使用單片機(jī)設(shè)計(jì)的通用變頻器

1、使用單片機(jī)設(shè)計(jì)的通用變頻器1 引 言 變頻器是從上世紀(jì)中葉發(fā)展起來的一種交流調(diào)速設(shè)備。它是為了解決傳統(tǒng)的交流電機(jī)調(diào)速困難、傳統(tǒng)的交變速設(shè)備不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜且效率和可靠性均不盡人意的缺點(diǎn)而出現(xiàn)的。由于其使交流電機(jī)的調(diào)速范圍和調(diào)速性能均大為提升，因此交流電機(jī)逐漸代替直流電機(jī)出現(xiàn)在各種應(yīng)用領(lǐng)域，即便是以往只可能是直流電機(jī)出現(xiàn)的伺服控制領(lǐng)域。隨著電力半導(dǎo)體長足發(fā)展，變頻器也隨之不斷進(jìn)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(wù)的身影。 本文主要介紹利用spmc75f2413a和ipm（ps21865a）實(shí)現(xiàn)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

2、mcu。它是nsp系列產(chǎn)品的一個(gè)新成員，它在工作電壓范圍內(nèi)的工作速度范圍為024mhz，擁有2k字sram和32k字閃存rom；64個(gè)可編程的多功能i/o端口；5個(gè)通用16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，且每個(gè)定時(shí)器均有pwm發(fā)生的事件捕獲功能；2個(gè)專用于定時(shí)可編程周期定時(shí)器；可編程看門狗；低電壓復(fù)位/監(jiān)測功能；8通道10位模-數(shù)轉(zhuǎn)換。spmc75f2413a在電機(jī)控制領(lǐng)域有相當(dāng)優(yōu)秀的表現(xiàn)。 本文所設(shè)計(jì)的變頻器具備一下標(biāo)準(zhǔn)變頻器的所有功能。是spmc75f2413a的一種基本應(yīng)用。本文的目的主要是給讀者一個(gè)用spmc75f2413a實(shí)現(xiàn)變頻驅(qū)動的例子，讓讀者對spmc75f2413a有更深的了解。本文所設(shè)計(jì)

3、的系統(tǒng)具備以下功能：括電機(jī)驅(qū)動、異常事件處理、運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置、信息狀態(tài)管理、通信鏈路接口、人機(jī)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(shí)現(xiàn)的通用變頻器方案，下面介紹spmc75f2413a的特性。 spmc75f2413a 是nsp系列產(chǎn)品的一個(gè)新成員，是凌陽科技新推出的一個(gè)16位結(jié)構(gòu)的微控制器。與其它nsp產(chǎn)品不同的是，spmc75f2413a主要應(yīng)用在工控或是家電的變頻驅(qū)動領(lǐng)域。由于其擁有出色性能定時(shí)器pwm信號發(fā)生器組。因此，spmc75f2413a可以方便的實(shí)現(xiàn)各種電機(jī)驅(qū)動方案。 spmc75f2413a在工作電壓范圍內(nèi)的工作速度范圍

4、為024mhz，擁有2k字sram和32k字閃存rom；64個(gè)可編程的多功能i/o端口；5個(gè)通用16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，且每個(gè)定時(shí)器均有pwm發(fā)生的事件捕獲功能；2個(gè)專用于定時(shí)可編程周期定時(shí)器；可編程看門狗；低電壓復(fù)位/監(jiān)測功能；8通道10位模-數(shù)轉(zhuǎn)換。spmc75f2413a在電機(jī)控制領(lǐng)域有相當(dāng)優(yōu)秀的表現(xiàn)。特性包括： 凌陽16位nsp處理器(isa 1.2) 工作電壓： 內(nèi)核：5.5v 最高運(yùn)行速度：24mhz 工作溫度： -40 85 芯片內(nèi)存儲器： 32kw (32k×16) flash 2kw (2k×16) sram 基于時(shí)鐘發(fā)生模塊的鎖相環(huán)電路 看門狗定時(shí)器 10

5、位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器 8通道輸入 10us (100khz)轉(zhuǎn)換時(shí)間 串行通訊接口 通用異步串行通訊接口(uart) 標(biāo)準(zhǔn)外圍接口(spi) 總計(jì)64個(gè)通用輸入輸出管腳 電源管理 2種低功耗模式：wait/standby 每個(gè)外設(shè)都可以獨(dú)立的供電 兩個(gè)比較匹配定時(shí)器 5個(gè)16位通用定時(shí)器 2個(gè)用于脈寬調(diào)制，2個(gè)用于速度捕獲，1個(gè)用于速度反饋環(huán) mcp定時(shí)器3支持 tio3atio3f, mcp定時(shí)器4支持 tio4atio4f 脈寬調(diào)制定時(shí)器支持遞增/遞減計(jì)數(shù) pdc定時(shí)器0/1均支持3通道的tio0atio0c輸入捕獲 tpm定時(shí)器2支持捕獲/脈寬調(diào)制 12個(gè)16位脈寬調(diào)制輸出 2通道的電機(jī)驅(qū)動脈

