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曲線和不同的啟動速率以供選擇，軟件上采用各種靈活措施來獲得優(yōu)良的靜動態(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)的電氣傳動正面臨著一場重大變革，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。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法比擬的優(yōu)越性。目前，市場上相繼推出的數(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)動信號SPWM波，大大簡化了用于產(chǎn)生PWM波形的軟件和硬件，使系統(tǒng)簡化，同時(shí)提高了其動、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：直流過壓、欠壓、短路、交流過流、過熱等保護(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)置大大簡化了產(chǎn)生PWM波形的控制軟件和外部硬件，通過編程可產(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信號給逆變器，且三相互補(bǔ)不重疊。每個(gè)引腳驅(qū)動電流達(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)動電路。另外含有過流保護(hù)、短路保護(hù)、驅(qū)動電源欠壓保護(hù)、過熱保護(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）、信號檢測電路、驅(qū)動與保護(hù)電路等組成，主要完成逆變橋SPWM驅(qū)動信號的產(chǎn)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(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，從RE囗輸出，然后再經(jīng)驅(qū)動電路去驅(qū)動逆變功率開關(guān)，完成三相SPWM逆變。 dsPIC30F4012微處理器通過計(jì)算查表把存儲在片內(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信號經(jīng)PWM0～PWM5端輸出，送至IPM驅(qū)動信號輸入端。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)置了過流、過壓、過熱、缺相、短路、過載等多種保護(hù)功能，所有保護(hù)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(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IPM驅(qū)動電路進(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)，通過該點(diǎn)對應(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，通過讀取不同的I/O囗來進(jìn)一步識別是發(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： 由于變頻器長期運(yùn)行在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場干擾嚴(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)并制作了一臺樣機(jī)，用于22kW注塑機(jī)拖動電機(jī)上，一年來運(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，特別是通過編程產(chǎn)生SPWM波信號，信號產(chǎn)生簡單方便，易于編程，死區(qū)時(shí)間也通過軟件編程控制在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。