SM2001中文资料(可产生三相SPWM驱动波形的芯片)

1、沈阳单片机开发网一一帮您精确掌握电子器件的使用细节三相正弦波脉宽调制（SPW）信号发生器SM2001谢文刚（深圳市国微电子股份有限公司系统开发部，广东深圳518040）摘 要：介绍一种可自动产生三相正弦波脉宽调制波形的专用芯片的结构、原理及使用方法。它可广泛用于三相电机的变频控制，三相UPS的驱动等领域。关键词：正弦波脉宽调制；接口；变频；控制1、引言SM2001是可产生三相 SPWM区动波形的大规模集成电路。它的工作频率宽，合成正弦谐 波小，调节方便、准确，保护电路完善，无需外部元器件，且有普通正弦波和高效电机驱动 波两种波形的选择，可广泛用于交流异步电机的变频驱动，如变频空调、变频冰箱和变

2、频洗衣机的控制驱动，各类工业水泵、风机的变频驱动，各类不间断电源（ ups以及其它一些 需要三相SPWM波形驱动的功率控制电路中。2、M2001结构与逻辑框图SM2001采用0.6卩mCMO工艺制造。电路内部集成有三线串行接口、双波形正弦发生器、幅度因子乘法器、PWM波形发生器、死区时间和窄脉冲控制电路、启动电路和保护电路等。 封装采用DIP18塑封。SM2001的外形图如图1所示。其管脚说明如表 1所列。其内部逻辑 框图如图2所示。I 2內爪道M 粹：?1衷I管再说明卷驻功陡说明1:j.k1外部时种输人脚2nsr13cs1:K15PA1出口敢期膵6OE1?INTt d甘总中卜厲淆轨发&quo

3、t;讦1石LM)E数字龟10GM>I输岀地JIMH1S S卜桥曹业型IVn15LH 11和F怖卄關动紳0郴上療臂血动脚15 1o1611l tii±wtr#动卿17Iil+5)'IKl)iI匸电糾+ 5 13、M2001的设计特点SM2001设计特点如下：1）全数字化设计，全数字化电路。2）内部带两套波形发生器，可产生标准正弦波和用于交流电机控制的高效准正弦波。3） 自动产生三相 PWM调制波形，范围从0到200Hz （时钟为20MHz时），步进频率为最大频 率的1/255。4）采用双边沿规则采样产生 PW碉制波形。5） 载波频率可多级选择，最高可达到38kHzo6）

4、可选择死区时间和窄脉冲时间，范围从0.05卩s25.6卩So7） 采用高速三线同步串行接口，通讯速度可达到1MHz8） 通过MCI进行参数化控制，需要占用MCU勺资源极小。9）驱动电流达20mA可直接驱动光耦。10）采用外部时钟驱动，可与单片机共用一个晶体谐振器，最高工作频率可达24MHz11）有完善的多级保护电路，保护动作灵敏（典型反应时间小于2个时钟周期）。12）PWM波形调整快，在一个 PW碉期内即可完成变换。13）三相输出的电平为负脉冲有效，无波形输出时保持高电平。SM2001有6个PWM输出端口，通过双边沿规则采样的方法产生6路PWM输出波形，分别驱动U V、W三相桥式功率开关，每相

5、的信号由 2路与TTL电平兼容的管脚输出。该信号通 常是通过外部的隔离器件（如光耦）来驱动桥式电路。2个信号分别驱动某一相的上半桥臂和下半桥臂。在通过PWM合成正弦波的方法中，有多种参数需要确定，如：三相正弦波的频率、三相 正弦波的幅度、PWM波的频率、最小窄脉冲宽度和死区时间。在SM2001的控制设置中，这些参数全部可以通过一个高速串行口进行实时调节。对于电力应用或功率电路的驱动，除正常的功能外，最重要的就是完善的保护机制了。 而SM2001具有完善的保护电路。在 SM2001中，设置了三个层次的安全保护。一个是SPWM输出的开启命令：在 SM2001的设置中，有一条开启指令，在所有的初始化

6、参数设置完成后，芯片并不是立即产生输出波形，只有在开启命令发布后，SPWM 波形才会输出，这是为了防止在系统未完成初始化时有错误的波形产生。而一旦开启SPWM勺输出后，再进行参数设置时，SPWM的变化将立即出现，不再需要开启命令了。第二个保护是OE控制端，它是用于单片机的普通输出控制的。在SM2001上有一个使能控制端OE接受控制系统的控制信号。当OE为高电平时，SPWM整输出波形，否则，输出将保持高电平静止状态。第三重保护是异常中断控制端INT,主要是接受系统的异常信号，如输出短路、断相等异常信号。当外部检测电路发现异常，在INT上产生一个负电平或负脉冲信号，SM2001的输出将立即截止，且

