使用SPMC 75F2413A設計的通用變頻器

1引言
變頻器是從上世紀中葉發(fā)展起來(lái)的一種交流調速設備。它是為了解決傳統的交流電機調速困難、傳統的交變速設備不但結構復雜且效率和可靠性均不盡人意的缺點(diǎn)而出現的。由于其使交流電機的調速范圍和調速性能均大為提升，因此交流電機逐漸代替直流電機出現在各種應用領(lǐng)域，即便是以往只可能是直流電機出現的伺服控制領(lǐng)域。隨著(zhù)電力半導體長(cháng)足發(fā)展，變頻器也隨之不斷進(jìn)步。如今變頻器已深入我們的日常生活，隨處可見(jiàn)其為我們服務(wù)的身影。
本文所設計的變頻器具備以下標準變頻器的所有功能。是SPMC75F2413A的一種基本應用。本文的目的主要是給讀者一個(gè)用 SPMC75F2413A實(shí)現變頻驅動(dòng)的例子，讓讀者對SPMC75F2413A有更深的了解。本文所設計的系統具備以下功能包括：機驅動(dòng)、異常事件處理、運行參數的設置、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(jiǎn)介
本系統是基于智能功率模組芯片和SPMC75F2413A實(shí)現的通用變頻器方案，下面介紹SPMC75F2413A的特性。
SPMC75F2413A是μ’nSP系列產(chǎn)品的一個(gè)新成員，是凌陽(yáng)科技新推出的一個(gè)16位結構的微控制器。與其它μ’nSP產(chǎn)品不同的是，SPMC75F2413A主要應用在工控或是家電的變頻驅動(dòng)領(lǐng)域。由于其擁有出色性能定時(shí)器PWM信號發(fā)生器組。因此，SPMC75F2413A可以方便的實(shí)現各種電機驅動(dòng)方案。
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；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/計數器，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(zhuān)用于定時(shí)可編程周期定時(shí)器；可編程看門(mén)狗；低電壓復位/監測功能；8通道10位模-數轉換。SPMC75F2413A在電機控制領(lǐng)域有相當優(yōu)秀的表現。
特性包括：
◆凌陽(yáng)16位μ’nSP處理器（ISA1.2）
◆工作電壓：
內核：4.5V～5.5V
◆最高運行速度：24MHz
◆工作溫度：-40℃～85℃
◆芯片內存儲器：
32KW（32K×16）Flash
2KW（2K×16）SRAM
◆基于時(shí)鐘發(fā)生模塊的鎖相環(huán)電路
◆看門(mén)狗定時(shí)器
◆10位模/數轉換器
8通道輸入
10us（100kHz）轉換時(shí)間
◆串行通訊接口
通用異步串行通訊接口（UART）
標準外圍接口（SPI）
◆總計64個(gè)通用輸入輸出管腳
◆電源管理
2種低功耗模式：Wait/Standby
每個(gè)外設都可以獨立的供電
◆兩個(gè)比較匹配定時(shí)器
◆5個(gè)16位通用定時(shí)器
◆2個(gè)用于脈寬調制，2個(gè)用于速度捕獲，1個(gè)用于速度反饋環(huán)。
◆MCP定時(shí)器3支持TIO3A～TIO3F,MCP定時(shí)器4支持TIO4A～TIO4F
◆脈寬調制定時(shí)器支持遞增/遞減計數
◆PDC定時(shí)器0/1均支持3通道的TIO0A～TIO0C輸入捕獲
◆TPM定時(shí)器2支持捕獲/脈寬調制
◆12個(gè)16位脈寬調制輸出
◆2通道的電機驅動(dòng)脈寬調制輸出（互補的3相6路脈寬調制輸出）
◆TIO3A～TIO3F利用MCP定時(shí)器3工作,TIO4A～TIO4F利用MCP定時(shí)器4工作
◆中心（center）或邊沿（edge）脈寬調制輸出
◆通過(guò)外部錯誤保護管腳進(jìn)行脈寬調制輸出保護
◆可編程的死區控制（Deadtimecontrol）
◆脈寬調制服務(wù)和錯誤中斷發(fā)生
◆具備驅動(dòng)交流感應電機和直流無(wú)刷電機的能力
◆內嵌在線(xiàn)仿真功能

3系統總體方案介紹
本通用變頻器系統主要由凌陽(yáng)十六位單片機SPMC75F2413A、三凌的IPM功率模組芯片PS21865A組成，系統框圖如圖3-1。

圖3-1系統框圖

這個(gè)系統的功能：
系統運行參數可調化，以適應不同應用的需要；
擁有實(shí)時(shí)的信息和狀態(tài)顯示，主要用于當前系統的狀態(tài)信息顯示和人機接口的一部分；
帶有系統參數設置和控制用的鍵盤(pán)；
擁有8個(gè)數字控制端口，以方便用戶(hù)的遠程操控，端口的具體功能可通過(guò)設置來(lái)更改；
具備模擬控制接口；
完備的系統保護功能，在系統異常時(shí)保護系統不受損壞；
系統工作流程：
主控MCU接收根據設置來(lái)自鍵盤(pán)和數字或是模擬接口的控制信息合成驅動(dòng)電機驅動(dòng)所用的驅動(dòng)信號，信號經(jīng)IPM功率變換后驅動(dòng)電機。同時(shí)主控MCU會(huì )隨時(shí)監視系統的運行，一旦出現異常便會(huì )立即保護，同時(shí)報警，以提醒用戶(hù)進(jìn)行處理。

4系統硬件設計
系統驅動(dòng)部分的電路原理圖如圖4-1。其中PS21865A內部是一個(gè)三相的功率橋相應驅動(dòng)電路，用于實(shí)現SPWM信號到驅動(dòng)電機的功率變換功能。SPMC75F2413A單片機的主要作用：
1.產(chǎn)生驅動(dòng)電機所需的SPWM信號。
2.完成人機交互，方便用戶(hù)對系統的控制。
3.處理相關(guān)的異常信息，確保系統的安全可靠。
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(gè)端子輸出并控制電機。同時(shí)，U相和W相的信號還會(huì )通過(guò)電流互感器，為系統控制提供電流傳感信號。 SPMC75F2413A的IOB6是錯誤偵測輸入端，通過(guò)對其傳回信號的檢測，一旦PS21865A出現工作異常（如過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)熱），驅動(dòng)硬件會(huì )立即禁止PS21865A工作，同時(shí)申請中斷，請求CPU處理。