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赋能工业智能化升级 | 基于ACM32 MCU的工业通用变频器方案


近年来，随着智能制造对节能的更高要求，通用变频器在工业领域的应用愈加广泛。变频器是一种先进的调速控制设备，通过对电源频率的控制可以实现对电机转速的精确调节，从而提高设备的性能和节能效果。


变频器概述


变频器（Variable-Frequency Drive，VFD）是应用变频技术和微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电动设备。


对于交流电机而言，其转速表达式为：




其中，n表示电机的转速，f表示电机电源信号频率，s表示电机的转速差，p表示电机的极对数。从上式可以看出，电机的转速和电源信号频率成正比关系。因此，只更改频率即可改变电机的转速。变频器正是依据该公式来实现对电机的变速控制。通常，变频器由整流电路，滤波电路，逆变电路以及控制电路4个部分组成。外部输入的三相电会经过整流电路和滤波电路得到稳定的直流电。直流电再通过逆变电路得到用以驱动交流电机的三相电。逆变电路一般会选用IGBT来实现，以期得到足够的驱动电流，其电路结构示意图如下图所示：


逆变电路结构示意图


经过整形和滤波之后的直流信号接入到上图的环境V+和V-端，控制电路通过Y1~Y6端口，控制IGBT的开关得到交流电机的三相交流控制信号，以完成对电机的控制。


航芯ACM32 MCU工业变频器方案


针对工业自动化电机驱动需求的客户，上海航芯推出了工业通用变频器应用方案，该方案采用ACM32F4/ACM32G1系列MCU，最高工作频率可达180MHz/120MHz，内置最大512KB的eFlash和最大192KB SRAM。其中ACM32F4带有一个可输出4路带死区的互补PWM信号的高级定时器以及采样速率最高可到2Msps的12位ADC。而ACM32G1带有两个可输出4路带死区的互补PWM信号的高级定时器以及两路采样速率最高可到3Msps的12位ADC。可实现高性能、高精度的电机驱动控制，是工业设备电机驱动控制应用的理想选择。


基于ACM32F4/ACM32G1系列MCU的控制电路结构框图，如下图所示：




控制电路的显示输出，采用SPI接口的LED显示屏。ACM32F4/ACM32G1系列的MCU，其标准SPI通信速率可到50MHz，能及时将显示数据刷新到LED显示屏上。变频器的设置参数有两种设置模式，在脱机情况下，用户可以通过外部按键来设置工作参数。而在线模式下，变频器通过UART接口和上位机相连。用户通过上位机将设定的工作参数输入至设备中，设备运行时，也会将实时工作情况反馈给上位机，以便用户对设备进行实时调整。


逆变电路部分的控制是整个控制逻辑中的核心部分，其本质是通过MCU中的高级定时器输出3对互补PWM信号给到Y1~Y6。利用SPWM技术驱动输出三相交流信号来控制电机工作。而三相交流电的换相操作，则是根据MCU内置的12位的ADC对U，V和W三项进行电流采样来判定换项的时间。ACM32F4系列的MCU，ADC的采样频率能到2Msps，能满足大多数设备的运行需求。而面对高性能需要的应用场合，则可使用ACM32G1系列MCU。该系列MCU有两路ADC，最高采样率为3Msps，采用交叉采样方式提高对信号的采样速率，精确控制换相参数并做出相应的控制动作。