摘  要：本文主要介紹利用SPMC75F2413A單片機和IPM模塊PS21865A實現(xiàn)通用變頻器的方案。
  關鍵詞：SPMC75F2413A、PS21865A、通用變頻器
 
1 引言
    變頻器是從上世紀中葉發(fā)展起來的一種交流調(diào)速設備。它是為了解決傳統(tǒng)的交流電機調(diào)速困難、傳統(tǒng)的交變速設備不但結構復雜且效率和可靠性均不盡人意的缺點而出現(xiàn)的。由于其使交流電機的調(diào)速范圍和調(diào)速性能均大為提升，因此交流電機逐漸代替直流電機出現(xiàn)在各種應用領域，即便是以往只可能是直流電機出現(xiàn)的伺服控制領域。隨著電力半導體長足發(fā)展，變頻器也隨之不斷進步。如今變頻器已深入我們的日常生活，隨處可見其為我們服務的身影。
    本文所設計的變頻器具備以下標準變頻器的所有功能。是SPMC75F2413A的一種基本應用。本文的目的主要是給讀者一個用 SPMC75F2413A實現(xiàn)變頻驅動的例子，讓讀者對SPMC75F2413A有更深的了解。本文所設計的系統(tǒng)具備以下功能包括：機驅動、異常事件處理、運行參數(shù)的設置、信息狀態(tài)管理、通信鏈路接口、人機交互接口等幾部分。
 
2 芯片特性簡介
    本系統(tǒng)是基于智能功率模組芯片和SPMC75F2413A實現(xiàn)的通用變頻器方案，下面介紹SPMC75F2413A的特性。
    SPMC75F2413A 是μ’nSP系列產(chǎn)品的一個新成員，是凌陽科技新推出的一個16位結構的微控制器。與其它μ’nSP產(chǎn)品不同的是，SPMC75F2413A主要應用在工控或是家電的變頻驅動領域。由于其擁有出色性能定時器PWM信號發(fā)生器組。因此，SPMC75F2413A可以方便的實現(xiàn)各種電機驅動方案。
    SPMC75F2413A在4.5V～5.5V工作電壓范圍內(nèi)的工作速度范圍為0～24MHz，擁有2K字SRAM和32K字閃存ROM；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，且每個定時器均有PWM發(fā)生的事件捕獲功能；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。SPMC75F2413A在電機控制領域有相當優(yōu)秀的表現(xiàn)。
    特性包括：
    ◆ 凌陽16位μ’nSP處理器（ISA 1.2）
    ◆ 工作電壓：
     內(nèi)核：4.5V～5.5V
    ◆ 最高運行速度：24MHz
    ◆ 工作溫度： -40 ℃～85 ℃
    ◆ 芯片內(nèi)存儲器：
      32KW （32K×16） Flash
      2KW （2K×16） SRAM
    ◆ 基于時鐘發(fā)生模塊的鎖相環(huán)電路
    ◆ 看門狗定時器
    ◆ 10位模/數(shù)轉換器
     8通道輸入
     10us （100kHz）轉換時間
    ◆ 串行通訊接口
     通用異步串行通訊接口（UART）
     標準外圍接口（SPI）
    ◆ 總計64個通用輸入輸出管腳
    ◆ 電源管理
     2種低功耗模式：Wait/Standby
     每個外設都可以獨立的供電
    ◆ 兩個比較匹配定時器
    ◆ 5個16位通用定時器
    ◆ 2個用于脈寬調(diào)制，2個用于速度捕獲，1個用于速度反饋環(huán)。
    ◆ MCP定時器3支持 TIO3A～TIO3F, MCP定時器4支持 TIO4A～TIO4F
    ◆ 脈寬調(diào)制定時器支持遞增/遞減計數(shù)
    ◆ PDC定時器0/1均支持3通道的TIO0A～TIO0C輸入捕獲
    ◆ TPM定時器2支持捕獲/脈寬調(diào)制
    ◆ 12個16位脈寬調(diào)制輸出
    ◆ 2通道的電機驅動脈寬調(diào)制輸出（互補的3相6路脈寬調(diào)制輸出）
    ◆ TIO3A～TIO3F利用 MCP 定時器3工作, TIO4A～TIO4F利用MCP定時器4工作
    ◆ 中心（center）或邊沿（edge）脈寬調(diào)制輸出
    ◆ 通過外部錯誤保護管腳進行脈寬調(diào)制輸出保護
    ◆ 可編程的死區(qū)控制（Dead time control）
    ◆ 脈寬調(diào)制服務和錯誤中斷發(fā)生
    ◆ 具備驅動交流感應電機和直流無刷電機的能力
    ◆ 內(nèi)嵌在線仿真功能

3 系統(tǒng)總體方案介紹
    本通用變頻器系統(tǒng)主要由凌陽十六位單片機SPMC75F2413A、三凌的IPM功率模組芯片PS21865A組成，系統(tǒng)框圖如圖 3-1。

