用于可變扭矩和恒定扭矩的變速應(yīng)用中的電機(jī)控制PWM模塊

前言

由于能夠節(jié)省能源，并采用了更為先進(jìn)的控制技術(shù)，感應(yīng)電機(jī)變速控制在過去十年中的使用量呈現(xiàn)顯著增長態(tài)勢。這對那些只需要在很少的時間段內(nèi)進(jìn)行全速運(yùn)行的應(yīng)用來說尤其如此，如某些風(fēng)扇和泵站負(fù)荷等。由于線路連接交流電機(jī)具有速度難以控制的特征，類似的負(fù)荷需求變化過去一直通過控制電機(jī)和載荷來進(jìn)行處理，這與用油門踏板驅(qū)動汽車、用剎車控制速度非常相似。然而，通過直接控制電機(jī)的運(yùn)行速度，與直接的線路連接電機(jī)操作相比，某些應(yīng)用可節(jié)省高達(dá)75%的電能。

在實(shí)現(xiàn)對變速交流電機(jī)的控制方面，有多種先進(jìn)程度各不相同的技術(shù)。如果所有運(yùn)行速度都需要高帶寬扭矩控制，就要采用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速傳感器或利用電機(jī)本身作為反饋傳感器的現(xiàn)場控制技術(shù)。由于交流感應(yīng)電機(jī)在本質(zhì)上不同步，因此完成這一操作所需的計算通常需要一片高性能控制器來完成，比如DSP。然而，實(shí)際上很多（如果在數(shù)量上不是大多數(shù)的話）變速交流電機(jī)控制應(yīng)用只要求適度的扭矩控制性能，頻率可以低至5Hz。在這些情況下，只控制電機(jī)的波形電壓和頻率（伏特/赫茲控制）是最為經(jīng)濟(jì)的手段。

如果不考慮所選的控制拓?fù)洌豢煞裾J(rèn)，開發(fā)變速驅(qū)動器的很大一部分任務(wù)就是軟件的開發(fā)以及與之相關(guān)的工具投入。由于MC3PHAC不需要編程，就省去了這一部分要求，從而可以縮短項目的總體開發(fā)和調(diào)試時間。作為一個“固定”解決方案，平衡這些優(yōu)勢必須以降低靈活性為代價來實(shí)現(xiàn)。然而，該解決方案在設(shè)計之初就已經(jīng)充分考慮到這一點(diǎn)，確保通常由高性能交流驅(qū)動的大多數(shù)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)都能進(jìn)行動態(tài)配置，從而使MC3PHAC得以用于多數(shù)變速配置之中。此外，MC3PHAC還使用了一個串行接口，該接口采用特殊的通信協(xié)議，使PC或微控制器可以作為主機(jī)來實(shí)時配置運(yùn)行特征并控制電機(jī)。例如，通過主機(jī)軟件，計算機(jī)可以對伏特/赫茲關(guān)系進(jìn)行完全控制，使MC3PHAC能用于可變扭矩和恒定扭矩的變速應(yīng)用中。

先進(jìn)的電機(jī)控制 PWM

MC3PHAC功能的核心是一個先進(jìn)的PWM模塊，它是專為滿足高性能交流驅(qū)動的苛刻要求而設(shè)計的。該模塊在8 MHz 頻率上運(yùn)行（循環(huán)發(fā)送間隔時間為125nS），在3組配套PWM中生成6個居中排列的PWM信號。這就使MC3PHAC能直接連接到幾乎所有三相交流電機(jī)驅(qū)動都固有的變頻器上，如圖1所示。高端PWM信號的極性可以獨(dú)立于低端PWM極性進(jìn)行指定。在每個補(bǔ)充信號線對的on-times 之間插入停滯時間，而且停滯時間可以在125 nS的增量內(nèi)調(diào)整為0至32 μS之間的任何值。

