摘? 要: 介紹了一種以C504專用芯片和智能功率模塊IPM為基礎的SPWM變頻調速系統。它可以實現輸出頻率在0～60Hz和載波頻率在500Hz～10kHz之間變化，有數條V/F曲線、啟動時間、載波比和調制方式等選擇功能，并具有多種保護功能和人機對話功能，對參數可隨時調節。
關鍵詞: C504芯片? SPWM? 變頻調速? 捕捉/比較單元(CCU)
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隨著變頻調速應用的日益廣泛，相關技術的日益成熟，人們不僅對變頻調速系統的性能要求越來越高，而且對控制芯片的功能要求越來越多，對功能開關元件的智能化要求越來越高，對系統的抗擾能力要求越來越高，以滿足生產的需求并適應不同的工作環境。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的電機專用芯片C504的SPWM變頻調速系統的研究和設計。
1 控制芯片C504的介紹
C504芯片是德國西門子公司在8051單片機基礎上推出的，專用于變頻器控制、低功耗、多功能、大容量的8位單片機。它包括一個8位CPU，256字節RAM，16KBROM，三個16位定時器/計數器，一個專用于產生PWM信號的16 位捕捉/比較單元，一個10位定時比較單元，四個8位I/O接口(其中包括8路模擬輸入和6路PWM 輸出)，一個10位A/D轉換器，一個15位看門狗定時單元和RC振蕩器看門狗電路，兩級共12個中斷源，最大操作頻率達40MHz。捕捉/比較單元CCU是C504獨具的優點，這一設置大大簡化了用于產生PWM波形的控制軟件和外部硬件。系統一旦運行，可以產生獨立的三相6路PWM波或SPWM波，只有在改變PWM波的占空比和周期時才受CPU的控制，還可以通過編程選擇不同的PWM控制方式，實現在線編程控制。
2 系統的硬件與功能概述
變頻調速系統的硬件總體結構框圖如圖1所示。它主要由逆變器主電路、單片機控制系統及各種檢測保護電路組成。
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2.1 主電路
主電路采用的是交-直-交電壓源結構，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作為主開關管(適用于1kW，5A的電動機)。它具有高速、低功耗、過電流、短路、欠壓、過熱保護功能，實現元件的自保護;驅動電路集成于IPM之中，實現控制基板與功率基板分離，切斷來自功率系統的干擾;高度集成，減小配線電感;內設干擾濾波器，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 保護電路及抗干擾措施
系統中除了IPM的自保護功能外，還設計有電源欠壓、過壓、過載的極限保護電路，經過檢測、比較、光電隔離等環節以實現對欠壓、過壓、過載的保護。所有保護都經與門送到C504的CTRAP端，同時送到鎖存器保存，以備顯示和檢查。若發生故障，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，無PWM信號輸出，逆變器停止工作;然后，再通過CCU的控制寄存器CTCON的狀態字，使接受中斷，保存原始狀態進入硬件復位，進行故障判斷和故障代碼顯示，以便維修。
另外，在C504內部由于有一個15位看門狗定時單元和RC振蕩器看門狗電路，分別對軟件和晶振源頻率進行監控，若發生程序跑飛和死機現象，通過15位定時器控制，CPU自動轉入復位狀態和休閑狀態等待;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自動轉入復位狀態和休閑狀態等待;防止數據丟失和CPU非正常運行，提高控制系統的抗干擾能力。
2.3 硬件結構
根據設計需要，選用28F256芯片對外部程序存儲器進行擴展，使片外存儲容量達到了32K;由于采用了FLASH技術，實現了快速在線修改。為實現人機對話，采用8279實現可編程并行I/O口的擴展，設置了14個按鍵，它們是:設置鍵、V/F曲線鍵、啟動時間鍵、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、確認鍵、運行鍵、停車鍵、復位鍵，來進行運行狀態和參數的設置與更改。為此，設計了4位的LED顯示電路，配合8279的鍵盤設置，對運行狀態、參數進行顯示和監視。
2.4 SPWM波的實現原理
SPWM波是控制IPM芯片按變頻要求進行工作的控制信號，它主要由C504內部的16位捕捉/比較單元和CPU配合控制產生。其基本原理為:CPU由數據總線和內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據，完成對三相正弦表的幅值、周期的設置和特殊功能寄存器及相關器件的初始化。工作時，CPU把來自晶振兩分頻的時鐘脈沖信號送到受周期寄存器控制的預分頻單元，經預分頻單元再分頻，構成需要的SPWM波的基準頻率。然后，送到被賦予一定周期值的16位比較定時器CT1;比較定時器CT1對基準脈沖信號進行計數，首先按每個狀態周期增1計數，當與賦值相等時，再按每個狀態周期減1計數或刷新重新計數，這樣一來把時鐘脈沖轉化為一定周期的三角波，構成生成SPWM波的載波。再送到被賦予不同比較值的三個通道比較器CC0、CC1、CC2進行比較，各通道將輸入的三角波形按比較值的大小調制為兩路相同周期、相位相差約為180°且具有一定死區差異(死區時間由偏置寄存器提供)的方波脈沖輸出，經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。當改變三個通道比較器的比較賦值時，就改變了產生的PWM波的脈寬;若三個通道比較器的比較值按正弦規律變化時，輸出的脈寬就按正弦規律變化，產生SPWM波;當改變了周期寄存器的賦值時，就改變了產生的PWM波或SPWM波的周期，從而實現了PWM波或SPWM波的調頻與調寬的控制。從上面的分析可以看出，C504單片機產生SPWM波的基本原理是建立在對稱規則生成法的基礎上，利用其內部的CCU單元和相應的軟件配合共同完成的，從而使系統用很少的機時就能完成控制的需要。若功率元件的開關頻率為FPWM，關斷時間為TOFF，則根據前面的分析可得:
????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的關斷死區補償時間值。
3 系統的軟件設計
系統工作時，C5O4先完成對主電路電流、電壓正常與否的檢測，只有在無故障時，才接收來自鍵盤的控制信息。啟動前，人們按照工作的需要將對V/F曲線、啟動時間、同步方式、異步方式、分段同步、載波比、頻率、載波頻率等參數進行預置，設置完成后發出運行命令。C504將按實時計算和查表相結合的控制算法，計算出產生三相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，按此產生三相6路SPWM驅動信號，驅動IPM，完成三相SPWM的逆變。
根據系統的工作過程和設計需要，系統的軟件編制主要采用模塊化結構，由主程序和CCU中斷服務程序組成。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、設置子程序、升降子程序、確認子程序、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 系統實驗
按照上述設計方案，如圖1模擬接線(交流電機100W，電流0.64A)，經過多次反復實驗，結果表明:電機輸出頻率在5~60Hz變化時，啟動運行平穩，性能可靠，各種性能指標均達到設計要求，測得的實驗波形如圖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，使系統硬件電路簡單、控制靈活、適應性強，可以按需設置參數和改變狀態，實現了人機對話，且具有很高的性能價格比。
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參考文獻
1 黃俊，王兆安.電力電子變流技術.北京:機械工業出版社，1995
2 陳寶江.MCS單片機應用系統實用指南.北京:機械工業出版社，1997