采用68HC908MR16單片機(jī)的空間矢量控制變頻電源設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種基于空間矢量PWM算法的變頻電源的實(shí)現(xiàn)方式。系統(tǒng)采用MOTOROLA公司的電機(jī)控制專用芯片68HC908MR16，通過(guò)PI調(diào)節(jié)將直流電逆變成頻率可調(diào)的三相正弦波交流電，同時(shí)利用串行通信實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)顯示和參數(shù)修改。 關(guān)鍵詞：空間矢量；脈寬調(diào)制；變頻器；專用芯片MR16
0    引言隨著拖動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展以及大功率電力電子器件的不斷更新，交流異步電機(jī)V/f控制PWM變頻電源在工業(yè)上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。傳統(tǒng)的SPWM變頻調(diào)速技術(shù)理論成熟，原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但其逆變器輸出線電壓的幅值最大值僅為0.866U_d，直流側(cè)電壓利用率較低；而采用空間矢量PWM(SVPWM)算法可使逆變器輸出線電壓幅值最大值達(dá)到U_d，較SPWM調(diào)制方式提高了15％，且在同樣的載波頻率下，采用SVPWM控制方式的逆變器開(kāi)關(guān)次數(shù)少，降低了開(kāi)關(guān)損耗。為此，本文運(yùn)用SVPWM算法，將逆變器和電機(jī)作為整體考慮，并綜合三相電壓，通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算，利用MR16單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的恒磁通變頻調(diào)速控制。

1    空間矢量PWM基本工作原理

    圖1所示為三相電壓型逆變器的工作原理圖，它由6個(gè)開(kāi)關(guān)器件組成。逆變器輸出的空間電壓矢量為

     （1）

    根據(jù)同一橋臂的上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件不能同時(shí)導(dǎo)通的原則，其三相橋臂開(kāi)與關(guān)可以有8種狀態(tài)。在這8種開(kāi)關(guān)模式中，有6種開(kāi)關(guān)模式輸出電壓，在三相電機(jī)中形成相應(yīng)的6個(gè)磁鏈?zhǔn)噶?，另?種開(kāi)關(guān)模式不輸出電壓，不形成磁鏈?zhǔn)噶?，稱之為零矢量。各種狀態(tài)形成的矢量在空間坐標(biāo)系中的位置關(guān)系如圖2所示。括號(hào)內(nèi)的二進(jìn)制數(shù)依相序A，B，C表示開(kāi)關(guān)的不同狀態(tài)，“1”表示上橋臂功率器件導(dǎo)通，下橋臂器件關(guān)閉；“0”表示的工作狀態(tài)與此相反。任意一個(gè)電壓空間矢量的幅值和旋轉(zhuǎn)角度都表示此刻輸出PWM波的基波幅值及頻率大小，它的相位則表示不同的脈沖開(kāi)關(guān)時(shí)刻。因此，三相橋式逆變器的目標(biāo)就是利用這8種基本矢量的時(shí)間組合，去近似模擬合成這樣一個(gè)磁鏈圓。

圖1    電壓型逆變器原理圖

圖2    逆變器輸出電壓空間矢量

    通常將一個(gè)圓周期6等份，并習(xí)慣地稱之為扇區(qū)。每一扇區(qū)又可繼續(xù)劃分為任意的m個(gè)小等份。當(dāng)理想電壓矢量位于任一扇區(qū)之中時(shí)（如圖2所示），就用該扇區(qū)的兩個(gè)邊界矢量和兩個(gè)零矢量去合成該矢量，例如：當(dāng)理想電壓矢量處于第一扇區(qū)時(shí)就由和兩個(gè)非零矢量以及零矢量合成，其他扇區(qū)依此類推。假設(shè)理想電壓矢量位于圖3所示的位置，依據(jù)正弦定理可以得到式（2）—式（4）。

