基于C504单片机的变频调速系统

    摘要：介绍了一种以C504专用芯片和智能功率模块IPM为基础的SPWM变频调速系统。它可以实现输出频率在0～60Hz和载波频率在500Hz～10kHz之间变化，有数条V/F曲线、启动时间、载波比和调制方式等选择功能，并具有多种保护功能和人机对话功能，对参数可随时调节。

    关键词：C504芯片 SPWM 变频调速 捕捉/比较单元（CCU）

随着变频调速应用的日益广泛，相关技术的日益成熟，人们不仅对变频调速系统的性能要求越来越高，而且对控制芯片的功能要求越来越多，对功能开关元件的智能化要求越来越高，以满足生产的需求并适应不同的工作环境。为此，本文介绍了一种主电路采用智能模块IPM，控制芯片采用西门子公司生产的电机专用芯片C504的SPWM变频调速系统的研究和设计。

1 控制芯片C504的介绍

C504芯片是德国西门子公司在8051单片机基础上推出的，专用于变频器控制、低功耗、多功能、大容量的8位单片机。它包括一个8位CPU，256字节RAM，16KBROM，三个16位定时器/计数器，一个专用于产生PWM信号的16位捕捉/比较单元，一个10位定时比较单元，四个8位I/O接口（其中包括8路模拟输入和6路PWM输出），一个10位A/D转换器，一个15位看门狗定时单元和RC振荡器看门狗电路，两级共12个中断源，最大操作频率达40MHz。捕捉/比较单元CCU是C504独具有优点，这一设置大大简化了用于产生PWM波形的控制软件和外部硬件。系统一旦运行，可以产生独立的三相6路PWM波或SPWM波，只有在改变PWM波的占空比和周期时才受CPU的控制，还可以通过编程选择不同的PWM控制方式，实现在线编程控制。

2 系统的硬件与功能概述

变频调速系统的硬件总体结构框图如图1所示。它主要由逆变器主电路、单片机控制系统及各种检测保护电路组成。

2.1 主电路

主电路采用的是交-直-交电压源结构，其中整流桥与逆变桥都是模块形式，选取智能功率模块IPM-PM15CSJO7O作为主开关管（适用于1kW，5A的电动机）。它具有高速、低功耗、过电流、短路、欠压、过热保护功能，实现元件的自保护；驱动电路集成于IPM之中，实现控制基板与功率基板分离，切断来自功率系统的干扰；高度集成，减小配线电感；内设干扰滤波器，防止元件误工作，提高元件工作的可靠性，提高主电路的抗干扰能力。

2.2 保护电路及抗干扰措施

系统中除了IPM的自保护功能外，还设计有电源欠压、过压、过载的极限保护电路，经过检测、比较、光电隔离等环节以实现对欠压、过压、过戴的保护。所有保护都经与门送到C504的CTRAP端，同时送到锁存器保存，以备显示和检查。若发生故障，使CTRAP为低电平，通过控制CCU的初始化寄存器，使端口控制逻辑处于封锁状态，无PWM信号输出，逆变器停止工作；然后，再通过CCU的控制寄存器CTCON的状态字，使接受中断，保存原始状态进入硬件复位，进行故障判断和故障代码显示，以便维修。

另外，在C504内部由于有一个15位看门狗定时单元和RC振荡器看门狗电路，分别对软件和晶振源频率进行监控，若发生程序跑飞和死机现象，通过15位定时器控制，CPU自动转入复位状态和休闲状态等待；若晶振源频率低于RC振荡器的频率，通过RC振荡器看门狗电路控制，使CPU自动转入复位状态和休闲状态等待；防止数据丢失和CPU非正常运行，提高控制系统的抗干扰能力。

2.3 硬件结构

根据设计需要，选用28F256芯片对外部程序存储器进行扩展，使片外存储容量达到了32K；由于采用了FLASH技术，实现了快速在线修改。为实现人机对话，采用8279实现可编程并行I/O口的扩展，设置了16个按键，它们是：设置键、V/F曲线键、启动时间键、同步方式键、异步方式键、分段同步键、载波比键、频率键、上升键、下降键、确认键、运行键、停车键、复位键，来进行运行状态和参数的设置与更改。为此，设计了4位的LED显示电路，配合8279的键盘设置，对运行状态、参数进行显示和监视。

