通過優(yōu)化PWM算法提高智能微控制器控制性能解析方案

隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)也在日新月異地進(jìn)步。智能微控制器的不斷完善和智能功率模塊(IPM)的更新?lián)Q代更加促進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)的進(jìn)步。近十多年來，以半導(dǎo)體功率器件為基礎(chǔ)的PWM變頻及脈寬調(diào)速技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如何在普通環(huán)境中應(yīng)用最新的電子技術(shù)成果，通過優(yōu)化PWM算法提高控制性能，一直是技術(shù)人員的不懈追求。

本文介紹三菱公司最近推出的一種16位專用變頻調(diào)速微處理器M37906及三菱公司第四代智能功率模塊DIP-IPM的性能特點(diǎn)，并結(jié)合不對稱規(guī)則采樣PWM算法，對微處理器M37906和智能功率模塊PS21245組成的變頻器的軟硬件進(jìn)行說明。

1 M37906微處理器

1.1 M37906微處理器的功能和特點(diǎn)

M37906微處理器采用高性能硅柵CMOS工藝，具有42腳塑料表面粘貼(SSOP)和42腳塑窄腳雙列直插(SDIP)兩種封裝形式，提供FLASH芯片和掩膜ROM芯片兩種供貨方式，其基本特點(diǎn)如下：

基于指令 203條

指令執(zhí)行時(shí)間 50ns(系統(tǒng)時(shí)鐘20MHz)

存儲(chǔ)器容量

片內(nèi)ROM 32K byte

片內(nèi)RAM 1024 byte

可編程輸入/輸出口 30 (P1，P2，P5，P6，P7)

串行通行口 2路

多功能定時(shí)器

AT0～TA9 10路16位

TB0～TB2 3路16位

看門狗定時(shí)器 1路12位

中斷源 23

外部中斷(INT3、INT4、INT5、INT6、INT7)

內(nèi)部中斷(TA0～TA9)(TB0～TB2)

(UART0、UART1、A/D)

中斷優(yōu)先級 7

A/D轉(zhuǎn)換 5路10位

D/A轉(zhuǎn)換 2路8位

供電電源 5V±0.5V

工作環(huán)境 -20℃±85℃

功耗 255mW(20MHz)

1.2 M37906單片微處理器[2]

M37906 單片微處理器是M7900系列16位單片機(jī)中專為三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)的微處理芯片，特別適合于三相直流無刷電機(jī)的控制，結(jié)構(gòu)封裝如圖1所示。其所有的 I/O口除了具有雙向輸入/輸出功能外還具有其它復(fù)合功能。其中DA0和DA1為D/A轉(zhuǎn)換口，可用于系統(tǒng)模擬量的輸出;AN0～AN4是A/D轉(zhuǎn)換接口，可用于模擬量的采集;WN、VN、UN和W、V、U是產(chǎn)生三相PWM控制信號的接口，可用于對三相電機(jī)的驅(qū)動(dòng);IDU、IDV、IDW為三相位置檢測口，用于三相無刷電機(jī)控制中對轉(zhuǎn)子位置的實(shí)時(shí)檢測;其余的定時(shí)器輸入、定時(shí)器輸出、串行通信接口等與普通單片機(jī)基本相同。下面著重介紹M37906處理器中三相PWM波形的生成和與此相關(guān)的定時(shí)器的工作方式。

M37906處理器內(nèi)部具有TA0～TA9和TB0～TB2共十三個(gè)16位的多功能定時(shí)器。定時(shí)器之間相互獨(dú)立，每個(gè)定時(shí)器都可以選擇其獨(dú)立的工作方式。定時(shí)器TA0～TA9有四種工作方式：

