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凌阳16位变频控制单片机MCP定时器的使用
文章来源:凌阳单片机推广中心  发布时间:2006-2-11 9:04:09

摘  要:本文主要介绍凌阳16位变频控制单片机的MCP(Motor Control PWM:电机控制PWM输出定时器)的特点及使用方法。

1.1   引言
  变频调速器,自1964年问世以来,已经历30多年的发展过程,80年代在主要工业国家已广泛使用,90年代进入中国,在空调、电梯、冶金、机械、电子、石化、造纸、纺织等行业有十分广阔的应用空间。尤其是在节能方面,效果显著,我国现运行的风机、水泵、空调类负载,据估计有4200万台(其中风机约1000万台),占全国用电量的1/3,其中的60%适合调速,如果把这部分用电负荷改造为变频调速,按年节电率25%计算,全国每年节电220亿度。
针对变频调速控制,凌阳科技公司推出了专门的16位单片机--SPMC75系列,利用SPMC75系列单片提供的强大的 MCP定时器、PDC定时器可以很方便的完成变频电机的 驱动控制。

1.2   芯片简介
  SPMC75系列16位微控制器采用凌阳科技自主知识产权的μ'nSP微处理器,具有很强的运算能力,支持乘除法、内积运算、位操作等,可以完成一些复杂的运算,以提高系统性能;SPMC75系列微控制器集成了能产生变频电机驱动的PWM发生器、多功能捕获比较模块、BLDC电机驱动专用位置侦测接口、两相增量编码器接口等专有马达驱动模块,并提供过载、错误、内部短路等保护模块,使系统更安全、可靠。
  SPMC75系列单片机包括SPMC75F2413A和SPMC75F2313A两颗,SPMC75F2413A可以同时控制两颗变频电机,SPMC75F2313A只能控制一个变频电机的运行。
·SPMC75F2413A资源如下:

■ 高性能的16位内核
-凌阳16位u'nSP处理器
-最高运行速度:24MHz
-2种低功耗模式:Wait/Standby
-片内低电压检测电路
-片内基于锁相环的时钟发生模块
■ 芯片内存储器
-32KW (32K×16) Flash
-2KW (2K×16) SRAM
■ 工作温度: -40 ℃~85 ℃
■ 最多64个通用输入输出管脚
■ 10位的ADC模块
-8个外部输入通道
-可编程的换速率,最大100Ksps
-可与PDC或是MCP等定时器联动,实现电机控制中的电参量测量
■ 串行通讯接口
-通用异步串行通讯接口(UART)
-标准外围接口(SPI)
■ 可编程看门狗定时器
■ 内嵌在线仿真功能,可实现的在线仿真、调试和下载

■ PDC定时器(PDC0和PDC1)
-可同时处理三路捕获输入
-可产生三路PWM输出(中心对称或边沿方式)
-BLDC驱动的专用位置侦测接口
-两相增量码盘接口,支持四种工作模式,拥有四倍频电路
-普通的定时器功能
■ MCP定时器(MCP3和MCP4)
-能够产生三相六路可编程的PWM波形(中心对称或边沿方式),如三相的SPWM、SVPWM等
-提供PWM占空比值同步载入逻辑-可选择与PDC的位置侦测变化同步
-可编程的硬件死区插入功能,死区时间可设定
-可编程的错误和过载保护逻辑-普通的定时器功能
■ TPM定时器(TPM2)
-可同时处理二路捕获输入
-可产生二路PWM输出(中心对称或边沿方式)
-普通的定时器功能
■ CMT定时器(CMT1和CMT2)
-通用16位定时器


·SPMC75F2313A资源如下:
■ 高性能的16位内核
-凌阳16位u'nSP处理器
-最高运行速度:24MHz
-2种低功耗模式:Wait/Standby
-片内低电压检测电路
-片内基于锁相环的时钟发生模块
■ 芯片内存储器
-32KW (32K×16) Flash
-2KW (2K×16) SRAM
■ 工作温度: -40 ℃~85 ℃
■ 最多33个通用输入输出管脚
■ 10位的ADC模块-6个外部输入通道
-可编程的换速率,最大100Ksps
-可与PDC或是MCP等定时器联动,实现电机控制中的电参量测量
■ 串行通讯接口
-通用异步串行通讯接口(UART)
-标准外围接口(SPI)
■ 可编程看门狗定时器
■ 内嵌在线仿真功能,可实现的在线仿真、调试和下载

■ PDC定时器(PDC1)
-可同时处理三路捕获输入
-可产生三路PWM输出(中心对称或边沿方式)
-BLDC驱动的专用位置侦测接口
-两相增量码盘接口,支持四种工作模式,拥有四倍频电路
-普通的定时器功能■ MCP定时器(MCP4)
-能够产生三相六路可编程的PWM波形(中心对称或边沿方式),如三相的SPWM、SVPWM等
-提供PWM占空比值同步载入逻辑
-可选择与PDC的位置侦测变化同步
-可编程的硬件死区插入功能,死区时间可设定
-可编程的错误和过载保护逻辑
-普通的定时器功能
■ TPM定时器(TPM2)
-可同时处理二路捕获输入
-可产生二路PWM输出(中心对称或边沿方式)
-普通的定时器功能
■ CMT定时器(CMT1和CMT2)
-通用16位定时器

