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基于SPMC75系列單片機的高性能三相變頻電源
文章來源:凌陽單片機推廣中心  發(fā)布時間:2005-11-25 12:05:39


1 引言
  變頻電源是一種電源變換設備,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等優(yōu)點.其良好的性能,在傳感、儀器儀表、工業(yè)控制等領域有廣泛應用.本文主要介紹利用SPMC75F2413A和IPM(PS21865A)實現(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?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;低電壓復位/監(jiān)測功能;8通道10位模-數(shù)轉換.在這些硬件外設的支持下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內核
   a) 凌陽16位u'nSP處理器(ISA 1.2)
   b) 片內基于鎖相環(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) 可編程轉換速率,最大轉換速率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. 內嵌在線仿真電路ICE接口:可實現(xiàn)在線仿
   真、調試和下載通用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)可調化,以適應不同應用的需要調整系統(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)設置來自鍵盤或是通信接口的控制信息產(chǎn)生相應的SPWM驅動信號,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)硬件設計
整個系統(tǒng)的核心電路是波形合成電路,其結構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內部是一個三相的功率橋和相應驅動電路,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)的結構還請參考圖 3-1.
5 系統(tǒng)軟件設計
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,和一些相關的驅動服務程序;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)生器部分的結構如圖 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)生器結構.這部分結構(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驅動結構
PWM周期中斷服務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中斷服務子程序流程圖

  系統(tǒng)控制部分是整個系統(tǒng)協(xié)調的心臟.整個系統(tǒng)都在其協(xié)調下有條不紊的工作.這部分主要是根據(jù)系統(tǒng)設置和當前系統(tǒng)的狀態(tài)給出相應的控制信息,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)的設置都在這一層面上執(zhí)行.

6 結語
  通常,在開發(fā)變頻設備的過程中,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程序中調用匯編程序,在匯編程序中調用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、變頻家電等變頻領域有廣闊的應用前景

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—凌陽16位單片機原理及應用[M] 西安:西安電子科技大學出版社
[2] SUNPLUS,SPMC75F2413A編程指南V1.1[M] 北京:SUNNORTH
[3] Mitsubishi,PS21865A數(shù)據(jù)手冊[M]

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