利用單片機設計通用變頻器(doc 8頁).doc

使用單片機設計的通用變頻器1 引 言 變頻器是從上世紀中葉發(fā)展起來的一種交流調速設備。它是為了解決傳統(tǒng)的交流電機調速困難、傳統(tǒng)的交變速設備不但結構復雜且效率和可靠性均不盡人意的缺點而出現的。由于其使交流電機的調速范圍和調速性能均大為提升，因此交流電機逐漸代替直流電機出現在各種應用領域，即便是以往只可能是直流電機出現的伺服控制領域。隨著電力半導體長足發(fā)展，變頻器也隨之不斷進步。如今變頻器已深入我們的日常生活，隨處可見其為我們服務的身影。 本文主要介紹利用SPMC75F2413A和IPM（PS21865A）實現通用變頻器的開發(fā)。SPMC75F2413A是由臺灣凌陽公司新推出針對工業(yè)和家電變頻專用的MCU。它是nSP系列產品的一個新成員，它在4.5V5.5V工作電壓范圍內的工作速度范圍為024MHz，擁有2K字SRAM和32K字閃存ROM；64個可編程的多功能I/O端口；5個通用16位定時器/計數器，且每個定時器均有PWM發(fā)生的事件捕獲功能；2個專用于定時可編程周期定時器；可編程看門狗；低電壓復位/監(jiān)測功能；8通道10位模-數轉換。SPMC75F2413A在電機控制領域有相當優(yōu)秀的表現。 本文所設計的變頻器具備一下標準變頻器的所有功能。是SPMC75F2413A的一種基本應用。本文的目的主要是給讀者一個用SPMC75F2413A實現變頻驅動的例子，讓讀者對SPMC75F2413A有更深的了解。本文所設計的系統(tǒng)具備以下功能：括電機驅動、異常事件處理、運行參數的設置、信息狀態(tài)管理、通信鏈路接口、人機交互接口等幾部分。 2 芯片特性簡介 本系統(tǒng)是基于智能功率模組芯片和SPMC75F2413A實現的通用變頻器方案，下面介紹SPMC75F2413A的特性。 SPMC75F2413A 是nSP系列產品的一個新成員，是凌陽科技新推出的一個16位結構的微控制器。與其它nSP產品不同的是，SPMC75F2413A主要應用在工控或是家電的變頻驅動領域。由于其擁有出色性能定時器PWM信號發(fā)生器組。因此，SPMC75F2413A可以方便的實現各種電機驅動方案。 SPMC75F2413A在4.5V5.5V工作電壓范圍內的工作速度范圍為024MHz，擁有2K字SRAM和32K字閃存ROM；64個可編程的多功能I/O端口；5個通用16位定時器/計數器，且每個定時器均有PWM發(fā)生的事件捕獲功能；2個專用于定時可編程周期定時器；可編程看門狗；低電壓復位/監(jiān)測功能；8通道10位模-數轉換。SPMC75F2413A在電機控制領域有相當優(yōu)秀的表現。特性包括： 凌陽16位nSP處理器(ISA 1.2) 工作電壓： 內核：4.5V5.5V 最高運行速度：24MHz 工作溫度： -40 85 芯片內存儲器： 32KW (32K16) Flash 2KW (2K16) SRAM 基于時鐘發(fā)生模塊的鎖相環(huán)電路 看門狗定時器 10位模/數轉換器 8通道輸入 10us (100kHz)轉換時間 串行通訊接口 通用異步串行通訊接口(UART) 標準外圍接口(SPI) 總計64個通用輸入輸出管腳 電源管理 2種低功耗模式：Wait/Standby 每個外設都可以獨立的供電 兩個比較匹配定時器 5個16位通用定時器 2個用于脈寬調制，2個用于速度捕獲，1個用于速度反饋環(huán) MCP定時器3支持 TIO3ATIO3F, MCP定時器4支持 TIO4ATIO4F 脈寬調制定時器支持遞增/遞減計數 PDC定時器0/1均支持3通道的TIO0ATIO0C輸入捕獲 TPM定時器2支持捕獲/脈寬調制 12個16位脈寬調制輸出 2通道的電機驅動脈寬調制輸出(互補的3相6路脈寬調制輸出) TIO3ATIO3F利用 MCP 定時器3工作, TIO4ATIO4F利用MCP定時器4工作 中心(center)或邊沿(edge)脈寬調制輸出 通過外部錯誤保護管腳進行脈寬調制輸出保護 可編程的死區(qū)控制(Dead time control) 脈寬調制服務和錯誤中斷發(fā)生 具備驅動交流感應電機和直流無刷電機的能力 內嵌在線仿真功能 3 系統(tǒng)總體方案介紹 本通用變頻器系統(tǒng)主要由凌陽十六位單片機SPMC75F2413A、三凌的IPM功率模組芯片PS21865A組成，系統(tǒng)框圖如圖 3-1。