2.4 SPWM波的实现原理

SPWM波是控制IPM芯片按变频要求进行工作的控制信号，它主要由C504内部的16位捕捉/比较单元和CPU配合控制产生。其基本原理为：CPU由数据总线和内部地址总线通过暂存锁存器内周期寄存器、控制寄存器、方式选择寄存器、初始化寄存器写入命令字和数据，完成对三相正弦表的幅值、周期的设置和特殊功能寄存器及相关器件的初始化。工作时，CPU把来自晶振两分频的时钟脉冲信号送到受周期寄存器控制的预分频单元，经预分频单元再分频，构成需要的SPWM波的基准单元，经预分频单元再分频，构成需要SPWM波的基准频率。然后，送到被赋予一定周期值的16位比较定时器CT1；比较定时器CT1对基准脉冲信号进行计数，首先按每个状态周期增1计数，当与赋值相等时，再按每个状态周期减1计数或刷新重新计数，这样一来把时钟脉冲转化为一定周期的三角波，构成生成SPWM波的载波。再送到被赋予不同比较值的三个通道比较器CC0、CC1、CC2进行比较，各通道将输入的三角波形按比较值的大小调制为两路相同周期、相位相差约为180°且具一定死区差异（死区时间由偏置寄存器提供）的方波脉冲输出，经接口控制逻辑单元从CC0、COUT0、CC1、COUT1、CC2、COUT2端向外输出为6路方波脉冲输出。当改变三个通道比较器的比较赋值时，就改变了产生的PWM波的脉宽；若三个通道比较器的比较值按正弦规律变化时，输出的脉宽就按正弦规律变化，产生SPWM波；当改变了周期寄存器的赋值时，就改变了产生的PWM波或SPWM波的周期，从而实现了PWM波或SPWM波的调频与调宽的控制。从上面的分析可以看出，C504单片机产生SPWM波的基本原理是建立在对称规则生成法的基础上，利用其内部的CCU单元和相应的软件配合共同完成的，从而使系统用很少的机时就能完成控制的需要。若功率元件的开关频率为FPWM，关断时间为TOFF，则根据前面的分析可得：

FPWM=FOSC/(2×prescaler×CCP×2)

即CCP=FOSC/(4×prescaler×FPWM)，这就是CT1的周期值，即PWM的周期。

而TOFF=CT1OF×FOSC/(2×prescaler)

即CT1OF=2×prescaler×TOFF/FOSC，这就是偏置寄存器CT1OF的值，即PWM的关断死区补偿时间值。

3 系统的软件设计

系统工作时，C504先完成对主电路电流、电压正常与否的检测，只有在无故障时，才接收来自键盘的控制信息。启动前，人们按照工作的需要将对V/F曲线、启动时间、同步方式、异步方式、分段同步、载波比、频率、载波频率等参数进行预置，设置完成后发出运行命令。C504将按实时计算和查表相结合的控制算法，计算出产生三相SPWM波形的脉宽和频率，然后将它们送到CCU的控制寄存器、方式选择寄存器、，周期寄存器，按此产生三相6路SPWM驱动信号，驱动IPM，完成三相SPWM的逆变。

根据系统的工作过程和设计需要，系统的软件编制主要采用模块化结构，由主程序和CCU中断服务程序组成。其中主程序又包括初始化子程序、自检子程序、显示子程序、键盘子程序、扫描子程序、设置子程序、升降子程序、确认子程序、停车显示子程序、故障显示子程序、故障处理，其流程图如图2所示。

4 系统实验

按照上述设计方案，如图1模拟接线（交流电机100W，电流0.64A），经过多次反复实验，结果表明：电机输出频率在5～60Hz变化时，启动运行平稳，性能可靠，各种性能指标达到设计要求，测得的实验波形如图3所示。

多功能、大容量、专用性的C504和智能化功率模块的使用，使系统硬件电路简单、控制灵活、适应性强，可以按需设置参数和改变状态，实现了人机对话，且具有很高的性能价格化。