摘要：介紹了一種基于空間矢量PWM算法的變頻電源的實現(xiàn)方式。系統(tǒng)采用MOTOROLA公司的電機控制專用芯片68HC908MR16，通過PI調節(jié)將直流電逆變成頻率可調的三相正弦波交流電，同時利用串行通信實現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)顯示和參數修改。
關鍵詞：空間矢量；脈寬調制；變頻器；專用芯片MR16
0 引言
隨著拖動技術的不斷發(fā)展以及大功率電力電子器件的不斷更新，交流異步電機V/f控制PWM變頻電源在工業(yè)上的應用越來越廣泛。傳統(tǒng)的SPWM變頻調速技術理論成熟，原理簡單，易于實現(xiàn)，但其逆變器輸出線電壓的幅值最大值僅為0.866Ud，直流側電壓利用率較低；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到Ud，較SPWM調制方式提高了15％，且在同樣的載波頻率下，采用SVPWM控制方式的逆變器開關次數少，降低了開關損耗。為此，本文運用SVPWM算法，將逆變器和電機作為整體考慮，并綜合三相電壓，通過實時計算，利用MR16單片機實現(xiàn)了電機的恒磁通變頻調速控制。
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個開關器件組成。逆變器輸出的空間電壓矢量為
（1）
根據同一橋臂的上下兩個開關器件不能同時導通的原則，其三相橋臂開與關可以有8種狀態(tài)。在這8種開關模式中，有6種開關模式輸出電壓，在三相電機中形成相應的6個磁鏈矢量，另外2種開關模式不輸出電壓，不形成磁鏈矢量，稱之為零矢量。各種狀態(tài)形成的矢量在空間坐標系中的位置關系如圖2所示。括號內的二進制數依相序A，B，C表示開關的不同狀態(tài)，“1”表示上橋臂功率器件導通，下橋臂器件關閉；“0”表示的工作狀態(tài)與此相反。任意一個電壓空間矢量的幅值和旋轉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關時刻。因此，三相橋式逆變器的目標就是利用這8種基本矢量的時間組合，去近似模擬合成這樣一個磁鏈圓。
圖1 電壓型逆變器原理圖
圖2 逆變器輸出電壓空間矢量
通常將一個圓周期6等份，并習慣地稱之為扇區(qū)。每一扇區(qū)又可繼續(xù)劃分為任意的m個小等份。當理想電壓矢量位于任一扇區(qū)之中時（如圖2所示），就用該扇區(qū)的兩個邊界矢量和兩個零矢量去合成該矢量，例如：當理想電壓矢量處于第一扇區(qū)時就由和兩個非零矢量以及零矢量合成，其他扇區(qū)依此類推。假設理想電壓矢量位于圖3所示的位置，依據正弦定理可以得到式（2）—式（4）。
(0<θ<π/3) （2）
（3）
t0=Ts－t1－t2 （4）
式中：Us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；
Ts為PWM周期； [!--empirenews.page--]
t1為的作用時間；
t2為的作用時間；
t0為零矢量的作用時間；
。
圖3α－β坐標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)邊界的兩個非零矢量和零矢量合成，在實際合成時可采用每一個非零矢量分別發(fā)出兩次，零矢量則依次插入各個分割點的方法。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時間，再發(fā)零矢量作用t0/4時間，而后發(fā)出非零矢量作用t2/2時間，接著發(fā)出零矢量作用t0/4時間。然后再依此次序重發(fā)矢量一次，就完成了整個合成過程。之所以采用這種合成方法是因為系統(tǒng)工作到低頻時，控制周期變長，而每個周期內非零矢量的作用時間又是一定的，也就是說零矢量的作用時間相應的變長了。于是就將一個周期中太長的零矢量分開成幾個零矢量，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矩脈動。對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)的特例來處理，即有一個非零矢量的作用時間為0。
2 系統(tǒng)實現(xiàn)
2.1 主電路拓撲結構
主電路采用三相全橋逆變電路，其拓撲結構如圖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載額定功率及直流側輸入電壓有關。交流電機變頻調速不僅要求輸出電壓為正弦波，而且要求電壓和頻率協(xié)調變化，即要求電壓V和頻率f要同時變化并滿足一定的規(guī)律，如V/f為常數，這樣才能保證異步電機轉子磁通在變頻調速過程中保持恒定。采用空間矢量PWM控制法驅動逆變橋，可以實現(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，響應速度快，控制簡單。
圖4 系統(tǒng)主電路拓撲結構
2.2 控制芯片
本系統(tǒng)采用MOTOROLA公司的電機控制專用單片機68HC908MR16（以下簡稱MR16）作為主控芯片，它是一種高性能，低成本的8位單片機。MR16內部集成有16K字節(jié)的可擦寫片內閃速存儲器FLASH，768字節(jié)的RAM；具有10位精度的10通道ADC模塊，其AD轉換時間最快僅需2μs，能夠在極短時間內完成多路采樣并進行高精度轉換；同時MR16含有一個可編程時鐘發(fā)生器模塊(CGM)，系統(tǒng)時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緩沖后再經內部鎖相環(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SCI模塊能方便地實現(xiàn)系統(tǒng)與外部的實時通信。
