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变频器原理图、程序源代码
szzunzheng 发表于 2009/7/15 12:55:19 5485 查看 6 回复 [上一主题] [下一主题]
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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http://www.sunplusmcu.com免费下载）
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：
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：
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
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。
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：
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
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。
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
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 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，保持 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：
（3-1）
式中：
——气隙磁通在定子每相中的感应电动势的有效值；
——定子频率；
——定子每相绕组的串联匝数；
——基波绕组系数；
——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 的目的，为此，得考虑基频以下和基频以上两种工作情况。
基频以下调速
由式（3-1）可知，只要保持 为常值，就可以保持 不变。但是，绕组中的感应电动势是很难直接控制的，在电动势较高时可以忽略定子绕组的阻抗压降而认定 ，则有 = 常值；在频率较低时 和 都比较小，这时不能忽略，可以人为的抬高 去补尝定子绕组的阻抗压降。
基频以上调速
当基频以上调速时，频率往上升高，但 却不能比额定电压 还要大，顶多只能使 = 。因此，由式（3-1）可知，这将迫使磁通与频率成反比，相当于直流电机弱磁升速的情况。
将以上二种情况结合起来就可以得到异步电机如图 3-1所示的变频调速特性。同时这也是变频电机调速的V/F曲线图。在实际运用中，V/F开环控制也是沿着这条曲线进行的。
图 3-1 三相感应电机的V/F曲线
3.1.2 三相SPWM生成原理
要使三相感应马达正常运行，需要使其电枢绕组通以三相交变电流，以产生圆形旋转磁场。产生三相交变电流的方法有很多，本例中使用SPWM来产生三相正弦电流。图 3-2 是三相SPWM生成原理：
图 3-2 三相SPWM生成原理
使用DDS（直接数字频率合成）的方式产生SPWM。如图3-3 所示，整个系统是一个典型的DDS频率合成系统，只不过用PWM发生模块去替换了传统的DAC。在本系统中波形数据表的大小为1024点，PWM载波频率为3～10KHz。另外，较大的数据表有利于保证低频时的波形精度。
图 3-3 三相SPWM生成系统框图
3.2 程序总体介绍
3.2.1 参数及硬件初始化
这部分主要是对电机驱动相关的硬件和一些静态参数进行初始化。主要初始化MCP4、与MCP4的PWM输出相关的IO口、与MCP4的PWM输出相关的中断、SPWM发生的相位累加器、相位增量寄存器、幅度调制系数、各种状态标志和V/F曲线参数表。
3.2.2 参数计算
这部分主要是根据设定的频率查询V/F曲线表并线性插值计算设定频率下所需的电压，并根据当前的干线电压计算与之对应的幅度调制系数。如果设定频率比系统设定的最低频率小，则输出电压为设定的最小值，如果计算出的调制系数大于或等于1则调制系数等于1。
3.2.3 频率变化的平滑处理
频率和电压的突变会引起过大冲击电流，对系统造成损害。因此，为了防止参数更改时频率和电压的突变时的冲击电流，系统对频率和电压的变化进行了滤波处理，实现系统的软起动、软过度。系统会定时（这个时间根据加减速时间计算）检查当前的设定频率是否和目标工作频率相等，如不等则以一定的速度（这个时间根据加减速时间和基频频率计算）逼近目标频率，直至目标频率。
3.2.4 PWM周期中断服务
PWM周期中断服务流程如图3-4所示。由于系统工作频率更改时，相应有多个工作参数更改，为了防止在参数修改过程被PWM周期中断打断，同时又要保证PWM周期中断的实时响应，系统使用参数先预修改而后在PWM周期中断中同步更新的方式来解决这一问题。
