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基于SPMC75系列单片机的高性能三相变频电源
文章来源:凌阳单片机推广中心  发布时间:2005-11-25 12:05:39


1 引言
  变频电源是一种电源变换设备,因具有输出波形纯正、输出电压稳定、输出频率和输出电压可调等优点.其良好的性能,在传感、仪器仪表、工业控制等领域有广泛应用.本文主要介绍利用SPMC75F2413A和IPM(PS21865A)实现高性能三相变频电源的开发.
2 芯片特性简介
  SPMC752413A是μ’nSP™系列产品的一个新成员,是凌阳科技新推出的专用于变频驱动的16位微控制器.其拥有性能出色定时器和PWM信号发生器组.
  SPMC75F2413A在4.5V~5.5V工作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(其中有二个电机驱动专用PWM波形发生器,二个位置侦测接口定时器),且每个定时器均有PWM发生的事件捕获功能;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.在这些硬件外设的支持下SPMC75F2413A可以方便实现各种变频系统.
SPMC75F2413A的特性如下:


1. 高性能的16位CPU内核
   a) 凌阳16位u'nSP处理器(ISA 1.2)
   b) 片内基于锁相环的时钟发生模块
   c) 最高系统频率Fck:24MHz
2. 片内存储器
   a) 32K Words (32K×16bit) Flash
   b) 2K Words (2K×16bit) SRAM
3. 工作温度: -40 ℃~85 ℃
4. 10位ADC模块
   a) 可编程转换速率,最大转换速率100Ksps
   b) 8个外部输入通道
   c) 可与PDC或MCP等定时器联动,实现电机控
   制中的电参量测量
5. 串行通讯接口
   a) 通用异步串行通讯接口(UART)
   b) 标准外围接口(SPI)
6. 64(QFP80)/48(QFP64)个通用输入输出脚
7. 可编程看门狗定时器
8. 内嵌在线仿真电路ICE接口:可实现在线仿
   真、调试和下载通用16位定时/计数器
1. PDC定时器
   a) 两个PDC定时器:PDC0和PDC1
   b) 可同时处理三路捕获输入
   c) 可产生三路PWM输出(中心对称或边沿方式)
   d) BLDC驱动的专用位置侦测接口
   e) 两相增量码盘接口,支持四种工作模式,
   拥有四倍频电路
2. MCP定时器
   a) 两个MCP定时器:MCP3和MCP4
   b) 能产生三相六路可编程的PWM波形,如三
   相SPWM、SVPWM等
   c) 提供PWM占空比值同步载入逻辑
   d) 可选择与PDC的位置侦测变化同步
   e) 可编程的硬件死区插入功能,死区时间可
   设定
    f) 可编程的错误和过载保护逻辑
3. TPM定时器
    a) 一个TPM定时器:TPM2
    b) 可同时处理二路捕获输入
c) 可产生二路PWM输出(中心对称或边沿方式)
   两个CMT定时器


3  系统总体方案介绍
本高性能三相变频电源系统主要由凌阳16位单片机SPMC75F2413A、三凌的IPM功率模组芯片PS21865A组成,系统框图如图 3-1.


图 3-1系统框图

这个系统的功能:
系统运行参数可调化,以适应不同应用的需要调整系统的输出频率和输出电压;
拥有实时的信息和状态显示,主要用于当前系统的状态信息显示和人机接口的一部分;
带有系统参数设置和控制用的键盘;
完备的系统保护功能,在系统异常时保护系统不受损坏;
系统工作流程:
SPMC75F2413A接收根据设置来自键盘或是通信接口的控制信息产生相应的SPWM驱动信号,信号经PS21865A功率变换后、输出滤波和输出变压器后输出.同时SPMC75F2413A会随时监视系统的运行,保证输出正常,一旦出现异常便会立即保护,同时报警,以提醒用户进行处理.
4 系统硬件设计
整个系统的核心电路是波形合成电路,其结构和性能决定了整个系统的性能.本系统的波形合成电路使用SPMC75F2413A、功率模组PS21865A、输出变压器和输出滤波电路几部分组成.其中PS21865A内部是一个三相的功率桥和相应驱动电路,用于实现SVPWM信号的功率放大功能;输出变压器和输出滤波电路则主要用于将PS21865A输出功率SVPWM信号变换为正弦输出,并滤除其高次谐波,保证输出波形的纯正;而SPMC75F2413A 单片机的主要作用则是:1. 产生驱动变频电源所需的SVPWM信号.2. 完成人机交互,方便用户对系统的控制.3. 处理相关的异常信息,确保系统的安全可靠.
SPMC75F2413A产生的三相互补的SVPWM信号经由芯片的IOB0~5输出,控制PS21865A的三相全桥电路,信号经功率合成、低通滤波和三相输出变压器后输出给负载.同时,系统的工作电流和输出电压均会反馈给SPMC75F2413A,供给系统控制使用.SPMC75F2413A的IOB6和IOB7是错误侦测和过载保护输入端,通过对其传回信号的检测,一旦PS21865A出现工作异常(如过压、欠压、过流、过热)和系统过载,驱动硬件会立即禁止PS21865A工作,同时申请中断,请求CPU处理.
由于其它模块属于通常的一些模块,此处不再详述.整个系统的结构还请参考图 3-1.
5 系统软件设计
整个系统软件分为三部分:1.核心的波形发生器,这部分主要是SVPWM信号发生器,和一些相关的驱动服务程序;2. 系统控制程序;3. 人机接口界面程序;
该系统核心的波形发生器部分的结构如图 5-1.在这里根据本系统的特点使用化简的SVPWM信号发生器结构.这部分结构(除PWM发生模块)将在PWM的周期中断中用软件实现.这里的调制系数计算和乘法器主要是为实现波形的幅度控制和电源波动补尝用的.



图 5-1驱动结构
PWM周期中断服务子程序是整波形合成的核心,其流程如图所示,程序会按相位累加和当前相位的正余弦系数的查表计算、向量系数计算、空间向量变换和占空比更新顺序执行,完成后返回.


图 5-2  PWM中断服务子程序流程图

  系统控制部分是整个系统协调的心脏.整个系统都在其协调下有条不紊的工作.这部分主要是根据系统设置和当前系统的状态给出相应的控制信息,以确保系统的可靠运行.
人机接口界面程序,这部主要是为用户提供一个简单易用的交互接口,以方便用户对变频器的可靠控制.包括变频器的起停、各种运行参数的设置都在这一层面上执行.

6 结语
  通常,在开发变频设备的过程中,需要编写实时性、程序可读性强的代码,这时就需要采用混合编程.而凌阳的m’nSP™ IDE具有良好的编程环境,它可以很轻松、容易地进行混合编程(在C程序中调用汇编程序,在汇编程序中调用C程序).该系统用了SPMC75F2413A两个定时器和约30个IO口资源,其实SPMC75F2413A的资源相当丰富.因其有专业的变频硬件支持,变频系统开发变得相对简单.同时,SPMC75F2413A在变频控制方面有相当出众的表现.因此,基于SPMC75F2413A的变频系统在通用变频、变频家电等变频领域有广阔的应用前景

7 参考文献
[1] 雷思孝、李伯成、雷向莉等,单片机原理及实用技术—凌阳16位单片机原理及应用[M] 西安:西安电子科技大学出版社
[2] SUNPLUS,SPMC75F2413A编程指南V1.1[M] 北京:SUNNORTH
[3] Mitsubishi,PS21865A数据手册[M]

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