摘  要： 介紹了日本三菱公司最新推出的單片微處理器M37906和智能功率模塊PS21245在變頻調(diào)速中的應(yīng)用,并結(jié)合不對稱規(guī)則采樣脈寬調(diào)制(PWM)法，給出了變頻器設(shè)計(jì)的基本方法。 

    關(guān)鍵詞: M37906  脈寬調(diào)制  智能功率模塊  規(guī)則采樣

     隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展,變頻調(diào)速技術(shù)也在日新月異地進(jìn)步。智能微控制器的不斷完善和智能功率模塊(IPM)的更新?lián)Q代更加促進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)的進(jìn)步。近十多年來,以半導(dǎo)體功率器件為基礎(chǔ)的PWM變頻脈寬調(diào)速技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如何在普通環(huán)境中應(yīng)用最新的電子技術(shù)成果,通過優(yōu)化PWM算法提高控制性能,一直是技術(shù)人員的不懈追求。 

    本文介紹三菱公司最近推出的一種16位專用變頻調(diào)速微處理器M37906及三菱公司第四代智能功率模塊DIP-IPM的性能特點(diǎn),并結(jié)合不對稱規(guī)則采樣PWM算法,對微處理器M37906和智能功率模塊PS21245組成的變頻器的軟硬件進(jìn)行說明。 

1 M37906微處理器 

1.1 M37906微處理器的功能和特點(diǎn) 

    M37906 微處理器采用高性能硅柵CMOS工藝,具有42腳塑料表面粘貼(SSOP)和42腳塑料窄腳雙列直插(SDIP)兩種封裝形式,提供 FLASH芯片和掩膜ROM芯片兩種供貨方式,其基本特點(diǎn)如下: 

    基本指令           203條 

    指令執(zhí)行時(shí)間       50ns (系統(tǒng)時(shí)鐘20MHz) 

    存儲器容量 

        片內(nèi)ROM        32K byte 

        片內(nèi)RAM        1024 byte 

    可編程輸入/輸出口   30 

                  (P1，P2，P5，P6，P7) 

    串行通行口          2路 

    多功能定時(shí)器   

        TA0～TA9       10路16位              

        TB0～TB2       3路16位 

    看門狗定時(shí)器       1路12位

    中斷源             23  

        外部中斷(INT3、INT4、INT5、INT6、INT7) 

        內(nèi)部中斷(TA0～TA9)(TB0～TB2) 

                (UART0、UART1、A/D) 

        中斷優(yōu)先級     7 

    A/D轉(zhuǎn)換             5路10位               

    D/A轉(zhuǎn)換             2路 8位 

    供電電源            5V±0.5V 

    工作環(huán)境            -20℃～85℃ 

    功耗                255mW(20MHz) 

1.2 M37906單片微處理器^[2] 

    M37906單片微處理器是M7900系列16位單片機(jī)中專為三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)的微處理芯片,特別適合于三相直流無刷電機(jī)的控制,結(jié)構(gòu)封裝如圖1所示。其所有的I/O口除了具有雙向輸入/輸出功能外還具有其它復(fù)合功能。其中DA0和DA1為D/A轉(zhuǎn)換口,可用于系統(tǒng)模擬量的輸出;AN0～AN4是A/D轉(zhuǎn)換接口,可用于模擬量的采集;W_N、V_N、U_N和W、V、U是產(chǎn)生三相PWM控制信號的接口,可用于對三相電機(jī)的驅(qū)動(dòng);IDU、IDV、IDW為三相位置檢測口,用于三相無刷電機(jī)控制中對轉(zhuǎn)子位置的實(shí)時(shí)檢測;其余的定時(shí)器輸入、定時(shí)器輸出、串行通信接口等與普通單片機(jī)基本相同。下面著重介紹M37906處理器中三相PWM波形的生成和與此相關(guān)的定時(shí)器的工作方式。 

    M37906處理器內(nèi)部具有TA0～TA9和TB0～TB2共十三個(gè)16位的多功能定時(shí)器。定時(shí)器之間相互獨(dú)立,每個(gè)定時(shí)器都可以選擇其獨(dú)立的工作方式。定時(shí)器TA0～TA9有四種工作方式: 

    定時(shí)工作方式:定時(shí)器對內(nèi)部計(jì)數(shù)源計(jì)數(shù)。有普通、帶門控功能、帶脈沖輸出三種方式。 

    事件計(jì)數(shù)方式:定時(shí)器對一個(gè)外部脈沖計(jì)數(shù),可對單相或兩相外部信號計(jì)數(shù)。 

    單次脈沖方式:定時(shí)器輸出一個(gè)給定寬度的脈沖信號,該方式只觸發(fā)一次,觸發(fā)后停止記數(shù)。 

    脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式:定時(shí)器輸出給定寬度的連續(xù)脈沖。 

    定時(shí)器TB0～TB2有三種工作方式: 

