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賦(fu)能(neng)工業智能(neng)化升級(ji) | 基于(yu)ACM32 MCU的(de)工業通(tong)用變頻器方(fang)案

近年來，隨(sui)著(zhu)智能制(zhi)造對(dui)(dui)節能的更(geng)高要求，通(tong)用變頻(pin)器在工業領域的應用愈加(jia)廣泛。變頻(pin)器是一種先(xian)進的調速控(kong)制(zhi)設備(bei)(bei)，通(tong)過對(dui)(dui)電(dian)(dian)源頻(pin)率的控(kong)制(zhi)可以(yi)實現(xian)對(dui)(dui)電(dian)(dian)機轉速的精(jing)確(que)調節，從而(er)提高設備(bei)(bei)的性能和節能效果。

變(bian)頻器(qi)概述

變(bian)頻器（Variable-Frequency Drive，VFD）是應用變(bian)頻技術和(he)微電子技術，通(tong)過改變(bian)電機工作電源頻率方式來控制(zhi)交流電動機的電動設備。

對于(yu)交流電機而言，其轉速表達式為(wei)：

其(qi)中(zhong)，n表(biao)示(shi)(shi)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)轉速(su)(su)(su)，f表(biao)示(shi)(shi)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)信號(hao)頻(pin)率，s表(biao)示(shi)(shi)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)轉速(su)(su)(su)差，p表(biao)示(shi)(shi)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)極(ji)對(dui)數。從上式(shi)可(ke)以(yi)看(kan)出，電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)轉速(su)(su)(su)和電(dian)(dian)(dian)源(yuan)信號(hao)頻(pin)率成正比關系(xi)。因(yin)此，只更(geng)改(gai)頻(pin)率即可(ke)改(gai)變(bian)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)轉速(su)(su)(su)。變(bian)頻(pin)器(qi)正是依據該公式(shi)來實(shi)(shi)現對(dui)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)變(bian)速(su)(su)(su)控制(zhi)。通常(chang)，變(bian)頻(pin)器(qi)由整流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)路(lu)，濾波電(dian)(dian)(dian)路(lu)，逆變(bian)電(dian)(dian)(dian)路(lu)以(yi)及控制(zhi)電(dian)(dian)(dian)路(lu)4個(ge)部分組(zu)成。外部輸入的(de)(de)(de)三相電(dian)(dian)(dian)會(hui)經過整流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)路(lu)和濾波電(dian)(dian)(dian)路(lu)得到(dao)穩(wen)定(ding)的(de)(de)(de)直流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)。直流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)再通過逆變(bian)電(dian)(dian)(dian)路(lu)得到(dao)用以(yi)驅動交流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)三相電(dian)(dian)(dian)。逆變(bian)電(dian)(dian)(dian)路(lu)一般會(hui)選用IGBT來實(shi)(shi)現，以(yi)期(qi)得到(dao)足(zu)夠的(de)(de)(de)驅動電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)，其(qi)電(dian)(dian)(dian)路(lu)結構示(shi)(shi)意圖(tu)如下圖(tu)所示(shi)(shi)：

逆變(bian)電路(lu)結構示意圖

經(jing)過整(zheng)形和(he)濾(lv)波之后的(de)(de)直流(liu)信號接入到上圖的(de)(de)環境V+和(he)V-端(duan)，控(kong)制電路通過Y1~Y6端(duan)口(kou)，控(kong)制IGBT的(de)(de)開關得到交(jiao)流(liu)電機(ji)(ji)的(de)(de)三相交(jiao)流(liu)控(kong)制信號，以(yi)完成對電機(ji)(ji)的(de)(de)控(kong)制。

