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賦能工業(ye)智能化升級(ji) | 基于ACM32 MCU的(de)工業(ye)通用變頻(pin)器方案

近年(nian)來，隨(sui)著智能(neng)制造對(dui)(dui)節能(neng)的(de)(de)更(geng)高要求，通(tong)用(yong)變頻器在工業領域的(de)(de)應用(yong)愈加廣泛。變頻器是一種先進的(de)(de)調速(su)控(kong)制設備，通(tong)過對(dui)(dui)電源頻率(lv)的(de)(de)控(kong)制可以實現對(dui)(dui)電機轉速(su)的(de)(de)精確調節，從而(er)提高設備的(de)(de)性能(neng)和(he)節能(neng)效果。

變頻(pin)器概述

變頻器（Variable-Frequency Drive，VFD）是應用變頻技術和微電(dian)子技術，通過改變電(dian)機工作電(dian)源頻率(lv)方式來控(kong)制交(jiao)流電(dian)動(dong)機的電(dian)動(dong)設備。

對于交流電(dian)機而言(yan)，其轉速(su)表達(da)式(shi)為(wei)：

其中，n表(biao)(biao)示電(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)轉(zhuan)速，f表(biao)(biao)示電(dian)(dian)機(ji)(ji)電(dian)(dian)源信(xin)號(hao)(hao)頻(pin)率，s表(biao)(biao)示電(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)轉(zhuan)速差，p表(biao)(biao)示電(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)極對數。從上式可(ke)以(yi)看出，電(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)轉(zhuan)速和電(dian)(dian)源信(xin)號(hao)(hao)頻(pin)率成(cheng)正(zheng)比關系(xi)。因此，只更(geng)改頻(pin)率即可(ke)改變(bian)(bian)(bian)(bian)電(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)轉(zhuan)速。變(bian)(bian)(bian)(bian)頻(pin)器(qi)正(zheng)是(shi)依據(ju)該公(gong)式來實現(xian)對電(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)變(bian)(bian)(bian)(bian)速控制。通常，變(bian)(bian)(bian)(bian)頻(pin)器(qi)由整(zheng)流(liu)電(dian)(dian)路，濾波電(dian)(dian)路，逆變(bian)(bian)(bian)(bian)電(dian)(dian)路以(yi)及控制電(dian)(dian)路4個部分組成(cheng)。外部輸入的(de)三(san)相電(dian)(dian)會經過整(zheng)流(liu)電(dian)(dian)路和濾波電(dian)(dian)路得到(dao)穩定的(de)直流(liu)電(dian)(dian)。直流(liu)電(dian)(dian)再通過逆變(bian)(bian)(bian)(bian)電(dian)(dian)路得到(dao)用(yong)以(yi)驅動交流(liu)電(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)三(san)相電(dian)(dian)。逆變(bian)(bian)(bian)(bian)電(dian)(dian)路一般會選用(yong)IGBT來實現(xian)，以(yi)期得到(dao)足夠的(de)驅動電(dian)(dian)流(liu)，其電(dian)(dian)路結(jie)構示意(yi)圖(tu)如下圖(tu)所示：

逆變(bian)電(dian)路結構示意圖

經過(guo)整形和(he)濾波之后的(de)(de)直(zhi)流信號接入到上圖的(de)(de)環境V+和(he)V-端，控(kong)制電路通過(guo)Y1~Y6端口(kou)，控(kong)制IGBT的(de)(de)開關得到交流電機(ji)的(de)(de)三(san)相交流控(kong)制信號，以完成對電機(ji)的(de)(de)控(kong)制。

