近年来，随着智能制造对节能的更高要求，通用变频器在工业领域的应用愈加广泛。变频器是一种先进的调速控制设备，通过对电源频率的控制可以实现对电机转速的精确调节，从而提高设备的性能和节能效果。

01、变频器概述

变频器（Variable-Frequency Drive，VFD）是应用变频技术和微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电动设备。

对于交流电机而言，其转速表达式为：

其中，n表示电机的转速，f表示电机电源信号频率，s表示电机的转速差，p表示电机的极对数。从上式可以看出，电机的转速和电源信号频率成正比关系。因此，只更改频率即可改变电机的转速。变频器正是依据该公式来实现对电机的变速控制。通常，变频器由整流电路，滤波电路，逆变电路以及控制电路4个部分组成。外部输入的三相电会经过整流电路和滤波电路得到稳定的直流电。直流电再通过逆变电路得到用以驱动交流电机的三相电。逆变电路一般会选用IGBT来实现，以期得到足够的驱动电流，其电路结构示意图如下图所示：

逆变电路结构示意图

经过整形和滤波之后的直流信号接入到上图的环境V+和V-端，控制电路通过Y1~Y6端口，控制IGBT的开关得到交流电机的三相交流控制信号，以完成对电机的控制。

02、航芯ACM32 MCU工业变频器方案

针对工业自动化电机驱动需求的客户，上海航芯推出了工业通用变频器应用方案，该方案采用ACM32F4/ACM32G1系列MCU，最高工作频率可达180MHz/120MHz，内置最大512KB的eFlash和最大192KB SRAM。其中ACM32F4带有一个可输出4路带死区的互补PWM信号的高级定时器以及采样速率最高可到2Msps的12位ADC。而ACM32G1带有两个可输出4路带死区的互补PWM信号的高级定时器以及两路采样速率最高可到3Msps的12位ADC。可实现高性能、高精度的电机驱动控制，是工业设备电机驱动控制应用的理想选择。

基于ACM32F4/ACM32G1系列MCU的控制电路结构框图，如下图所示：

控制电路的显示输出，采用SPI接口的LED显示屏。ACM32F4/ACM32G1系列的MCU，其标准SPI通信速率可到50MHz，能及时将显示数据刷新到LED显示屏上。变频器的设置参数有两种设置模式，在脱机情况下，用户可以通过外部按键来设置工作参数。而在线模式下，变频器通过UART接口和上位机相连。用户通过上位机将设定的工作参数输入至设备中，设备运行时，也会将实时工作情况反馈给上位机，以便用户对设备进行实时调整。

逆变电路部分的控制是整个控制逻辑中的核心部分，其本质是通过MCU中的高级定时器输出3对互补PWM信号给到Y1~Y6。利用SPWM技术驱动输出三相交流信号来控制电机工作。而三相交流电的换相操作，则是根据MCU内置的12位的ADC对U，V和W三项进行电流采样来判定换项的时间。ACM32F4系列的MCU，ADC的采样频率能到2Msps，能满足大多数设备的运行需求。而面对高性能需要的应用场合，则可使用ACM32G1系列MCU。该系列MCU有两路ADC，最高采样率为3Msps，采用交叉采样方式提高对信号的采样速率，精确控制换相参数并做出相应的控制动作。

前 言

我国在2020年9月明确了2030年碳达峰和 2060年碳中和的目标，未来四十年内实现净零排放对中国而言将是一项具有挑战性的任务。对于电机行业来说，电机在工业领域占有重要位置，据统计，我国电机每年耗电量占全社会总用电量的69%，约占工业用电的75%。因此减少电机生命周期内的碳排放，加速推进减碳进程，是电机行业面临的重要任务。变频调速技术可以精确控制交流电机的转速，使电机在节能状态下运行，是对传统电机系统调速改造、提升电机系统运行效率的关键措施。传统变频器具有体积大、性能低、价格高的特点，除此之外还对环境有一定的要求，对于分散控制的场合，传统变频器难以适应工业应用的需求。

本文基于GD32 MCU的VF/矢量变频器的控制系统，采用模块化设计，控制面板，用户接口可按需求自由组合，便于安装、编程和初始化设计，轻松实现异步电动机的调速要求。同时采用总线技术，可方便与控制系统、集散系统连接，实现计算机驱动系统控制和工厂车间集中控制。因此该变频器在汽车、食品、物料输送、工业控制等智能制造领域有广阔的应用空间。

系统框图

方案特点

方案核心采用GD32F303RCT6控制，使系统具有结构简单、实现方便、成本低、可靠性高等特点。在优化了硬件结构的同时不降低系统的性能，硬件系统模块清晰直观，方便安装使用以及程序的初始化。调制方式采用SVPWM控制技术能有效减少逆变器输出电压谐波成分，电压利用率高，控制精度高。

GD32F303简介

• Cortex®-M4内核@ 120MHz

• 支持软硬件DSP指令

• 闪存访问为零等待状态

• 内置256 KB至3072 KB闪存

• 内置48KB至96KB SRAM

• EXMC接口支持外部SDRAM

• 高达5个UART (9Mbit/s)

• 高达3个SPI (30Mbit/s)

• 高达2个I2C (400Kbit/s)

• 高达2个CAN2.0B

• 高达2个I2S

• 支持SDIO、以太网MAC

• 支持USB OTG FS

• 高达3个12位，2.6M SPS ADC（高达24通道）

• 高达2个DAC

• 待机电流为2uA

核心控制原理及实现

空间矢量脉宽调制控制具有线性范围宽、高次谐波少、易于数字化等优点，所以在感应电机中应用广泛。在传统的三相桥式驱动电路中，MOS管有８种开关组合，即000、001、010、011、100、101、110、111。其中000、111为零矢量。６个非零基本电压空间矢量将αβ 平面分成６个扇区，如图所示。为了得到一个圆形的旋转磁场，可以通过控制８个基本的空间电压矢量的作用时间，合成各个基本空间电压矢量的作用时间和输出顺序。

GD32的TIMER0模块是增强型的定时器模块，天生就是为电机控制而生，可以产生3组6路PWM，同时每组2路PWM为互补，并可以带有死区，可以用来驱动H桥。文中利用TIM0模块的三通道产生一共6路PWM输出。具体步骤如下：

1、开TIM0时钟，配置相应的IO口为复用输出。

2、设置TIM0的ARR和PSC，在开启了TIM0的时钟之后，要设置ARR和PSC两个寄存器的值来控制输出PWM的周期。

3、设置TIM0_CH0、TIM0_CH1、TIM0_CH2的PWM模式。

4、使能TIM0的CH0~CH2输出，使能TIM0。

5、修改TIM0_CCR1~TIM0_CCR2来控制占空比。

通过以上配置，配合GD32F303的运算能力，对占空比进行实时调节，达到矢量控制的效果。

整机性能参数

产品展示