    (0<θ<π/3)    （2）

        （3）

    t₀=T_s－t₁－t₂    （4）

式中：U_s為逆變器輸出電壓矢量的幅值；

      U₁為非零矢量的幅值；

      U₂為非零矢量的幅值；

      T_s為PWM周期；  

  t₁為的作用時(shí)間；

      t₂為的作用時(shí)間；

      t₀為零矢量的作用時(shí)間；

      。

圖3α－β坐標(biāo)系中的矢量合成示意圖

由于理想電壓矢量是由位于該扇區(qū)邊界的兩個(gè)非零矢量和零矢量合成，在實(shí)際合成時(shí)可采用每一個(gè)非零矢量分別發(fā)出兩次，零矢量則依次插入各個(gè)分割點(diǎn)的方法。例如：理想電壓矢量為，其合成步驟可以是：先發(fā)非零矢量作用t₁/2時(shí)間，再發(fā)零矢量作用t₀/4時(shí)間，而后發(fā)出非零矢量作用t₂/2時(shí)間，接著發(fā)出零矢量作用t₀/4時(shí)間。然后再依此次序重發(fā)矢量一次，就完成了整個(gè)合成過(guò)程。之所以采用這種合成方法是因?yàn)橄到y(tǒng)工作到低頻時(shí)，控制周期變長(zhǎng)，而每個(gè)周期內(nèi)非零矢量的作用時(shí)間又是一定的，也就是說(shuō)零矢量的作用時(shí)間相應(yīng)的變長(zhǎng)了。于是就將一個(gè)周期中太長(zhǎng)的零矢量分開(kāi)成幾個(gè)零矢量，而后把它們均勻地插入到非零矢量中去，這樣既滿足了合成的要求，又有效地抑止了低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。對(duì)于理想電壓矢量位于扇區(qū)邊界的這種情形，可以把它作為扇區(qū)的特例來(lái)處理，即有一個(gè)非零矢量的作用時(shí)間為0。

2    系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1    主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    主電路采用三相全橋逆變電路，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，逆變DC/AC部分為全控式逆變橋，電容C為濾波電容，其電容值的選擇與負(fù)載額定功率及直流側(cè)輸入電壓有關(guān)。交流電機(jī)變頻調(diào)速不僅要求輸出電壓為正弦波，而且要求電壓和頻率協(xié)調(diào)變化，即要求電壓V和頻率f要同時(shí)變化并滿足一定的規(guī)律，如V/f為常數(shù)，這樣才能保證異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通在變頻調(diào)速過(guò)程中保持恒定。采用空間矢量PWM控制法驅(qū)動(dòng)逆變橋，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓和頻率分別按各自規(guī)律變化，而且正弦波畸變小，響應(yīng)速度快，控制簡(jiǎn)單。

圖4    系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2    控制芯片

    本系統(tǒng)采用MOTOROLA公司的電機(jī)控制專用單片機(jī)68HC908MR16（以下簡(jiǎn)稱MR16）作為主控芯片，它是一種高性能，低成本的8位單片機(jī)。MR16內(nèi)部集成有16K字節(jié)的可擦寫(xiě)片內(nèi)閃速存儲(chǔ)器FLASH，768字節(jié)的RAM；具有10位精度的10通道ADC模塊，其AD轉(zhuǎn)換時(shí)間最快僅需2μs，能夠在極短時(shí)間內(nèi)完成多路采樣并進(jìn)行高精度轉(zhuǎn)換；同時(shí)MR16含有一個(gè)可編程時(shí)鐘發(fā)生器模塊(CGM)，系統(tǒng)時(shí)鐘不僅可以直接由外部晶振輸入分頻得到，也可以先將晶振電路的輸出信號(hào)緩沖后再經(jīng)內(nèi)部鎖相環(huán)(PLL)頻率合成器提供；具有串行通信模塊SCI，它有32種可編程波特率，可以工作在全雙工或半雙工模式，通過(guò)SCI模塊能方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外部的實(shí)時(shí)通信。  

