曲昀卿， 王 彥

(1．石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與電子工程系，河北 石家莊 050081；2．石家莊市職業(yè)技術(shù)教育中心 電氣工程系，河北 石家莊 050081)

基于SPMC75F2413A單片機(jī)的智能變頻器設(shè)計(jì)

曲昀卿1， 王 彥2

(1．石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與電子工程系，河北 石家莊 050081；2．石家莊市職業(yè)技術(shù)教育中心 電氣工程系，河北 石家莊 050081)

基于SPMC75F2413A的智能變頻器由主電路、控制電路、檢測電路、供電電源電路、通信電路和顯示電路組成.主電路由整流、中間濾波、泵升限制和逆變組成，芯片是控制電路的核心部件，檢測電路包含過流檢測和保護(hù)電路、電壓檢測和保護(hù)電路、轉(zhuǎn)速檢測電路；軟件部分給出了系統(tǒng)主程序流程圖和系統(tǒng)控制流程圖，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了智能變頻器的性能.

變頻器；SPMC75F2413A單片機(jī);SVPWM

變頻器是一種交流調(diào)速設(shè)備，是為解決傳統(tǒng)的交流電調(diào)速困難，交變設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率低，可靠性差的問題而研發(fā)的.它能使電機(jī)的調(diào)速范圍和調(diào)速性能大幅提升.而隨著電力電子器件和微處理器的快速發(fā)展，以各種電力半導(dǎo)體器件構(gòu)成的變頻器正在取代直流調(diào)速在內(nèi)的各種調(diào)速裝置.本文即給出了一種利用凌陽SPMC75F2413A單片機(jī)為控制核心的智能變頻器的實(shí)現(xiàn)方法.

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于SPMC75F2413A 智能變頻器的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由主電路、控制電路、檢測電路、供電電源電路、通信電路和顯示電路組成.

圖1 基于SPMC75F2413A的變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)采用SVPWM(空間矢量脈沖調(diào)制)變頻技術(shù).為了縮短開發(fā)周期，系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整通過組態(tài)軟件中的上位機(jī)編程軟件實(shí)現(xiàn).由上位機(jī)RS232接口發(fā)送更改的參數(shù)數(shù)據(jù)給下位機(jī)，SPMC75F2413A接收到數(shù)據(jù)后，將其他電路模塊采集好的數(shù)據(jù)及調(diào)整的數(shù)據(jù)一起進(jìn)行矢量算法運(yùn)算，由CPU輸出SVPWM波形并送入驅(qū)動(dòng)電路的輸入端；SVPWM波經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路和光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)由6個(gè)IGBT管組成的逆變電路，輸出放大的SVPWM波形；通過濾波電路輸出三相互差120°的正弦波形.同時(shí)，CPU不斷監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過流、過壓和過熱等故障時(shí)，系統(tǒng)可通過相應(yīng)的檢測電路檢測到故障信號(hào)，經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)換為CPU可接受的電壓或電流信號(hào).CPU檢測到信號(hào)后，將輸出并封鎖信號(hào)，從而保護(hù)電機(jī)故障運(yùn)行，并通過LED和上位機(jī)顯示故障的原因[1].

1.1 主電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主電路采用AC-DC-AC(交流-直流-交流)電路結(jié)構(gòu)，由整流、中間濾波、泵升限制和逆變組成，其電路如圖2所示.

圖2 主電路圖

輸入端R，S，T通入三相交流電，經(jīng)過D1-D6組成的三相橋式不可控整流電路，得到脈動(dòng)頻率為6fs(fs為輸入電壓頻率)的直流電壓.脈動(dòng)電壓通過由C1，C2，R2和R3組成的中間濾波電路很容易得到平穩(wěn)的直流電.直流電送入逆變器中，在VT1-VT6輸入端輸入由CPU計(jì)算出的SVPWM波，控制VT1-VT6的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而在U，V，W輸出端輸出放大的SVPWM波.由于智能變頻器的負(fù)載一般為感性負(fù)載，所以接入三相SVPWM波的感性負(fù)載的波形就等效為三相交流電.通過改變輸入逆變器的SVPWM波的寬度或頻率可以調(diào)節(jié)輸出U，V，W波形的幅值或頻率，從而實(shí)現(xiàn)變壓或變頻的目的.主電路中的RL和TL組成的電路為泵升電路，設(shè)計(jì)它的目的是為了防止直流電壓過高而損壞元器件[2].

