摘 要:本文主要介绍利用SPMC75F2313A单片机和IPM模块FSBB20CH60实现通用变频器的方案.
关键词:SPWM、SPMC75、DSP、IPM、通用变频器.
变频已成为当今社会一个炙手可热的名词,可他真的像人们想象中的那么神秘吗?本文将带领大家解开变频器这层神秘的面纱.
交流电机具有结构简单、制造方便、运行可靠,价格低廉等优点,但却不像直流电机那样容易实现经济的宽范围的平滑调速.在这种形式下,变频器应运而生.其主要功能就是将直流电通过功率电子开关的不同开关组合逆变为频率、电压可变的正弦波形式的交流电,从而来拖动交流电机,实现交流电机的平滑调速.
本文主要介绍利用SPMC75F2313A和IPM(FSBB20CH60)实现通用变频器的开发.SPMC75系列单片机是由台湾凌阳公司新推出针对工业和家电变频专用的MCU.它是μ’nSP系列产品的一个新成员,它在4.5V~5.5V电压范围内的工作速度范围为0~24MHz,拥有2K字SRAM和32K字闪存ROM.最多具有64个可编程的多功能I/O端口;5个通用16位定时器/计数器,且每个定时器均配有硬件PWM生成、捕获功能;配有专用的光栅编码和霍尔信号输入接口;2个专用于定时可编程周期定时器;可编程看门狗;低电压复位/监测功能;8通道10位模-数转换.SPMC75系列单片机在电机控制领域有相当优秀的表现.(详细的原理图、程序源代码资料可到2 硬件电路
2.1 系统硬件框图
本系统分为主控板和功率板两部分,系统使用SPMC75F2313A作主控CPU、6N137为高速信号隔离、FSBB20CH60为功率模块.
主控板由主控MCU及其周边的数据存贮、键盘、显示和各种接口等几部分组成,功率板由供电系统、IPM功率模组等几部分构成.系统的硬件结构如图2-1所示:
基于 SPMC75 单片机的通用变频器方案
图 2-1 系统硬件框图
2.2 硬件原理图
2.2.1 MCU电路
MCU采用凌阳SPMC75F2313A_SDIP42,是整个系统的控制核心,主要完成SPWM信号的产生、键盘扫面、显示信息的处理、数据存储、各种检测、保护等各种事件的协调和控制等功能,其外围电路及各引脚分配情况如图2-2:
基于 SPMC75 单片机的通用变频器方案
图 2-2 MCU电路
2.2.2 数据存储电路
数据存贮采用IIC协议4K Bit的EEPROM芯片AT24C04,电路如图2-3所示:
图 2-3 存储电路原理图
基于 SPMC75 单片机的通用变频器方案
2.2.3 键盘接口
键盘使用4个IO口实现2×3键盘设计,具体的电路如图2-4所示:
图 2-4 键盘电路
2.2.4 模拟频率设定接口电路
频率控制通过3种方式实现:按键、电位器(频率模拟设定)、上位PC机.其中频率模拟设定接口电路如图2-5所示,WR1为电位器,通过AD转换实现频率的模拟设定.
图 2-5 频率模拟设定电路
2.2.5 显示驱动电路
显示驱动接口电路如图2-6所示,这部分是一个普通的5位7段数码管(6个LED当作一位数码管)的动态扫描显示驱动电路,采用两片74HC595串连,阴极直接采用595进行驱动,而阳极通过74HC595驱动的三极管进行驱动.
基于 SPMC75 单片机的通用变频器方案
图 2-6 显示电路
2.2.6 通信接口电路
通信链路主要用于与外接或PC机通讯,电路采用全双工的RS-232接口器件MAX232,如图3-7:
基于 SPMC75 单片机的通用变频器方案
图 2-7 通讯接口电路
2.2.7 仿真接口电路
SPMC75F2313A单片机支持在线仿真、调试、烧录,接口电路非常简单,如图2-8:
图 2-8 仿真接口电路
2.2.8 电源供给电路
电源供给电路采用传统的EMI滤波电路,电容C4、C5、C6主要用于滤除差模干扰,而电容C1、C7、共模扼流圈则既可滤除共模干扰,又可虑除差模干扰;继电器JZC-33F与电阻R3为软启缓冲电路,主要用于抑制上电瞬间的电流冲击,保护整流桥不被烧毁.如图2-9:
图 2-9 电源供给电路
基于 SPMC75 单片机的通用变频器方案
2.2.9 开关电源电路
电源供给电路采用高效率的开关电源,以TOP233Y为主控元件,为系统提供低压工作电源和IPM驱动电源,如图2-10.
图 2-10 开关电源电路
2.2.10 IPM隔离驱动
图2-11是IPM隔离驱动电路,实现高压直流和MCU部分的电气隔离,保护MCU.图中的6N137为高速光耦,其完成PWM信号的隔离,为了保证驱动能力,在光耦过后使用74HC04将信号反向并增强其驱动能力.由于SPMC75F2313A单片机具有自动插入死区功能,所以隔离驱动电路在硬件上没有必要再插入死区.
基于 SPMC75 单片机的通用变频器方案
图 2-11 PM隔离驱动电路
2.2.11 IPM功率放大电路
如图2-12,功率模块采用美国Fairchild公司的6单元智能功率模块FSBB20CH60,,它最大耐压600V,最大电流20A,并具有过压、过流、短路及过热保护功能.为了简化开关电源设计的复杂程度,IPM驱动电源采用自举电源形式,整个IPM只用一路15V驱动电源即可. 图 2-12 IPM功率放大电路
基于 SPMC75 单片机的通用变频器方案
2.2.12 直流电压电流检测
直流电压电流检测电路原理如图 2-13所示,电流和电压信号经LM358和HCNR200后变为电流信号,再经LM358转换成电压信号后送到MCU的IOA2、IOA3,实时监视直流电压和电流.
图 2-13 直流电压电流检测电路
3 程序结构
3.1 感应马达V/F控制
3.1.1 感应马达V/F控制原理
在电机调速时,最重要是要保持磁通mΦ为额定值不变.在直流电机中,励磁系统独立,只要对电枢进行合适的补尝,保m 持 Φ不变很容易.而在交流异步电机中,磁通是定子和转子的磁势合成的.而且满足:
mNgkNfEΦ=11144.4 (3-1)
式中:
gE——气隙磁通在定子每相中的感应电动势的有效值;
1f——定子频率;
基于 SPMC75 单片机的通用变频器方案
1N——定子每相绕组的串联匝数;
1Nk——基波绕组系数;
mΦ——每极气隙磁通量;
由式(3-1)可知,只要控制好和,便可达到控制磁通gE1fmΦ的目的,为此,得考虑基频以下和基频以上两种工作情况.
QQ:426613421
