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賦能(neng)工業智(zhi)能(neng)化(hua)升級 | 基于ACM32 MCU的工業通用(yong)變頻器方案

近年來，隨著智能(neng)(neng)制(zhi)造對節(jie)能(neng)(neng)的更高要求(qiu)，通(tong)用(yong)變(bian)頻器(qi)(qi)在工業領域的應用(yong)愈加廣泛。變(bian)頻器(qi)(qi)是(shi)一種(zhong)先進的調速(su)控(kong)制(zhi)設(she)備，通(tong)過對電源(yuan)頻率的控(kong)制(zhi)可(ke)以實(shi)現對電機(ji)轉速(su)的精確調節(jie)，從而提高設(she)備的性能(neng)(neng)和節(jie)能(neng)(neng)效果。

變頻器(qi)概(gai)述

變(bian)頻(pin)器（Variable-Frequency Drive，VFD）是應用變(bian)頻(pin)技術(shu)和微電子技術(shu)，通過改變(bian)電機工作(zuo)電源頻(pin)率方(fang)式來控制交(jiao)流電動機的電動設備(bei)。

對(dui)于交流電機而(er)言(yan)，其(qi)轉(zhuan)速表(biao)達(da)式為：

其中(zhong)，n表(biao)示(shi)(shi)(shi)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)轉速(su)，f表(biao)示(shi)(shi)(shi)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)源信號頻(pin)(pin)(pin)率，s表(biao)示(shi)(shi)(shi)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)轉速(su)差，p表(biao)示(shi)(shi)(shi)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)極對(dui)數。從上(shang)式可以看出(chu)，電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)轉速(su)和(he)電(dian)(dian)(dian)源信號頻(pin)(pin)(pin)率成(cheng)(cheng)正(zheng)比關系。因此，只更改(gai)頻(pin)(pin)(pin)率即可改(gai)變(bian)(bian)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)轉速(su)。變(bian)(bian)頻(pin)(pin)(pin)器正(zheng)是依據該公式來實(shi)現對(dui)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)變(bian)(bian)速(su)控制(zhi)(zhi)。通常，變(bian)(bian)頻(pin)(pin)(pin)器由整(zheng)流電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)，濾波電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)，逆變(bian)(bian)電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)以及控制(zhi)(zhi)電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)4個部分(fen)組成(cheng)(cheng)。外部輸入的(de)三相電(dian)(dian)(dian)會經(jing)過整(zheng)流電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)和(he)濾波電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)得(de)到穩定的(de)直(zhi)流電(dian)(dian)(dian)。直(zhi)流電(dian)(dian)(dian)再通過逆變(bian)(bian)電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)得(de)到用以驅動交流電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)三相電(dian)(dian)(dian)。逆變(bian)(bian)電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)一(yi)般會選(xuan)用IGBT來實(shi)現，以期得(de)到足(zu)夠的(de)驅動電(dian)(dian)(dian)流，其電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)結構示(shi)(shi)(shi)意圖如下圖所(suo)示(shi)(shi)(shi)：

逆(ni)變電路結構(gou)示意圖

經(jing)過(guo)(guo)整形(xing)和濾波(bo)之后(hou)的(de)直流(liu)信號(hao)接入到(dao)上圖的(de)環境(jing)V+和V-端，控(kong)制電(dian)路通過(guo)(guo)Y1~Y6端口，控(kong)制IGBT的(de)開(kai)關得(de)到(dao)交流(liu)電(dian)機的(de)三(san)相交流(liu)控(kong)制信號(hao)，以(yi)完成對電(dian)機的(de)控(kong)制。

航芯ACM32 MCU工業變(bian)頻器方案(an)