圖 3-1系統(tǒng)框圖 這個系統(tǒng)的功能：系統(tǒng)運行參數可調化，以適應不同應用的需要；擁有實時的信息和狀態(tài)顯示，主要用于當前系統(tǒng)的狀態(tài)信息顯示和人機接口的一部分；帶有系統(tǒng)參數設置和控制用的鍵盤；擁有8個數字控制端口，以方便用戶的遠程操控，端口的具體功能可通過設置來更改；具備模擬控制接口；完備的系統(tǒng)保護功能，在系統(tǒng)異常時保護系統(tǒng)不受損壞；系統(tǒng)工作流程： 主控MCU接收根據設置來自鍵盤和數字或是模擬接口的控制信息合成驅動電機驅動所用的驅動信號，信號經IPM功率變換后驅動電機。同時主控MCU會隨時監(jiān)視系統(tǒng)的運行，一旦出現異常便會立即保護，同時報警，以提醒用戶進行處理。 4 系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)驅動部分的電路原理圖如圖 4-1。其中PS21865A內部是一個三相的功率橋相應驅動電路，用于實現SPWM信號到驅動電機的功率變換功能。SPMC75F2413A 單片機的主要作用：1. 產生驅動電機所需的SPWM信號。2. 完成人機交互，方便用戶對系統(tǒng)的控制。3. 處理相關的異常信息，確保系統(tǒng)的安全可靠。 SPMC75F2413A產生的三相互補的PWM信號經由芯片的IOB05輸出，控制PS21865A的三相全橋電路，信號經功率合成放大后從OUT_U、OUT_V、OUT_W三個端子輸出并控制電機。同時，U相和W相的信號還會通過電流互感器，為系統(tǒng)控制提供電流傳感信號。SPMC75F2413A的IOB6是錯誤偵測輸入端，通過對其傳回信號的檢測，一旦PS21865A出現工作異常（如過壓、欠壓、過流、過熱），驅動硬件會立即禁止PS21865A工作，同時申請中斷，請求CPU處理。 圖 4-1中的電阻是上拉電阻，因PS21865A的故障輸出信號是集電極開路輸出的，同時這個信號是低有效的。 圖 4-1系統(tǒng)電路原理圖 由于其它模塊屬于通常的一些模塊，此處不再詳述。整個系統(tǒng)的結構還請參考圖 3-1。 5 系統(tǒng)軟件設計 整個系統(tǒng)軟件分為三部分：1. 電機的核心驅動程序，這部分主要是產生電機驅動所用的SPWM信號發(fā)生器，和一些相關的驅動服務程序；2. 系統(tǒng)控制程序；3. 人機接口界面程序； 該系統(tǒng)核心驅動部分的結構如圖 5-1。在這里使用直接數字頻率合成的方法去實現SPWM信號的產生，只不過是用PWM發(fā)生器替代了DAC。這部分結構（除PWM發(fā)生模塊）將在PWM的周期中斷中用軟件實現。這里的調制系數計算和乘法器主要是為實現波形的幅度控制和電源波動補嘗用的。 圖 5-1 驅動結構波形合成的PWM周期中斷服務子程序的流程如圖 5-2，程序首先判斷是否有波形參數更新，以此實現波形參數的一次性同步更新，以防止參數修改不同步對發(fā)生信號的影響。而后程序會根據圖 5-1的結構流程依次執(zhí)行，完成后返回。 圖 5-2 中斷服務子程序流程圖系統(tǒng)控制部分是整個系統(tǒng)協調的心臟。整個系統(tǒng)都在其協調下有條不紊的工作。這部分主要是根據系統(tǒng)設置和當前系統(tǒng)的狀態(tài)給出相應的控制信息，以確保系統(tǒng)的可靠運行。 人機接口界面程序，這部主要是為用戶提供一個簡單易用的交互接口，以方便用戶對變頻器的可靠控制。包括變頻器的起停、各種運行參數的設置都在這一層面上執(zhí)行。 6 結 語 通常，在開發(fā)變頻設備的過程中，需要編寫實時性、程序可讀性強的代碼，這時就需要采用混合編程。而凌陽的mnSP IDE具有良好的編程環(huán)境，它可以很輕松、容易地進行混合編程（在C程序中調用匯編程序，在匯編程序中