基于SPMC75F2413A单片机的智能变频器设计

曲昀卿， 王 彦

(1．石家庄职业技术学院 电气与电子工程系，河北 石家庄 050081；2．石家庄市职业技术教育中心 电气工程系，河北 石家庄 050081)

基于SPMC75F2413A单片机的智能变频器设计

曲昀卿1， 王 彦2

(1．石家庄职业技术学院 电气与电子工程系，河北 石家庄 050081；2．石家庄市职业技术教育中心 电气工程系，河北 石家庄 050081)

基于SPMC75F2413A的智能变频器由主电路、控制电路、检测电路、供电电源电路、通信电路和显示电路组成.主电路由整流、中间滤波、泵升限制和逆变组成，芯片是控制电路的核心部件，检测电路包含过流检测和保护电路、电压检测和保护电路、转速检测电路；软件部分给出了系统主程序流程图和系统控制流程图，并通过试验验证了智能变频器的性能.

变频器；SPMC75F2413A单片机;SVPWM

变频器是一种交流调速设备，是为解决传统的交流电调速困难，交变设备结构复杂，效率低，可靠性差的问题而研发的.它能使电机的调速范围和调速性能大幅提升.而随着电力电子器件和微处理器的快速发展，以各种电力半导体器件构成的变频器正在取代直流调速在内的各种调速装置.本文即给出了一种利用凌阳SPMC75F2413A单片机为控制核心的智能变频器的实现方法.

1 系统硬件设计

基于SPMC75F2413A 智能变频器的硬件结构如图1所示，主要由主电路、控制电路、检测电路、供电电源电路、通信电路和显示电路组成.

图1 基于SPMC75F2413A的变频器系统结构图

本系统采用SVPWM(空间矢量脉冲调制)变频技术.为了缩短开发周期，系统参数的调整通过组态软件中的上位机编程软件实现.由上位机RS232接口发送更改的参数数据给下位机，SPMC75F2413A接收到数据后，将其他电路模块采集好的数据及调整的数据一起进行矢量算法运算，由CPU输出SVPWM波形并送入驱动电路的输入端；SVPWM波经过驱动电路和光耦隔离驱动电路驱动由6个IGBT管组成的逆变电路，输出放大的SVPWM波形；通过滤波电路输出三相互差120°的正弦波形.同时，CPU不断监控系统的运行状态，当系统出现短路、过流、过压和过热等故障时，系统可通过相应的检测电路检测到故障信号，经过处理后转换为CPU可接受的电压或电流信号.CPU检测到信号后，将输出并封锁信号，从而保护电机故障运行，并通过LED和上位机显示故障的原因[1].

1.1 主电路设计

系统主电路采用AC-DC-AC(交流-直流-交流)电路结构，由整流、中间滤波、泵升限制和逆变组成，其电路如图2所示.

图2 主电路图

输入端R，S，T通入三相交流电，经过D1-D6组成的三相桥式不可控整流电路，得到脉动频率为6fs(fs为输入电压频率)的直流电压.脉动电压通过由C1，C2，R2和R3组成的中间滤波电路很容易得到平稳的直流电.直流电送入逆变器中，在VT1-VT6输入端输入由CPU计算出的SVPWM波，控制VT1-VT6的导通和关断，从而在U，V，W输出端输出放大的SVPWM波.由于智能变频器的负载一般为感性负载，所以接入三相SVPWM波的感性负载的波形就等效为三相交流电.通过改变输入逆变器的SVPWM波的宽度或频率可以调节输出U，V，W波形的幅值或频率，从而实现变压或变频的目的.主电路中的RL和TL组成的电路为泵升电路，设计它的目的是为了防止直流电压过高而损坏元器件[2].

1.2 控制电路设计

芯片是控制电路的核心部件.本系统采用由凌阳最新推出的SPMC75F2413A单片机，它主要是对检测的数据进行处理后产生三相六路SVPWM波，并能对输入、输出的数据进行处理，从而起到对系统控制、显示和保护的作用[3].

SPMC75F2413A集成了两个电机控制PWM(脉冲宽度调制)输出定时器MCP3和MCP4.每个MCP(Motor Control PWM)定时器都可以独立输出三相六路PWM波形.定时器MCP3与定时器PDC0联合、定时器MCP4与定时器PDC1联合能完成交流感应电机应用中的速度反馈环控制.MCP模块有总计12路PWM输出用于电机控制操作.使用MCP3产生SVPWM波形的原理图如图3所示.

图3 三相SPWM生成原理图

通过对每个相位值查找正弦表中对应的正弦值，将正弦值调幅后送往TGRA/B/C通用寄存器，定时器TCNT不断计数，当计数值计到与通用寄存器中的值一致时，即发生比较匹配事件，插入死区时间后即输出PWM波.