圖 1. 使用MC3PHAC的典型三相交流電機(jī)驅(qū)動

PWM信號的頻率可以指定為表1顯示的4個PWM頻率及每個頻率的有效PWM分辨率中的一個。每路PWM輸出從一個512條目的表中合成而來，該表由8比特值組成，如圖2所示。盡管這會把最大值分辨率的輸出波形限定在8比特，但并不意味著PWM分辨率本身也限定在8比特，對那些較小的調(diào)制指數(shù)來說尤其如此。PWM分辨率定義了在整個調(diào)制范圍（0%到100%）內(nèi)可以有多少個不同的值，這些值與輸出波形的最大值分辨率不同。

表1. PWM頻率及相應(yīng)的分辨率

圖2. MC3PHAC中用于波形合成的表

與波形表條目的分辨率相比，對波形失真產(chǎn)生更大影響的另外一個因素就是更新電機(jī)波形的取樣頻率。由于PWM模塊的作用如同取樣和保持功能，因此波形失真會以兩種方式體現(xiàn)出來。首先，取樣和保持功能會造成相位滯后，當(dāng)取樣頻率降低時相位滯后就會增加。在生成開放環(huán)路波形時，通常來講不會構(gòu)成問題。然而，當(dāng)執(zhí)行任何封閉環(huán)路功能（如總線-紋波補(bǔ)償）時就必須把它考慮進(jìn)去，這一點(diǎn)留待以后討論。其次，由于PWM值一直要保持到下一次更新，因此會導(dǎo)致“步進(jìn)式”波形的出現(xiàn)，與參照正弦波相比，會造成振幅失真。該失真與波形的第一個導(dǎo)數(shù)成比例，這意味著從圖2中合成的輸出波形在零交叉附近快速變化時將會出現(xiàn)更嚴(yán)重的失真。

由于對所有非零導(dǎo)數(shù)功能來說，失真與相位的不確定性有關(guān)，因此取樣頻率和輸出電機(jī)的波形頻率也會影響失真。對于除15.9kHz外的所有載波頻率來說，MC3PHAC PWM以5.3kHz的取樣頻率更新，從而導(dǎo)致+/- 95μS的定時抖動。對15.9kHz載波來說，PWM以4kHz的頻率更新，其定時抖動為+/-126μS。這會導(dǎo)致與電機(jī)波形頻率成比例的相位的不確定性，如圖3所示。當(dāng)電機(jī)波形的頻率降至10Hz以下時，由于達(dá)到了512點(diǎn)波形表的相位分辨率，相位抖動沒有什么改進(jìn)。在這兩個更新頻率上，結(jié)果都是電機(jī)波形與使用更高波形分辨率的設(shè)計相比，前者的精確性更高，但波形更新頻率要比后者低。

圖 3. 與電機(jī)波形頻率相關(guān)的MC3PHAC相位的不確定性

從圖2中我們可以看出，波形中包含了添加到正弦波的第三個諧波成分，與傳統(tǒng)的正弦調(diào)制相比，它把相到相的調(diào)幅提高了15%。然而，由于這種調(diào)制技術(shù)會導(dǎo)致共模第三諧波頻率成分，因此，它把MC3PHAC的使用限制在擁有浮接中心線（floaTIng neutral）的三相負(fù)載上。此外，由于輸出電壓波形的總和不再為零，它還對三相輸出的合成技術(shù)帶來限制。

運(yùn)行模式

MC3PHAC可以運(yùn)行于以下兩種模式之一：獨(dú)立模式或主機(jī)模式。 模式選擇在加電啟動時根據(jù)管腳20的狀態(tài)進(jìn)行。下面將詳細(xì)介紹這兩種模式。

獨(dú)立模式

在這種模式中，MC3PHAC運(yùn)行參數(shù)通過連接到設(shè)備的無源組件來在加電啟動時配置。一旦MC3PHAC確定沒有外部主機(jī)（管腳20處于高電位），它就開始詢問外部連接的電阻器網(wǎng)絡(luò)以獲取運(yùn)行參數(shù)，如速度范圍、停滯時間和電源穩(wěn)壓器等。其它參數(shù)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中繼續(xù)實(shí)時輸入，如開始/停止、前進(jìn)/后退、電機(jī)速度、PWM頻率、總線電壓和加速度等。從系統(tǒng)的總成本角度看，獨(dú)立模式是最經(jīng)濟(jì)的模式，因?yàn)樵贛C3PHAC運(yùn)行時不需要主機(jī)控制器。圖4顯示了獨(dú)立模式中使用MC3PHAC的電路示意圖。