1.3   MCP定时器使用
1.3.1   MCP定时器介绍
  SPMC75系列单片机最多集成了两个MCP (Motor Control PWM:电机控制PWM输出)定时器:MCP3和MCP4,属于增强型的16Bit定时计数器。每个定时器都有四个独立比较匹配模块、可编程的波形输出控制模块(可输出三相六路的PWM波形)、专有的硬件死区插入控制、外部驱动出错和过载保护逻辑。MCP 3可与PDC 0联合、MCP 4可与PDC 1联合使用,以完成无刷直流电机和交流感应电机应用中的速度反馈环控制。MCP定时器的整体框图如图 1-1所示。


图 1-1  MCP定时器结构框图
MCP定时器的特性
■ 可编程的定时器操作模式,包括标准计数模式和PWM发生两种模式
■ 能够产生三相六路可编程的PWM波形
■ 提供PWM占空比值同步载入逻辑,使多相PWM占空比值可以同步完整载入,防止因载入不同步带来的问题
■ 可编程的硬件死区插入功能,以方便功率桥的驱动
■ 可编程的错误保护逻辑,在外部驱动错误(由外部提供出错信号)或是过载时提供实时的硬件保护
■ 在BLDC驱动应用中,可选择与PDC的位置侦测变化同步
■ 可编程的时钟源:6个内部时钟(FCK/1, FCK/4, FCK/16, FCK/64, FCK/256, FCK/1024),两个外部时钟(TCLKA和TCLKB)
■ 5个中断源,包括定时周期比较匹配中断、TGR寄存器比较匹配中断源、外部错误输入中断、外部过载输入中断、PWM输出短路保护中断
■ 比较匹配定时器周期初始值可任意设定
采用MCP定时器产生PWM有两种方法:边沿PWM模式和中心PWM模式。
1.3.2   边沿PWM模式
  MCP定时器的每个信道都可可由P_TMRx_Ctrl (x = 3, 4)寄存器的MODE位设置为PWM输出模式或标准计数操作模式。在此模式下,定时器从0x0000开始递增计数,直到与周期寄存器设置值相等为止。
MCP连续递增计数的频率来自输入的时钟源,该时钟源是由P_TMRx_Ctrl (x = 3, 4)控制寄存器中TMRPS位选择。计数器连续计数,当计数值与周期定时寄存器的值相匹配时,计数器清零,周期比较匹配事件中断标志"TPRIF"置位,如果P_TMRx_INT (x = 3, 4)寄存器中的PPRIE位为使能状态,则发生周期中断请求。
  当定时计数器的内容与P_TMRx_TGRD (x = 3, 4)比较匹配时,比较匹配事件发生,可以启动AD转换(可设置为启动或不启动)。
  P_TMRx_TPR (x = 3, 4)的初始值可是0x0000到 0xFFFF 之间的任意值。定时器的时钟源可以选择外部时钟输入也可以选择内部时钟源Fsys。标准连续递增计数模式非常适用于数字电机控制系统中的边沿触发或异步PWM以及周期采样。
  在边沿PWM模式中,用户必须设置P_TMRx_TPR (x= 3, 4)周期寄存器和P_TMRx_TGRy (y = A, B, C)通用寄存器的值,并且将计数清除源(CCLS)位设置成定时器周期清除。比较匹配输出模式在P_TMRx_IOCtrl (x= 3, 4)寄存器中设置。如图 1-2所示为MCP定时器的边沿PWM标准连续递增计数的模式。

1.3.3   中心PWM模式(连续递增/递减计数模式)
  连续递增/递减计数模式的操作与递增计数模式基本相同,唯一不同的是:定时器周期寄存器定义了整个计数过程的中间过渡点,计数过程中先递增,当达到定时周期寄存器设定值后开始递减。设置寄存器P_TMRx_Ctrl (x = 3, 4)的CKEGS位,MCP定时器的周期是寄存器P_TMRx_TPR (x = 3, 4)设定值的两倍。
  定时器周期寄存器的初始值可以从0x0000 到 0xFFFF 之间任意设定。当定时计数器的值与周期定时寄存器的值相等时,MCP定时器开始向下计数直到0。周期中断的方式与连续递增计数方式的描述相同。
  P_TMRx_Status (x = 3, 4)寄存器中的TCDF位记录着计数的方向。定时器既可以选择外部时钟输入也可以选择内部时钟源Fsys。如图 1-3所示为定时器3中心PWM模式的递增/递减计数模式。

1.3.4   硬件死区插入功能
  在作变频电机控制时,每个MCP定时器都可以输出3对PWM用来控制功率器件,每对PWM分别用来控制功率管的高端和低端。因为功率器件在导通和关断时间不同,为了避免PWM在有效时间内高/低重迭(即同一桥臂上的两只功率管同时导通),必须插入死区时间。如图 1-4所示为MCP定时器3的中心补偿PWM模式下插入了死区时间的例子。

  SPMC75系列微控制器有两个死区定时控制寄存器:P_TMR3_DeadTime和P_TMR4_DeadTime,分别服务于MCP 3和MCP 4,只有在补偿PWM模式下死区时间定时器才可以工作。依据P_TMRx_OutputCtrl (x = 3, 4)寄存器的POLP位的设置,死区定时单元会将高/低相位延迟输出。三相死区控制可以独立的使能或禁止,死区时间通过DTP位来设定,大小是DTP*(FCK/4的周期)。

1.4   结语
  利用SPMC75这些硬件模块支持,SPMC75可以完成诸如家电用变频驱动器、标准工业变频驱动器、多环伺服驱动系统等复杂应用。

                            
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