2.3    PWM波形成          
本系統(tǒng)利用MR16單片機(jī)中的PWMMC模塊，實(shí)現(xiàn)PWM波形的生成。在初始化時(shí)將其設(shè)置為3對(duì)互補(bǔ)工作模式，即同一橋臂上的兩路PWM信號(hào)是互補(bǔ)的。為了防止同一橋臂上的2個(gè)開(kāi)關(guān)管直通，在無(wú)信號(hào)發(fā)生器DEADTIME的死區(qū)時(shí)間寄存器DEADTM中設(shè)置了2.5μs的死區(qū)時(shí)間。系統(tǒng)采用4MHz的外部晶振，由程序選擇內(nèi)部鎖相環(huán)頻率合成器產(chǎn)生8MHz內(nèi)部總線時(shí)鐘。同時(shí)設(shè)置載波頻率為9kHz，并將其寫(xiě)入PMOD(H:L)寄存器。PWM波的實(shí)時(shí)脈沖寬度的計(jì)算都是在中斷服務(wù)程序中完成的，每當(dāng)PWMMC模塊中的PCTN(H:L)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)至PMOD(H:L)中的數(shù)值時(shí)就引起一次中斷。預(yù)先將一個(gè)扇區(qū)（60°）的正弦值擴(kuò)大一定倍數(shù)后制成正弦表格存入FLASH中，每次進(jìn)入中斷后都從表中取出一個(gè)正弦值，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的計(jì)算后將結(jié)果送入PVALX(H:L)寄存器中，單片機(jī)將PCTN(H:L)中的值與PVALX(H:L)中的值進(jìn)行比較后自動(dòng)產(chǎn)生PWM波，而后依次送入相應(yīng)的PWM輸出通道，完成PWM波的輸出。采用軟件方法實(shí)現(xiàn)PWM波的原理如圖5所示，它對(duì)應(yīng)于圖1的第1扇區(qū)。當(dāng)位于不同的扇區(qū)，不同的PWM周期時(shí)，它們的值都不相同，都是實(shí)時(shí)變化的。同樣，賦給每一個(gè)PVALX(H:L)寄存器的值也就不盡相同。這種產(chǎn)生對(duì)稱PWM波形的方法，每個(gè)PWM周期都開(kāi)始和結(jié)束于零向量，并且000和111的持續(xù)時(shí)間相同；同時(shí)，除了占空比0％和100％外，每個(gè)周期內(nèi)各橋臂通斷兩次，而且對(duì)于一個(gè)扇區(qū)來(lái)講，橋臂的通斷都有一個(gè)固定的順序。         

圖5    軟件實(shí)現(xiàn)原理圖      

2.4    串行通信 
系統(tǒng)采用串行通信設(shè)計(jì)了相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)，使其具有良好的人機(jī)界面。其中逆變系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)均采用MAXIM公司的串行接口芯片MAX3082，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RS-485總線準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)了相互的串行通信。同時(shí)，運(yùn)用光耦隔離的辦法增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，提高了通信的可靠性。雙方約定波特率9600bps，工作于半雙工模式，并采用校驗(yàn)和的校驗(yàn)方法檢驗(yàn)數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確性。  
MR16工作頻率設(shè)為8MHz，初始化程序如下：
      MOV    ?！?0,    SCC1    ；    每一幀10位數(shù)據(jù)，

                                        啟動(dòng)SCI模塊

        MOV    ?！?C,    SCC2    ；    發(fā)送器和接收器使能

        MOV    ＃＄00,    SCC3    ；    屏蔽出錯(cuò)中斷

        MOV    ?！?0,    SCBR    ；    設(shè)置波特率為9600bps

2.5    軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，包括初始化模塊，讀X5043模塊，保護(hù)模塊，通信顯示模塊，PI調(diào)節(jié)模塊，軟啟動(dòng)模塊以及中斷模塊等。其中除中斷模塊在中斷服務(wù)程序中完成以外，其他均放在主程序中完成。主程序流程如圖6所示。