6、寬調(diào)制輸出(互補(bǔ)的3相6路脈寬調(diào)制輸出) tio3atio3f利用 mcp 定時(shí)器3工作, tio4atio4f利用mcp定時(shí)器4工作 中心(center)或邊沿(edge)脈寬調(diào)制輸出 通過外部錯(cuò)誤保護(hù)管腳進(jìn)行脈寬調(diào)制輸出保護(hù) 可編程的死區(qū)控制(dead time control) 脈寬調(diào)制服務(wù)和錯(cuò)誤中斷發(fā)生 具備驅(qū)動交流感應(yīng)電機(jī)和直流無刷電機(jī)的能力 內(nèi)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(jī)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(gè)系統(tǒng)的功能：系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)可調(diào)化，以適應(yīng)不同應(yīng)用的

7、需要；擁有實(shí)時(shí)的信息和狀態(tài)顯示，主要用于當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)信息顯示和人機(jī)接口的一部分；帶有系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和控制用的鍵盤；擁有8個(gè)數(shù)字控制端口，以方便用戶的遠(yuǎn)程操控，端口的具體功能可通過設(shè)置來更改；具備模擬控制接口；完備的系統(tǒng)保護(hù)功能，在系統(tǒng)異常時(shí)保護(hù)系統(tǒng)不受損壞；系統(tǒng)工作流程： 主控mcu接收根據(jù)設(shè)置來自鍵盤和數(shù)字或是模擬接口的控制信息合成驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動所用的驅(qū)動信號，信號經(jīng)ipm功率變換后驅(qū)動電機(jī)。同時(shí)主控mcu會隨時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行，一旦出現(xiàn)異常便會立即保護(hù)，同時(shí)報(bào)警，以提醒用戶進(jìn)行處理。 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)驅(qū)動部分的電路原理圖如圖 4-1。其中ps21865a內(nèi)部是一個(gè)三相的功率橋相應(yīng)驅(qū)動電路

8、，用于實(shí)現(xiàn)spwm信號到驅(qū)動電機(jī)的功率變換功能。spmc75f2413a 單片機(jī)的主要作用：1. 產(chǎn)生驅(qū)動電機(jī)所需的spwm信號。2. 完成人機(jī)交互，方便用戶對系統(tǒng)的控制。3. 處理相關(guān)的異常信息，確保系統(tǒng)的安全可靠。 spmc75f2413a產(chǎn)生的三相互補(bǔ)的pwm信號經(jīng)由芯片的iob05輸出，控制ps21865a的三相全橋電路，信號經(jīng)功率合成放大后從out_u、out_v、out_w三個(gè)端子輸出并控制電機(jī)。同時(shí)，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(cuò)誤偵測輸入端，通過對其傳回信號的檢測，一旦ps21865a出現(xiàn)工作異常（如過壓、

9、欠壓、過流、過熱），驅(qū)動硬件會立即禁止ps21865a工作，同時(shí)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(shí)這個(gè)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(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還請參考圖 3-1。 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 整個(gè)系統(tǒng)軟件分為三部分：1. 電機(jī)的核心驅(qū)動程序，這部分主要是產(chǎn)生電機(jī)驅(qū)動所用的spwm信號發(fā)生器，和一些相關(guān)的驅(qū)動服務(wù)程序；2. 系統(tǒng)控制程序；3. 人機(jī)接口界面程序； 該系統(tǒng)核心驅(qū)動部分的結(jié)構(gòu)如圖 5-1。在這里使用直接數(shù)字頻率合成的方法去實(shí)現(xiàn)spwm信號的產(chǎn)生，只不過

10、是用pwm發(fā)生器替代了dac。這部分結(jié)構(gòu)（除pwm發(fā)生模塊）將在pwm的周期中斷中用軟件實(shí)現(xiàn)。這里的調(diào)制系數(shù)計(jì)算和乘法器主要是為實(shí)現(xiàn)波形的幅度控制和電源波動補(bǔ)嘗用的。 圖 5-1 驅(qū)動結(jié)構(gòu)波形合成的pwm周期中斷服務(wù)子程序的流程如圖 5-2，程序首先判斷是否有波形參數(shù)更新，以此實(shí)現(xiàn)波形參數(shù)的一次性同步更新，以防止參數(shù)修改不同步對發(fā)生信號的影響。而后程序會根據(jù)圖 5-1的結(jié)構(gòu)流程依次執(zhí)行，完成后返回。 圖 5-2 中斷服務(wù)子程序流程圖系統(tǒng)控制部分是整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)的心臟。整個(gè)系統(tǒng)都在其協(xié)調(diào)下有條不紊的工作。這部分主要是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置和當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)給出相應(yīng)的控制信息，以確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。 人機(jī)接口界面程序，這部主要是為用戶提供一個(gè)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(yùn)行參數(shù)的設(shè)置都在這一層面上執(zhí)行。 6 結(jié) 語 通常，在開發(fā)變頻設(shè)備的過程中，需要編寫實(shí)時(shí)性、程序可讀性強(qiáng)的代碼，這時(shí)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(jìn)行混合編程（在c程序中調(diào)用匯編程序，在匯編程序中