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        賦能工業智能化升級 | 基于ACM32 MCU的工業通用變頻器方案


        近年來,隨著智能制造對節能的更高要求,通用變頻器在工業領域的應用愈加廣泛。變頻器是一種先進的調速控制設備,通過對電源頻率的控制可以實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)是應用變頻技術和微電子技術,通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電動設備。


        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實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個部分組成。外部輸入的三相電會經過整流電路和濾波電路得到穩定的直流電。直流電再通過逆變電路得到用以驅動交流電機的三相電。逆變電路一般會選用IGBT來實現,以期得到足夠的驅動電流,其電路結構示意圖如下圖所示:


        逆變電路結構示意圖


        經過整形和濾波之后的直流信號接入到上圖的環境V+和V-端,控制電路通過Y1~Y6端口,控制IGBT的開關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工業變頻器方案


        針對工業自動化電機驅動需求的客戶,上海航芯推出了工業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帶有一個可輸出4路帶死區的互補PWM信號的高級定時器以及采樣速率最高可到2Msps的12位ADC。而ACM32G1帶有兩個可輸出4路帶死區的互補PWM信號的高級定時器以及兩路采樣速率最高可到3Msps的12位ADC??蓪崿F高性能、高精度的電機驅動控制,是工業設備電機驅動控制應用的理想選擇。


        基于ACM32F4/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,用戶可以通過外部按鍵來設置工作參數。而在線模式下,變頻器通過UART接口和上位機相連。用戶通過上位機將設定的工作參數輸入至設備中,設備運行時,也會將實時工作情況反饋給上位機,以便用戶對設備進行實時調整。


        逆變電路部分的控制是整個控制邏輯中的核心部分,其本質是通過MCU中的高級定時器輸出3對互補PWM信號給到Y1~Y6。利用SPWM技術驅動輸出三相交流信號來控制電機工作。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三項進行電流采樣來判定換項的時間。ACM32F4系列的MCU,ADC的采樣頻率能到2Msps,能滿足大多數設備的運行需求。而面對高性能需要的應用場合,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作。



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