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在現代交流調速中，越來越多地采用交流變頻調速。PWM變頻器與鼠籠型電機的結合，就性價比而言是公認的優選方案。Microchip公司生產的16位微處理器dsPIC30F4012具有片內波形發生器，是專為電機高速控制而設計的。本文引入了dsPIC30F4012芯片，并介紹采用它與IPM模塊結合實現的全數字化SPWM變頻調速系統的構成及基本算法。系統主電路采用交直一交電壓型變頻方式，逆變電路采用三菱電機推出的第4代智能功率模塊 PM100CVA120，給出實驗結果。實驗結果表明，系統有較好的控制效果，具有較高性價比，有廣泛的應用前景。 1 控制芯片dsPIC30F4012介紹 dsPIC30F4012是Microchip公司專門為電機高速控制所設計的一種16位微處理器。它有1個16位CPU和1個DSP內核。當內部時鐘頻率為最高120 MHz時，進行一次16位×16位運算，為8.3ns；另外包括2048 B的寄存器RAM，48KB的片內程序空間，1024 B的EEP—ROM，中斷7個I／O口共21條I／O口線；有1路全雙工的UART功能模塊，1個同步串行SPI功能模塊，1個I2C串行通信模塊和1個 CAN串行通信模塊；片內設有1個6通道的A／D轉換器，工作在10位模式，采樣保持時間、轉換時間、閥值檢測方式和零偏補償校正均可編程；5個16位定時器；有4路捕捉器、2路比較／標準脈寬調制單元(PWM)模塊；1個6通道的電機專用MCPWM控制器。 dsPIC30F4012片內 MCPWM電機專用PWM控制器，是其特色設計之一。這一設置大大簡化了產生PWM波形的控制軟件和外部硬件，通過編程可產生獨立的、具有相同頻率和工作方式的三相6路PWM波形，并由RE口直接輸出6路PWM信號給逆變器，且三相互補不重疊。每個引腳驅動電流達25mA。為防止同一橋臂上2個功率管發生直通造成短路，該發生器還可通過編程設置死區互鎖時間，在外部時鐘10MHz經內部8倍頻后系統時鐘為80MHz時，死區時間范圍根據分頻系數的不同分為：①系數為1∶1時，在50ns～3.15μs之間；②系數為1∶2時，在100ns～6.3μs之間；③系數為1∶4時，在200ns～12.6μs 之間；④系數為1∶8時，在400ns～25.2μs之間。 2 系統組成及基本算法 2 1系統硬件組成 變頻器的總體結構框圖如圖1所示，由控制部分和主電路部分組成。主電路部分采用交-直-交變頻方式。三相工頻電壓經整流橋整流后，再經電容平滑濾波后得到 600V直流電壓，送逆變器IPM模塊PM100CVA120的輸入端P、N。IPM模塊是三菱電機推出的第4代智能功率模塊，內部含有1個三相H型逆變橋的6個IGBT和6個快速功率二極管及其相應的驅動電路。另外，含有過流保護、短路保護、驅動電源欠壓保護、過熱保護、報警輸出等，其所用元件數量比傳統IPM少得多，相應可靠性也得到提高。由于這種帶IGBT驅動電路且具有自診斷功能及保護功能完善的IPM模塊的應用，使本系統體積更小，更可靠，更具智能化。 系統控制部分由dsPIC30F4012微處理器專用系統(包括相應軟件)、信號檢測電路、驅動與保護電路等組成，主要完成逆變橋SPWM驅動信號的產生、信號檢測及故障處理、故障顯示、操縱盒按鍵檢測及邏輯控制、及時顯示變頻器頻率等。dsPIC30F4012微處理器是控制系統的核心。它接收外部信息，按預定算法實時計算三相SPWM波形數據，并由它產生三相6路SPWM信號，從RE口輸出，然后再經驅動電路去驅動逆變功率開關，完成三相SPWM逆變。 系統頻率為80MHz，SPWM的正弦控制波頻率由鍵盤設置，dsPIC30F4012微處理器通過計算把存儲在片內EPROM中的正弦函數的數據送到6 通道的電機專用PWM控制器。波形發生器產生的三相互補的SPWM信號經PWMO～PWM5端輸出，送至IPM驅動信號輸入端。為保證系統安全工作，逆變器設置了過流、過壓、過熱、缺相、短路、過載等多種保護功能，所有保護信號均通過一組中斷邏輯送至dsPIC30F4012的FLTA腳。只要任何一路保護起作用，都將封鎖6通道的電機專用PWM控制器輸出，禁止三相PWM波的產生，及時對IPM驅動電路進行封鎖，保護IPM及其他電路不致損壞。 2.2系統軟件設計 本系統使用規則采樣法，用軟件方式產生SPWM波，克服了模擬元件實現方式的缺點。規則采樣法如圖2所示。圖中用的是中值采樣，以三角波的中值點(底點) 作為采樣點，通過該點對應的正弦波的取值點E，作平行于時間軸線的直線。該線與三角波的交點為A、B。A、B點間寬度即為PWM波脈寬，用t2表示脈寬，則有關系： 式中Tc為三角波周期，M為調制度，ω為正弦波的角頻率，te為采樣時刻。 三相SPWM的脈寬計算公式為： 其中T為正弦波的周期。在用微機產生SPWM波形時，為使三相SPWM波形對稱，調制比N應為3的整數倍。從消除諧波考慮，N越大越好；但N的值要受到功率開關器件的開斷頻率和計算機運算速度的限制。這里采用分段同步調制的方法，不同頻率段N值不同，將正弦函數按載波比N離散制成表，并將半載波周期也制成表，微機通過查表法與實時計算法相結合，計算出脈寬值送入PDCX中去。 PTPER的計算公式如下： 式中：fosc為晶振頻率；fpwM為MCPWM輸出波形頻率(載波頻率)，fPWM=Nfmin。fsin為正弦調制波頻率，fsin=1／T。 fPWM="1"／Tc。系統軟件由主程序、故障中斷子程序、顯示子程序、鍵盤服務程序、MCPWM中斷、A／D采樣中斷子程序等組成。主程序主要完成系統的初始化，并根據顯示模式計算要顯示的數據并送顯示，鍵盤掃描及服務處理，輸入數據的碼制變換等。故障中斷子程序中，視故障性質完成自處理或故障報警，封鎖觸發脈沖、跳閘等。圖3為主程序流程。由于本芯片特點之一是有完善的保護功能，只要在PTCON命令寄存器中寫入相應的控制命令字，系統就能在發生故障時立即封鎖脈沖。在FLTA中斷服務程序中，通過讀取不同的I／O口來進一步識別是發生了何種中斷，并顯示。圖4為MCPWM中斷子程序框圖。 3 實驗結果與結論 本系統實驗的電流波形如圖5所示。實驗結果表明，系統控制方案正確，諧波得到抑制，控制系統有較好的電流波形。 本文探討了dsPIC30F4012微處理器在交流變頻調速中的應用。利用SPWM技術原理，通過軟件設計抑制諧波，信號產生簡單方便，易于編程，死區時間也通過軟件編程控制在50ns～25.2μs之間，電路結構簡單、可靠性好、抗干擾能力強，因而有較好的應用前景。 |