針對(dui)工(gong)業(ye)(ye)自動(dong)化電(dian)機(ji)驅(qu)(qu)動(dong)需求的(de)(de)(de)客戶(hu)，上(shang)海航芯(xin)推(tui)出了工(gong)業(ye)(ye)通(tong)用(yong)(yong)(yong)變頻(pin)器應用(yong)(yong)(yong)方(fang)案，該方(fang)案采用(yong)(yong)(yong)ACM32F4/ACM32G1系列MCU，最(zui)(zui)高(gao)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)可達180MHz/120MHz，內(nei)置最(zui)(zui)大512KB的(de)(de)(de)eFlash和最(zui)(zui)大192KB SRAM。其(qi)中ACM32F4帶(dai)有一個(ge)(ge)可輸(shu)出4路(lu)帶(dai)死區的(de)(de)(de)互補PWM信號的(de)(de)(de)高(gao)級(ji)定(ding)時器以及采樣(yang)速率(lv)最(zui)(zui)高(gao)可到2Msps的(de)(de)(de)12位ADC。而ACM32G1帶(dai)有兩個(ge)(ge)可輸(shu)出4路(lu)帶(dai)死區的(de)(de)(de)互補PWM信號的(de)(de)(de)高(gao)級(ji)定(ding)時器以及兩路(lu)采樣(yang)速率(lv)最(zui)(zui)高(gao)可到3Msps的(de)(de)(de)12位ADC。可實(shi)現高(gao)性能(neng)、高(gao)精度的(de)(de)(de)電(dian)機(ji)驅(qu)(qu)動(dong)控制(zhi)，是(shi)工(gong)業(ye)(ye)設備電(dian)機(ji)驅(qu)(qu)動(dong)控制(zhi)應用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)理(li)想選擇(ze)。

基于ACM32F4/ACM32G1系(xi)列MCU的控制(zhi)電路結構(gou)框圖，如下圖所示：

控制電路的(de)顯示(shi)輸(shu)出，采用(yong)SPI接口(kou)的(de)LED顯示(shi)屏。ACM32F4/ACM32G1系列的(de)MCU，其標準SPI通(tong)信速率可到50MHz，能及時將(jiang)顯示(shi)數(shu)據刷新到LED顯示(shi)屏上(shang)。變(bian)頻器(qi)的(de)設(she)置(zhi)參數(shu)有(you)兩種設(she)置(zhi)模式(shi)，在脫機(ji)情況下，用(yong)戶(hu)可以通(tong)過外部按鍵來設(she)置(zhi)工(gong)作(zuo)參數(shu)。而(er)在線模式(shi)下，變(bian)頻器(qi)通(tong)過UART接口(kou)和上(shang)位機(ji)相(xiang)連(lian)。用(yong)戶(hu)通(tong)過上(shang)位機(ji)將(jiang)設(she)定的(de)工(gong)作(zuo)參數(shu)輸(shu)入至設(she)備(bei)(bei)中，設(she)備(bei)(bei)運行時，也會將(jiang)實時工(gong)作(zuo)情況反(fan)饋(kui)給上(shang)位機(ji)，以便用(yong)戶(hu)對設(she)備(bei)(bei)進行實時調整。

逆(ni)變電路部分的(de)(de)(de)(de)(de)控制(zhi)是整個控制(zhi)邏輯中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)核心(xin)部分，其本(ben)質是通過(guo)MCU中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)級(ji)定(ding)時器輸(shu)出3對(dui)(dui)(dui)互(hu)補PWM信(xin)(xin)號(hao)給到Y1~Y6。利(li)用(yong)SPWM技術(shu)驅動(dong)輸(shu)出三相交流(liu)信(xin)(xin)號(hao)來(lai)控制(zhi)電機工(gong)作(zuo)。而三相交流(liu)電的(de)(de)(de)(de)(de)換(huan)相操作(zuo)，則(ze)是根據MCU內(nei)置的(de)(de)(de)(de)(de)12位的(de)(de)(de)(de)(de)ADC對(dui)(dui)(dui)U，V和W三項進(jin)行(xing)電流(liu)采樣(yang)來(lai)判定(ding)換(huan)項的(de)(de)(de)(de)(de)時間。ACM32F4系列的(de)(de)(de)(de)(de)MCU，ADC的(de)(de)(de)(de)(de)采樣(yang)頻率(lv)能(neng)到2Msps，能(neng)滿足大多數設備(bei)的(de)(de)(de)(de)(de)運行(xing)需求。而面對(dui)(dui)(dui)高(gao)性能(neng)需要的(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)用(yong)場(chang)合，則(ze)可使用(yong)ACM32G1系列MCU。該(gai)系列MCU有(you)兩路ADC，最高(gao)采樣(yang)率(lv)為3Msps，采用(yong)交叉采樣(yang)方式提高(gao)對(dui)(dui)(dui)信(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)采樣(yang)速率(lv)，精確控制(zhi)換(huan)相參(can)數并(bing)做出相應(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)控制(zhi)動(dong)作(zuo)。