基于SPMC75系列單片機(jī)的高性能三相變頻電源

1 引言
　　變頻電源是一種電源變換設(shè)備，因具有輸出波形純正、輸出電壓穩(wěn)定、輸出頻率和輸出電壓可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。其良好的性能，在傳感、儀器儀表、工業(yè)控制等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。本文主要介紹利用SPMC75F2413A和IPM（PS21865A）實(shí)現(xiàn)高性能三相變頻電源的開發(fā)。
2 芯片特性簡(jiǎn)介
　　SPMC752413A是μ’nSP™系列產(chǎn)品的一個(gè)新成員，是凌陽科技新推出的專用于變頻驅(qū)動(dòng)的16位微控制器。其擁有性能出色定時(shí)器和PWM信號(hào)發(fā)生器組。
　　SPMC75F2413A在4.5V~5.5V工作電壓范圍內(nèi)的工作速度范圍為0~24MHz，擁有2K字SRAM和32K字閃存ROM；最多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（其中有二個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用PWM波形發(fā)生器，二個(gè)位置偵測(cè)接口定時(shí)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(cè)功能；8通道10位模-數(shù)轉(zhuǎn)換。在這些硬件外設(shè)的支持下SPMC75F2413A可以方便實(shí)現(xiàn)各種變頻系統(tǒng)。
SPMC75F2413A的特性如下：

3  系統(tǒng)總體方案介紹
本高性能三相變頻電源系統(tǒng)主要由凌陽16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)用的需要調(diào)整系統(tǒng)的輸出頻率和輸出電壓；
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；
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：
SPMC75F2413A接收根據(jù)設(shè)置來自鍵盤或是通信接口的控制信息產(chǎn)生相應(yīng)的SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，信號(hào)經(jīng)PS21865A功率變換后、輸出濾波和輸出變壓器后輸出。同時(shí)SPMC75F2413A會(huì)隨時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行，保證輸出正常，一旦出現(xiàn)異常便會(huì)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)
整個(gè)系統(tǒng)的核心電路是波形合成電路，其結(jié)構(gòu)和性能決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能。本系統(tǒng)的波形合成電路使用SPMC75F2413A、功率模組PS21865A、輸出變壓器和輸出濾波電路幾部分組成。其中PS21865A內(nèi)部是一個(gè)三相的功率橋和相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路，用于實(shí)現(xiàn)SVPWM信號(hào)的功率放大功能；輸出變壓器和輸出濾波電路則主要用于將PS21865A輸出功率SVPWM信號(hào)變換為正弦輸出，并濾除其高次諧波，保證輸出波形的純正；而SPMC75F2413A 單片機(jī)的主要作用則是：1. 產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)變頻電源所需的SVPWM信號(hào)。2. 完成人機(jī)交互，方便用戶對(duì)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SVPWM信號(hào)經(jīng)由芯片的IOB0~5輸出，控制PS21865A的三相全橋電路，信號(hào)經(jīng)功率合成、低通濾波和三相輸出變壓器后輸出給負(fù)載。同時(shí)，系統(tǒng)的工作電流和輸出電壓均會(huì)反饋給SPMC75F2413A，供給系統(tǒng)控制使用。SPMC75F2413A的IOB6和IOB7是錯(cuò)誤偵測(cè)和過載保護(hù)輸入端，通過對(duì)其傳回信號(hào)的檢測(cè)，一旦PS21865A出現(xiàn)工作異常（如過壓、欠壓、過流、過熱）和系統(tǒng)過載，驅(qū)動(dòng)硬件會(huì)立即禁止PS21865A工作，同時(shí)申請(qǐng)中斷，請(qǐng)求CPU處理。
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(qǐng)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.核心的波形發(fā)生器，這部分主要是SVPWM信號(hào)發(fā)生器，和一些相關(guān)的驅(qū)動(dòng)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)核心的波形發(fā)生器部分的結(jié)構(gòu)如圖 5-1。在這里根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)使用化簡(jiǎn)的SVPWM信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)。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(dòng)補(bǔ)嘗用的。



圖 5-1驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)
PWM周期中斷服務(wù)子程序是整波形合成的核心，其流程如圖所示，程序會(huì)按相位累加和當(dāng)前相位的正余弦系數(shù)的查表計(jì)算、向量系數(shù)計(jì)算、空間向量變換和占空比更新順序執(zhí)行，完成后返回。


圖 5-2  PWM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(jiǎn)單易用的交互接口，以方便用戶對(duì)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m’nSP™ 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，在匯編程序中調(diào)用C程序）。該系統(tǒng)用了SPMC75F2413A兩個(gè)定時(shí)器和約30個(gè)IO口資源，其實(shí)SPMC75F2413A的資源相當(dāng)豐富。因其有專業(yè)的變頻硬件支持，變頻系統(tǒng)開發(fā)變得相對(duì)簡(jiǎn)單。同時(shí)，SPMC75F2413A在變頻控制方面有相當(dāng)出眾的表現(xiàn)。因此，基于SPMC75F2413A的變頻系統(tǒng)在通用變頻、變頻家電等變頻領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景

7 參考文獻(xiàn)
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