圖4. 以獨(dú)立模式運(yùn)行的MC3PHAC示意圖

主機(jī)模式

MC3PHAC的第二種運(yùn)行模式稱為主機(jī)模式，該模式利用一臺運(yùn)行主機(jī)軟件（可以從摩托羅拉公司購買）的PC或模仿主機(jī)軟件命令的微控制器。與使用離散組件來指定運(yùn)行參數(shù)不同的是，它們直接從主機(jī)上通過軟件進(jìn)行控制。

在加電啟動后，MC3PHAC可以通過讀取管腳20的值（邏輯低電位）檢測到外部主機(jī)。在MC3PHAC繼續(xù)初始化，進(jìn)入一個惰性的安全狀態(tài)后，它仍然處于休眠狀態(tài)，等待串行接口接到指定運(yùn)行參數(shù)的命令。在接受到某些關(guān)鍵參數(shù)（如PWM極性和停滯時間信息等）前，MC3PHAC不允許激活電機(jī)。主機(jī)模式允許外部控制器監(jiān)視并控制MC3PHAC運(yùn)行的所有方面。與獨(dú)立模式相比，它允許對系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行更全面的控制，詳見下表。

表2. 獨(dú)立運(yùn)行模式和主機(jī)運(yùn)行模式比較

在主機(jī)模式中，我們甚至可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。通過運(yùn)行連接到MC3PHAC的獨(dú)立服務(wù)器應(yīng)用（也可以從摩托羅拉購買），運(yùn)行前面提到的主機(jī)軟件的遠(yuǎn)程計算機(jī)可以從世界的一個地方對另一個地方的電機(jī)進(jìn)行控制。

圖5. 主機(jī)模式下的MC3PHAC 示意圖

主機(jī)模式下使用MC3PHAC的電路示例如圖5所示。

圖 6 顯示了使用摩托羅拉接口主機(jī)軟件控制MC3PHAC的GUI。

圖 6. MC3PHAC使用的主機(jī)軟件GUI界面

總線漣波消除

在很多交流驅(qū)動中，變頻器由一個擁有較大并聯(lián)連接的電容器（作用如同一個能量庫）的直流總線供電。為了防止總線上的波動影響到電機(jī)波形，該電容器的容量通常設(shè)計得很大，特別是使用標(biāo)準(zhǔn)的整流器為總線供電時。這些波動可能是交流電源線上產(chǎn)生的電涌造成的，也可能是電機(jī)快速減速的再生，甚至可能是由交流電路整流引起的更高頻率波動。由于MC3PHAC采用較高的總線反饋取樣頻率，所有這些失真都可以進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)PWM頻率，每18？或252μS取樣DC_BUS輸入管腳，讀數(shù)被用來實(shí)時補(bǔ)償調(diào)制指數(shù)以調(diào)整電機(jī)電流。盡管很多交流驅(qū)動都實(shí)施相似的功能，但由于它們的總線電壓取樣頻率太低而不能進(jìn)行實(shí)時漣波去除，因此它們只能對較低的頻率失真進(jìn)行補(bǔ)償。

請參見圖7，假設(shè)晶體管以零停滯時間以補(bǔ)充方式驅(qū)動，定義輸出波形平均電壓的方程式如下：

方程式1

其中，表示平均輸出電壓th（t）表示PWM波形的峰值時間 T表示PWM時間段Vbus（t）表示直流總線的電壓

圖7. 從半橋中生成的PWM波形

需要注意的是，方程式1并沒有假定Vbus 是一個常量，而是時間T的一個函數(shù)。然而，讓我們假設(shè)Vbus有一個最合適的值，并把這個值稱為Vnorm，這樣一來，當(dāng)Vbus（t）等于Vnorm時，根據(jù)指定的PWM高時間和時段，就等于值。然而，當(dāng)Vbus（t）不等于Vnorm時，通過在方程式1中為調(diào)制項 th（t）/T應(yīng)用一個修正因子，仍然有可能和相等，如方程式2所示。

