摘要：本文介紹一種以IPM模塊和電機(jī)專用微處理器dsPIC30F4012芯片為基礎(chǔ)構(gòu)成的SPWM變頻器。該變頻器的輸出頻率為0～240Hz，載波頻率3.0～12.0kHz;設(shè)置22條V/F曲線和不同的啟動(dòng)速率以供選擇，軟件上采用各種靈活措施來(lái)獲得優(yōu)良的靜動(dòng)態(tài)性能，并且有完善的故障保護(hù)功能。 關(guān)鍵詞：dsPIC30F4012微處理器 IPM CAN SPWM正弦脈寬調(diào)制 1、 引言： 隨著電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的電氣傳動(dòng)正面臨著一場(chǎng)重大變革，直流調(diào)速逐步被交流調(diào)速所取代。而近代交流調(diào)速中，越來(lái)越多地采用變頻調(diào)速方案。電壓型正弦脈寬調(diào)制（SPWM）變頻器以其獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)而得到快速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。先進(jìn)的控制策略，高性能的控制芯片，智能化高速開關(guān)器件相結(jié)合成為現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展的主流趨勢(shì)。在SPWM波形生成方法中，已很少采用模擬方法。數(shù)字方法在可靠性、靈活性、可控性等方面具有模擬方法無(wú)法比擬的優(yōu)越性。目前，市場(chǎng)上相繼推出的數(shù)字式SPWM變頻器中，大多數(shù)都采用了專用SPWM芯片（如HEF4752、SLE480）。這樣，可使編程簡(jiǎn)單，但增加了硬件投入，鑒于此，本變頻器采用Microchip最新推出的電機(jī)專用16位微控制器dsPIC30F4012構(gòu)成數(shù)字化變頻器，編程產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)SPWM波，大大簡(jiǎn)化了用于產(chǎn)生PWM波形的軟件和硬件，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，同時(shí)提高了其動(dòng)、靜態(tài)性能。本變頻器主要指標(biāo)如下：頻率范圍0～240Hz，變頻分辯率：0.1Hz，V/f曲線22條任選，載波頻率3.0kHz～12.0kHz之間變化。完善的保護(hù)功能：直流過(guò)壓、欠壓、短路、交流過(guò)流、過(guò)熱等保護(hù)。主電路采用以第三代IGBT和續(xù)流二極管為基礎(chǔ)的IPM模塊，它具有導(dǎo)通電阻小，開關(guān)速度快，驅(qū)動(dòng)功率小，工作頻率高，耐壓高，承受工作電流大等優(yōu)點(diǎn)，因而整體性能好。 2、 變頻器控制系統(tǒng)： 2.1、控制芯片dsPIC30F4012介紹： dsPIC30F4012是Microchip公司專門為電機(jī)高速控制所設(shè)計(jì)的一種16位微處理器。它有1個(gè)16位CPU和1個(gè)DSP內(nèi)核，當(dāng)內(nèi)部時(shí)鐘頻率為最高120MHz時(shí)，進(jìn)行一次16bit＊16bit運(yùn)算為8.3ns；另外包括2048字節(jié)的寄存器RAM、48kB的片內(nèi)程序空間、1024字節(jié)的EEPROM、中斷7個(gè)I/O口共21條I/O囗線，有1路全雙工的UART功能模塊、1個(gè)同步串行SPI功能模塊、1個(gè)I2C串行通訊模塊和1個(gè)CAN串行通訊模塊，片內(nèi)設(shè)有1個(gè)6通道的A/D轉(zhuǎn)換器，工作在10位模式，采樣保持時(shí)間、轉(zhuǎn)換時(shí)間、閥值檢測(cè)方式和零偏補(bǔ)償校正均可編程；5個(gè)16位定時(shí)器；有4路捕捉器、2路比較/標(biāo)準(zhǔn)脈寬調(diào)制單元（PWM）模塊；1個(gè)6通道的電機(jī)專用MCPWM控制器。dsPIC30F4012片內(nèi)MCPWM電機(jī)專用PWM控制器是其特色設(shè)計(jì)之一；這一設(shè)置大大簡(jiǎn)化了產(chǎn)生PWM波形的控制軟件和外部硬件，通過(guò)編程可產(chǎn)生獨(dú)立的、具有相同頻率和工作方式的三相6路PWM波形，并由RE囗直接輸出6路PWM信號(hào)給逆變器，且三相互補(bǔ)不重疊。每個(gè)引腳驅(qū)動(dòng)電流達(dá)25mA，為防止同一橋臂上2個(gè)功率管發(fā)生直通造成短路，該發(fā)生器還可通過(guò)編程設(shè)置死區(qū)互鎖時(shí)間，在外部時(shí)鐘10MHz經(jīng)內(nèi)部8倍頻后系統(tǒng)時(shí)鐘為80MHz時(shí)，死區(qū)時(shí)間范圍根據(jù)分頻系數(shù)的不同分為：1、系數(shù)為1:1時(shí)為50nS～3.15μS之間；2、系數(shù)為1:2時(shí)為100nS～6.3μS之間；3、系數(shù)為1:4時(shí)為200nS～12.6μS之間；4、系數(shù)為1:8時(shí)為400nS～25.2μS之間。 