基于SPMC752413A單片機的高性能三相變頻電源
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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、輸出電壓穩定、輸出頻率和輸出電壓可調等優點。其良好的性能，在傳感、儀器儀表、工業控制等領域有廣泛應用。本文主要介紹利用SPMC75F2413A和IPM（PS21865A）實現高性能三相變頻電源的開發。
2芯片特性簡介
SPMC752413A是μ’nSP?系列產品的一個新成員，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/計數器（其中有二個電機驅動專用PWM波形發生器，二個位置偵測接口定時器），且每個定時器均有PWM發生的事件捕獲功能；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/監測功能；8通道10位模-數轉換。在這些硬件外設的支持下SPMC75F2413A可以方便實現各種變頻系統。
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) 片內基于鎖相環的時鐘發生模塊 c) 最高系統頻率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等定時器聯動，實現電機控 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：可實現在線仿 真、調試和下載通用16位定時/計數器 | 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) 可編程的硬件死區插入功能，死區時間可 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) 可產生二路PWM輸出（中心對稱或邊沿方式） 兩個CMT定時器 |
3 系統總體方案介紹
本高性能三相變頻電源系統主要由凌陽16位單片機SPMC75F2413A、三凌的IPM功率模組芯片PS21865A組成，系統框圖如圖 3-1。
圖 3-1系統框圖
這個系統的功能：
系統運行參數可調化，以適應不同應用的需要調整系統的輸出頻率和輸出電壓；
擁有實時的信息和狀態顯示，主要用于當前系統的狀態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；
完備的系統保護功能，在系統異常時保護系統不受損壞；
系統工作流程：
SPMC75F2413A接收根據設置來自鍵盤或是通信接口的控制信息產生相應的SPWM驅動信號，信號經PS21865A功率變換后、輸出濾波和輸出變壓器后輸出。同時SPMC75F2413A會隨時監視系統的運行，保證輸出正常，一旦出現異常便會立即保護，同時報警，以提醒用戶進行處理。
4系統硬件設計
整個系統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的性能。本系統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，方便用戶對系統的控制。3. 處理相關的異常信息，確保系統的安全可靠。
SPMC75F2413A產生的三相互補的SVPWM信號經由芯片的IOB0~5輸出，控制PS21865A的三相全橋電路，信號經功率合成、低通濾波和三相輸出變壓器后輸出給負載。同時，系統的工作電流和輸出電壓均會反饋給SPMC75F2413A，供給系統控制使用。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出現工作異常（如過壓、欠壓、過流、過熱）和系統過載，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。整個系統的結構還請參考圖 3-1。
5系統軟件設計
整個系統軟件分為三部分：1.核心的波形發生器，這部分主要是SVPWM信號發生器，和一些相關的驅動服務程序；2. 系統控制程序；3. 人機接口界面程序；
該系統核心的波形發生器部分的結構如圖 5-1。在這里根據本系統的特點使用化簡的SVPWM信號發生器結構。這部分結構（除PWM發生模塊）將在PWM的周期中斷中用軟件實現。這里的調制系數計算和乘法器主要是為實現波形的幅度控制和電源波動補嘗用的。
圖
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的查表計算、向量系數計算、空間向量變換和占空比更新順序執行，完成后返回。
圖 5-2 PWM中斷服務子程序流程圖
系統控制部分是整個系統協調的心臟。整個系統都在其協調下有條不紊的工作。這部分主要是根據系統設置和當前系統的狀態給出相應的控制信息，以確保系統的可靠運行。
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、各種運行參數的設置都在這一層面上執行。
6結語
通常，在開發變頻設備的過程中，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。因其有專業的變頻硬件支持，變頻系統開發變得相對簡單。同時，SPMC75F2413A在變頻控制方面有相當出眾的表現。因此，基于SPMC75F2413A的變頻系統在通用變頻、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數據手冊[M]
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