    定時(shí)工作方式:定時(shí)器對內(nèi)部計(jì)數(shù)源計(jì)數(shù)。工作情況與定時(shí)器TA相同。 

    事件計(jì)數(shù)方式:定時(shí)器對一個(gè)外部脈沖計(jì)數(shù),只能對單相外部脈沖信號計(jì)數(shù)。 

    脈沖周期/脈沖寬度測量方式:定時(shí)器測量外部脈沖的周期或?qū)挾取?nbsp;

    聯(lián)合使用定時(shí)器TA0～TA3和定時(shí)器TB0可以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)三相馬達(dá)的電壓波形。M37906內(nèi)部集成的三相馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的工作方式稱為三相波模式,用于實(shí)現(xiàn)三相波形的輸出。三相正相波形(U相、V相、W相)和三相負(fù)相波形(U_N相、V_N相、W_N相),分別從P6₅、P6₄、P6₃、P6₂、P6₁和P6₀輸出,P6OUTcut/INT4作為智能模塊的故障檢測口。定時(shí)器TA3按定時(shí)方式工作,用于控制載波周期;定時(shí)器TA0～TA2按單次脈沖方式工作分別控制各輸出相。其中定時(shí)器TA0控制W和W_N相,定時(shí)器TA1控制V和V_N相,定時(shí)器TA2控制U和U_N相。 

    定時(shí)器TA3用于控制三角調(diào)制波或鋸齒波的周期。當(dāng)定時(shí)器TA3記數(shù)器向下溢出時(shí),產(chǎn)生中斷請求,發(fā)出一個(gè)短脈沖使定時(shí)器TA0～TA2開始記數(shù);同時(shí)三相輸出極性設(shè)置寄存器(00A8H)的相應(yīng)位分別觸發(fā)各自對應(yīng)的輸出極性設(shè)置翻轉(zhuǎn)觸發(fā)(toggle flip-flop)器,設(shè)置其輸出的極性,觸發(fā)器的內(nèi)容在定時(shí)器TA0～TA2觸發(fā)時(shí)反向;定時(shí)器TA0～TA2在觸發(fā)極性設(shè)置翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器的同時(shí)也觸發(fā)死區(qū)時(shí)間定時(shí)器使之開始工作。此時(shí)正相和負(fù)相輸出波形并不能馬上從高電平轉(zhuǎn)到低電平,只有死區(qū)時(shí)間定時(shí)器溢出后,所發(fā)出的反向觸發(fā)信號才使輸出從高電平轉(zhuǎn)到低電平。 

    在輸出波形時(shí),設(shè)置死區(qū)時(shí)間的目的是防止正向波形(U相、V相、W相)輸出低電平和負(fù)相波形(U_N相、V_N相、W_N相)輸出低電平時(shí)互相重疊,因?yàn)檎嗪拓?fù)相同時(shí)為低電平時(shí)會造成驅(qū)動(dòng)電路短路。M37906內(nèi)部提供了3個(gè)以單次脈沖方式工作的八位定時(shí)器完成對死區(qū)時(shí)間的控制。它們共用一個(gè)設(shè)定死區(qū)時(shí)間的重加載寄存器,在設(shè)定死區(qū)時(shí)間寄存器(00A7H)時(shí)也同時(shí)自動(dòng)加載到共用的重加載寄存器中;每次觸發(fā)死區(qū)時(shí)間定時(shí)器時(shí)微處理器會重新加載該寄存器中的值,按選擇的記數(shù)源進(jìn)行減記數(shù);當(dāng)記數(shù)器下溢時(shí),記數(shù)器停止工作,等待下一次觸發(fā)。 

    M37906具有兩種三相PWM方式,即三相PWM方式0和三相PWM方式1。在方式0中每次定時(shí)器TA3溢出都會產(chǎn)生中斷請求;定時(shí)器TA0～TA2各使用一個(gè)寄存器,通過設(shè)定U、V、W各相的輸出極性設(shè)置緩沖的方法使輸出極性反向,也可以通過軟件方法直接使三相輸出反向。而三相波形方式1中定時(shí)器TA3每兩次或每四次向下溢出才會產(chǎn)生中斷;每個(gè)定時(shí)器交替使用兩個(gè)寄存器,只能通過設(shè)置三相輸出波形的極性寄存器實(shí)現(xiàn)三相波的極性設(shè)置;在每個(gè)周期內(nèi)根據(jù)三相輸出極性設(shè)置緩存器的內(nèi)容由硬件自動(dòng)完成對三相波極性的反向。 

