采用SPMC75F2413A实现交流变频驱动控制的应用

　　变频驱动技术已深入我们生活的每个角落，如变频空调、冰箱、洗衣机等家电。现在变频驱动主要使用PWM合成驱动方式，这要求其控制器有很强的PWM生成能力。

　　SPMC75 系列单片机是由凌阳科技设计开发的16位微控制器芯片，具有变频专用的PWM发生模块，其内核采用凌阳科技自主知识产权的μ'nSP微处理器。 SPMC75系列单片机集成了能产生变频电机驱动的PWM发生器、多功能捕获比较模块、BLDC电机驱动专用位置侦测接口、两相增量编码器接口等硬件模块;以及多功能I/O口、同步和异步串行口、ADC、定时计数器等功能模块，利用这些硬件模块支持，SPMC75可以完成诸如家电用变频驱动器、标准工业变频驱动器、多环伺服驱动系统等复杂应用。

　　1 引言

　　系统输入电源电压为AC110V/AC220V，经全波整流后供系统使用。系统使用Sunplus公司的 SPMC75F2413A产生AC三相异步电机的VVVF控制所需的SPWM信号,并完成 系统控制。使用智能功率模块实现电机的功率驱动。在AC220V输入时，系统最大能驱动1.5KW的负载。系统的变频区间为2Hz~200Hz。

　　2 系统框图

　　系统结构如图2-1所示，主要由变频电机、电源供给、IPM功率放大、IPM隔离驱动、SPMC75F2413A组成的控制核心几部分构成。

　　

　　图 2-1 系统结构图

　　3 感应马达V/F控制

　　3.1 功能描述

　　利用SPMC75F2413A的TMR3实现AC三相异步电机的V/F 开环控制。使用DDS(直接数字频率合成)的方式产生控制所需要的三相SPWM。根据电机的V/F曲线随频率自动调整输出电压的大小。由于DDS固有的特点，在进行频率调整的过程中相位是连续的，用户可以在任何时候更改输出频率而不需关心当前的相位问题。同时，用户可以根据自己需要更换波形数据表而实现非正弦的波形输出。

　　3.2 设计原理

　　3.2.1 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(2--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。

　　1.基频以下调速

　　由式(2--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;在低频时 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。

　　2.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

　　3.2.2 正弦波生成原理

　　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

　　本例使用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10KHz。波形数据表取1024点一是为了计算方便，因为在相位累加后查表的过程中有一个相位截取的操作(我们的相位累加器是16位的，而波形数据表是1024点--10位)，为了加快这一处理过程，选用以

大小的表有利于加快处理过程，以尽量节约CPU的运算时间。同时当波形数据表为1024点时，波形发生过程中的理论的最大相位误差 这样加上软件处理过程中引起的一些相位抖动，最大的相位误差也不会超过 。同时，在三相同时产生时，由于表的大小是 ，不是3的整数倍，因此代表 和 相位差的常数会有 的误差，会使三相之间的相位关系不是整好的 和 ，但误差不会超过 。还有，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生成原理图

　　注意：本例所讨论的一些公式都是保证波形的幅度精度比相位精度高情况。实际上，当幅度精度变差时，相位误差会变大。本例中的波形数据表不限于标准的正弦表，用户可以根据自己的需要决定自己的波形。如加入三次谐波的增强型波形等。在V/F控制中，当频率比基频低时，调制系数小于1，有效样点数会比实际样点数少，因为幅度调制使波形的幅度分辩率下降，会出现样点重复的情况。因此，建议用户在低频时提高 PWM的分辨率。

　　4 软件说明

　　系统的软件部分主要是完成AC变频马达的V/F开环变频驱动功能，主要包括SPWM发生的中断服务函数，DMC通信协调等几个部分。

　　4.1 主流程与说明

　　主程序在完成系统初始化以后，就不断检测有没有来自PC的控制信息，如果有便完成相应的控制功能，没有就继续检测。

　　主程序主要完成各个模块的初始化，而后便监视UART的数据接收情况，如果收到了有效的波形参数数据，则调用 SPMC75_SPWM_VF_account(unsigned int F,unsigned int Kvf,int Moto) 对波形参数进行预置更新，而波形数据将在预置更新完成后的第一个PWM周期中断中完成波形数据更新操作。主程序流程如图 4-1所示。

　　

　　图 4-1 主程序流程

　　4.2 中断子流程与说明

　　进入PWM的周期中断片后，程序首先判断有没有新的波形参数设置，如果没有就直接进入DDS频率合成，如果有则先更新波形参数(相位增量和幅度调制系数)，而后进入DDS频率合成。DDS合成是在每一次PWM的周期中断，波形相位在原相位的基础上加上用户设置的相位增量值N(这个值正比于波形频率)，而后查出这个相位所对应的幅度值，同时还查出距这个相位120度和240度的二个相位对应的幅度值，最后将这三个值分别乘以幅度调制系数AM后送入PWM产生模块产生相应占空比的PWM信号。其流程图如图 4-2所示。

　　

　　x图4-2 TMR3周期中断服务流程

　　5 实测波形

　　以下是驱动例的实测电流波形：

　　

　　图5-1 10Hz时的电流波形 100mV/A

　　

　　图5-2 30Hz时的电流波形 100mV/A

　　

　　图5-4 70Hz时的电流波形 100mV/A

　　

　　图5-4 70Hz时的电流波形 100mV/A

　　

　　图5-5 100Hz时的电流波形 100mV/A

　　

　　图5-6 150Hz时的电流波形 100mV/A