定時(shí)工作方式：定時(shí)器對內(nèi)部計(jì)數(shù)源計(jì)數(shù)。有普通、帶門控功能、帶脈沖輸出三種方式。

事件計(jì)數(shù)方式：定時(shí)器對一個(gè)外部脈沖計(jì)數(shù)，可對單相或兩相外部信號計(jì)數(shù)。

單次脈沖方式：定時(shí)器輸出一個(gè)給定寬度的脈沖信號，該方式只觸發(fā)一個(gè)，解發(fā)后停止記數(shù)。

脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式：定時(shí)器輸出給定寬度的連續(xù)脈沖。

定時(shí)器TB0～TB2有三種工作方式：

定時(shí)工作方式：定時(shí)器對內(nèi)部計(jì)數(shù)源計(jì)數(shù)。工作情況與定時(shí)器TA相同。

事件計(jì)數(shù)方式：定時(shí)器對一個(gè)外部脈沖計(jì)數(shù)，只能對單相外部脈沖信號計(jì)數(shù)。

脈沖周期/脈沖寬度測量方式：定時(shí)器測量外部脈沖的周期或?qū)挾取?/p>

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聯(lián)合使用定時(shí)器TA0～TA3和定時(shí)器TB0可以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)三相馬達(dá)的電壓波形。M37906內(nèi)部集成的三相馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的工作方式答為三相波模式，用于實(shí)現(xiàn)三相波形的輸出。三相正相波形(U相、V相、W相)和三相負(fù)相波形(UN相、VN相、WN相)，分別從P65、P65、P64、P63、P62、P61和 P60輸出，P6OUTcut/INT4作為智能模塊的故障檢測口。定時(shí)器TA3按定時(shí)方式工作，用于控制載波周期;定時(shí)器TA0～TA2按單次脈沖方式工作分別控制各輸出相。其中定時(shí)器TA0控制W和WN相，定時(shí)器TA1控制V和VN相，定時(shí)器TA2控制U和UN相。

定時(shí)器TA3用于控制三角調(diào)制波或鋸齒波的周期。當(dāng)定時(shí)器TA3記數(shù)器向下溢出時(shí)，產(chǎn)生中斷請求，發(fā)出一個(gè)短脈沖使定時(shí)器TA0～TA2開始記數(shù);同時(shí)三相輸出極性設(shè)置寄存器(00A8H)的相應(yīng)位分別觸發(fā)各自對應(yīng)的輸出極性設(shè)置翻轉(zhuǎn)觸發(fā)(toggle flipflop)器，設(shè)置其輸出的極性，觸發(fā)器的內(nèi)容在定時(shí)器TA0～TA2觸發(fā)時(shí)反向;定時(shí)器TA0～TA2在觸發(fā)極性設(shè)置翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器的同時(shí)也觸發(fā)死區(qū)時(shí)間定時(shí)器使之開始工作。此時(shí)正相和負(fù)相輸出波形并不能馬上從高電平轉(zhuǎn)到低電平，只有死區(qū)時(shí)間定時(shí)器溢出后，所發(fā)出的反向觸發(fā)信號才使輸出從高電平轉(zhuǎn)到低電平。

在輸出波形時(shí)，設(shè)置死區(qū)時(shí)間的目的是防止正向波形(U相、V相、W相)輸出低電平和負(fù)相波形(UN 相、VN相、WN相)輸出低電平時(shí)互相重疊，因?yàn)檎嗪拓?fù)相同時(shí)為低電平時(shí)會(huì)造成驅(qū)動(dòng)電路短路。M37906內(nèi)部提供了3個(gè)以單次脈沖有方式工作的八位定時(shí)器完成對死區(qū)時(shí)間的控制。它們共用一個(gè)設(shè)定死區(qū)時(shí)間的重加載寄存器，在設(shè)定死區(qū)時(shí)間寄存器(00A7H)時(shí)也同時(shí)自動(dòng)加載到共用的重加載寄存器中;每次觸發(fā)死區(qū)時(shí)間定時(shí)器時(shí)微處理器會(huì)重新加載該寄存器中的值，按選擇的記數(shù)源進(jìn)行減記數(shù);當(dāng)記數(shù)器下溢時(shí)，記數(shù)器停止工作，等待下一次觸發(fā)。

