用于SPWM控制的专用芯片与微处理器

    1．新型SPWM专用微处理器的主要性能    目前用单片机产生SPWM信号时，通常是根据某种算法计算、查表、定时输出三相SP-WM波形，再由外部硬件电路加延时和互锁变成六路信号。受运算速度和硬件所限，SPWM的调制频率以及系统动态响应速度都不是太高。在闭环控制变频调速系统中，采用一般的微处理器实现纯数字的速度和电流闭环控制是相当困难的。    随着大规模集成电路( LSIC)技术的发展，出现了多种用于电动机控制的新型专用单片微处理器。这些新型专用微处理器具有如下性能指标。    (1)基本指令数    为了提高运算速度，几乎所有的新型微处理器的命令都采用“管线”( Pipe Line)方式。为了完成复杂的运算，这类微处理器皆具有乘、除法指令或带符号的乘、除法指令。此外，有的微处理器还备有便于进行矩阵运算的求积、和的指令。    (2)中断功能及中断通道数    为了对变频器及电动机的运行参数（如电压、电流、温度等）进行实时检测与故障保护，需要微处理器具有很强的中断功能与足够的中断通道数。    (3) PWM波形生成硬件及调制范围    波形生成硬件单元可设定各种PWM方式、调制频率及死区时间，可实现的调制频率范围应能满足低噪声变频器和高输出频率的变频器的要求。    (4) A/D接口    芯片应备有输入模拟信号（可用于电动机的电压、电流信号，各种传感器的二次电信号以及外部的模拟量控制信号）的A/D转换接口，A/D转换器的字长一般为8位或10位。    (5)通信接口    芯片应备有用于外围通信的同步、异步串行接口的硬件或软件单元。    2．几种新型单片微处理器简介    目前，具有代表性的新型PWM专用芯片是：美国英特尔(INTEL)公司的8xC196MC系列、日本电气( NEC)公司的PD78336系列和日本日立(Hitachi)公司的SH7000系列。    (1) 8xC196MC系列    8xC196MC是一个16位微处理器，其内部有一个三相互补SPWM波形发生器，可直接输出6路SPWM信号，驱动电流达20mA。它也采用规则取样法产生波形，三相脉宽由软件编程计算。    图4-18所示为80C196MC的引脚排列。图4-19为8xC196MC的结构原理图。它包括算术逻辑运算部件( RLU)、寄存器集、内部A/D转换器、PWM发生器、事件处理阵列( EPA)、三相互补SPWM输出发生器以及看门狗、时钟及中断控制等电路。
    图4-18    80C196MC的引脚排列    (2) PD78366系列    PD78366系列的主要性能特点有：    1)与8xC196MC系列相比，增加了位操作指令及便于进行矩阵运算的积和演算功能。    2) 16个可屏蔽中断源的优先级可用软件任意设定。    3)波形生成器类似于8xC196MC，但难以实现某些特殊的PWM控制。内部时钟频率最高为16MHz，调制频率可达20kHz以上。    4)设有同、异步串行接口专用硬件和串行通信端子。这一点比8xC196MC要优越，后者采用软件方式进行串行通信将占用CPU的时间。    5)在复位状态下，所有I/O端子皆处于高阻状态，因而，从上电到复位完成的瞬间可防止输出端发生误动作。8xC196MC系列不具备该项功能。    6)弱点：尽管有8组128B的通用寄存器，但同时仅可使用一个“RLU”，因而仍存在“瓶颈”现象，在这一点上性能不如8xC196MC系列。
    图4-19    8xC196MC结构原理图    (3) SH7000系列    SH7000系列是日立公司推出的为交流电动机伺服系统专门设计的单片微处理器。一般伺服系统所需要的位置、速度和电流控制环以及PWM波形生成器皆可由该系列芯片完成。    SH7000系列芯片的特点有：    1) CPU指令采用精减指令集计算机(Reduced Introduction Set Computer-RISC)方式，因而执行速度快，基本指令执行时间仅为一个系统时钟周期。    2)通用寄存器为32位并备有硬件乘法器，完成16×16位乘法运算仅用3个系统时钟周期。    3)内存容量大，为4GB。    4) A/D转换时间短，仅为6.7μs。    为了便于对比分析，将这三种微处理器系列的主要性能指标列入表4-1中。    表4-1    三种新型微处理器的主要性能比较