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 芯片特性簡介　　SPMC752413A是μ’nSP%26;#8482;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)動的16位微控制器。其擁有性能出色定時(shí)器和PWM信號發(fā)生器組?！　PMC75F2413A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)動專用PWM波形發(fā)生器，二個(gè)位置偵測接口定時(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： 1. 高性能的16位CPU內(nèi)核 a) 凌陽16位u"nSP處理器(ISA 1.2) b) 片內(nèi)基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生模塊 c) 最高系統(tǒng)頻率Fck：24MHz 2. 片內(nèi)存儲器 a) 32K Words (32K%26;#215;16bit) Flash b) 2K Words (2K%26;#215;16bit) SRAM 3. 工作溫度： -40 ℃～85 ℃ 4. 10位ADC模塊 a) 可編程轉(zhuǎn)換速率，最大轉(zhuǎn)換速率100Ksps b) 8個(gè)外部輸入通道 c) 可與PDC或MCP等定時(shí)器聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控 制中的電參量測量 5. 串行通訊接口 a) 通用異步串行通訊接口(UART) b) 標(biāo)準(zhǔn)外圍接口(SPI) 6. 64(QFP80)/48(QFP64)個(gè)通用輸入輸出腳 7. 可編程看門狗定時(shí)器 8. 內(nèi)嵌在線仿真電路ICE接口：可實(shí)現(xiàn)在線仿 真、調(diào)試和下載通用16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器 1. PDC定時(shí)器 a) 兩個(gè)PDC定時(shí)器：PDC0和PDC1 b) 可同時(shí)處理三路捕獲輸入 c) 可產(chǎn)生三路PWM輸出(中心對稱或邊沿方式) d) BLDC驅(qū)動的專用位置偵測接口 e) 兩相增量碼盤接口，支持四種工作模式， 擁有四倍頻電路 2. MCP定時(shí)器 a) 兩個(gè)MCP定時(shí)器：MCP3和MCP4 b) 能產(chǎn)生三相六路可編程的PWM波形，如三 相SPWM、SVPWM等 c) 提供PWM占空比值同步載入邏輯 d) 可選擇與PDC的位置偵測變化同步 e) 可編程的硬件死區(qū)插入功能，死區(qū)時(shí)間可 設(shè)定 f) 可編程的錯(cuò)誤和過載保護(hù)邏輯 3. TPM定時(shí)器 a) 一個(gè)TPM定時(shí)器：TPM2 b) 可同時(shí)處理二路捕獲輸入 c) 可產(chǎn)生二路PWM輸出(中心對稱或邊沿方式) 兩個(gè)CMT定時(shí)器 [b]3 系統(tǒng)總體方案介紹 [/b]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)動信號，信號經(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)動電路，用于實(shí)現(xiàn)SVPWM信號的功率放大功能;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)動變頻電源所需的SVPWM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SVPWM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、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反饋給SPMC75F2413A，供給系統(tǒng)控制使用。SPMC75F2413A的 IOB6和IOB7是錯(cuò)誤偵測和過載保護(hù)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)和系統(tǒng)過載，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。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.核心的波形發(fā)生器，這部分主要是SVPWM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)使用化簡的SVPWM信號發(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補(bǔ)嘗用的。
圖 5-1驅(qū)動結(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?！∪藱C(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m’nSP%26;#8482; 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)變得相對簡單。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[M]