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越来越广泛。变频器是一种先进的调速装置。通过控制电源频率,可以精确调节电机转速,从而提高设备的性能和节能。
01
变频器概述
变频器(Variable-Frequency Drive,VFD)是利用变频技术和微电子技术,通过改变电机工作电源的频率来控制交流电机的电气装置。
对于交流电机,其速度表达式为:
其中,n表示电机的转速,f表示电机功率信号的频率,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,电机转速与电源信号频率成正比。因此,仅改变频率就会改变电机的速度。变频器根据该公式实现电机的变速控制。通常,变频器由整流电路、滤波电路、逆变电路和控制电路四部分组成。外部输入的三相电源经过整流电路和滤波电路,获得稳定的直流电。然后直流电通过逆变电路获得用于驱动交流电机的三相电。逆变电路一般采用IGBT来实现,以获得足够的驱动电流。电路结构图如下所示:
逆变器电路结构示意图
整形、滤波后的直流信号连接至上图中环境V+、V-端子。控制电路通过Y1~Y6端口控制IGBT开关,获取交流电机的三相交流控制信号,完成对电机的控制。
02
航芯ACM32 MCU工业变频器解决方案
针对有工业自动化电机驱动需求的客户,上海航新推出了工业通用变频器应用解决方案。该方案采用ACM32F4/ACM32G1系列MCU,最高工作频率为180MHz/120MHz,内置高达512KB的eFlash和高达192KB的SRAM。其中,ACM32F4具有一个先进的定时器,可以输出4个带死区的互补PWM信号,以及一个采样率高达2Msps的12位ADC。 ACM32G1 具有两个高级定时器,可输出4 个带死区的互补PWM 信号,以及两个采样率高达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带有SPI接口的LED显示。 ACM32F4/ACM32G1系列MCU的标准SPI通信速率可达50MHz,可以及时刷新显示数据到LED显示屏。变频器的设置参数有两种设置方式。离线时,用户可以通过外部按钮设置工作参数。在线模式下,变频器通过UART接口与上位机连接。用户通过上位机将设定的工作参数输入到设备中。设备运行时,实时工作情况会反馈到上位机,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的核心部分。其本质是通过MCU中的高级定时器向Y1~Y6输出3对互补的PWM信号。 SPWM技术用于驱动并输出三相交流信号来控制电机的运行。三相交流电的换相操作是基于MCU内置的12位ADC对U、V、W电流进行采样来确定换相时间。 ACM32F4系列MCU和ADC采样频率可达2Msps,可以满足大多数设备的运行需求。对于需要高性能的应用,可以使用ACM32G1系列MCU。该系列MCU有两个ADC,最大采样率为3Msps。它利用交叉采样来提高信号的采样率,精确控制换相参数并做出相应的控制动作。