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用MC9S12H256實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)變頻調(diào)速
摘要：介紹目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少的Motorola公司16位單片機(jī)MC9S12H256；詳細(xì)闡述使用該型號(hào)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法；著重討論MC9S12H256用于變頻調(diào)速時(shí)特有的優(yōu)勢(shì)。引言
SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)由于具有調(diào)速范圍寬、功率因數(shù)高、對(duì)電網(wǎng)影響小、電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、可有效抑制低次諧波、可實(shí)現(xiàn)較大容量等諸多優(yōu)點(diǎn)，而越來越受到人們的重視，一直被視作非常有發(fā)展前途的變頻方案，越來越多的科研技術(shù)人員開始討論這一課題。由于電力電子技術(shù)的高速發(fā)展和智能控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，當(dāng)前人們?cè)O(shè)計(jì)的SPWM電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，摒棄了過去依賴邏輯電路，如比較器、三角波發(fā)生器等陳舊的實(shí)現(xiàn)方式，而采用高性能MCU加上一些專門的PWM集成電路，如HEF4752、SLE4520等構(gòu)成。文本介紹的系統(tǒng)由于MC9S12H256具有獨(dú)立的PWM通道，實(shí)現(xiàn)起來更為容量；加之Motorola出品的MCU一向具有產(chǎn)品線豐富，片內(nèi)資源眾多等優(yōu)點(diǎn)，所以比較使用Intel 80196實(shí)現(xiàn)的方案，無論是調(diào)試方式還是工作速度以及實(shí)現(xiàn)難易度都有一定的優(yōu)勢(shì)。
圖1 MC9S12H256 PWM方框圖
1 MC9S12H256 PWM模塊介紹
MC9S12H256是Motorola公司16位單片機(jī)系列中定位于電機(jī)控制的機(jī)型，它秉承了Motorola單片機(jī)資源豐富的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，最高工作頻率為24MHz，內(nèi)部具有256K Flash ROM、12K RAM、4K EEPROM、2個(gè)SCI、1個(gè)SPI、1個(gè)I2C總線接口、8通道16位定時(shí)器、1個(gè)6通道PWM模塊、16通道10個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)CAN2.0接口、1個(gè)LCD驅(qū)動(dòng)器。其中專門用于電機(jī)控制的PWM模塊可以很方便地生成雙極式三相脈寬調(diào)制波形。下面詳細(xì)介紹該芯片的PWM模塊。
PWM模塊含有6個(gè)PWM通道，每個(gè)通道可以獨(dú)立產(chǎn)生左對(duì)齊或者中心對(duì)齊的波形。每個(gè)通道的波形周期和占空比以及對(duì)齊方式都可以單獨(dú)編程，同時(shí)每個(gè)通道還配有一個(gè)專門的計(jì)數(shù)器來靈活選擇不同的時(shí)間源，以提供更寬的變頻。綜合起來PWM模塊具有以下性質(zhì)：
*6個(gè)獨(dú)立的PWM通道，其周期、占空比、對(duì)齊方式都可以單獨(dú)編程；
*每個(gè)PWM通道都配有計(jì)數(shù)器，用來選擇時(shí)鐘源；
*每個(gè)PWM通道都可以通過編程來開啟或者關(guān)斷；
*每個(gè)通道的起始極性能可以編程；
*周期和占空比寄存器是雙緩沖的，也就是說只有一個(gè)周期結(jié)束之后才可以轉(zhuǎn)化為新的指定的周期和占空比；
*6個(gè)8位的PWM通道可以合并成更高精度的3個(gè)16位PWM通道；
*可以編程選擇4個(gè)時(shí)鐘源，所以可提供寬廠的變頻范圍；
*具有突發(fā)事故通道關(guān)斷功能。
由此可見，該芯片的PWM模塊是相當(dāng)強(qiáng)大的。毫無疑問，這將有助于縮短我們?cè)O(shè)計(jì)電機(jī)變頻調(diào)整系統(tǒng)的時(shí)間。該P(yáng)WM模塊框圖如圖1所示。
圖2 主電路圖
由圖1可以看出，PWM波形的生成和修改，都是通過改變每一通道所包含的寄存器以及系統(tǒng)寄存器來實(shí)現(xiàn)的，所以明確這些寄存器的含義是成功實(shí)現(xiàn)SPWM波形的關(guān)鍵。但是，由于該P(yáng)WM模塊含有31個(gè)寄存器，數(shù)目眾多，限于篇幅，這里只概略介紹一下。
在這31個(gè)寄存器中，有一部分為芯片出廠測(cè)試之用，具體功能如表1所列。其中的偏移地址指的是該寄存器相對(duì)于PWM基址的偏移量。
寄存器中PWMCLK、PWMPRCLK、PWMSCLA、PWMSCLB是與時(shí)鐘源選擇有關(guān)的。在PWM模塊中共有四種不同的時(shí)鐘源：ClockA、ClockB、ClockSA、ClockSB。其中ClockA和ClockSA用于0、1、4、5通道；ClockB和ClockSB用于2、3通道。ClockA、ClockB是由總線時(shí)鐘除以一定的比例因子（最大為128）生成的，而ClockSA、ClockSB是由ClockA、ClockB除以一定的比例因子（最大為512）生成的。對(duì)應(yīng)地，PWMCLK寄存器用來設(shè)置每個(gè)通道的時(shí)鐘源，PWMPRCLK用來設(shè)置生成ClockA、ClockB時(shí)鐘時(shí)的比例因子；而PWMSCLA、PWMSCLB則設(shè)置生成ClockSA、ClockSB的比例因子。由此我們可以看出，如果芯片的工作頻率為16MHz，那么理論上，IGBT的關(guān)斷頻率可以達(dá)到1Hz～16MHz。這是一個(gè)非常寬的頻率范圍，當(dāng)然實(shí)際中還需要考慮IGBT可以承受的關(guān)斷頻率。
表1 PWM寄存器功能描述
2 硬件選型與系統(tǒng)框圖
由前面對(duì)MC9S12H256芯片的介紹可以知道，它的內(nèi)部資源非常豐富。毫無疑問，這給硬件設(shè)計(jì)帶來了極大的方便，基本上們不需要再行擴(kuò)展大的外圍器件了；主要擴(kuò)展的是IGBT的驅(qū)動(dòng)裝置、人機(jī)接口部分的鍵盤和LCD以及用于測(cè)定電機(jī)轉(zhuǎn)
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