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(dòng)時(shí)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(duì)話功能,，對(duì)參數(shù)可隨時(shí)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(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能要求越來越高,，而且對(duì)控制芯片的功能要求越來越多，對(duì)功能開關(guān)元件的智能化要求越來越高,，對(duì)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(gè)8位CPU,，256字節(jié)RAM，16KBROM,，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,，一個(gè)專用于產(chǎn)生PWM信號(hào)的16 位捕捉/比較單元，一個(gè)10位定時(shí)比較單元,，四個(gè)8位I/O接口(其中包括8路模擬輸入和6路PWM 輸出),，一個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換器，一個(gè)15位看門狗定時(shí)單元和RC振蕩器看門狗電路,，兩級(jí)共12個(gè)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(shí)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(cè)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(dòng)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(dòng)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(cè),、比較、光電隔離等環(huán)節(jié)以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)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(hào)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(gè)15位看門狗定時(shí)單元和RC振蕩器看門狗電路,，分別對(duì)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(shí)器控制，CPU自動(dòng)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(dòng)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(duì)外部程序存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展，使片外存儲(chǔ)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(duì)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(gè)按鍵,，它們是:設(shè)置鍵、V/F曲線鍵,、啟動(dòng)時(shí)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(duì)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(hào),，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(duì)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(shí)，CPU把來自晶振兩分頻的時(shí)鐘脈沖信號(hào)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(shí)器CT1;比較定時(shí)器CT1對(duì)基準(zhǔn)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),，首先按每個(gè)狀態(tài)周期增1計(jì)數(shù),，當(dāng)與賦值相等時(shí),，再按每個(gè)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(shí)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(gè)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(shí)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€(gè)通道比較器的比較賦值時(shí),，就改變了產(chǎn)生的PWM波的脈寬;若三個(gè)通道比較器的比較值按正弦規(guī)律變化時(shí)，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(shí),，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(duì)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(shí)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(shí)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(shí)間值。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)工作時(shí),，C5O4先完成對(duì)主電路電流,、電壓正常與否的檢測(cè)，只有在無故障時(shí),，才接收來自鍵盤的控制信息,。啟動(dòng)前，人們按照工作的需要將對(duì)V/F曲線,、啟動(dòng)時(shí)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(shí)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(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)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(shí)，啟動(dòng)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(cè)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(duì)話,，且具有很高的性能價(jià)格比,。
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參考文獻(xiàn)
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