使用SPMC 75F2413A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(lái)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(zhǎng)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。
    本文所設(shè)計(jì)的變頻器具備以下標(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(dòng)的例子，讓讀者對(duì)SPMC75F2413A有更深的了解。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具備以下功能包括：機(jī)驅(qū)動(dòng)、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(jiǎn)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μ’nSP系列產(chǎn)品的一個(gè)新成員，是凌陽(yáng)科技新推出的一個(gè)16位結(jié)構(gòu)的微控制器。與其它μ’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(dòng)領(lǐng)域。由于其擁有出色性能定時(shí)器PWM信號(hào)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(dòng)方案。
    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；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(cè)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(yáng)16位μ’nSP處理器（ISA 1.2）
    ◆ 工作電壓：
     內(nèi)核：4.5V～5.5V
    ◆ 最高運(yùn)行速度：24MHz
    ◆ 工作溫度： -40 ℃～85 ℃
    ◆ 芯片內(nèi)存儲(chǔ)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 TIO3A～TIO3F, MCP定時(shí)器4支持 TIO4A～TIO4F
    ◆ 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TIO0A～TIO0C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(dòng)脈寬調(diào)制輸出（互補(bǔ)的3相6路脈寬調(diào)制輸出）
    ◆ TIO3A～TIO3F利用 MCP 定時(shí)器3工作, TIO4A～TIO4F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(guò)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(dòng)交流感應(yīng)電機(jī)和直流無(wú)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(yáng)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(guò)設(shè)置來(lái)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(lái)自鍵盤和數(shù)字或是模擬接口的控制信息合成驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所用的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，信號(hào)經(jīng)IPM功率變換后驅(qū)動(dòng)電機(jī)。同時(shí)主控MCU會(huì)隨時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行，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)
    系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路，用于實(shí)現(xiàn)SPWM信號(hào)到驅(qū)動(dòng)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(dòng)電機(jī)所需的SPWM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PWM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(hào)還會(huì)通過(guò)電流互感器，為系統(tǒng)控制提供電流傳感信號(hào)。 SPMC75F2413A的IOB6是錯(cuò)誤偵測(cè)輸入端，通過(guò)對(duì)其傳回信號(hào)的檢測(cè)，一旦PS21865A出現(xiàn)工作異常（如過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)熱），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。
    圖 4-1中的電阻是上拉電阻，因PS21865A的故障輸出信號(hào)是集電極開路輸出的，同時(shí)這個(gè)信號(hào)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(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. 電機(jī)的核心驅(qū)動(dòng)程序，這部分主要是產(chǎn)生電機(jī)驅(qū)動(dòng)所用的SPWM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)核心驅(qū)動(dòng)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(hào)的產(chǎn)生，只不過(guò)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(dòng)補(bǔ)嘗用的。

圖 5-1 驅(qū)動(dòng)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(duì)發(fā)生信號(hào)的影響。而后程序會(huì)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(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(yǔ)
    通常，在開發(fā)變頻設(shè)備的過(guò)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(yáng)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) 
[1] 雷思孝、李伯成、雷向莉等，單片機(jī)原理及實(shí)用技術(shù)—凌陽(yáng)16位單片機(jī)原理及應(yīng)用[M] 西安：西安電子科技大學(xué)出版社
[2] SUNPLUS，SPMC75F2413A編程指南V1.1[M] 北京：SUNNORTH 
[3] Mitsubishi，PS21865A數(shù)據(jù)手冊(cè)[M]