M37906 具有兩種三相PWM方式，即三相PWM方式0和三相PWM方式1。在方式0中每次定時(shí)器TA3溢出都會(huì)產(chǎn)生中斷請求;定時(shí)器TA0～TA2各使用一個(gè)寄存器，通過設(shè)定U、V、W各相的輸出極性設(shè)置緩沖的方法使輸出極性反向，也可以通過軟件方法直接使三相輸出反向。而三相波形方式1中定時(shí)器TA3每兩次或每四次向下溢出才會(huì)產(chǎn)生中斷;每個(gè)定時(shí)器交替使用兩個(gè)寄存器，只能通過設(shè)置三相輸出波形的極性寄存器實(shí)現(xiàn)三相波的極性設(shè)置;在每個(gè)周期內(nèi)根據(jù)三相輸出極性設(shè)置緩存器的內(nèi)容由硬件自動(dòng)完成的三相波極性的反向。

2 PS21245智能功率模塊

DIP -IPM模塊是日本三菱公司最新推出的第四代IPM智能功率模塊。IPM智能功率模塊是集內(nèi)置三相交流輸出IGBT逆變電路、高壓驅(qū)動(dòng)程序保護(hù)于一體的雙列直插封裝模塊。其內(nèi)部既有驅(qū)動(dòng)控制和保護(hù)邏輯，又有過流、過(欠)壓、短路和過熱探測和保護(hù)電路，大大提高了變頻器的可靠性和可維護(hù)性。DIP-IPM 模塊與第三代IPM智能功率模塊相比具有以下特點(diǎn)：只需一路+15V的驅(qū)動(dòng)電路，可不采用光耦直接與單片機(jī)進(jìn)行連接，工藝上采用了更小的 IGBT/FWDi芯片，使功耗更低、體積更小。PS21245的每路IGBT集電極電流為20A，開關(guān)頻率典型值5kHz，絕緣耐壓1500Vrms，集電極-發(fā)射極額定電壓600V，其內(nèi)部電路如圖2所示。

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3 M37906微處理器和智能功率模塊PS21245構(gòu)成的變頻器

M37906和PS21245智能功率模塊構(gòu)成的變頻器結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中IPM三相PWM控制信號通過4.7kΩ的上拉電阻后直接與M37906的P6相連(布線時(shí)要特別注意該組引線要盡可能短，以提高系統(tǒng)的抗干擾性能)。上臂驅(qū)動(dòng)電源正極(VUFB、VVFB、 VWFB)和下臂驅(qū)動(dòng)電源負(fù)極(VUFS、VVFS、VWFS)通過自舉電路連到+15V，IPM的三個(gè)上臂控制電源端VP1和下臂控制電源端Vpc與+ 15V驅(qū)動(dòng)電源直接相連。短路保護(hù)動(dòng)作電壓設(shè)定值CIN與VNC之間加限流電阻，根據(jù)實(shí)際保護(hù)動(dòng)作電壓的需要調(diào)整阻值。故障信號輸出端Fo與M37906 的P6OUTcut/INT4相連。輸出故障脈寬設(shè)定端CFO通過陶瓷電容與VNC相連，當(dāng)選取22nF的電容時(shí)，對應(yīng)的故障脈寬為1.8ms。IPM供電直流電源端P與+15V驅(qū)動(dòng)電源連接。電源端N、上下臂GND端接模擬地。三相逆變輸出端U、V、W與負(fù)載電機(jī)的U、V、W連接。

3.1 PWM采樣方法[1]

PWM脈寬調(diào)制是利用相當(dāng)于基波分量的信號對三角載波進(jìn)行調(diào)制，脈沖寬度由正弦波和三角波自然相交而成的自然采樣法，如圖4所示。其中圖4(a)為對稱規(guī)則采術(shù)，設(shè)三角載波周期為Tt，采樣周期為Ts(Ts=Tt)，當(dāng)以三角波頂點(diǎn)t1為采樣點(diǎn)時(shí)：

ton=Ts/4(1+Usinωt1),toff=Ts/4(1-Usinωt1) (1)

tpw=Ts/2(1+Usinωt1)

采樣點(diǎn)時(shí)刻t1只與載波比N有關(guān)，與調(diào)節(jié)器幅比M無關(guān)(其中t1=kT1,k=0,1,2,…N-1)。

對于圖4(b)所示的不對稱規(guī)則采樣法，既在三角波的頂點(diǎn)位置又在底點(diǎn)位置對正弦波進(jìn)行采樣時(shí)，采樣周期Ts是三角波周期的1/2：

ton=Ts/2(1+Usinωt1)

toff=Ts/2(1-Usinωt1) (2)

t"on=Ts/2(1+Usinωt2)

t"off=Ts/2(1-Usinωt2)

