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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)優(yōu)秀的表現(xiàn)。
特性包括：
◆凌陽16位μ’nSP處理器（ISA1.2）
◆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(biāo)準(zhǔn)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（Deadtimecontrol）
◆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(dāng)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。