其中，Vnorm表示Vbus（t）的最佳值或參照值［ ］內(nèi)的項是修正因子

由于略去了Vbus（t） 項，我們發(fā)現(xiàn)，總線電壓中的任何干擾都不會影響輸出電壓。而且，由于th（t）/T比總是一個正的小數(shù)值，所以我們必須保證不管希望輸出什么樣的波形，都應(yīng)該進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和偏移以反映這一點(diǎn)。舉例來說，如果需要正弦調(diào)制，那么正弦波調(diào)幅就應(yīng)該進(jìn)行調(diào)整，使它不超過最大值1，而且波形應(yīng)偏移1/2，以實(shí)現(xiàn)動態(tài)范圍的完全利用。如果我們修改方程式2來反應(yīng)這一點(diǎn)，計算輸出的所有三種相位，我們會得出如下方程式：

其中，X是輸出相位的編號（1，2，3） WO是輸出波形的頻率M是調(diào)制指數(shù)（0到1）

方程式3消除了輸出波形的所有總線漣波。然而，這并不是最理想的狀況，因?yàn)檩敵霾ㄐ卧?/2 Vnorm固定電壓上有一定的誤差，真正的固定電壓應(yīng)該是1/2 Vbus（t）。需要注意的是，調(diào)制模型由兩項組成，分別是1/2 直流項和交流正弦項。在方程式3中，這兩項都可以修正，事實(shí)上卻只有交流項可以修正。如果我們從直流項對修改進(jìn)行去耦操作，交流波形就可以在地面和Vbus（t）的動態(tài)范圍內(nèi)以自我為中心。重新書寫方程式3來實(shí)現(xiàn)去耦，我們就可以得出方程式4。

這是MC3PHAC中使用的技術(shù)。Vbus（t）在每個PWM更新間隔（18？或252μS）進(jìn)行取樣，并被分成表示3.5伏Vnorm值的數(shù)。由此產(chǎn)生的修改因子只被應(yīng)用到調(diào)制指數(shù)（M）中，以修改Vbus（t）中因干擾引起的輸出波形的任何失真。由于直流項不能應(yīng)用修改因子，在偏壓上就會出現(xiàn)一個人為產(chǎn)生的噪聲（Noise Artifact）。然而，由于這個噪音對所有三個輸出波形來說是共模信號，它將被電機(jī)拒絕，假定它的中間節(jié)點(diǎn)是浮動的。

圖8顯示了1/2hp電機(jī)的實(shí)際電流波形圖，該電機(jī)由60 Hz上的單相115 V交流輸入電壓提供電源，且有大量的總線漣波。在第一個波形圖中，MC3PHAC 總線漣波消除功能被關(guān)閉，波形中的失真反映了這一點(diǎn)。第二個波形圖顯示了同樣的情況，但我們明顯地看到它的總線漣波消除功能被激活并有效地消除了漣波。

圖8. MC3PHAC的總線漣波消除功能的影響

速度整平和更改

假定ACCEL管腳上的電壓保持一個常量，或者加速度值通過主機(jī)軟件被設(shè)置為一個常量，MC3PHAC就會生成一個線速配置文件。為了獲取其它類型的配置文件，當(dāng)速度沿斜線上升時，加速度值必須動態(tài)變化。例如，為了獲得拋物線速度配置文件，當(dāng)速度沿斜線上升時，加速度必須在線性配置文件中變動。

MC3PHAC中的速度配置程序（velocity Profiler）不但要負(fù)責(zé)控制電機(jī)的速度，還要負(fù)責(zé)控制電機(jī)的電壓，因?yàn)檫@兩者在每赫茲伏特控制器中彼此相關(guān)。為了實(shí)施MC3PHAC中嵌入的所有功能，速度配置程序每秒需要進(jìn)行很多計算，這會影響到速度更新的頻率。如果計算頻率太低，就會創(chuàng)建步進(jìn)式速度配置文件，從而導(dǎo)致速度沿斜線上升時產(chǎn)生扭矩干擾和振動。