圖6    主程序流程圖
初始化模塊包括MR16內(nèi)部寄存器初始化，變量存儲(chǔ)單元定義，通信初始化設(shè)置等部分；芯片X5043把三種常見(jiàn)的電路，即看門(mén)狗電路，電壓監(jiān)視和EEPROM組合在單個(gè)封裝內(nèi)，它內(nèi)含的4KbitEEPROM存儲(chǔ)著上次關(guān)機(jī)時(shí)正常運(yùn)行的參數(shù)值設(shè)置，每次開(kāi)機(jī)時(shí)系統(tǒng)都將這些參數(shù)值讀到MR16中，這樣就使系統(tǒng)具有記憶功能，使用戶不必每次開(kāi)機(jī)時(shí)都要對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)置。保護(hù)模塊則實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的過(guò)熱，過(guò)載，過(guò)流以及系統(tǒng)低頻保護(hù)等保護(hù)功能。其中過(guò)流保護(hù)由硬件完成，以保證系統(tǒng)能在過(guò)流產(chǎn)生后的極短時(shí)間內(nèi)迅速封鎖全部的PWM輸出。調(diào)節(jié)模塊主要完成穩(wěn)壓輸出的功能，而通信顯示模塊則是方便人機(jī)交流的界面，通過(guò)它可以進(jìn)行多種功能的設(shè)定，系統(tǒng)狀態(tài)的顯示以及各種參數(shù)的修改。

3    結(jié)語(yǔ)   按照上述思想制成實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，圖7及圖8分別是變頻器帶載時(shí)用示波器觀察到的系統(tǒng)試驗(yàn)波形?？梢?jiàn)，變頻器輸出波形的正弦度良好，符合理論設(shè)計(jì)的預(yù)期要求。 圖7    相電壓波形  
圖8    相電流波形

    MR16中頗具特色的部分是專門(mén)用于電機(jī)控制的PWMMC模塊。該模塊可以產(chǎn)生3對(duì)互補(bǔ)的PWM信號(hào)或6個(gè)獨(dú)立的PWM信號(hào)，這些PWM信號(hào)可以是中心對(duì)準(zhǔn)方式也可以是邊緣對(duì)準(zhǔn)方式。6個(gè)通道都有一個(gè)12位的PWM計(jì)時(shí)器，PWM分辨率在邊緣對(duì)準(zhǔn)方式時(shí)是一個(gè)時(shí)鐘周期，而中心對(duì)準(zhǔn)方式時(shí)是兩個(gè)時(shí)鐘周期，這樣邊緣對(duì)準(zhǔn)方式的最高分辨率是125ns（內(nèi)部工作頻率為8MHz）而中心對(duì)準(zhǔn)方式的最高分辨率為250ns。當(dāng)PWMMC模塊工作于互補(bǔ)模式時(shí)，模塊功能部件自動(dòng)地將死區(qū)時(shí)間嵌入到PWM的輸出信號(hào)中，并可以根據(jù)感應(yīng)電機(jī)的相電流極性輕易地翻轉(zhuǎn)PWM數(shù)據(jù)。PWMMC模塊還含有4個(gè)故障保護(hù)引腳FAULT1～FAULT4，當(dāng)任意一個(gè)故障保護(hù)端口為高電平時(shí)就封鎖相應(yīng)的PWM輸出引腳。例如,當(dāng)系統(tǒng)過(guò)流時(shí)，就置位FAULT引腳封鎖所有PWM輸出，這樣就封鎖了IGBT的驅(qū)動(dòng)電路，從而實(shí)現(xiàn)了過(guò)流保護(hù)功能。為了避免由干擾引起的誤操作，MR16的每個(gè)故障引腳都帶有一個(gè)濾波器，并且所有的外部故障引腳都可由軟件配置來(lái)再使能PWM，這些都給軟件設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的方便。