2.2、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及工作原理： 本變頻器的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它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(jīng)整流橋整流后再經(jīng)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。本系統(tǒng)所選用的IPM模塊是三菱電機(jī)推出的第四代智能功率模塊，它內(nèi)部含有1個(gè)三相H型逆變橋的6個(gè)IGBT和6個(gè)快速功率二極管及其相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路。另外含有過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、驅(qū)動(dòng)電源欠壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、報(bào)警輸出等。它糾正了傳統(tǒng)的IGBT—IPM模塊，當(dāng)工作溫度迅速上升時(shí)IPM可能被擊穿以及有時(shí)由于寄生電容或控制電路產(chǎn)生的寄生電感而引起的噪聲使IGBT產(chǎn)生誤動(dòng)作的缺點(diǎn)，而且其所用元件數(shù)量比傳統(tǒng)IPM少得多，相應(yīng)可靠性也得到提高，由于這種帶IGBT驅(qū)動(dòng)電路且具有自診斷功能及保護(hù)功能完善的IPM模塊的應(yīng)用，使本系統(tǒng)體積更小，更可靠，更具智能化。 系統(tǒng)控制部分由dsPIC30F4012微處理器專用系統(tǒng)（包括相應(yīng)軟件）、信號(hào)檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路等組成，主要完成逆變橋SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生、信號(hào)檢測(cè)及故障處理、故障顯示、操縱盒按鍵檢測(cè)及邏輯控制、及時(shí)顯示變頻器頻率等。dsPIC30F4012微處理器是控制系統(tǒng)的核心，它接受外部信息，按預(yù)定算法實(shí)時(shí)計(jì)算三相SPWM波形數(shù)據(jù)，并由它產(chǎn)生三相6路SPWM信號(hào)，從RE囗輸出，然后再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路去驅(qū)動(dòng)逆變功率開關(guān)，完成三相SPWM逆變。 dsPIC30F4012微處理器通過(guò)計(jì)算查表把存儲(chǔ)在片內(nèi)EPROM中的正弦函數(shù)的數(shù)據(jù)乘V/f參數(shù)送到6通道的電機(jī)專用PWM控制器。波形發(fā)生器產(chǎn)生的三相互補(bǔ)的SPWM信號(hào)經(jīng)PWM0～PWM5端輸出，送至IPM驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端。七個(gè)按鍵功能：SET（參數(shù)設(shè)置）、RUN（運(yùn)行）、STOP（停）、INPUT—F/R（輸入?yún)?shù)）、MOVE/POINT（參數(shù)顯示方式改變和參數(shù)設(shè)置時(shí)并閃爍位改變）、UP（加1和快加1）、DOWN（減1）。頻率給定鍵盤設(shè)置。為保證系統(tǒng)安全工作，逆變器設(shè)置了過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱、缺相、短路、過(guò)載等多種保護(hù)功能，所有保護(hù)信號(hào)均通過(guò)一組中斷邏輯送至dsPIC30F4012的FLTA腳，只要任何一路保護(hù)起作用都將封鎖6通道的電機(jī)專用PWM控制器輸出，禁止三相PWM波的產(chǎn)生，及時(shí)對(duì)IPM驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行封鎖，保護(hù)IPM及其它電路不致?lián)p壞，同時(shí)將故障以代碼形式存于EEPROM中，并在LED顯示器上顯示其故障來(lái)源，以便維修。 3、 控制策略及軟件設(shè)計(jì)： 3.1、SPWM的脈沖寬度的計(jì)算 本系統(tǒng)使用規(guī)則采樣法，用軟件方式產(chǎn)生SPWM波，克服了模擬元件實(shí)現(xiàn)方式的缺點(diǎn)。