基于單片機設(shè)計的高性能三相變頻電源
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2芯片特性簡介
SPMC752413A是μ’nSP?系列產(chǎn)品的一個新成員，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器和PWM信號發(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個可編程的多功能I/O端口；5個通用16位定時器/計數(shù)器（其中有二個電機驅(qū)動專用PWM波形發(fā)生器，二個位置偵測接口定時器），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。在這些硬件外設(shè)的支持下SPMC75F2413A可以方便實現(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×16bit) Flash b) 2K Words (2K×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個外部輸入通道 c) 可與PDC或MCP等定時器聯(lián)動，實現(xiàn)電機控 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) 標準外圍接口(SPI) 6. 64（QFP80）/48（QFP64）個通用輸入輸出腳 7. 可編程看門狗定時器 8. 內(nèi)嵌在線仿真電路ICE接口：可實現(xiàn)在線仿 真、調(diào)試和下載通用16位定時/計數(shù)器 | 1. PDC定時器 a) 兩個PDC定時器：PDC0和PDC1 b) 可同時處理三路捕獲輸入 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定時器 a) 兩個MCP定時器：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)時間可 設(shè)定 f) 可編程的錯誤和過載保護邏輯 3. TPM定時器 a) 一個TPM定時器：TPM2 b) 可同時處理二路捕獲輸入 c) 可產(chǎn)生二路PWM輸出（中心對稱或邊沿方式） 兩個CMT定時器 |
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)用的需要調(diào)整系統(tǒng)的輸出頻率和輸出電壓；
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；
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：
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SPMC75F2413A會隨時監(jiān)視系統(tǒng)的運行，保證輸出正常，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
整個系統(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)部是一個三相的功率橋和相應(yīng)驅(qū)動電路，用于實現(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載。同時，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是錯誤偵測和過載保護輸入端，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.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)
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前相位的正余弦系數(shù)的查表計算、向量系數(shù)計算、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
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