賦能工業(yè)智能化升級(jí) | 基于ACM32 MCU的工業(yè)通用變頻器方案

近年來(lái)，隨著智能制造對(duì)節(jié)能的更高要求，通用變頻器在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛。變頻器是一種先進(jìn)的調(diào)速控制設(shè)備，通過(guò)對(duì)電源頻率的控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確調(diào)節(jié)，從而提高設(shè)備的性能和節(jié)能效果。

01

變頻器概述

變頻器（Variable-Frequency Drive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)和微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)設(shè)備。

對(duì)于交流電機(jī)而言，其轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：

其中，n表示電機(jī)的轉(zhuǎn)速，f表示電機(jī)電源信號(hào)頻率，s表示電機(jī)的轉(zhuǎn)速差，p表示電機(jī)的極對(duì)數(shù)。從上式可以看出，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電源信號(hào)頻率成正比關(guān)系。因此，只更改頻率即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻器正是依據(jù)該公式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的變速控制。通常，變頻器由整流電路，濾波電路，逆變電路以及控制電路4個(gè)部分組成。外部輸入的三相電會(huì)經(jīng)過(guò)整流電路和濾波電路得到穩(wěn)定的直流電。直流電再通過(guò)逆變電路得到用以驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)的三相電。逆變電路一般會(huì)選用IGBT來(lái)實(shí)現(xiàn)，以期得到足夠的驅(qū)動(dòng)電流，其電路結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示：

逆變電路結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)過(guò)整形和濾波之后的直流信號(hào)接入到上圖的環(huán)境V+和V-端，控制電路通過(guò)Y1~Y6端口，控制IGBT的開(kāi)關(guān)得到交流電機(jī)的三相交流控制信號(hào)，以完成對(duì)電機(jī)的控制。

02

航芯ACM32 MCU工業(yè)變頻器方案

針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化電機(jī)驅(qū)動(dòng)需求的客戶，上海航芯推出了工業(yè)通用變頻器應(yīng)用方案，該方案采用ACM32F4/ACM32G1系列MCU，最高工作頻率可達(dá)180MHz/120MHz，內(nèi)置最大512KB的eFlash和最大192KB SRAM。其中ACM32F4帶有一個(gè)可輸出4路帶死區(qū)的互補(bǔ)PWM信號(hào)的高級(jí)定時(shí)器以及采樣速率最高可到2Msps的12位ADC。而ACM32G1帶有兩個(gè)可輸出4路帶死區(qū)的互補(bǔ)PWM信號(hào)的高級(jí)定時(shí)器以及兩路采樣速率最高可到3Msps的12位ADC?？蓪?shí)現(xiàn)高性能、高精度的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，是工業(yè)設(shè)備電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制應(yīng)用的理想選擇。

基于ACM32F4/ACM32G1系列MCU的控制電路結(jié)構(gòu)框圖，如下圖所示：

控制電路的顯示輸出，采用SPI接口的LED顯示屏。ACM32F4/ACM32G1系列的MCU，其標(biāo)準(zhǔn)SPI通信速率可到50MHz，能及時(shí)將顯示數(shù)據(jù)刷新到LED顯示屏上。變頻器的設(shè)置參數(shù)有兩種設(shè)置模式，在脫機(jī)情況下，用戶可以通過(guò)外部按鍵來(lái)設(shè)置工作參數(shù)。而在線模式下，變頻器通過(guò)UART接口和上位機(jī)相連。用戶通過(guò)上位機(jī)將設(shè)定的工作參數(shù)輸入至設(shè)備中，設(shè)備運(yùn)行時(shí)，也會(huì)將實(shí)時(shí)工作情況反饋給上位機(jī)，以便用戶對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

逆變電路部分的控制是整個(gè)控制邏輯中的核心部分，其本質(zhì)是通過(guò)MCU中的高級(jí)定時(shí)器輸出3對(duì)互補(bǔ)PWM信號(hào)給到Y(jié)1~Y6。利用SPWM技術(shù)驅(qū)動(dòng)輸出三相交流信號(hào)來(lái)控制電機(jī)工作。而三相交流電的換相操作，則是根據(jù)MCU內(nèi)置的12位的ADC對(duì)U，V和W三項(xiàng)進(jìn)行電流采樣來(lái)判定換項(xiàng)的時(shí)間。ACM32F4系列的MCU，ADC的采樣頻率能到2Msps，能滿足大多數(shù)設(shè)備的運(yùn)行需求。而面對(duì)高性能需要的應(yīng)用場(chǎng)合，則可使用ACM32G1系列MCU。該系列MCU有兩路ADC，最高采樣率為3Msps，采用交叉采樣方式提高對(duì)信號(hào)的采樣速率，精確控制換相參數(shù)并做出相應(yīng)的控制動(dòng)作。