用MC9S12H256实现异步电机变频调速

用MC9S12H256实现异步电机变频调速

摘要：介绍目前国内应用较少的Motorola公司16位单片机MC9S12H256；详细阐述使用该型号单片机实现闭环变频调速系统的设计方法；着重讨论MC9S12H256用于变频调速时特有的优势。

引言

SPWM变频调速系统由于具有调速范围宽、功率因数高、对电网影响小、电机运行平稳、可有效抑制低次谐波、可实现较大容量等诸多优点，而越来越受到人们的重视，一直被视作非常有发展前途的变频方案，越来越多的科研技术人员开始讨论这一课题。由于电力电子技术的高速发展和智能控制技术的广泛应用，当前人们设计的SPWM电机变频调速系统，摒弃了过去依赖逻辑电路，如比较器、三角波发生器等陈旧的实现方式，而采用高性能MCU加上一些专门的PWM集成电路，如HEF4752、SLE4520等构成。文本介绍的系统由于MC9S12H256具有独立的PWM通道，实现起来更为容量；加之Motorola出品的MCU一向具有产品线丰富，片内资源众多等优点，所以比较使用Intel 80196实现的方案，无论是调试方式还是工作速度以及实现难易度都有一定的优势。

图1 MC9S12H256 PWM方框图

1 MC9S12H256 PWM模块介绍

MC9S12H256是Motorola公司16位单片机系列中定位于电机控制的机型，它秉承了Motorola单片机资源丰富的传统优势，最高工作频率为24MHz，内部具有256K Flash ROM、12K RAM、4K EEPROM、2个SCI、1个SPI、1个I2C总线接口、8通道16位定时器、1个6通道PWM模块、16通道10个A/D转换器、2个CAN2.0接口、1个LCD驱动器。其中专门用于电机控制的PWM模块可以很方便地生成双极式三相脉宽调制波形。下面详细介绍该芯片的PWM模块。

PWM模块含有6个PWM通道，每个通道可以独立产生左对齐或者中心对齐的波形。每个通道的波形周期和占空比以及对齐方式都可以单独编程，同时每个通道还配有一个专门的计数器来灵活选择不同的时间源，以提供更宽的变频。综合起来PWM模块具有以下性质：

*6个独立的PWM通道，其周期、占空比、对齐方式都可以单独编程；

*每个PWM通道都配有计数器，用来选择时钟源；

*每个PWM通道都可以通过编程来开启或者关断；

*每个通道的起始极性能可以编程；

*周期和占空比寄存器是双缓冲的，也就是说只有一个周期结束之后才可以转化为新的指定的周期和占空比；

*6个8位的PWM通道可以合并成更高精度的3个16位PWM通道；

*可以编程选择4个时钟源，所以可提供宽厂的变频范围；

*具有突发事故通道关断功能。

由此可见，该芯片的PWM模块是相当强大的。毫无疑问，这将有助于缩短我们设计电机变频调整系统的时间。该PWM模块框图如图1所示。

图2 主电路图

由图1可以看出，PWM波形的生成和修改，都是通过改变每一通道所包含的寄存器以及系统寄存器来实现的，所以明确这些寄存器的含义是成功实现SPWM波形的关键。但是，由于该PWM模块含有31个寄存器，数目众多，限于篇幅，这里只概略介绍一下。

在这31个寄存器中，有一部分为芯片出厂测试之用，具体功能如表1所列。其中的偏移地址指的是该寄存器相对于PWM基址的偏移量。

寄存器中PWMCLK、PWMPRCLK、PWMSCLA、PWMSCLB是与时钟源选择有关的。在PWM模块中共有四种不同的时钟源：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是由总线时钟除以一定的比例因子（最大为128）生成的，而ClockSA、ClockSB是由ClockA、ClockB除以一定的比例因子（最大为512）生成的。对应地，PWMCLK寄存器用来设置每个通道的时钟源，PWMPRCLK用来设置生成ClockA、ClockB时钟时的比例因子；而PWMSCLA、PWMSCLB则设置生成ClockSA、ClockSB的比例因子。由此我们可以看出，如果芯片的工作频率为16MHz，那么理论上，IGBT的关断频率可以达到1Hz～16MHz。这是一个非常宽的频率范围，当然实际中还需要考虑IGBT可以承受的关断频率。

表1 PWM寄存器功能描述

偏移地址寄存器名称功 能访问权限$_00PWME6通道PWM关断控制读/写$_01PWMPOL指定起始电平读/写$_02PWMCLK选择时钟源读/写$_03PWMPRCLK设置ClockA/B比例因子读/写$_04PWMCAE选择波表对齐方式读/写$_05PWMCTL控制是否合成为16位PWM通道读/写$_06～07PWMTST,PWMTRSC出厂测试用读/写$_08PWMCLA设置ClockSA比例因子读/写$_09PWMCLB设置ClockSB比例因子读/写$_0A～BPWMSCNTA，PWMSCNTB出厂测试用读/写$_0C～11PWMCNT0～PWMCNT5PWM通道0～5专用计烽器读/写$_12～17PWMPER0～PWMPER5设置PWM通道0～5脉冲周期读/写$_18～1DPWMDTY0～PWMDYT5设置PWM通道0～5“1”电平宽度读/写$_1EPWMSDN突发事故关断PWM读/写

2 硬件选型与系统框图

由前面对MC9S12H256芯片的介绍可以知道，它的内部资源非常丰富。毫无疑问，这给硬件设计带来了极大的方便，基本上们不需要再行扩展大的外围器件了；主要扩展的是IGBT的驱动装置、人机接口部分的键盘和LCD以及用于测定电机转

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