1.2 控制電路設(shè)計(jì)

芯片是控制電路的核心部件.本系統(tǒng)采用由凌陽最新推出的SPMC75F2413A單片機(jī)，它主要是對(duì)檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后產(chǎn)生三相六路SVPWM波，并能對(duì)輸入、輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而起到對(duì)系統(tǒng)控制、顯示和保護(hù)的作用[3].

SPMC75F2413A集成了兩個(gè)電機(jī)控制PWM(脈沖寬度調(diào)制)輸出定時(shí)器MCP3和MCP4.每個(gè)MCP(Motor Control PWM)定時(shí)器都可以獨(dú)立輸出三相六路PWM波形.定時(shí)器MCP3與定時(shí)器PDC0聯(lián)合、定時(shí)器MCP4與定時(shí)器PDC1聯(lián)合能完成交流感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用中的速度反饋環(huán)控制.MCP模塊有總計(jì)12路PWM輸出用于電機(jī)控制操作.使用MCP3產(chǎn)生SVPWM波形的原理圖如圖3所示.

圖3 三相SPWM生成原理圖

通過對(duì)每個(gè)相位值查找正弦表中對(duì)應(yīng)的正弦值，將正弦值調(diào)幅后送往TGRA/B/C通用寄存器，定時(shí)器TCNT不斷計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值計(jì)到與通用寄存器中的值一致時(shí)，即發(fā)生比較匹配事件，插入死區(qū)時(shí)間后即輸出PWM波.

通過設(shè)置MCP的控制寄存器P_TMR4_Ctrl和輸出控制寄存器P_TMR4_OutputCtrl，使其工作在PWM模式，IOC為PWM輸出引腳.設(shè)置MCP的周期寄存器P_TMR4_TPR就可以產(chǎn)生一定周期的載波信號(hào)，改變周期寄存器的值就能改變載波頻率.

1.3 檢測電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在理想的情況下能夠正常穩(wěn)定工作，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于各種原因，可能會(huì)出現(xiàn)故障或運(yùn)行不理想等情況.為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性并在故障發(fā)生之前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，以防止系統(tǒng)元器件損壞，常常需要對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測.檢測電路由過流檢測和保護(hù)電路、電壓檢測和保護(hù)電路、轉(zhuǎn)速檢測電路組成.

(1)過流檢測與保護(hù)電路

電流檢測電路主要通過電流傳感器檢測三相異步電機(jī)的三相電流，當(dāng)出現(xiàn)過電流時(shí)，通過電路使繼電器動(dòng)作，切斷電源.電路見圖4.

(2)電壓檢測與保護(hù)電路

電壓檢測與保護(hù)電路主要用來檢測經(jīng)整流輸出的高壓直流母線側(cè)電壓，直流母線電壓的變化對(duì)整個(gè)逆變系統(tǒng)影響較大.直流母線保護(hù)電路如圖5所示.

圖4 過流檢測與保護(hù)電路圖

圖5 直流母線保護(hù)電路圖

(3)轉(zhuǎn)速檢測電路

本系統(tǒng)采用光電增量編碼器作為速度傳感器.增量編碼器是以數(shù)字的形式確定被測物體相對(duì)于某個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的瞬時(shí)位置，通過接口轉(zhuǎn)速檢測電路測量電機(jī)的角速度.碼盤輸出脈沖數(shù)為P=2500脈沖/轉(zhuǎn)，采用M/T法檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速，其測速原理如圖6所示.

