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方式。系統采用MOTOROLA公司的電機控制專用芯片68HC908MR16，通過PI調節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系統的狀態顯示和參數修改。

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變頻電源在工業上的應用越來越廣泛。傳統的SPWM變頻調速技術理論成熟，原理簡單，易于實現，但其逆變器輸出線電壓的幅值最大值僅為0.866U_d，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U_d，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。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，“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。每一扇區又可繼續劃分為任意的m個小等份。當理想電壓矢量位于任一扇區之中時（如圖2所示），就用該扇區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時就由和兩個非零矢量以及零矢量合成，其他扇區依此類推。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=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：先發非零矢量作用t₁/2時間，再發零矢量作用t₀/4時間，而后發出非零矢量作用t₂/2時間，接著發出零矢量作用t₀/4時間。然后再依此次序重發矢量一次，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邊界的這種情形，可以把它作為扇區的特例來處理，即有一個非零矢量的作用時間為0。

2??? 系統實現

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，可以實現輸出電壓和頻率分別按各自規律變化，而且正弦波畸變小，響應速度快，控制簡單。

圖4??? 系統主電路拓撲結構

2.2??? 控制芯片

??? 本系統采用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字節的可擦寫片內閃速存儲器FLASH，768字節的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生器模塊(CGM)，系統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(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模塊能方便地實現系統與外部的實時通信。

??? 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。

2.3??? PWM波形成

??? 本系統利用MR16單片機中的PWMMC模塊，實現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，在無信號發生器DEADTIME的死區時間寄存器DEADTM中設置了2.5μs的死區時間。系統采用4MHz的外部晶振，由程序選擇內部鎖相環頻率合成器產生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（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PWM波的原理如圖5所示，它對應于圖1的第1扇區。當位于不同的扇區，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，而且對于一個扇區來講，橋臂的通斷都有一個固定的順序。

圖5??? 軟件實現原理圖

2.4??? 串行通信

??? 系統采用串行通信設計了相應的監控系統，使其具有良好的人機界面。其中逆變系統和監控系統均采用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了相互的串行通信。同時，運用光耦隔離的辦法增強了系統的抗干擾能力，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??? ＃＄0C,??? SCC2??? ；??? 發送器和接收器使能

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

??????? MOV??? ＃＄30,??? SCBR??? ；??? 設置波特率為9600bps

2.5??? 軟件設計

??? 系統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

??? 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，每次開機時系統都將這些參數值讀到MR16中，這樣就使系統具有記憶功能，使用戶不必每次開機時都要對系統參數進行重新設置。保護模塊則實現了系統的過熱，過載，過流以及系統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。調節模塊主要完成穩壓輸出的功能，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，系統狀態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試驗波形。可見，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