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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。可實現高性能、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。
