通道的电机驱动脉宽调制输出(互补的 3 相 6 路脉宽调制输出 ) TIO3A TIO3F 利用 MCP 定时器 3 工作, TIO4A TIO4F 利用 MCP 定时器 4 工作 中心 (center) 或边沿 (edge) 脉宽调制输出 通过外部错误保护管脚进行脉宽调制输出保护 可编程的死区控制

7、(Dead time control)脉宽调制服务和错误中断发生具备驱动交流感应电机和直流无刷电机的能力内嵌在线仿真功能3系统总体方案介绍本通用变频器系统主要由凌阳十六位单片机SPMC75F2413A、三凌的IPM功率模组芯片 PS21865A 组 成，系统框图如图 3-1 o魏字输入端子:戍喜输出瞬子电源供应图3-1系统框图这个系统的功能：系统运行参数可调化，以适应不同应用的需要；拥有实时的 信息和状态显示，主要用于当前系统的状态信息显示和人机 接口的一部分；带有系统参数设置和控制用的键盘；拥有 8 个数字控制端口，以方便用户的远程操控，端口的具体功能 可通过设置来更改；具备模拟控制接口；完

8、备的系统保护功能，在系统异常时保护系统不受损坏；系统工作流程：主控 MCU 接收根据设置来自键盘和数字或是模拟接口的控 制信息合成驱动电机驱动所用的驱动信号， 信号经 IPM 功率 变换后驱动电机。同时主控 MCU 会随时监视系统的运行， 一旦出现异常便会立即保护，同时报警，以提醒用户进行处 理。4 系统硬件设计系统驱动部分的电路原理图如图 4-1 。其中 PS21865A 内部 是一个三相的功率桥相应驱动电路，用于实现 SPWM 信号 到驱动电机的功率变换功能。 SPMC75F2413A 单片机的主 要作用：1. 产生驱动电机所需的 SPWM 信号。2. 完成人机交互，方便用户对系统的控制。

9、3. 处理相关的异常信息，确保系统的安全可靠。SPMC75F2413A 产生的三相互补的 PWM 信号经由芯片的 IOB05 输出，控制 PS21865A 的三相全桥电路，信号经功 率合成放大后从 OUT_U 、 OUT_V 、OUT_W 三个端子输出 并控制电机。同时， U 相和 W 相的信号还会通过电流互感 器，为系统控制提供电流传感信号。 SPMC75F2413A 的 IOB6 是错误侦测输入端，通过对其传回信号的检测，一旦 PS21865A 出现工作异常（如过压、欠压、过流、过热）， 驱动硬件会立即禁止 PS21865A 工作，同时申请中断，请 求 CPU 处理。图 4-1 中的电阻是

10、上拉电阻，因 PS21865A 的故障输出信 号是集电极开路输出的，同时这个信号是低有效的。O JOD-310/o迹Q DWT_VO叫Q图4-1系统电路原理图由于其它模块属于通常的一些模块，此处不再详述。整个系 统的结构还请参考图3-1 o5系统软件设计整个系统软件分为三部分:1. 电机的核心驱动程序，这部分主要是产生电机驱动所用 的SPWM信号发生器，和一些相关的驱动服务程序；2. 系统控制程序；3. 人机接口界面程序；该系统核心驱动部分的结构如图5-1 o在这里使用直接数字频率合成的方法去实现 SPWM信号的产生，只不过是用 PWM发生器替代了 DAC。这部分结构（除PWM发生模块） 将在

11、PWM的周期中断中用软件实现。这里的调制系数计算 和乘法器主要是为实现波形的幅度控制和电源波动补尝用 的。波形合成的PWM周期中断服务子程序的流程如图5-2，程序首先判断是否有波形参数更新，以此实现波形参数的一次性同步更新，以防止参数修改不同步对发生信号的影响。而 后程序会根据图 5-1的结构流程依次执行，完成后返回。图5-2中断服务子程序流程图系统控制部分是整个系统协调的心脏。整个系统都在其协调下有条不紊的工作。这部分主要是根据系统设置和当前系统 的状态给出相应的控制信息，以确保系统的可靠运行。人机接口界面程序，这部主要是为用户提供一个简单易用的 交互接口，以方便用户对变频器的可靠控制。包括

12、变频器的 起停、各种运行参数的设置都在这一层面上执行。6 结语 通常，在开发变频设备的过程中，需要编写实时性、程序可 读性强的代码， 这时就需要采用混合编程。 而凌阳的 mnSP IDE 具有良好的编程环境，它可以很轻松、容易地进行混合 编程（在 C 程序中调用汇编程序，在汇编程序中调用 C 程 序）。该系统用了 SPMC75F2413A 两个定时器和约 30 个 IO 口资 源，其实 SPMC75F2413A 的资源相当丰富。因其有专业的 变频硬件支持，变频系统开发变得相对简单。同时， SPMC75F2413A 在变频控制方面有相当出众的表现。 因此， 基于 SPMC75F2413A 的变频系统在通用变频、 变频家电等 变频领域有广阔的应用前景。