摘? 要: 介紹了一種以C504專用芯片和智能功率模塊IPM為基礎(chǔ)的SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)。它可以實(shí)現(xiàn)輸出頻率在0～60Hz和載波頻率在500Hz～10kHz之間變化，有數(shù)條V/F曲線、啟動時間、載波比和調(diào)制方式等選擇功能，并具有多種保護(hù)功能和人機(jī)對話功能，對參數(shù)可隨時調(diào)節(jié)。
關(guān)鍵詞: C504芯片? SPWM? 變頻調(diào)速? 捕捉/比較單元(CCU)
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隨著變頻調(diào)速應(yīng)用的日益廣泛，相關(guān)技術(shù)的日益成熟，人們不僅對變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能要求越來越高，而且對控制芯片的功能要求越來越多，對功能開關(guān)元件的智能化要求越來越高，對系統(tǒng)的抗擾能力要求越來越高，以滿足生產(chǎn)的需求并適應(yīng)不同的工作環(huán)境。為此，本文介紹了一種主電路采用智能模塊IPM，控制芯片采用西門子公司生產(chǎn)的電機(jī)專用芯片C504的SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)。
1 控制芯片C504的介紹
C504芯片是德國西門子公司在8051單片機(jī)基礎(chǔ)上推出的，專用于變頻器控制、低功耗、多功能、大容量的8位單片機(jī)。它包括一個8位CPU，256字節(jié)RAM，16KBROM，三個16位定時器/計(jì)數(shù)器，一個專用于產(chǎn)生PWM信號的16 位捕捉/比較單元，一個10位定時比較單元，四個8位I/O接口(其中包括8路模擬輸入和6路PWM 輸出)，一個10位A/D轉(zhuǎn)換器，一個15位看門狗定時單元和RC振蕩器看門狗電路，兩級共12個中斷源，最大操作頻率達(dá)40MHz。捕捉/比較單元CCU是C504獨(dú)具的優(yōu)點(diǎn)，這一設(shè)置大大簡化了用于產(chǎn)生PWM波形的控制軟件和外部硬件。系統(tǒng)一旦運(yùn)行，可以產(chǎn)生獨(dú)立的三相6路PWM波或SPWM波，只有在改變PWM波的占空比和周期時才受CPU的控制，還可以通過編程選擇不同的PWM控制方式，實(shí)現(xiàn)在線編程控制。
2 系統(tǒng)的硬件與功能概述
變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。它主要由逆變器主電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)及各種檢測保護(hù)電路組成。
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2.1 主電路
主電路采用的是交-直-交電壓源結(jié)構(gòu)，其中整流橋與逆變橋都是模塊形式，選取智能功率模塊IPM—PM15CSJO6O作為主開關(guān)管(適用于1kW，5A的電動機(jī))。它具有高速、低功耗、過電流、短路、欠壓、過熱保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)元件的自保護(hù);驅(qū)動電路集成于IPM之中，實(shí)現(xiàn)控制基板與功率基板分離，切斷來自功率系統(tǒng)的干擾;高度集成，減小配線電感;內(nèi)設(shè)干擾濾波器，防止元件誤工作，提高元件工作的可靠性，提高主電路的抗干擾能力。
2.2 保護(hù)電路及抗干擾措施
系統(tǒng)中除了IPM的自保護(hù)功能外，還設(shè)計(jì)有電源欠壓、過壓、過載的極限保護(hù)電路，經(jīng)過檢測、比較、光電隔離等環(huán)節(jié)以實(shí)現(xiàn)對欠壓、過壓、過載的保護(hù)。所有保護(hù)都經(jīng)與門送到C504的CTRAP端，同時送到鎖存器保存，以備顯示和檢查。若發(fā)生故障，使CTRAP為低電平，通過控制CCU的初始化寄存器，使端口控制邏輯處于封鎖狀態(tài)，無PWM信號輸出，逆變器停止工作;然后，再通過CCU的控制寄存器CTCON的狀態(tài)字，使接受中斷，保存原始狀態(tài)進(jìn)入硬件復(fù)位，進(jìn)行故障判斷和故障代碼顯示，以便維修。
另外，在C504內(nèi)部由于有一個15位看門狗定時單元和RC振蕩器看門狗電路，分別對軟件和晶振源頻率進(jìn)行監(jiān)控，若發(fā)生程序跑飛和死機(jī)現(xiàn)象，通過15位定時器控制，CPU自動轉(zhuǎn)入復(fù)位狀態(tài)和休閑狀態(tài)等待;若晶振源頻率低于RC振蕩器的頻率，通過RC振蕩器看門狗電路控制，使CPU自動轉(zhuǎn)入復(fù)位狀態(tài)和休閑狀態(tài)等待;防止數(shù)據(jù)丟失和CPU非正常運(yùn)行，提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力。
2.3 硬件結(jié)構(gòu)
根據(jù)設(shè)計(jì)需要，選用28F256芯片對外部程序存儲器進(jìn)行擴(kuò)展，使片外存儲容量達(dá)到了32K;由于采用了FLASH技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了快速在線修改。為實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，采用8279實(shí)現(xiàn)可編程并行I/O口的擴(kuò)展，設(shè)置了14個按鍵，它們是:設(shè)置鍵、V/F曲線鍵、啟動時間鍵、同步方式鍵、異步方式鍵、分段同步鍵、載波比鍵、頻率鍵、上升鍵、下降鍵、確認(rèn)鍵、運(yùn)行鍵、停車鍵、復(fù)位鍵，來進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)的設(shè)置與更改。為此，設(shè)計(jì)了4位的LED顯示電路，配合8279的鍵盤設(shè)置，對運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)進(jìn)行顯示和監(jiān)視。