航芯ACM32 MCU工業變頻器方案

針對工(gong)業(ye)自動(dong)(dong)(dong)化電(dian)機驅動(dong)(dong)(dong)需(xu)求的(de)(de)(de)客戶，上海航芯推出了(le)工(gong)業(ye)通用(yong)變頻(pin)器應用(yong)方(fang)案(an)，該方(fang)案(an)采(cai)用(yong)ACM32F4/ACM32G1系列(lie)MCU，最(zui)(zui)高工(gong)作頻(pin)率(lv)可(ke)(ke)達180MHz/120MHz，內置最(zui)(zui)大(da)(da)512KB的(de)(de)(de)eFlash和(he)最(zui)(zui)大(da)(da)192KB SRAM。其(qi)中ACM32F4帶有(you)一個可(ke)(ke)輸出4路帶死區(qu)的(de)(de)(de)互(hu)補(bu)PWM信(xin)號的(de)(de)(de)高級定(ding)時(shi)器以(yi)及(ji)采(cai)樣速率(lv)最(zui)(zui)高可(ke)(ke)到2Msps的(de)(de)(de)12位(wei)ADC。而ACM32G1帶有(you)兩(liang)(liang)個可(ke)(ke)輸出4路帶死區(qu)的(de)(de)(de)互(hu)補(bu)PWM信(xin)號的(de)(de)(de)高級定(ding)時(shi)器以(yi)及(ji)兩(liang)(liang)路采(cai)樣速率(lv)最(zui)(zui)高可(ke)(ke)到3Msps的(de)(de)(de)12位(wei)ADC。可(ke)(ke)實現高性能、高精度的(de)(de)(de)電(dian)機驅動(dong)(dong)(dong)控制，是(shi)工(gong)業(ye)設備電(dian)機驅動(dong)(dong)(dong)控制應用(yong)的(de)(de)(de)理想選(xuan)擇。

基(ji)于(yu)ACM32F4/ACM32G1系列MCU的控制電路結構框圖，如下圖所示：

控制電(dian)路(lu)的(de)顯(xian)示(shi)(shi)輸(shu)出，采用(yong)SPI接口(kou)的(de)LED顯(xian)示(shi)(shi)屏(ping)。ACM32F4/ACM32G1系列(lie)的(de)MCU，其標準SPI通信(xin)速率可到50MHz，能及時將顯(xian)示(shi)(shi)數(shu)據刷(shua)新到LED顯(xian)示(shi)(shi)屏(ping)上(shang)。變(bian)頻器(qi)的(de)設(she)置(zhi)(zhi)(zhi)參(can)數(shu)有(you)兩種(zhong)設(she)置(zhi)(zhi)(zhi)模式，在脫機情況下(xia)，用(yong)戶(hu)(hu)可以通過(guo)外部按鍵來設(she)置(zhi)(zhi)(zhi)工作(zuo)參(can)數(shu)。而(er)在線模式下(xia)，變(bian)頻器(qi)通過(guo)UART接口(kou)和上(shang)位(wei)機相連。用(yong)戶(hu)(hu)通過(guo)上(shang)位(wei)機將設(she)定(ding)的(de)工作(zuo)參(can)數(shu)輸(shu)入至設(she)備(bei)中(zhong)，設(she)備(bei)運行(xing)時，也(ye)會將實(shi)時工作(zuo)情況反饋給(gei)上(shang)位(wei)機，以便用(yong)戶(hu)(hu)對設(she)備(bei)進行(xing)實(shi)時調整。

逆變電路部分的(de)(de)(de)控制(zhi)是(shi)整個控制(zhi)邏(luo)輯中的(de)(de)(de)核心部分，其本質是(shi)通過MCU中的(de)(de)(de)高(gao)級定時器輸出(chu)3對互補PWM信號給到Y1~Y6。利用(yong)SPWM技術驅動(dong)輸出(chu)三相交(jiao)流(liu)信號來(lai)控制(zhi)電機工作。而三相交(jiao)流(liu)電的(de)(de)(de)換(huan)相操作，則是(shi)根據MCU內置的(de)(de)(de)12位的(de)(de)(de)ADC對U，V和W三項(xiang)(xiang)進行電流(liu)采(cai)(cai)樣(yang)來(lai)判定換(huan)項(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)時間。ACM32F4系(xi)(xi)列(lie)(lie)的(de)(de)(de)MCU，ADC的(de)(de)(de)采(cai)(cai)樣(yang)頻率能到2Msps，能滿足大多數(shu)設備的(de)(de)(de)運(yun)行需(xu)求。而面對高(gao)性能需(xu)要的(de)(de)(de)應用(yong)場合，則可使用(yong)ACM32G1系(xi)(xi)列(lie)(lie)MCU。該(gai)系(xi)(xi)列(lie)(lie)MCU有兩路ADC，最高(gao)采(cai)(cai)樣(yang)率為3Msps，采(cai)(cai)用(yong)交(jiao)叉采(cai)(cai)樣(yang)方式提高(gao)對信號的(de)(de)(de)采(cai)(cai)樣(yang)速率，精(jing)確控制(zhi)換(huan)相參數(shu)并做(zuo)出(chu)相應的(de)(de)(de)控制(zhi)動(dong)作。