脈沖寬度為：

tpw=ton+t"on=Tt/2[1+U/2(sinωt1+sinωt2)]

t1=kTt/2(當(dāng)k=0,2,4,6,…)

t2=kTt/2(當(dāng)k=1,3,5,7,…)

其中k=0，1，2，3…，當(dāng)k為偶數(shù)時(shí)是頂點(diǎn)采樣，k為奇數(shù)時(shí)是底點(diǎn)采樣。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)

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軟件流程如圖5所示。由于IPM智能模塊只有一路+15V控制電源，為了使IPM正常啟動(dòng)，上電開始時(shí)通過依次開通下臂的IGBT，在上臂IGBT上進(jìn)行足夠脈寬的PWM輸出，對IMP上臂驅(qū)動(dòng)電源(VUFB、VVFB、VWFB)和下臂驅(qū)動(dòng)電源(VUFS、VVFS、VWFS)上的自舉電容進(jìn)行充電。當(dāng)自舉電容為100μF，自舉電阻為50Ω的情況下，自舉充電時(shí)間約為5ms。自舉完成后通過檢測IPM的Fo輸出判斷IPM的運(yùn)行情況。正常情況Fo輸出判斷IPM的運(yùn)行情況。正常情況Fo輸出的信號為高電平，當(dāng)此端口輸出低脈沖時(shí)，表示模塊處于故障狀態(tài)，通過INT4外部中斷程序停止智能模塊的輸出。

三角載波是通過定時(shí)器由軟件方式實(shí)現(xiàn)。載波周期定時(shí)器和采樣定時(shí)器之間的關(guān)系決定著規(guī)則采樣的性質(zhì)。當(dāng)載波周期定時(shí)器和采樣定時(shí)器的周期相同時(shí)是對稱規(guī)則采樣，通過(1)式設(shè)定定時(shí)器TA0～TA2的預(yù)載寄存器;當(dāng)載波半周期定時(shí)器和采樣定時(shí)器的周期相同時(shí)是對稱規(guī)則采樣，通過(2)式進(jìn)行計(jì)算設(shè)定。

通過上述兩種方法可得到不同頻率的三相PWM波形。對變頻器輸出的特性分析，不對稱規(guī)則采樣所形成的階梯波比對稱規(guī)則采樣時(shí)更接近于正弦波，輸出電壓也高于前者。當(dāng)載波比N等于3或3的倍數(shù)時(shí)，逆變器輸出電壓中偶次諧波分量基本可以消除，其它的高次諧波分量的幅值也較小，但相應(yīng)的中斷次數(shù)和計(jì)算量將成倍增加。當(dāng)然基波信號不一定是正弦波，可以采用其它優(yōu)化PWM調(diào)制方法，同時(shí)也可以采用其它采樣方法，但需要將存儲(chǔ)在微處理器中的基波數(shù)據(jù)和采術(shù)計(jì)算公式進(jìn)行調(diào)整，可以進(jìn)行多種嘗試以達(dá)到更好的諧波特性和更高的功率因數(shù)。

該變頻器由于采用集成度較高的變頻專用微處理器和功能更強(qiáng)的智能功率模塊，體積小、成本低，特別適合家電產(chǎn)品和民用產(chǎn)品使用。主要的缺點(diǎn)是省去光耦后IPM 與微處理器只能置于同一塊PCB板上，而且上下臂控制信號的走線要盡量短。如微處理器和IPM較遠(yuǎn)時(shí)仍需通過光耦隔離，采用原有的光耦接法。

采用不對稱規(guī)則采樣所形成的階梯波更接近于正弦波。輸出頻率與輸出電壓對頻率指令執(zhí)行速度快，指令周期短，同時(shí)智能功率模塊的開關(guān)頻率典型值達(dá)到5kHz，可以選用更大的載波比以縮短響應(yīng)時(shí)間，滿足實(shí)時(shí)控制的需要。同時(shí)智能功率模塊的各種保護(hù)措施也是高了變頻器的可靠性。