2.4 SPWM波的實(shí)現(xiàn)原理
SPWM波是控制IPM芯片按變頻要求進(jìn)行工作的控制信號，它主要由C504內(nèi)部的16位捕捉/比較單元和CPU配合控制產(chǎn)生。其基本原理為:CPU由數(shù)據(jù)總線和內(nèi)部地址總線通過暫存鎖存器向周期寄存器、控制寄存器、方式選擇寄存器、初始化寄存器寫入命令字和數(shù)據(jù)，完成對三相正弦表的幅值、周期的設(shè)置和特殊功能寄存器及相關(guān)器件的初始化。工作時，CPU把來自晶振兩分頻的時鐘脈沖信號送到受周期寄存器控制的預(yù)分頻單元，經(jīng)預(yù)分頻單元再分頻，構(gòu)成需要的SPWM波的基準(zhǔn)頻率。然后，送到被賦予一定周期值的16位比較定時器CT1;比較定時器CT1對基準(zhǔn)脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，首先按每個狀態(tài)周期增1計(jì)數(shù)，當(dāng)與賦值相等時，再按每個狀態(tài)周期減1計(jì)數(shù)或刷新重新計(jì)數(shù)，這樣一來把時鐘脈沖轉(zhuǎn)化為一定周期的三角波，構(gòu)成生成SPWM波的載波。再送到被賦予不同比較值的三個通道比較器CC0、CC1、CC2進(jìn)行比較，各通道將輸入的三角波形按比較值的大小調(diào)制為兩路相同周期、相位相差約為180°且具有一定死區(qū)差異(死區(qū)時間由偏置寄存器提供)的方波脈沖輸出，經(jīng)接口控制邏輯單元從CC0、COUT0、CC1、COUT1、CC2、COUT2端向外輸出為6路方波脈沖輸出。當(dāng)改變?nèi)齻€通道比較器的比較賦值時，就改變了產(chǎn)生的PWM波的脈寬;若三個通道比較器的比較值按正弦規(guī)律變化時，輸出的脈寬就按正弦規(guī)律變化，產(chǎn)生SPWM波;當(dāng)改變了周期寄存器的賦值時，就改變了產(chǎn)生的PWM波或SPWM波的周期，從而實(shí)現(xiàn)了PWM波或SPWM波的調(diào)頻與調(diào)寬的控制。從上面的分析可以看出，C504單片機(jī)產(chǎn)生SPWM波的基本原理是建立在對稱規(guī)則生成法的基礎(chǔ)上，利用其內(nèi)部的CCU單元和相應(yīng)的軟件配合共同完成的，從而使系統(tǒng)用很少的機(jī)時就能完成控制的需要。若功率元件的開關(guān)頻率為FPWM，關(guān)斷時間為TOFF，則根據(jù)前面的分析可得:
????FPWM=FOSC/(2×prescaler×CCP×2)
即CCP=FOSC/(4×prescaler×FPWM)，這就是CT1的周期值，即PWM的周期。
而TOFF=CT1OF×FOSC/(2×prescaler)
即CT1OF=2×prescaler×TOFF/FOSC，這就是偏置寄存器CT1OF的值，即PWM的關(guān)斷死區(qū)補(bǔ)償時間值。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)工作時，C5O4先完成對主電路電流、電壓正常與否的檢測，只有在無故障時，才接收來自鍵盤的控制信息。啟動前，人們按照工作的需要將對V/F曲線、啟動時間、同步方式、異步方式、分段同步、載波比、頻率、載波頻率等參數(shù)進(jìn)行預(yù)置，設(shè)置完成后發(fā)出運(yùn)行命令。C504將按實(shí)時計(jì)算和查表相結(jié)合的控制算法，計(jì)算出產(chǎn)生三相SPWM波形的脈寬和頻率，然后將它們送到CCU的控制寄存器、方式選擇寄存器、周期寄存器，按此產(chǎn)生三相6路SPWM驅(qū)動信號，驅(qū)動IPM，完成三相SPWM的逆變。
根據(jù)系統(tǒng)的工作過程和設(shè)計(jì)需要，系統(tǒng)的軟件編制主要采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序和CCU中斷服務(wù)程序組成。其中主程序又包括初始化子程序、自檢子程序、顯示子程序、鍵盤子程序、掃描子程序、設(shè)置子程序、升降子程序、確認(rèn)子程序、停車顯示子程序、故障顯示子程序、故障處理，其流程圖如圖2所示。
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4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)
按照上述設(shè)計(jì)方案，如圖1模擬接線(交流電機(jī)100W，電流0.64A)，經(jīng)過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明:電機(jī)輸出頻率在5~60Hz變化時，啟動運(yùn)行平穩(wěn)，性能可靠，各種性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，測得的實(shí)驗(yàn)波形如圖3所示。
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多功能、大容量、專用性的C504和智能化功率模塊的使用，使系統(tǒng)硬件電路簡單、控制靈活、適應(yīng)性強(qiáng)，可以按需設(shè)置參數(shù)和改變狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對話，且具有很高的性能價格比。
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參考文獻(xiàn)
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