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賦能工業(yè)智能化升級 | 基于A(yíng)CM32 MCU的工業(yè)通用變頻器方案
近年來(lái)，隨著(zhù)智能制造對節能的更高要求，通用變頻器在工業(yè)領(lǐng)域的應用愈加廣泛。變頻器是一種先進(jìn)的調速控制設備，通過(guò)對電源頻率的控制可以實(shí)現對電機轉速的精確調節，從而提高設備的性能和節能效果。
變頻器概述
變頻器（Variable-Frequency Drive，VFD）是應用變頻技術(shù)和微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機的電動(dòng)設備。
對于交流電機而言，其轉速表達式為：
其中，n表示電機的轉速，f表示電機電源信號頻率，s表示電機的轉速差，p表示電機的極對數。從上式可以看出，電機的轉速和電源信號頻率成正比關(guān)系。因此，只更改頻率即可改變電機的轉速。變頻器正是依據該公式來(lái)實(shí)現對電機的變速控制。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定的直流電。直流電再通過(guò)逆變電路得到用以驅動(dòng)交流電機的三相電。逆變電路一般會(huì )選用IGBT來(lái)實(shí)現，以期得到足夠的驅動(dòng)電流，其電路結構示意圖如下圖所示：
逆變電路結構示意圖
經(jīng)過(guò)整形和濾波之后的直流信號接入到上圖的環(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)得到交流電機的三相交流控制信號，以完成對電機的控制。
航芯ACM32 MCU工業(yè)變頻器方案
針對工業(yè)自動(dòng)化電機驅動(dòng)需求的客戶(hù)，上海航芯推出了工業(yè)通用變頻器應用方案，該方案采用ACM32F4/ACM32G1系列MCU，最高工作頻率可達180MHz/120MHz，內置最大512KB的eFlash和最大192KB SRAM。其中ACM32F4帶有一個(gè)可輸出4路帶死區的互補PWM信號的高級定時(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路帶死區的互補PWM信號的高級定時(shí)器以及兩路采樣速率最高可到3Msps的12位ADC?？蓪?shí)現高性能、高精度的電機驅動(dòng)控制，是工業(yè)設備電機驅動(dòng)控制應用的理想選擇。
基于A(yíng)CM32F4/ACM32G1系列MCU的控制電路結構框圖，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，其標準SPI通信速率可到50MHz，能及時(shí)將顯示數據刷新到LED顯示屏上。變頻器的設置參數有兩種設置模式，在脫機情況下，用戶(hù)可以通過(guò)外部按鍵來(lái)設置工作參數。而在線(xiàn)模式下，變頻器通過(guò)UART接口和上位機相連。用戶(hù)通過(guò)上位機將設定的工作參數輸入至設備中，設備運行時(shí)，也會(huì )將實(shí)時(shí)工作情況反饋給上位機，以便用戶(hù)對設備進(jìn)行實(shí)時(shí)調整。
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中的高級定時(shí)器輸出3對互補PWM信號給到Y1~Y6。利用SPWM技術(shù)驅動(dòng)輸出三相交流信號來(lái)控制電機工作。而三相交流電的換相操作，則是根據MCU內置的12位的ADC對U，V和W三項進(jìn)行電流采樣來(lái)判定換項的時(shí)間。ACM32F4系列的MCU，ADC的采樣頻率能到2Msps，能滿(mǎn)足大多數設備的運行需求。而面對高性能需要的應用場(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信號的采樣速率，精確控制換相參數并做出相應的控制動(dòng)作。
