用MC9S12H256實現異步電機變頻調速

用MC9S12H256實現異步電機變頻調速

摘要：介紹目前國內應用較少的Motorola公司16位單片機MC9S12H256；詳細闡述使用該型號單片機實現閉環變頻調速系統的設計方法；著重討論MC9S12H256用于變頻調速時特有的優勢。

引言

SPWM變頻調速系統由于具有調速范圍寬、功率因數高、對電網影響小、電機運行平穩、可有效抑制低次諧波、可實現較大容量等諸多優點，而越來越受到人們的重視，一直被視作非常有發展前途的變頻方案，越來越多的科研技術人員開始討論這一課題。由于電力電子技術的高速發展和智能控制技術的廣泛應用，當前人們設計的SPWM電機變頻調速系統，摒棄了過去依賴邏輯電路，如比較器、三角波發生器等陳舊的實現方式，而采用高性能MCU加上一些專門的PWM集成電路，如HEF4752、SLE4520等構成。文本介紹的系統由于MC9S12H256具有獨立的PWM通道，實現起來更為容量；加之Motorola出品的MCU一向具有產品線豐富，片內資源眾多等優點，所以比較使用Intel 80196實現的方案，無論是調試方式還是工作速度以及實現難易度都有一定的優勢。

圖1 MC9S12H256 PWM方框圖

1 MC9S12H256 PWM模塊介紹

MC9S12H256是Motorola公司16位單片機系列中定位于電機控制的機型，它秉承了Motorola單片機資源豐富的傳統優勢，最高工作頻率為24MHz，內部具有256K Flash ROM、12K RAM、4K EEPROM、2個SCI、1個SPI、1個I2C總線接口、8通道16位定時器、1個6通道PWM模塊、16通道10個A/D轉換器、2個CAN2.0接口、1個LCD驅動器。其中專門用于電機控制的PWM模塊可以很方便地生成雙極式三相脈寬調制波形。下面詳細介紹該芯片的PWM模塊。

PWM模塊含有6個PWM通道，每個通道可以獨立產生左對齊或者中心對齊的波形。每個通道的波形周期和占空比以及對齊方式都可以單獨編程，同時每個通道還配有一個專門的計數器來靈活選擇不同的時間源，以提供更寬的變頻。綜合起來PWM模塊具有以下性質：

*6個獨立的PWM通道，其周期、占空比、對齊方式都可以單獨編程；

*每個PWM通道都配有計數器，用來選擇時鐘源；

*每個PWM通道都可以通過編程來開啟或者關斷；

*每個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，也就是說只有一個周期結束之后才可以轉化為新的指定的周期和占空比；

*6個8位的PWM通道可以合并成更高精度的3個16位PWM通道；

*可以編程選擇4個時鐘源，所以可提供寬廠的變頻范圍；

*具有突發事故通道關斷功能。

由此可見，該芯片的PWM模塊是相當強大的。毫無疑問，這將有助于縮短我們設計電機變頻調整系統的時間。該PWM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寄存器來實現的，所以明確這些寄存器的含義是成功實現SPWM波形的關鍵。但是，由于該PWM模塊含有31個寄存器，數目眾多，限于篇幅，這里只概略介紹一下。

在這31個寄存器中，有一部分為芯片出廠測試之用，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于PWM基址的偏移量。

寄存器中PWMCLK、PWMPRCLK、PWMSCLA、PWMSCLB是與時鐘源選擇有關的。在PWM模塊中共有四種不同的時鐘源：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。對應地，PWMCLK寄存器用來設置每個通道的時鐘源，PWMPRCLK用來設置生成ClockA、ClockB時鐘時的比例因子；而PWMSCLA、PWMSCLB則設置生成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的關斷頻率可以達到1Hz～16MHz。這是一個非常寬的頻率范圍，當然實際中還需要考慮IGBT可以承受的關斷頻率。

表1 PWM寄存器功能描述

偏移地址寄存器名稱功 能訪問權限$_00PWME6通道PWM關斷控制讀/寫$_01PWMPOL指定起始電平讀/寫$_02PWMCLK選擇時鐘源讀/寫$_03PWMPRCLK設置ClockA/B比例因子讀/寫$_04PWMCAE選擇波表對齊方式讀/寫$_05PWMCTL控制是否合成為16位PWM通道讀/寫$_06～07PWMTST,PWMTRSC出廠測試用讀/寫$_08PWMCLA設置ClockSA比例因子讀/寫$_09PWMCLB設置ClockSB比例因子讀/寫$_0A～BPWMSCNTA，PWMSCNTB出廠測試用讀/寫$_0C～11PWMCNT0～PWMCNT5PWM通道0～5專用計烽器讀/寫$_12～17PWMPER0～PWMPER5設置PWM通道0～5脈沖周期讀/寫$_18～1DPWMDTY0～PWMDYT5設置PWM通道0～5“1”電平寬度讀/寫$_1EPWMSDN突發事故關斷PWM讀/寫

2 硬件選型與系統框圖

由前面對MC9S12H256芯片的介紹可以知道，它的內部資源非常豐富。毫無疑問，這給硬件設計帶來了極大的方便，基本上們不需要再行擴展大的外圍器件了；主要擴展的是IGBT的驅動裝置、人機接口部分的鍵盤和LCD以及用于測定電機轉

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