MC3PHAC采用兩種技術(shù)來共同消除這個問題。第一種技術(shù)是速度整平，如圖9所示。

圖 9. 速度整平（Velocity Pipelining）

各個垂直的分區(qū)表示PWM的更新間隔。正如我們所看到的，在每16個更新間隔上，觸發(fā)一次速度配置程序以合成新的速度和電壓信息。在圖中，速度配置程序的第一次觸發(fā)生成一個標(biāo)為w2的速度。

然而，需要指出的是，應(yīng)用到該電機(jī)的PWM波形直到后來才反映該轉(zhuǎn)速。這種“整平”的作用允許PWM波形在原有的速度數(shù)據(jù)上構(gòu)建，同時速度配置程序生成新的速度數(shù)據(jù)。由于速度配置程序的速度輸出波形的絕對時間參照是任意的（過度再生情況中的減速放緩除外），這種速度整平表示的相位延遲將不會對系統(tǒng)造成負(fù)面影響。

為了進(jìn)一步提高速度波形的分辨率，MC3PHAC還采用了一種修改技術(shù)，允許速度波形在每個PWM更新間隔上根據(jù)新的值進(jìn)行更新。圖10顯示了一個速度上升的波形示例，其中來自配置程序的各個具體的速度輸出值分別用一個圓點(diǎn)表示。這些更新每3或4μS發(fā)生一次（視PWM頻率情況而定），在加速和減速過程中還可能導(dǎo)致電機(jī)達(dá)不到最優(yōu)性能。

每次觸發(fā)配置程序時，都會提供三個輸出值，分別是原有速度、“delta”速度和調(diào)制指數(shù)（未在圖10中顯示）。在每個PWM更新間隔，delta速度值都會分成更細(xì)的速度增量。通過在每次更新PWM時把這些增量添加到原有的速度值中，就會生成一條新的速度曲線，該曲線增加了16x分辨率，所圖10所示。因此，電機(jī)可以非常平穩(wěn)地從一個速度過渡到另一個速度。

圖10. 速度修改（Velocity Pipelining）

系統(tǒng)監(jiān)視和保護(hù)

由于MC3PHAC設(shè)計用來控制處理危險的高電壓和高電流的逆變器，因此它融入了一系列系統(tǒng)監(jiān)視和保護(hù)功能。在有些情況下，當(dāng)探測到問題時，MC3PHAC會立即做出響應(yīng)，努力降低故障的影響。在另外一些情況中， PWM會立即關(guān)閉，直到問題解決，同時完成超時操作，表明可以安全重啟。對兩種類型的故障模式（低Vdd 和晶體探測丟失）來說，MC3PHAC會重啟，致使PWM立即進(jìn)入高抗阻狀態(tài)，并迫使重新設(shè)置連接到復(fù)位管腳的所有外部硬件。每種保護(hù)功能都按問題的嚴(yán)重性在下面進(jìn)行詳細(xì)討論。

高總線電壓

由于MC3PHAC 為交流驅(qū)動提供的PWM類型會導(dǎo)致變頻器的完全4 象限運(yùn)行，因此能量可從電機(jī)回傳給直流總線。然而，在很多情況下，會阻止這種能量返回交流主線，而是作為1/2CV2儲存在總線電容器中。在大多數(shù)情況下，這種情況都是電機(jī)大幅減速的結(jié)果。如果總線電壓超過表2中描述的“總線電壓Decel值”的限制，MC3PHAC就會減緩降速以調(diào)整再生處理。而且，如果總線電壓超過表2中描述的“總線電壓Decel值”限制，MC3PHAC就會激活RBRAKE管腳，在電容器上打開一個電阻負(fù)載，釋放再生能量而不是把它儲存起來。圖11顯示了通過1/2 hp電機(jī)的加速和減速獲得的波形及其對總線電壓的相應(yīng)影響。在這種情況下，只使用電阻制動來限制總線電壓，并把“總線電壓Rbrake值”設(shè)置為其默認(rèn)值的110%。

