SPMC75實現交流變頻驅動控制

分類：解決方案日期：2007-03-12 00:00:00

摘要：變頻驅動技術已深入我們生活的每個角落，如變頻空調、冰箱、洗衣機等家電。現在變頻驅動主要使用PWM合成驅動方式，這要求其控制器有很強的PWM生成能力。
SPMC75系列單片機是由凌陽科技設計開發的16位微控制器芯片，具有變頻專用的PWM發生模塊，其內核采用凌陽科技自主知識產權的μ'nSP微處理器。SPMC75系列單片機集成了能產生變頻電機驅動的PWM發生器、多功能捕獲比較模塊、BLDC電機驅動專用位置偵測接口、兩相增量編碼器接口等硬件模塊；以及多功能I/O口、同步和異步串行口、ADC、定時計數器等功能模塊，利用這些硬件模塊支持，SPMC75可以完成諸如家電用變頻驅動器、標準工業變頻驅動器、多環伺服驅動系統等復雜應用。
本文介紹采用SPMC75F2413A實現交流變頻驅動控制的應用。
關鍵詞：SPMC75 VVVF 交流變頻

1 引言
　　系統輸入電源電壓為AC110V/AC220V，經全波整流后供系統使用。系統使用Sunplus公司的SPMC75F2413A產生AC三相異步電機的VVVF控制所需的SPWM信號,并完成系統控制。使用智能功率模塊實現電機的功率驅動。在AC220V輸入時，系統最大能驅動1.5KW的負載。系統的變頻區間為2Hz~200Hz。

2 系統框圖
　　系統結構如圖2-1所示，主要由變頻電機、電源供給、IPM功率放大、IPM隔離驅動、SPMC75F2413A組成的控制核心幾部分構成。

圖 2-1 系統結構圖

3 感應馬達V/F控制
3.1 功能描述
　　利用SPMC75F2413A的TMR3實現AC三相異步電機的V/F開環控制。使用DDS（直接數字頻率合成）的方式產生控制所需要的三相SPWM。根據電機的V/F曲線隨頻率自動調整輸出電壓的大小。由于DDS固有的特點，在進行頻率調整的過程中相位是連續的，用戶可以在任何時候更改輸出頻率而不需關心當前的相位問題。同時，用戶可以根據自己需要更換波形數據表而實現非正弦的波形輸出。

3.2 設計原理
3.2.1 感應馬達V/F控制原理
　　在電機調速時，最重要是要保持磁通為額定值不變。在直流電機中，勵磁系統獨立，只要對電樞進行合適的補嘗，保持不變很容易。而在交流異步電機中，磁通是定子和轉子的磁勢合成的。而且滿足：
（3--1）
式中：
--氣隙磁通在定子每相中的感應電動勢的有效值；
--定子頻率；
--定子每相繞組的串聯匝數；
--基波繞組系數；
--每極氣隙磁通量；
　　由式（2--1）可知，只要控制好和，便可達到控制磁通的目的，為此，得考慮基頻以下和基頻以上兩種工作情況。

1.基頻以下調速
由式（2--1）可知，只要保持為常值，就可以保持不變。但是，繞組中的感應電動勢是很難直接控制的，在電動勢較高時可以忽略定子繞組的阻抗壓降而認定，則有 = 常值；在低頻時和都比較小，這時不能忽略，可以人為的抬高去補嘗定子繞組的阻抗壓降。

2.基頻以上調速
　　當基頻以上調速時，頻率往上升高，但卻不能比額定電壓還要大，頂多只能使 =。因此，由式（3--1）可知，這將迫使磁通與頻率成反比，相當于直流電機弱磁升速的情況。
將以上二種情況結合起來就可以得到異步電機如圖 3-1所示的變頻調速特性。同時這也是變頻電機調速的V/F曲線圖。在實際運用中，V/F開環控制也是沿著這條曲線進行的。

圖 3-1 三相感應電機的V/F曲線

3.2.2 正弦波生成原理
　　要使三相感應馬達正常運行，需要使其電樞繞組通以三相交變電流，以產生圓形旋轉磁場。產生三相交變電流的方法有很多，本例中使用SPWM來產生三相正弦電流。圖 3-2 是三相SPWM生成原理

圖 3-2 三相SPWM生成原理
　　本例使用DDS（直接數字頻率合成）的方式產生SPWM。如圖3 -3 所示，整個系統是一個典型的DDS頻率合成系統，只不過用PWM發生模塊去替換了傳統的DAC。在本系統中波形數據表的大小為1024點，PWM載波頻率為10KHz。波形數據表取1024點一是為了計算方便，因為在相位累加后查表的過程中有一個相位截取的操作（我們的相位累加器是16位的，而波形數據表是1024點--10位），為了加快這一處理過程，選用以大小的表有利于加快處理過程，以盡量節約CPU的運算時間。同時當波形數據表為1024點時，波形發生過程中的理論的最大相位誤差這樣加上軟件處理過程中引起的一些相位抖動，最大的相位誤差也不會超過。同時，在三相同時產生時，由于表的大小是，不是3的整數倍，因此代表和相位差的常數會有的誤差，會使三相之間的相位關系不是整好的和，但誤差不會超過。還有，較大的數據表有利于保證低頻時的波形精度。

圖 3-3 三相SPWM生成原理圖
　　注意：本例所討論的一些公式都是保證波形的幅度精度比相位精度高情況。實際上，當幅度精度變差時，相位誤差會變大。本例中的波形數據表不限于標準的正弦表，用戶可以根據自己的需要決定自己的波形。如加入三次諧波的增強型波形等。在V/F控制中，當頻率比基頻低時，調制系數小于1，有效樣點數會比實際樣點數少，因為幅度調制使波形的幅度分辯率下降，會出現樣點重復的情況。因此，建議用戶在低頻時提高PWM的分辨率。

4 軟件說明
　　系統的軟件部分主要是完成AC變頻馬達的V/F開環變頻驅動功能，主要包括SPWM發生的中斷服務函數，DMC通信協調等幾個部分。

4.1 主流程與說明
　　主程序在完成系統初始化以后，就不斷檢測有沒有來自PC的控制信息，如果有便完成相應的控制功能，沒有就繼續檢測。
主程序主要完成各個模塊的初始化，而后便監視UART的數據接收情況，如果收到了有效的波形參數數據，則調用SPMC75_SPWM_VF_account(unsigned int F,unsigned int Kvf,int Moto) 對波形參數進行預置更新，而波形數據將在預置更新完成后的第一個PWM周期中斷中完成波形數據更新操作。主程序流程如圖 4-1所示。

圖 4-1 主程序流程

4.2 中斷子流程與說明
　　進入PWM的周期中斷片后，程序首先判斷有沒有新的波形參數設置，如果沒有就直接進入DDS頻率合成，如果有則先更新波形參數（相位增量和幅度調制系數），而后進入DDS頻率合成。DDS合成是在每一次PWM的周期中斷，波形相位在原相位的基礎上加上用戶設置的相位增量值N（這個值正比于波形頻率），而后查出這個相位所對應的幅度值，同時還查出距這個相位120度和240度的二個相位對應的幅度值，最后將這三個值分別乘以幅度調制系數AM后送入PWM產生模塊產生相應占空比的PWM信號。其流程圖如圖 4-2所示。

x圖4-2 TMR3周期中斷服務流程