話題:基于SPMC75單片機和FSBB20CH60的通用變頻器方案摘 要:本文主要介紹利用SPMC75F2313A單片機和IPM模塊FSBB20CH60實現(xiàn)通用變頻器的方案.
關鍵詞:SPWM、SPMC75、DSP、IPM、通用變頻器.

變頻已成為當今社會一個炙手可熱的名詞,可他真的像人們想象中的那么神秘嗎?本文將帶領大家解開變頻器這層神秘的面紗.
交流電機具有結構簡單、制造方便、運行可靠,價格低廉等優(yōu)點,但卻不像直流電機那樣容易實現(xiàn)經(jīng)濟的寬范圍的平滑調速.在這種形式下,變頻器應運而生.其主要功能就是將直流電通過功率電子開關的不同開關組合逆變?yōu)轭l率、電壓可變的正弦波形式的交流電,從而來拖動交流電機,實現(xiàn)交流電機的平滑調速.
本文主要介紹利用SPMC75F2313A和IPM(FSBB20CH60)實現(xiàn)通用變頻器的開發(fā).SPMC75系列單片機是由臺灣凌陽公司新推出針對工業(yè)和家電變頻專用的MCU.它是μ’nSP系列產(chǎn)品的一個新成員,它在4.5V~5.5V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.最多具有64個可編程的多功能I/O端口;5個通用16位定時器/計數(shù)器,且每個定時器均配有硬件PWM生成、捕獲功能;配有專用的光柵編碼和霍爾信號輸入接口;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(jiān)測功能;8通道10位模-數(shù)轉換.SPMC75系列單片機在電機控制領域有相當優(yōu)秀的表現(xiàn).(詳細的原理圖、程序源代碼資料可到2 硬件電路
2.1 系統(tǒng)硬件框圖
本系統(tǒng)分為主控板和功率板兩部分,系統(tǒng)使用SPMC75F2313A作主控CPU、6N137為高速信號隔離、FSBB20CH60為功率模塊.
主控板由主控MCU及其周邊的數(shù)據(jù)存貯、鍵盤、顯示和各種接口等幾部分組成,功率板由供電系統(tǒng)、IPM功率模組等幾部分構成.系統(tǒng)的硬件結構如圖2-1所示:
基于 SPMC75 單片機的通用變頻器方案
圖 2-1 系統(tǒng)硬件框圖
2.2 硬件原理圖
2.2.1 MCU電路
MCU采用凌陽SPMC75F2313A_SDIP42,是整個系統(tǒng)的控制核心,主要完成SPWM信號的產(chǎn)生、鍵盤掃面、顯示信息的處理、數(shù)據(jù)存儲、各種檢測、保護等各種事件的協(xié)調和控制等功能,其外圍電路及各引腳分配情況如圖2-2:
基于 SPMC75 單片機的通用變頻器方案
圖 2-2 MCU電路
2.2.2 數(shù)據(jù)存儲電路
數(shù)據(jù)存貯采用IIC協(xié)議4K Bit的EEPROM芯片AT24C04,電路如圖2-3所示:
圖 2-3 存儲電路原理圖
基于 SPMC75 單片機的通用變頻器方案
2.2.3 鍵盤接口
鍵盤使用4個IO口實現(xiàn)2×3鍵盤設計,具體的電路如圖2-4所示:
圖 2-4 鍵盤電路
2.2.4 模擬頻率設定接口電路
頻率控制通過3種方式實現(xiàn):按鍵、電位器(頻率模擬設定)、上位PC機.其中頻率模擬設定接口電路如圖2-5所示,WR1為電位器,通過AD轉換實現(xiàn)頻率的模擬設定.
圖 2-5 頻率模擬設定電路
2.2.5 顯示驅動電路
顯示驅動接口電路如圖2-6所示,這部分是一個普通的5位7段數(shù)碼管(6個LED當作一位數(shù)碼管)的動態(tài)掃描顯示驅動電路,采用兩片74HC595串連,陰極直接采用595進行驅動,而陽極通過74HC595驅動的三極管進行驅動.
基于 SPMC75 單片機的通用變頻器方案
圖 2-6 顯示電路
2.2.6 通信接口電路
通信鏈路主要用于與外接或PC機通訊,電路采用全雙工的RS-232接口器件MAX232,如圖3-7:
基于 SPMC75 單片機的通用變頻器方案
圖 2-7 通訊接口電路
2.2.7 仿真接口電路
SPMC75F2313A單片機支持在線仿真、調試、燒錄,接口電路非常簡單,如圖2-8:
圖 2-8 仿真接口電路
2.2.8 電源供給電路
電源供給電路采用傳統(tǒng)的EMI濾波電路,電容C4、C5、C6主要用于濾除差模干擾,而電容C1、C7、共模扼流圈則既可濾除共模干擾,又可慮除差模干擾;繼電器JZC-33F與電阻R3為軟啟緩沖電路,主要用于抑制上電瞬間的電流沖擊,保護整流橋不被燒毀.如圖2-9:
圖 2-9 電源供給電路
基于 SPMC75 單片機的通用變頻器方案
2.2.9 開關電源電路
電源供給電路采用高效率的開關電源,以TOP233Y為主控元件,為系統(tǒng)提供低壓工作電源和IPM驅動電源,如圖2-10.
圖 2-10 開關電源電路
2.2.10 IPM隔離驅動
圖2-11是IPM隔離驅動電路,實現(xiàn)高壓直流和MCU部分的電氣隔離,保護MCU.圖中的6N137為高速光耦,其完成PWM信號的隔離,為了保證驅動能力,在光耦過后使用74HC04將信號反向并增強其驅動能力.由于SPMC75F2313A單片機具有自動插入死區(qū)功能,所以隔離驅動電路在硬件上沒有必要再插入死區(qū).
基于 SPMC75 單片機的通用變頻器方案
圖 2-11 PM隔離驅動電路
2.2.11 IPM功率放大電路
如圖2-12,功率模塊采用美國Fairchild公司的6單元智能功率模塊FSBB20CH60,,它最大耐壓600V,最大電流20A,并具有過壓、過流、短路及過熱保護功能.為了簡化開關電源設計的復雜程度,IPM驅動電源采用自舉電源形式,整個IPM只用一路15V驅動電源即可. 圖 2-12 IPM功率放大電路
基于 SPMC75 單片機的通用變頻器方案
2.2.12 直流電壓電流檢測
直流電壓電流檢測電路原理如圖 2-13所示,電流和電壓信號經(jīng)LM358和HCNR200后變?yōu)殡娏餍盘?再經(jīng)LM358轉換成電壓信號后送到MCU的IOA2、IOA3,實時監(jiān)視直流電壓和電流.
圖 2-13 直流電壓電流檢測電路
3 程序結構
3.1 感應馬達V/F控制
3.1.1 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mΦ為額定值不變.在直流電機中,勵磁系統(tǒng)獨立,只要對電樞進行合適的補嘗,保m 持 Φ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:
mNgkNfEΦ=11144.4 (3-1)
式中:
gE——氣隙磁通在定子每相中的感應電動勢的有效值;
1f——定子頻率;
基于 SPMC75 單片機的通用變頻器方案
1N——定子每相繞組的串聯(lián)匝數(shù);
1Nk——基波繞組系數(shù);
mΦ——每極氣隙磁通量;
由式(3-1)可知,只要控制好和,便可達到控制磁通gE1fmΦ的目的,為此,得考慮基頻以下和基頻以上兩種工作情況.
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