規(guī)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(diǎn)（底點(diǎn)）作為采樣點(diǎn)，通過(guò)該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的正弦波的取值點(diǎn)E，作平行于時(shí)間軸線的直線，該線與三角波的交點(diǎn)A、B，A、B點(diǎn)間寬度即為PWM波脈寬，用t2表示脈寬，則有關(guān)系： 式中Tt：三角波周期；M：調(diào)制度；ω：正弦波的角頻率；te：采樣時(shí)刻。 三相SPWM的脈寬計(jì)算公式為： 其中T為正弦波的周期。在用微機(jī)產(chǎn)生SPWM波形時(shí)，為使三相SPWM波形對(duì)稱，調(diào)制比N應(yīng)為3的整數(shù)倍。從消除諧波考慮，N越大越好，但N的值要受到功率開關(guān)器件的開斷頻率和計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的限制。我們采用分段同步調(diào)制的方法，不同頻率段N值不同，將正弦函數(shù)按載波比N離散制成表，并將半載波周期也制成表，微機(jī)通過(guò)查表法與實(shí)時(shí)計(jì)算法相結(jié)合計(jì)算出脈寬值送入PDCX中去。 3.2、PTPER的計(jì)算： 式中：fOSC為晶振頻率，fPWM為MCPWM輸出波形頻率（載波頻率），fPWM=Nfsin，fsin為正弦調(diào)制波頻率。（fsin=1/T，fPWM=1/Tt） 3.3、軟件設(shè)計(jì)： 系統(tǒng)軟件由主程序，故障中斷子程序，顯示子程序，鍵盤服務(wù)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(tǒng)的初始化，并根據(jù)顯示模式計(jì)算要顯示的數(shù)據(jù)并送出顯示，鍵盤掃描及服務(wù)處理，輸入數(shù)據(jù)的碼制變換等。故障中斷子程序中視故障性質(zhì)完成自處理或故障報(bào)警，封鎖觸發(fā)脈沖，跳閘等。圖3為主程序流程圖。由于本芯片特點(diǎn)之一是有完善的保護(hù)功能，只要在PTCON命令寄存器中寫入相應(yīng)的控制命令字，系統(tǒng)就能在發(fā)生故障時(shí)立即封鎖脈沖。在FLTA中斷服務(wù)程序中，通過(guò)讀取不同的I/O囗來(lái)進(jìn)一步識(shí)別是發(fā)生了何種中斷，并顯示。圖4為MCPWM中斷子程序框圖。 4、 系統(tǒng)抗干擾措施： 由于變頻器長(zhǎng)期運(yùn)行在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)干擾嚴(yán)重，因而抗干擾措施是必不可少的，本系統(tǒng)從硬件和軟件方面采取了抗干擾措施。 硬件抗干擾措施：逆變器采用IPM模塊，結(jié)構(gòu)緊湊，整流電路后端設(shè)置有濾波電路，以消除或減弱來(lái)自外部的噪聲。在控制電路中采取了如下措施：（1）在電源輸入端加設(shè)電源濾波器，電源變壓器采用屏蔽變壓器，且CPU的VCC端用1μF的鉭電容以抗電源系統(tǒng)干擾。（2）過(guò)程通道抗干擾措施：在輸入輸出囗中全部采用高速光電耦合器件來(lái)切斷外圍模擬電路與單片機(jī)數(shù)字電路之間電氣上的聯(lián)系，而所有傳輸導(dǎo)線均采用雙絞線。（3）線路板抗干擾措施：設(shè)計(jì)印制電路板時(shí)，在元器件的布置上將數(shù)字電路元件與模擬電路元件盡量隔開距離，并加接地線，且接地線構(gòu)成閉合環(huán)路，各集成芯片電源正負(fù)極間配置0.1μF的去耦電容。 軟件抗干擾措施：利用dsPIC30F4012的監(jiān)視定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)軟件的抗干擾措施。本變頻器在干擾而引發(fā)軟件故障時(shí)，在小于16mS時(shí)間內(nèi)使控制系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。 5、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 我們根據(jù)上述方案，設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)樣機(jī)，用于22kW注塑機(jī)拖動(dòng)電機(jī)上，一年來(lái)運(yùn)行情況良好，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其電流波形如圖5所示。 綜上所述：采用dsPIC30F4012微處理器和IPM組成逆變器，應(yīng)用方便，特別是通過(guò)編程產(chǎn)生SPWM波信號(hào)，信號(hào)產(chǎn)生簡(jiǎn)單方便，易于編程，死區(qū)時(shí)間也通過(guò)軟件編程控制在50nS～25.2μS之間。多條V/f曲線可供不同用戶選擇。因而有較好的應(yīng)用前景。