圖6 M/T法測速原理圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序流程圖和系統(tǒng)控制流程圖如圖7所示.從系統(tǒng)主程序流程圖7(a)可以看出，系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)的初始化模塊和中斷的開啟與關(guān)斷設(shè)置只執(zhí)行一次，之后就循環(huán)執(zhí)行系統(tǒng)控制程序.在循環(huán)執(zhí)行系統(tǒng)控制程序的過程中，定時(shí)器發(fā)生中斷，在中斷程序和主程序中執(zhí)行系統(tǒng)控制程序.產(chǎn)生SVPWM的程序在檢測到輸入?yún)?shù)后，將之加入到數(shù)據(jù)處理模塊并進(jìn)行運(yùn)算，用運(yùn)算的結(jié)果控制MCP4寄存器，產(chǎn)生出電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制所需的控制信號(hào)，通過控制逆變器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的速度.

(a)主程序流程圖 (b)系統(tǒng)控制流程圖

圖7 系統(tǒng)流程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果

圖8(a)為從SPMC75F2413A的IOC10口輸出的U相電壓波形.系統(tǒng)將一個(gè)周期分成1024個(gè)點(diǎn)，在示波器中可以看到等幅不等寬的方波，其輸出幅度為5 V.在SPMC75F2413A輸出口加入二階濾波器后輸出的U相波形如圖8(b)所示.當(dāng)程序中的頻率控制字為4294時(shí)，頻率為50 Hz；頻率控制字改為3221時(shí)，頻率為37 Hz.

(a)未加濾波器

(b)加入二階濾波器

在變壓器原邊電感量為5.36 mH,主開關(guān)管為2SK1317，分別在輕載120 Ω和滿載80 Ω的情況下考核此電路.圖9為輸出電壓紋波波形，可以看出，滿載時(shí)輸出電壓的紋波除了少數(shù)的毛刺，其主要部分小于0.1 V，與輸出電壓20 V相比，不到0.5%，說明此電路的輸出紋波很小，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求；而輕載時(shí)，毛刺很少，工作情況也很理想.

(a)輕載

(b)滿載

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了基于凌陽SPMC75F2413A單片機(jī)為控制核心的三相交流380 V交流-直流-交流電壓源型變頻器.參照現(xiàn)有變頻器產(chǎn)品所具有的功能，在考慮實(shí)際生產(chǎn)中硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，編寫了實(shí)用化的軟件程序；同時(shí)，考慮到現(xiàn)有自動(dòng)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢，采用當(dāng)前比較流行的Modbus協(xié)議為變頻器網(wǎng)設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)通信功能，并在上位機(jī)上通過應(yīng)用MCGS(監(jiān)視與控制通用系統(tǒng))軟件實(shí)現(xiàn)可視化控制.

[1] 范蟠果.工控單片機(jī)原理及應(yīng)用——凌陽SPMC75F2413A[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007：100-370.

[2] 王兆安.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：20-251.

[3] 羅亞非.凌陽16位單片機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005：87-100.

責(zé)任編輯：金 欣

Intelligent frequency converter on the SPMC75F2413A single-chip microcomputer

QU Yun-qing1, WANG Yan2

(1.Department of Electrics and Electronics,Shijiazhuang University of Applied Technology, Shijiazhuang, Hebei 50081, China;2.Department of Personnel, Shijiazhuang Vocational Education Center, Shijiazhuang, Hebei 050081, China)

The intelligent frequency converter based on SPMC75F2413A is composed of the main, control, detection, power supply, communication and display circuits. The main circuit is composed of rectifier, intermediate filter, pump lift limiter and inverter. The control chip is the core of the control circuit. The detection comprises overcurrent detection and protection, voltage detection and protection, and speed detection circuits. The performance of intelligent converter is tested with the program and system control flow charts.

frequency; SPMC75F2413A single-chip; SVPWM

2017-02-20

曲昀卿(1977-)，女，河北石家莊人，石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授.

1009-4873(2017)04-0001-05

TN773

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