圖11. 用RBRAKE Clamping加速和減速時直流總線的電壓

過高的總線電壓

如果上面描述的技術(shù)在限制直流總線電容器上的電壓時并不成功，總線電壓超出表2中描述的“總線電壓過壓值”限制，PWM輸出就立即關(guān)閉。在總線電壓降至安全限制范圍內(nèi)前，它會一直保持關(guān)閉狀態(tài)，并出現(xiàn)指定的超時操作，顯示可以安全地為變頻器接通電源。

低壓總線

如果總線電壓降得過低（如在電力管制條件下），某些由總線供電的系統(tǒng)的功能就會不穩(wěn)定，導(dǎo)致其它系統(tǒng)問題。如果總線電壓降至表2中描述的“總線電壓過壓值”門限以下，PWM輸出將被關(guān)閉，并根據(jù)上面對過壓條件的描述重新激活。

外部故障條件

MC3PHAC內(nèi)置有一個稱為“FAULT IN”管腳的特殊輸入單元，以處理其它系統(tǒng)故障。用戶應(yīng)自己決定該管腳監(jiān)視哪些系統(tǒng)參數(shù)。與以前討論過的故障模式不同，那些故障模式都是基于以PWM更新取樣頻率對DC BUS IN管腳的取樣，而它則是數(shù)字輸入，一旦確定是數(shù)字輸入，就會在使用后立即關(guān)閉PWM。如果輸入被拒絕，PWM就會在指定的超時，表明可以安全地為變頻器接通電源后重新激活。

時鐘檢測丟失

放松MC3PHAC的輸入時鐘（或任何標(biāo)準(zhǔn)的微型時鐘或DSP）可能意味著電機(jī)控制系統(tǒng)的潛在危險環(huán)境。事實(shí)上，有些法律機(jī)構(gòu)正強(qiáng)制要求對某些設(shè)備應(yīng)用進(jìn)行“失效晶體”測試，以確認(rèn)所有可能造成安全危險的應(yīng)用的電源都已關(guān)閉。在交流電機(jī)控制系統(tǒng)中，最可能出現(xiàn)的故障是PWM信號可能凍結(jié)于目前條件，使變頻器中的某些晶體管打開。這樣，電機(jī)、變頻器或兩者就很容易毀壞。借助MC3PHAC，這些問題將不復(fù)存在，因?yàn)槿绻斎霑r鐘丟失，設(shè)備會立即重新設(shè)置系統(tǒng)并關(guān)閉PWM輸出。

低Vdd保護(hù)

與輸入時鐘的丟失一樣，較低的Vdd 值可能導(dǎo)致危險的系統(tǒng)故障，因?yàn)镸C3PHAC和其它關(guān)閉Vdd的電路功能會發(fā)生混亂。MC3PHAC內(nèi)置一個板上電壓監(jiān)視器，當(dāng)Vdd 的電壓降到4伏以下時，它會重新復(fù)位系統(tǒng)。它允許使用5伏電源，不管其輸出電壓是否規(guī)定為5%或10%的容許量。

結(jié)論

到此，我們已經(jīng)全面介紹了一款控制交流感應(yīng)電機(jī)速度的器件，它可以應(yīng)用到大多數(shù)開放式環(huán)路、伏特/赫茲控制的應(yīng)用中而無需對其進(jìn)行編程。這樣就可以極大地減輕一線開發(fā)工作量并降低開發(fā)成本，同時它還保持了一定的靈活性，以滿足眾多變速應(yīng)用的要求。

MC3PHAC向市場推出幾種標(biāo)準(zhǔn)封裝。其中有兩種28管腳封裝：28管腳、6英寸寬、塑料DIP和28管腳塑料SOIC。此外，我們還提供32管腳（QFP） 塑料四方扁平封裝。所有封裝都能在從-40℃ 到105℃的溫度范圍內(nèi)工作。目前，該芯片還可以提供無鉛封裝的版本。