7、反应时间小于200ns,大大高于普通采用单片机系统产生SPWM波形的控制模式。在异常保护出现后，芯片将不能通过命令恢复输出(防止由于单片机的故障而产生错误的开启)，只有在重新上电或 RST复位后，芯片才能重新接受控制。由于SM2001采用了内部的大规模正弦波形发生器，所以输出的正弦波精度高，失真和 谐波都很小，且由于采用参数设置的方式，各种微处理器都可以很方便地控制SM2001由于是全数字化的设计，内部的波形发生器、乘法器、PWM波形产生电路的精度都高于最后实际的输出精度，所以产生的SPWM波形具有非常高的准确度和稳定性。而精确的波形可以使功率输出电路的效率得到提高。SM2001完全可以作为微

8、处理器的一个独立的外部电路工作。在设置初始化条件后， SM2001完全自动产生SPWM区动波形。只有当需要改变输出波形或处理异常中断等状态时， 才需要微处理器的干预。在SM2001芯片内部有两套标准的三相 SPWM区动波形，即纯正弦波和高效准正弦波。可 通过端口 WVS的设置电平来选择。 其中纯正弦波主要用于 UPS等系统，而高效准正弦波主要 用于交流电机驱动方面，这种波形可提高电机驱动系统的效率。这两种波形可以满足绝大部分的应用需求。对于特殊的波形需求则可以通过修改波形发生器来得到。4、部控制寄存器说明SM2001的工作状态和输出信号的参数是由内部的寄存器控制。寄存器大小为8Bit，地址用3

9、Bit的二进制码表示。故通讯数据为11Bit。4.1频率控制寄存器 PFR地址011)控制三相SPWM波的频率，256级选择精度，地址为011。它控制输出的PWM合成的正弦 波的频率，三相波形的频率是相同的，通过此寄存器进行选择。J7B6H5R3 1UIHHOi乔'円hLvnPHm输出的三相波频率fsin由式(1)算出：fsin=fclk x PFR/(512X 192 x 256) (1)式中：fclk 是系统时钟的频率；PFRPFR寄存器的值(0255)。例如：如果时钟频率为 20MHz PFR=63则三相正弦波的频率为50.1Hz。4.2调制度控制寄存器 AMPR地址 010)改

10、变输出三相波的幅度，256级选择精度，地址为010。它控制输出的 PWM合成的正弦波的幅度，三相波形的幅度是相同的，通过此寄存器进行选择。H7B5H4112 HIHOitip6Amp5 .|屮-4Vrii|i2 Imp)AmjiO输出的三相液幅度1由成门中出L, = ( WfPR 255 x 100曲式中：AMPAMPR寄存器的值(1255)。例如：如果后级功率电路的直流电压为300V, AMPR=128选取纯正弦波输出，则输出正弦波的峰值电压为150V,有效值电压为106V。但根据死区时间和窄脉冲时间的大小不同而产 生的效应，实际的输出电压可能略小于此数值。4.3 PWM开关频率和窄脉冲寄存

11、器FPDR(地址001)设置PWM载波的开关频率和要删除的无效窄脉冲宽度，地址为001。PWM勺开关频率是后级大功率管或大功率模块的重要参数之一，它往往取决于后级功率电路的开关时间、工作效率、是否要静音设计等要求。本芯片的PWM勺开关频率与时钟频率有关， 在20MHz时钟时 最高开关频率可达到 38kHz,完全满足高速仪表中的静音设计要求。H7H6肝JH4IO142iHHOCFI<：Hi1*1 >5wF【临r Pi)iJim4.3.1PWM频率选择位 CF1 CF0当CF1 CF0为11、10、01、00时，其对应的分频系数 N则分别为8、4、2、1。PWMf关频率fc由式(3)算

12、出fc=fclk/(512X N) (3)例如：若时钟频率为 20MHz PWM频率选择字为11,贝Ufc=20000000/(512 X 8)=4882Hz4.3.2窄脉冲时间选择位 PD5PD0窄脉冲的时间tpd由式(4)算出tpd=PD/ (fc X 512) (4)式中：PD窄脉冲时间选择数值。窄脉冲删除功能是指在PWM波中，由于后级电路的开关时间问题，小于tpd宽度的脉冲不能引起后级电路的动作，可以被删除去。参见图 3。4.4死区时间选择寄存器 DTIM(地址100) 设置PWMt波的死区时间宽度，地址为100。irB61UK2Bl1如IH "10TJl)T2i/nI gP

