使用SPMC 75F2413A設(shè)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(diào)速設(shè)備。它是為了解決傳統(tǒng)的交流電機調(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而出現(xiàn)的。由于其使交流電機的調(diào)速范圍和調(diào)速性能均大為提升，因此交流電機逐漸代替直流電機出現(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)計的變頻器具備以下標準變頻器的所有功能。是SPMC75F2413A的一種基本應(yīng)用。本文的目的主要是給讀者一個用 SPMC75F2413A實現(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)計的系統(tǒng)具備以下功能包括：機驅(qū)動、異常事件處理、運行參數(shù)的設(shè)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(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)品的一個新成員，是凌陽科技新推出的一個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)動領(lǐng)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(xiàn)各種電機驅(qū)動方案。
    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個可編程的多功能I/O端口；5個通用16位定時器/計數(shù)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(fù)位/監(jiān)測功能；8通道10位模-數(shù)轉(zhuǎn)換。SPMC75F2413A在電機控制領(lǐng)域有相當優(yōu)秀的表現(xiàn)。
    特性包括：
    ◆ 凌陽16位μ’nSP處理器（ISA 1.2）
    ◆ 工作電壓：
     內(nèi)核：4.5V～5.5V
    ◆ 最高運行速度：24MHz
    ◆ 工作溫度： -40 ℃～85 ℃
    ◆ 芯片內(nèi)存儲器：
      32KW （32K×16） Flash
      2KW （2K×16） SRAM
    ◆ 基于時鐘發(fā)生模塊的鎖相環(huán)電路
    ◆ 看門狗定時器
    ◆ 10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器
     8通道輸入
     10us （100kHz）轉(zhuǎn)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(shè)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(diào)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 TIO3A～TIO3F, MCP定時器4支持 TIO4A～TIO4F
    ◆ 脈寬調(diào)制定時器支持遞增/遞減計數(shù)
    ◆ PDC定時器0/1均支持3通道的TIO0A～TIO0C輸入捕獲
    ◆ TPM定時器2支持捕獲/脈寬調(diào)制
    ◆ 12個16位脈寬調(diào)制輸出
    ◆ 2通道的電機驅(qū)動脈寬調(diào)制輸出（互補的3相6路脈寬調(diào)制輸出）
    ◆ TIO3A～TIO3F利用 MCP 定時器3工作, TIO4A～TIO4F利用MCP定時器4工作
    ◆ 中心（center）或邊沿（edge）脈寬調(diào)制輸出
    ◆ 通過外部錯誤保護管腳進行脈寬調(diào)制輸出保護
    ◆ 可編程的死區(qū)控制（Dead time control）
    ◆ 脈寬調(diào)制服務(wù)和錯誤中斷發(fā)生
    ◆ 具備驅(qū)動交流感應(yīng)電機和直流無刷電機的能力
    ◆ 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(shù)可調(diào)化，以適應(yīng)不同應(yīng)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(shù)設(shè)置和控制用的鍵盤；
    擁有8個數(shù)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(shè)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(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。同時主控MCU會隨時監(jiān)視系統(tǒng)的運行，一旦出現(xiàn)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(shè)計
    系統(tǒng)驅(qū)動部分的電路原理圖如圖 4-1。其中PS21865A內(nèi)部是一個三相的功率橋相應(yīng)驅(qū)動電路，用于實現(xiàn)SPWM信號到驅(qū)動電機的功率變換功能。SPMC75F2413A 單片機的主要作用：
    1. 產(chǎn)生驅(qū)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(guān)的異常信息，確保系統(tǒng)的安全可靠。
    SPMC75F2413A產(chǎn)生的三相互補的PWM信號經(jīng)由芯片的IOB0～5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(xiàn)工作異常（如過壓、欠壓、過流、過熱），驅(qū)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(jié)構(gòu)還請參考圖 3-1。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    整個系統(tǒng)軟件分為三部分：
    1. 電機的核心驅(qū)動程序，這部分主要是產(chǎn)生電機驅(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現(xiàn)SPWM信號的產(chǎn)生，只不過是用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現(xiàn)。這里的調(diào)制系數(shù)計算和乘法器主要是為實現(xiàn)波形的幅度控制和電源波動補嘗用的。

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)控制部分是整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)的心臟。整個系統(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(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m’nSP 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(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兩個定時器和約30個IO口資源，其實SPMC75F2413A的資源相當豐富。因其有專業(yè)的變頻硬件支持，變頻系統(tǒng)開發(fā)變得相對簡單。同時，SPMC75F2413A在變頻控制方面有相當出眾的表現(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 
[1] 雷思孝、李伯成、雷向莉等，單片機原理及實用技術(shù)—凌陽16位單片機原理及應(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[M]