增強(qiáng)定時(shí)計(jì)數(shù)器和PWM輸出功能

文章凌陽單片機(jī)推廣中心

1.1 前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)憑借其優(yōu)異的性能，在當(dāng)今交流調(diào)速領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣。

變頻驅(qū)動(dòng)主要使用的驅(qū)動(dòng)波形主要有SPWM和SVPWM兩種。SPWM原理簡單、實(shí)現(xiàn)容易，是現(xiàn)在使用廣的一種變頻驅(qū)動(dòng)波形。但其有一個(gè)致命的弱點(diǎn)是其電源利用率不高（只有86%）、諧波成分大。因此，在新近開發(fā)的產(chǎn)品中其應(yīng)用逐漸被性能優(yōu)異的SVPWM所取代。

SVPWM是一種電壓利用率、低諧波成分的變頻驅(qū)動(dòng)波形，還有開關(guān)次數(shù)少、功率管功耗小等特點(diǎn)。同時(shí)，SVPWM還能很好的結(jié)合矢量控制算法、以限度的發(fā)揮設(shè)備的性能。因此被越來越多的變頻設(shè)備所采用。

1.2 芯片簡介

SPMC75系列MCU是凌陽科技公司設(shè)計(jì)開發(fā)的高性能16位通用MCU，具有很強(qiáng)的抗干擾能力、豐富易用的資源以及優(yōu)良的結(jié)構(gòu)，特別是增強(qiáng)的定時(shí)計(jì)數(shù)器和PWM輸出功能。

SPMC75系列MCU使用凌陽u'nSP內(nèi)核，u'nSP內(nèi)核是一種高效的16位CISC內(nèi)核。支持乘法、乘法累加、32/16位除法、FIR等高性能運(yùn)算；支持兩種中斷模式?？梢苑奖愕漠a(chǎn)生SPWM波、空間電壓向量PWM（SVPWM）等各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)波形。

除了擁有高性能的CPU外，SPMC75系列MCU還集成了多種功能模塊：多功能I/O口、同步和異步串行口、高性能ADC、普通的定時(shí)計(jì)數(shù)器、多功能的捕獲比較模塊、BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用位置偵測接口、兩相增量編碼器接口、能產(chǎn)生各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)波形的PWM發(fā)生器等。同時(shí)，SPMC75系列單片機(jī)內(nèi)部集成了32K Words的Flash和2K Words的SRAM。

利用這些硬設(shè)支持，SPMC75系列單片機(jī)可以完成諸如家用電變頻驅(qū)動(dòng)、標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)變頻驅(qū)動(dòng)器、多環(huán)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等復(fù)雜應(yīng)用。

1.3 SVPWM合成原理

如圖 1-1所示的三相逆變橋中六個(gè)開關(guān)管有8種允許的開關(guān)組合，其中有6種有效的開關(guān)組合，稱為非零基本空間電壓矢量；有2種為無效開關(guān)狀態(tài)，稱為零空間電壓矢量。當(dāng)逆變器單獨(dú)輸出六種基本電壓空間矢量時(shí)，電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈?zhǔn)噶? 的矢端的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)正六邊形，如圖 1-2所示。

顯然，按照這樣的供電方式只能形成正六邊形的旋轉(zhuǎn)磁場，而不是我們希望的圓形旋轉(zhuǎn)磁場。

怎樣獲得圓形旋轉(zhuǎn)磁場？一個(gè)思路是，如果在定子里形成的旋轉(zhuǎn)磁場不是正六邊形，而是正多邊形，我們就可以得到近似的圓形旋轉(zhuǎn)磁場。顯然，正多邊形的邊數(shù)越多，近似的程度就越多。但是非零的基本電壓空間矢量只有六個(gè)，如果相獲得盡可能多的多邊形旋轉(zhuǎn)磁場，就必須有更多的逆變器開關(guān)狀態(tài)。下面介紹這種線性時(shí)間組合方法。

為了使磁鏈的運(yùn)動(dòng)速度平滑，零矢量一般都不是集中地加入，而是將零矢量平均分成幾份，多點(diǎn)地插入到磁鏈軌跡中，但作用的時(shí)間和仍為t0，這樣可以減少電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。

經(jīng)上述合成方法，終將得到如圖 1-5所示的七段式電壓空間矢量PWM波形。

1.4 SVPWM在SPMC75上的實(shí)現(xiàn)
SPMC75系列MCU內(nèi)部集成的MCP定時(shí)器可以方便的產(chǎn)生SVPWM，圖 1-6所示是用SPMC75實(shí)現(xiàn)SVPWM合成的結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)包括PWM發(fā)生模塊、空間向量變換等幾部分。

圖中的PWM發(fā)生器使用SPMC75的MCP定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，MCP定時(shí)器內(nèi)部具有多組比較匹配硬件，系統(tǒng)軟件只需要將算出的三個(gè)SVPWM合成所需的定時(shí)時(shí)間值送入相應(yīng)的比較匹配寄存器就可。MCP可以自動(dòng)輸出所需的三相六路的互補(bǔ)SVPWM；同時(shí)，MCP內(nèi)部集成死區(qū)插入硬件和系統(tǒng)保護(hù)邏輯，以限度減小用戶開發(fā)難度。

空間向量變換部分主要實(shí)現(xiàn)向量變換、扇區(qū)計(jì)算和矢量時(shí)間計(jì)算幾種功能，這部分使用軟件方式實(shí)現(xiàn)。其計(jì)算出的時(shí)間直接送到PWM發(fā)生器就可以輸出所需的PWM波形。框圖中的其它部分也使用軟件實(shí)現(xiàn)。

SPMC75所使用的u'nSP內(nèi)核內(nèi)部集成有硬件乘法器，擁有專用的乘法累加操作指令。對(duì)整個(gè)SVPWM的合成提供了極大的幫助。在24MHz系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)SVPWM合成算法只需要21us的運(yùn)算時(shí)間。

1.5 結(jié)語

凌陽科技公司新推出SPMC75是一系列功能強(qiáng)大的工業(yè)級(jí)MCU，具有極強(qiáng)的抗干擾能力。其內(nèi)部集成有高性能的ADC、增強(qiáng)型的定時(shí)計(jì)數(shù)器等功能部件，強(qiáng)大的定時(shí)器和PWM生成功能使其在電機(jī)控制領(lǐng)域有非常杰出的表現(xiàn)。用SPMC75系列MCU可以方便的構(gòu)成各種電機(jī)的高性能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。