图 3-4 PWM周期中断服务流程
3.2.5 模拟信号接口模块
这部分主要包括系统电流采样、工作电压采样、模拟频率设定几个部分。所有功能是使用SPMC75F2313A的AD采集模块实现的。一共使用了3路AD输入。另外模拟频率设定的数据值会先经过滤波后才参与系统控制。同时，这部分会对采样回来的电压电流信号进行校正处理，以消除因外部元件差异所引起的误差，保证测量值的准确性。
3.2.6 错误侦测保护模块
这部分主要功能是在系统异常情况下保护变频器不受损坏，主要检测对象包括过流、过压、欠压、过热、短路几部分。其中过压、欠压、过流保护主要是通过相应的硬件电路隔离后经过AD转换实现实时检测保护功能；短路主要是通过IPM模块的反馈系统，过热主要是通过IPM内部的保护电路实现，二者发生时都会在IPM的错误输出引脚输出一个错误保护信号，该信号经光耦隔离后送到单片机外部错误输入引脚，所有PWM输出引脚会变成高阻状态并引起外部错误中断；发生错误时，相应错误代码的的显示信息会显示在LED上，以提醒用户。
3.2.7 键盘信号处理
这是人机交互的一部分，主要进行参数修改和运行数据的设置。这部分共需要处理6个键的信息，并且各个键在不同的状态会有不同功能定义。为了设计方便，每个按键均有自己专用的处理程序，处理程序会根据当前状态自动执行相关的操作。
3.2.8 显示信息处理
这是人机交互的一部分，主要是动态扫描一个5位的七段数码管（6位LED当作一位数码管），将显示缓冲区中的内容显示在数码管上。而显示缓冲区中内容会随系统设置和系统的当前状态而更新不同的显示数据。在参数设置时会根据键盘信息显示相应的人机交互信息；而在系统出错时便会显示相应错误信息以提醒用户进行相应的处理；默认状态下主要是根据设置显示当前的一些运行参数。
这部可以根据设置自动显示整数或是小数，同时支持参数设置时的一些特殊属性（如位闪，特殊标识符）的实现。显示的各种功能是在其它模块信息的协调下进行的。
3.2.9 电机运行参数读写模块
电机的动行参数是存在外部AT24C04中的，在系统上电或是参数更改时自动调入主控器的内存中。为了保证参数的正确，这部分使用CRC校验和多备份的方式去保证数据的完整性，当一个数据区出错时，系统会自动调用备份数据数区的数据，同时更新恢复损坏数据，如果所有信息均出错便会报错，提示用户初始化数据区或是更换EEPROM。为了方便上层程序的操作，这部分分为底层的硬件接口驱动和上层功能API两部分。底层驱动主要是根据硬件时序编写的最基本的字节读写、设置操作；而上层功能API主要是根据系统应用编写的一些特殊操作，主要包括单个参数的读写、全部参数的调出、全部参数的写入和数据校验几部分。
3.3 程序详细说明
3.3.1 主程序
主程序主要完成对系统各模块的初始化以及对系统模块的扫描，其流程图如图3-5：
图 3-5 主程序流程图
3.3.2 系统初始化
主程序中的系统初始化主要是对系统各硬件模块初始化，其流程图如图3-6：
图 3-6 系统初始化流程图
3.3.3 系统控制
主程序中的系统控制是通过循环调用系统控制函数System_Ctrl()实现的，System_Ctrl()主要是完成对系统一些模块的的扫描，其流程图如图3-7：
图 3-7 系统控制流程图
3.3.4 IRQ3中断服务程序
IRQ3中断服务程序主要用作系统运行中对PWM占空比的调整，其流程图如图3-8：
图 3-8 IRQ3中断流程图
3.3.5 IRQ4中断服务程序
IRQ4中断服务程序主要是完成系统的一些模块的控制，如ADC采样、按键扫描及处理、显示扫描等，其流程图如图3-9：
图 3-9 IRQ4中断服务程序流程图
3.3.6 IRQ6中断服务程序
IRQ6中断主要为电机DMC控制中单片机与主机的通讯提供服务，其流程图如图 4-17：
图 3-10 IRQ6中断服务程序流程图
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引用 mp44 2007/7/30 10:03:59 发表于2楼的内容
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引用 钟灵山 2007/7/31 12:56:31 发表于3楼的内容
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引用 xinhz 2007/8/2 16:57:36 发表于4楼的内容
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引用 匿名 2009/7/14 11:27:07 发表于5楼的内容
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wobushimimi 发表于 2009/7/15 12:55:19
6楼 回复本楼
引用 wobushimimi 2009/7/15 12:55:19 发表于6楼的内容
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引用 walterqin 2011/10/22 16:46:02 发表于7楼的内容