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基于SPMC75系列單片機(jī)的高性能三相變頻電源
文章來(lái)源:凌陽(yáng)單片機(jī)推廣中心  發(fā)布時(shí)間:2005-11-25 12:05:39


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(yáng)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:


1. 高性能的16位CPU內(nèi)核
   a) 凌陽(yáng)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(chǔ)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(gè)外部輸入通道
   c) 可與PDC或MCP等定時(shí)器聯(lián)動(dòng),實(shí)現(xiàn)電機(jī)控
   制中的電參量測(cè)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(duì)稱或邊沿方式)
   d) BLDC驅(qū)動(dòng)的專用位置偵測(cè)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(cè)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(guò)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(duì)稱或邊沿方式)
   兩個(gè)CMT定時(shí)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(yáng)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(lái)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(guò)載保護(hù)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)和系統(tǒng)過(guò)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(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]

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