基于68HC908MR16單片機的空間矢量控制變頻電源

2019-11-03 10:03:01

字體：大中小

供稿：網(wǎng)友

　　鞠洪新，趙　彥，余世杰，蘇建徽

　　(合肥工業(yè)大學(xué)能源研究所，安徽　合肥 230009）

　　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(diào)節(jié)將直流電逆變成頻率可調(diào)的三相正弦波交流電，同時利用串行通信實現(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

　　An Inverter Based on Space Vector Control with 68HC908MR16

　　JU Hongxin, ZHAO Yan, YU Shijie, SU Jianhui

　　(Energy Research Institute, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009 China)

　　Abstract:A PWM inverter based on space vector control is introdued. The system is controlled by 68HC908MR16 which is developed by MOTOROLA as special chip in use for motor control. Moreover, DC is inverted to the threephase sine AC with regulation of frequercy by PI adjuster, at the same time the state of the inverter can be displayed and the parameter can be modified by serial communication.

　　KeyWords:space vector; PWM; inverter; special chip MR16

　　0　引言

　　隨著拖動技術(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V/f控制PWM變頻電源在工業(yè)上的應(yīng)用越來越廣泛。傳統(tǒng)的SPWM變頻調(diào)速技術(shù)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(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到Ud，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關(guān)次數(shù)少，降低了開關(guān)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(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個開關(guān)器件組成。逆變器輸出的空間電壓矢量為

　　根據(jù)同一橋臂的上下兩個開關(guān)器件不能同時導(dǎo)通的原則，其三相橋臂開與關(guān)可以有8種狀態(tài)。在這8種開關(guān)模式中，有6種開關(guān)模式輸出電壓，在三相電機中形成相應(yīng)的6個磁鏈?zhǔn)噶浚硗?種開關(guān)模式不輸出電壓，不形成磁鏈?zhǔn)噶浚Q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。括號內(nèi)的二進制數(shù)依相序A，B，C表示開關(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關(guān)時刻。因此，三相橋式逆變器的目標(biāo)就是利用這8種基本矢量的時間組合，去近似模擬合成這樣一個磁鏈圓。

　　通常將一個圓周期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個小等份。當(dāng)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(dāng)理想電壓矢量處于第一扇區(qū)時就由

兩個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）。

　　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(nèi)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(yīng)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(zhuǎn)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?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轉(zhuǎn)子磁通在變頻調(diào)速過程中保持恒定。采用空間矢量PWM控制法驅(qū)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(yīng)速度快，控制簡單。

　　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(nèi)部集成有16K字節(jié)的可擦寫片內(nèi)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(zhuǎn)換時間最快僅需2μs，能夠在極短時間內(nèi)完成多路采樣并進行高精度轉(zhuǎn)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(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(chǎn)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(zhǔn)方式也可以是邊緣對準(zhǔn)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(zhǔn)方式時是一個時鐘周期，而中心對準(zhǔn)方式時是兩個時鐘周期，這樣邊緣對準(zhǔn)方式的最高分辨率是125 ns（內(nèi)部工作頻率為8 MHz）而中心對準(zhǔn)方式的最高分辨率為250 ns。當(dāng)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(jù)感應(yīng)電機的相電流極性輕易地翻轉(zhuǎn)PWM數(shù)據(jù)。PWMMC模塊還含有4個故障保護引腳FAULT1～FAULT4，當(dāng)任意一個故障保護端口為高電平時就封鎖相應(yīng)的PWM輸出引腳。例如,當(dāng)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(qū)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(shè)計帶來了極大的方便。

　　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(shè)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(guān)管直通，在無信號發(fā)生器DEADTIME的死區(qū)時間寄存器DEADTM中設(shè)置了2.5 μs的死區(qū)時間。系統(tǒng)采用4 MHz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8 MHz內(nèi)部總線時鐘。同時設(shè)置載波頻率為9 kHz，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(wù)程序中完成的，每當(dāng)PWMMC模塊中的PCTN(H:L)計數(shù)器計數(shù)至PMOD(H:L)中的數(shù)值時就引起一次中斷。預(yù)先將一個扇區(qū)（60°）的正弦值擴大一定倍數(shù)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(jīng)過相應(yīng)的計算后將結(jié)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(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。采用軟件方法實現(xiàn)PWM波的原理如圖5所示，它對應(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，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(chǎn)生對稱PWM波形的方法，每個PWM周期都開始和結(jié)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(nèi)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。

　　2.4　串行通信

　　系統(tǒng)采用串行通信設(shè)計了相應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)RS485總線準(zhǔn)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9 600 bps，工作于半雙工模式，并采用校驗和的校驗方法檢驗數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確性。

　　2.5　軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，包括初始化模塊，讀X5043模塊，保護模塊，通信顯示模塊， PI調(diào)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(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。

　　初始化模塊包括MR16內(nèi)部寄存器初始化，變量存儲單元定義，通信初始化設(shè)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(nèi)，它內(nèi)含的4KbitEEPROM存儲著上次關(guān)機時正常運行的參數(shù)值設(shè)置，每次開機時系統(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，使用戶不必每次開機時都要對系統(tǒng)參數(shù)進行重新設(shè)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(chǎn)生后的極短時間內(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交流的界面，通過它可以進行多種功能的設(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

　　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。可見，變頻器輸出波形的正弦度良好，符合理論設(shè)計的預(yù)期要求。

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摘自電源技術(shù)應(yīng)用

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