MR16中頗具特色的部分是專門用于電機控制的PWMMC模塊。該模塊可以產生3對互補的PWM信號或6個獨立的PWM信號，這些PWM信號可以是中心對準方式也可以是邊緣對準方式。6個通道都有一個12位的PWM計時器，PWM分辨率在邊緣對準方式時是一個時鐘周期，而中心對準方式時是兩個時鐘周期，這樣邊緣對準方式的最高分辨率是125ns（內部工作頻率為8MHz）而中心對準方式的最高分辨率為250ns。當PWMMC模塊工作于互補模式時，模塊功能部件自動地將死區(qū)時間嵌入到PWM的輸出信號中，并可以根據感應電機的相電流極性輕易地翻轉PWM數據。PWMMC模塊還含有4個故障保護引腳FAULT1～FAULT4，當任意一個故障保護端口為高電平時就封鎖相應的PWM輸出引腳。例如,當系統(tǒng)過流時，就置位FAULT引腳封鎖所有PWM輸出，這樣就封鎖了IGBT的驅動電路，從而實現(xiàn)了過流保護功能。為了避免由干擾引起的誤操作，MR16的每個故障引腳都帶有一個濾波器，并且所有的外部故障引腳都可由軟件配置來再使能PWM，這些都給軟件設計帶來了極大的方便。 [!--empirenews.page--]
2.3 PWM波形成
本系統(tǒng)利用MR16單片機中的PWMMC模塊，實現(xiàn)PWM波形的生成。在初始化時將其設置為3對互補工作模式，即同一橋臂上的兩路PWM信號是互補的。為了防止同一橋臂上的2個開關管直通，在無信號發(fā)生器DEADTIME的死區(qū)時間寄存器DEADTM中設置了2.5μs的死區(qū)時間。系統(tǒng)采用4MHz的外部晶振，由程序選擇內部鎖相環(huán)頻率合成器產生8MHz內部總線時鐘。同時設置載波頻率為9kHz，并將其寫入PMOD(H:L)寄存器。PWM波的實時脈沖寬度的計算都是在中斷服務程序中完成的，每當PWMMC模塊中的PCTN(H:L)計數器計數至PMOD(H:L)中的數值時就引起一次中斷。預先將一個扇區(qū)（60°）的正弦值擴大一定倍數后制成正弦表格存入FLASH中，每次進入中斷后都從表中取出一個正弦值，經過相應的計算后將結果送入PVALX(H:L)寄存器中，單片機將PCTN(H:L)中的值與PVALX(H:L)中的值進行比較后自動產生PWM波，而后依次送入相應的PWM輸出通道，完成PWM波的輸出。采用軟件方法實現(xiàn)PWM波的原理如圖5所示，它對應于圖1的第1扇區(qū)。當位于不同的扇區(qū)，不同的PWM周期時，它們的值都不相同，都是實時變化的。同樣，賦給每一個PVALX(H:L)寄存器的值也就不盡相同。這種產生對稱PWM波形的方法，每個PWM周期都開始和結束于零向量，并且000和111的持續(xù)時間相同；同時，除了占空比0％和100％外，每個周期內各橋臂通斷兩次，而且對于一個扇區(qū)來講，橋臂的通斷都有一個固定的順序。
圖5 軟件實現(xiàn)原理圖
2.4 串行通信
系統(tǒng)采用串行通信設計了相應的監(jiān)控系統(tǒng)，使其具有良好的人機界面。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，通過標準RS-485總線準確實時地實現(xiàn)了相互的串行通信。同時，運用光耦隔離的辦法增強了系統(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，并采用校驗和的校驗方法檢驗數據通信的準確性。
MR16工作頻率設為8MHz，初始化程序如下：
MOV ＃＄50, SCC1 ； 每一幀10位數據，
啟動SCI模塊
MOV ?！?C, SCC2 ； 發(fā)送器和接收器使能
MOV ?！?0, SCC3 ； 屏蔽出錯中斷
MOV ?！?0, SCBR ； 設置波特率為9600bps
2.5 軟件設計
系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，包括初始化模塊，讀X5043模塊，保護模塊，通信顯示模塊，PI調節(jié)模塊，軟啟動模塊以及中斷模塊等。其中除中斷模塊在中斷服務程序中完成以外，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 [!--empirenews.page--]
初始化模塊包括MR16內部寄存器初始化，變量存儲單元定義，通信初始化設置等部分；芯片X5043把三種常見的電路，即看門狗電路，電壓監(jiān)視和EEPROM組合在單個封裝內，它內含的4KbitEEPROM存儲著上次關機時正常運行的參數值設置，每次開機時系統(tǒng)都將這些參數值讀到MR16中，這樣就使系統(tǒng)具有記憶功能，使用戶不必每次開機時都要對系統(tǒng)參數進行重新設置。保護模塊則實現(xiàn)了系統(tǒng)的過熱，過載，過流以及系統(tǒng)低頻保護等保護功能。其中過流保護由硬件完成，以保證系統(tǒng)能在過流產生后的極短時間內迅速封鎖全部的PWM輸出。調節(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交流的界面，通過它可以進行多種功能的設定，系統(tǒng)狀態(tài)的顯示以及各種參數的修改。
3 結語
按照上述思想制成實驗樣機，圖7及圖8分別是變頻器帶載時用示波器觀察到的系統(tǒng)試驗波形?？梢?，變頻器輸出波形的正弦度良好，符合理論設計的預期要求。
圖7 相電壓波形
圖8 相電流波形
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