圖 3-1系統(tǒng)框圖

    這個系統(tǒng)的功能：
    系統(tǒng)運行參數(shù)可調(diào)化，以適應不同應用的需要；
    擁有實時的信息和狀態(tài)顯示，主要用于當前系統(tǒng)的狀態(tài)信息顯示和人機接口的一部分；
    帶有系統(tǒng)參數(shù)設置和控制用的鍵盤；
    擁有8個數(shù)字控制端口，以方便用戶的遠程操控，端口的具體功能可通過設置來更改；
    具備模擬控制接口；
    完備的系統(tǒng)保護功能，在系統(tǒng)異常時保護系統(tǒng)不受損壞；
    系統(tǒng)工作流程：
    主控MCU接收根據(jù)設置來自鍵盤和數(shù)字或是模擬接口的控制信息合成驅動電機驅動所用的驅動信號，信號經(jīng)IPM功率變換后驅動電機。同時主控MCU會隨時監(jiān)視系統(tǒng)的運行，一旦出現(xiàn)異常便會立即保護，同時報警，以提醒用戶進行處理。
 
4 系統(tǒng)硬件設計
    系統(tǒng)驅動部分的電路原理圖如圖 4-1。其中PS21865A內(nèi)部是一個三相的功率橋相應驅動電路，用于實現(xiàn)SPWM信號到驅動電機的功率變換功能。SPMC75F2413A 單片機的主要作用：
    1. 產(chǎn)生驅動電機所需的SPWM信號。
    2. 完成人機交互，方便用戶對系統(tǒng)的控制。
    3. 處理相關的異常信息，確保系統(tǒng)的安全可靠。
    SPMC75F2413A產(chǎn)生的三相互補的PWM信號經(jīng)由芯片的IOB0～5輸出，控制PS21865A的三相全橋電路，信號經(jīng)功率合成放大后從 OUT_U、OUT_V、OUT_W三個端子輸出并控制電機。同時，U相和W相的信號還會通過電流互感器，為系統(tǒng)控制提供電流傳感信號。 SPMC75F2413A的IOB6是錯誤偵測輸入端，通過對其傳回信號的檢測，一旦PS21865A出現(xiàn)工作異常（如過壓、欠壓、過流、過熱），驅動硬件會立即禁止PS21865A工作，同時申請中斷，請求CPU處理。
    圖 4-1中的電阻是上拉電阻，因PS21865A的故障輸出信號是集電極開路輸出的，同時這個信號是低有效的。

圖 4-1系統(tǒng)電路原理圖

    由于其它模塊屬于通常的一些模塊，此處不再詳述。整個系統(tǒng)的結構還請參考圖 3-1。

5 系統(tǒng)軟件設計
    整個系統(tǒng)軟件分為三部分：
    1. 電機的核心驅動程序，這部分主要是產(chǎn)生電機驅動所用的SPWM信號發(fā)生器，和一些相關的驅動服務程序；
    2. 系統(tǒng)控制程序；
    3. 人機接口界面程序；
    該系統(tǒng)核心驅動部分的結構如圖 5-1。在這里使用直接數(shù)字頻率合成的方法去實現(xiàn)SPWM信號的產(chǎn)生，只不過是用PWM發(fā)生器替代了DAC。這部分結構（除PWM發(fā)生模塊）將在PWM的周期中斷中用軟件實現(xiàn)。這里的調(diào)制系數(shù)計算和乘法器主要是為實現(xiàn)波形的幅度控制和電源波動補嘗用的。

圖 5-1 驅動結構

    波形合成的PWM周期中斷服務子程序的流程如圖 5-2，程序首先判斷是否有波形參數(shù)更新，以此實現(xiàn)波形參數(shù)的一次性同步更新，以防止參數(shù)修改不同步對發(fā)生信號的影響。而后程序會根據(jù)圖 5-1的結構流程依次執(zhí)行，完成后返回。

圖 5-2 中斷服務子程序流程圖

    系統(tǒng)控制部分是整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)的心臟。整個系統(tǒng)都在其協(xié)調(diào)下有條不紊的工作。這部分主要是根據(jù)系統(tǒng)設置和當前系統(tǒng)的狀態(tài)給出相應的控制信息，以確保系統(tǒng)的可靠運行。
    人機接口界面程序，這部主要是為用戶提供一個簡單易用的交互接口，以方便用戶對變頻器的可靠控制。包括變頻器的起停、各種運行參數(shù)的設置都在這一層面上執(zhí)行。

6 結語
    通常，在開發(fā)變頻設備的過程中，需要編寫實時性、程序可讀性強的代碼，這時就需要采用混合編程。而凌陽的m’nSP IDE具有良好的編程環(huán)境，它可以很輕松、容易地進行混合編程（在C程序中調(diào)用匯編程序，在匯編程序中調(diào)用C程序）。
    該系統(tǒng)用了SPMC75F2413A兩個定時器和約30個IO口資源，其實SPMC75F2413A的資源相當豐富。因其有專業(yè)的變頻硬件支持，變頻系統(tǒng)開發(fā)變得相對簡單。同時，SPMC75F2413A在變頻控制方面有相當出眾的表現(xiàn)。因此，基于SPMC75F2413A的變頻系統(tǒng)在通用變頻、變頻家電等變頻領域有廣闊的應用前景。

7 參考文獻 
[1] 雷思孝、李伯成、雷向莉等，單片機原理及實用技術—凌陽16位單片機原理及應用[M] 西安：西安電子科技大學出版社
[2] SUNPLUS，SPMC75F2413A編程指南V1.1[M] 北京：SUNNORTH 
[3] Mitsubishi，PS21865A數(shù)據(jù)手冊[M]