基于68HC908MR16單片機的空間矢量控制變頻電源

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

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0.866U_d，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(dá)到U_d，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

??? （1）

??? 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(jìn)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。

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(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(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）。

??? (0<θ<π/3)??? （2）

??? ??? （3）

??? t₀=T_s－t₁－t_2??? （4）

式中：U_s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；

????? T_s為PWM周期；

????? 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(biāo)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(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。

圖4??? 系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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(jìn)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125ns（內(nèi)部工作頻率為8MHz）而中心對準(zhǔn)方式的最高分辨率為250ns。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(hù)引腳FAULT1～FAULT4，當(dāng)任意一個故障保護(hù)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(hù)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2.5μs的死區(qū)時間。系統(tǒng)采用4MHz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8MHz內(nèi)部總線時鐘。同時設(shè)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(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(jìn)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(jìn)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。

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(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9600bps，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。

??? MR16工作頻率設(shè)為8MHz，初始化程序如下：

??????? MOV??? ＃＄50,??? SCC1??? ；??? 每一幀10位數(shù)據(jù)，

??????????????????????????????????????? 啟動SCI模塊

??????? MOV??? ＃＄0C,??? SCC2??? ；??? 發(fā)送器和接收器使能

??????? MOV??? ＃＄00,??? SCC3??? ；??? 屏蔽出錯中斷

??????? MOV??? ＃＄30,??? SCBR??? ；??? 設(shè)置波特率為9600bps

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(hù)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。

圖6??? 主程序流程圖

??? 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(jìn)行重新設(shè)置。保護(hù)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(hù)等保護(hù)功能。其中過流保護(hù)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(jìn)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。

圖7??? 相電壓波形

圖8??? 相電流波形