通过设置MCP的控制寄存器P_TMR4_Ctrl和输出控制寄存器P_TMR4_OutputCtrl，使其工作在PWM模式，IOC为PWM输出引脚.设置MCP的周期寄存器P_TMR4_TPR就可以产生一定周期的载波信号，改变周期寄存器的值就能改变载波频率.

1.3 检测电路设计

系统在理想的情况下能够正常稳定工作，但在实际应用中，由于各种原因，可能会出现故障或运行不理想等情况.为了提高系统的稳定性并在故障发生之前对系统进行保护，以防止系统元器件损坏，常常需要对电路参数进行实时检测.检测电路由过流检测和保护电路、电压检测和保护电路、转速检测电路组成.

(1)过流检测与保护电路

电流检测电路主要通过电流传感器检测三相异步电机的三相电流，当出现过电流时，通过电路使继电器动作，切断电源.电路见图4.

(2)电压检测与保护电路

电压检测与保护电路主要用来检测经整流输出的高压直流母线侧电压，直流母线电压的变化对整个逆变系统影响较大.直流母线保护电路如图5所示.

图4 过流检测与保护电路图

图5 直流母线保护电路图

(3)转速检测电路

本系统采用光电增量编码器作为速度传感器.增量编码器是以数字的形式确定被测物体相对于某个基准点的瞬时位置，通过接口转速检测电路测量电机的角速度.码盘输出脉冲数为P=2500脉冲/转，采用M/T法检测电机转速，其测速原理如图6所示.

图6 M/T法测速原理图

2 系统软件设计

系统主程序流程图和系统控制流程图如图7所示.从系统主程序流程图7(a)可以看出，系统上电后，系统的初始化模块和中断的开启与关断设置只执行一次，之后就循环执行系统控制程序.在循环执行系统控制程序的过程中，定时器发生中断，在中断程序和主程序中执行系统控制程序.产生SVPWM的程序在检测到输入参数后，将之加入到数据处理模块并进行运算，用运算的结果控制MCP4寄存器，产生出电动机运行控制所需的控制信号，通过控制逆变器调节电动机的速度.

(a)主程序流程图 (b)系统控制流程图

图7 系统流程图

3 试验结果

图8(a)为从SPMC75F2413A的IOC10口输出的U相电压波形.系统将一个周期分成1024个点，在示波器中可以看到等幅不等宽的方波，其输出幅度为5 V.在SPMC75F2413A输出口加入二阶滤波器后输出的U相波形如图8(b)所示.当程序中的频率控制字为4294时，频率为50 Hz；频率控制字改为3221时，频率为37 Hz.

(a)未加滤波器

(b)加入二阶滤波器

在变压器原边电感量为5.36 mH,主开关管为2SK1317，分别在轻载120 Ω和满载80 Ω的情况下考核此电路.图9为输出电压纹波波形，可以看出，满载时输出电压的纹波除了少数的毛刺，其主要部分小于0.1 V，与输出电压20 V相比，不到0.5%，说明此电路的输出纹波很小，达到了设计指标的要求；而轻载时，毛刺很少，工作情况也很理想.

(a)轻载

(b)满载

4 结语

本文设计与实现了基于凌阳SPMC75F2413A单片机为控制核心的三相交流380 V交流-直流-交流电压源型变频器.参照现有变频器产品所具有的功能，在考虑实际生产中硬件结构的基础上，编写了实用化的软件程序；同时，考虑到现有自动控制系统的网络发展趋势，采用当前比较流行的Modbus协议为变频器网设计了网络通信功能，并在上位机上通过应用MCGS(监视与控制通用系统)软件实现可视化控制.

[1] 范蟠果.工控单片机原理及应用——凌阳SPMC75F2413A[M].北京：清华大学出版社，2007：100-370.

[2] 王兆安.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2006：20-251.

[3] 罗亚非.凌阳16位单片机应用基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005：87-100.

责任编辑：金 欣

Intelligent frequency converter on the SPMC75F2413A single-chip microcomputer

QU Yun-qing1, WANG Yan2

(1.Department of Electrics and Electronics,Shijiazhuang University of Applied Technology, Shijiazhuang, Hebei 50081, China;2.Department of Personnel, Shijiazhuang Vocational Education Center, Shijiazhuang, Hebei 050081, China)

The intelligent frequency converter based on SPMC75F2413A is composed of the main, control, detection, power supply, communication and display circuits. The main circuit is composed of rectifier, intermediate filter, pump lift limiter and inverter. The control chip is the core of the control circuit. The detection comprises overcurrent detection and protection, voltage detection and protection, and speed detection circuits. The performance of intelligent converter is tested with the program and system control flow charts.

frequency; SPMC75F2413A single-chip; SVPWM

2017-02-20

曲昀卿(1977-)，女，河北石家庄人，石家庄职业技术学院副教授.

1009-4873(2017)04-0001-05

TN773

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