13、WM载波的死区时间也是后级大功率管或大功率模块的重要参数之一，它取决于后级功率电路的导通时间和截止时间。对于采用IGBT作为功率输出的电路，则尤为重要。如果设置不当，会导致功率电路烧毁或谐波失真增加，死区时间设置参见图4。死区时间tpdy由式(5)算出：tpdy=DT/ (fc X 512)(5)式中：DT死区时间选择数值。6沈阳单片机开发网一一帮您精确掌握电子器件的使用细节#沈阳单片机开发网一一帮您精确掌握电子器件的使用细节4.5开启命令 START(地址110)在完成芯片的各项参数的初始化设置后，通过往地址110中写入5FH即可以开启芯片的SPWM输出。以后的参数改变，一旦写入寄存器即立即

14、表现出来，不必再使用开启命令了。5、三线同步串行接口SM2001的寄存器是通过一个三线同步串行接口进行设置的。AOAl |'2IM)|)5 l>6 D7舒存器述界課厶裕数朋#沈阳单片机开发网一一帮您精确掌握电子器件的使用细节当片选CS为低时，芯片进入串行通信状态，在每个时钟CK的上升沿，数据线 DA上的数据被移入内部缓冲器，当11个数据位全部进入缓冲器后，在最后一个CK脉冲的认可下，数据被转入相应的寄存器，且命令被立即执行。地址和数据的低位在先传入，分别为 A0 A1、A2、D0 D1、D2、D3 D4 D5 D6 D7。 由于内部的时序原因，在完成所有的数据输入， CS恢复高电

15、平后，必须在 CK上额外地多加 入一个时钟，完成数据的认可，具体如图 5所示。朴-nruT 厂LTLrLrLrLrLrLrLTLM5 栽摆的Ift%时护6、上电和复位RST接低电平时，芯片进入复位状态。此时输出端输出高电平，各寄存器的内容如表所列。A : *惯状恋时每雾痒if胃客奇幣春里门也I1II1IIIIiimi ino1ITH )1 liriWil 1 IIIPftM 1 i r!f fe-If:卜小 >71 h in：hiUH HUMr小、畑Z 446X211/iH h*lllbJ勺复位主要是用来恢复INT异常中断的状态。如果不是首次上电，复位并不能清除开启命令。 在芯片工作中时

16、复位，芯片将以初始化条件输出PWM波形，所以应配合使用 OE的功能，首先关闭SPWM输出（OE=0，复位电路（RST上加入一个负脉冲），在设置好需要的参数后， 再开启OE才能正常的输出波形。当采用20MHz的时钟时，表2中的缺省条件表示 PWM勺频率为4882Hz死区和短脉冲 时间为25.6卩s，正弦波频率为 50Hz,合成正弦波峰值幅度为电源的80%。（注意：在芯片的OE不为高，或 MCI未发送开始命令时，U V、W 端口并没有实际的 SPWI输出）。当芯片 首次上电时，也将自动复位所有的寄存器为内部初始值，且芯片的输出端保持高电平（不输出时的缺省状态）。7、示范电路和与IPM的接口示范电路

17、与IPM接口电路如图6所示。7.1说明1）采用简单的 MCU勺5根IO 口即可控制SM2001并直接将MCU勺时钟作为SM2001的时钟。2） IPM的驱动及电源要求见三菱电机的手册智能化 7.2示范程序CLRRE；芯片复位 ACALLDELA 丫3延时SETBRESIGBT模块IPM>。CLK UKM<lMIMI谶 ITR林裁Cl R TCK讪M绅】;何始鉄宰30H.T< -CU .L COM Mt *117沈阳单片机开发网一一帮您精确掌握电子器件的使用细节#沈阳单片机开发网一一帮您精确掌握电子器件的使用细节MOV X, #02111L肖次川ACAIJ. COMMOITMOV 扎 #191 HMOV Rg lOHKKKlb ACALL COM MOI MOVMOV R. MMXHOOOOUACA14. COMM<H IStrrB OEMOV #0611MOV B. J*5H!ACAU. COM Mi H 1Mi AM Hi 奇 ff 曙；设訐tTim舒存帮 :M 顿年 5KHz:窒脉冲6.珈:设 n dtim iSf/fjs :frtK 时何 6. 25us#沈阳单片机开发网一一帮您精确掌握电子器件的使用细节8沈阳单片机开发网一一帮您精确