航芯(xin)ACM32 MCU工(gong)業(ye)變頻器方(fang)案

針對工業(ye)自(zi)動化電機驅(qu)動需求的客戶，上海航(hang)芯推(tui)出(chu)了工業(ye)通用變(bian)頻(pin)器應(ying)用方案，該方案采(cai)用ACM32F4/ACM32G1系(xi)列MCU，最(zui)(zui)高(gao)工作頻(pin)率可(ke)(ke)(ke)達180MHz/120MHz，內置最(zui)(zui)大512KB的eFlash和(he)最(zui)(zui)大192KB SRAM。其中ACM32F4帶(dai)有一個可(ke)(ke)(ke)輸(shu)出(chu)4路(lu)(lu)帶(dai)死(si)區的互補(bu)PWM信(xin)號的高(gao)級(ji)(ji)定(ding)時器以及(ji)采(cai)樣速率最(zui)(zui)高(gao)可(ke)(ke)(ke)到2Msps的12位ADC。而ACM32G1帶(dai)有兩個可(ke)(ke)(ke)輸(shu)出(chu)4路(lu)(lu)帶(dai)死(si)區的互補(bu)PWM信(xin)號的高(gao)級(ji)(ji)定(ding)時器以及(ji)兩路(lu)(lu)采(cai)樣速率最(zui)(zui)高(gao)可(ke)(ke)(ke)到3Msps的12位ADC。可(ke)(ke)(ke)實現高(gao)性能、高(gao)精度的電機驅(qu)動控(kong)制，是工業(ye)設備電機驅(qu)動控(kong)制應(ying)用的理想選擇。

基于ACM32F4/ACM32G1系列MCU的(de)控制電路(lu)結(jie)構框圖(tu)，如下圖(tu)所(suo)示(shi)：

控制電(dian)路的(de)(de)顯示輸出，采用(yong)SPI接(jie)口(kou)的(de)(de)LED顯示屏。ACM32F4/ACM32G1系列的(de)(de)MCU，其標準(zhun)SPI通信速率可到50MHz，能(neng)及時將(jiang)(jiang)顯示數據刷新到LED顯示屏上(shang)(shang)。變頻(pin)器的(de)(de)設(she)置參數有兩(liang)種設(she)置模式(shi)，在脫機(ji)情(qing)況(kuang)下，用(yong)戶(hu)可以(yi)通過(guo)外部(bu)按鍵(jian)來設(she)置工作參數。而(er)在線模式(shi)下，變頻(pin)器通過(guo)UART接(jie)口(kou)和上(shang)(shang)位(wei)機(ji)相連(lian)。用(yong)戶(hu)通過(guo)上(shang)(shang)位(wei)機(ji)將(jiang)(jiang)設(she)定的(de)(de)工作參數輸入至設(she)備(bei)(bei)中，設(she)備(bei)(bei)運行(xing)時，也會將(jiang)(jiang)實時工作情(qing)況(kuang)反饋給上(shang)(shang)位(wei)機(ji)，以(yi)便用(yong)戶(hu)對設(she)備(bei)(bei)進(jin)行(xing)實時調(diao)整(zheng)。

逆變(bian)電(dian)(dian)路部分(fen)的(de)控制(zhi)是(shi)整個控制(zhi)邏輯中(zhong)的(de)核(he)心(xin)部分(fen)，其本質是(shi)通(tong)過MCU中(zhong)的(de)高(gao)級定時(shi)器(qi)輸出(chu)(chu)3對(dui)互補PWM信號給到Y1~Y6。利用SPWM技術(shu)驅動輸出(chu)(chu)三相(xiang)交流信號來(lai)控制(zhi)電(dian)(dian)機(ji)工作(zuo)(zuo)。而三相(xiang)交流電(dian)(dian)的(de)換(huan)相(xiang)操作(zuo)(zuo)，則(ze)是(shi)根據MCU內(nei)置的(de)12位的(de)ADC對(dui)U，V和W三項(xiang)進行(xing)電(dian)(dian)流采(cai)樣(yang)來(lai)判(pan)定換(huan)項(xiang)的(de)時(shi)間。ACM32F4系列(lie)的(de)MCU，ADC的(de)采(cai)樣(yang)頻率能到2Msps，能滿足大多數設備的(de)運行(xing)需求。而面對(dui)高(gao)性能需要的(de)應(ying)用場(chang)合(he)，則(ze)可使(shi)用ACM32G1系列(lie)MCU。該系列(lie)MCU有兩路ADC，最高(gao)采(cai)樣(yang)率為3Msps，采(cai)用交叉采(cai)樣(yang)方式(shi)提(ti)高(gao)對(dui)信號的(de)采(cai)樣(yang)速率，精確控制(zhi)換(huan)相(xiang)參數并做(zuo)出(chu)(chu)相(xiang)應(ying)的(de)控制(zhi)動作(zuo)(zuo)。