2 PS21245智能功率模塊 

    DIP-IPM模塊是日本三菱公司最新推出的第四代IPM智能功率模塊。IPM智能功率模塊是集內(nèi)置三相交流輸出IGBT逆變電路、高壓驅(qū)動(dòng)和保護(hù)于一體的雙列直插封裝模塊。其內(nèi)部既有驅(qū)動(dòng)控制和保護(hù)邏輯,又有過流、過(欠)壓、短路和過熱探測等保護(hù)電路,大大提高了變頻器的可靠性和可維護(hù)性。DIP-IPM模塊與第三代IPM智能功率模塊相比具有以下特點(diǎn):只需一路+15V的驅(qū)動(dòng)電源,可不采用光耦直接與單片機(jī)進(jìn)行連接,工藝上采用了更小的IGBT/FWDi芯片,使功耗更低、體積更小。PS21245的每路IGBT集電極電流為20A,開關(guān)頻率典型值5kHz,絕緣耐壓1500Vrms，集電極-發(fā)射極額定電壓600V，其內(nèi)部電路如圖2所示。 

3 M37906微處理器和智能功率模塊PS21245構(gòu)成的變頻器 

    M37906和PS21245智能功率模塊構(gòu)成的變頻器結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中IPM三相PWM控制信號通過4.7kΩ的上拉電阻后直接與M37906的P6相連(布線時(shí)要特別注意該組引線要盡可能短,以提高系統(tǒng)的抗干擾性能)。上臂驅(qū)動(dòng)電源正極(V_UFB、V_VFB、V_WFB)和下臂驅(qū)動(dòng)電源負(fù)極(V_UFS 、V_VFS 、V_WFS)通過自舉電路連到+15V,IPM的三個(gè)上臂控制電源端V_P1和下臂控制電源端V_pc與+15V驅(qū)動(dòng)電源直接相連。短路保護(hù)動(dòng)作電壓設(shè)定端CIN與V_NC之間加限流電阻,根據(jù)實(shí)際保護(hù)動(dòng)作電壓的需要調(diào)整阻值。故障信號輸出端Fo與M37906的P6OUTcut/INT4相連。輸出故障脈寬設(shè)定端CFO通過陶瓷電容與V_NC相連,當(dāng)選取22nF的電容時(shí),對應(yīng)的故障脈寬為1.8ms。IPM供電直流電源端P與+15V驅(qū)動(dòng)電源連接。電源端N、上下臂GND端接模擬地。三相逆變輸出端U、V、W與負(fù)載電機(jī)的U、V、W連接。 

3.1 PWM采樣方法^[1] 

    PWM脈寬調(diào)制是利用相當(dāng)于基波分量的信號對三角載波進(jìn)行調(diào)制,脈沖寬度由正弦波和三角波自然相交而成的自然采樣法,如圖4所示。其中圖4(a)為對稱規(guī)則采樣,設(shè)三角載波周期為T_t,采樣周期為T_S(T_S= T_t),當(dāng)以三角波頂點(diǎn)t₁為采樣點(diǎn)時(shí): 

    脈沖寬度為： 

    采樣點(diǎn)時(shí)刻t₁只與載波比N有關(guān),與調(diào)節(jié)器幅比M無關(guān)(其中t₁=kT_t,k=0,1,2,…N-1)。 

    對于圖4(b)所示的不對稱規(guī)則采樣法,既在三角波的頂點(diǎn)位置又在底點(diǎn)位置對正弦波進(jìn)行采樣時(shí),采樣周期T_S是三角波周期的1/2: 

    脈沖寬度為： 

    其中k=0,1,2,3…,當(dāng)k為偶數(shù)時(shí)是頂點(diǎn)采樣,k為奇數(shù)時(shí)是底點(diǎn)采樣。 

3.2 軟件結(jié)構(gòu) 

    軟件流程如圖5所示。由于IPM智能模塊只有一路+15V控制電源,為了使IPM正常啟動(dòng),上電開始時(shí)通過依次開通下臂的IGBT,在上臂IGBT上進(jìn)行足夠脈寬的PWM輸出,對IMP上臂驅(qū)動(dòng)電源(V_UFB 、V_VFB、V_WFB)和下臂驅(qū)動(dòng)電源(V_UFS、V_VFS、V_WFS)上的自舉電容進(jìn)行充電。當(dāng)自舉電容為100μF，自舉電阻為50Ω的情況下,自舉充電時(shí)間約為5ms。自舉完成后通過檢測IPM的F_O輸出判斷IPM的運(yùn)行情況。正常情況F_O輸出的信號為高電平,當(dāng)此端口輸出低脈沖時(shí),表示模塊處于故障狀態(tài),通過INT4外部中斷程序停止智能模塊的輸出。 

    三角載波是通過定時(shí)器由軟件方式實(shí)現(xiàn)。載波周期定時(shí)器和采樣定時(shí)器之間的關(guān)系決定著規(guī)則采樣的性質(zhì)。當(dāng)載波周期定時(shí)器和采樣定時(shí)器的周期相同時(shí)是對稱規(guī)則采樣,通過(1)式設(shè)定定時(shí)器TA0～TA2的預(yù)載寄存器;當(dāng)載波半周期定時(shí)器和采樣定時(shí)器的周期相同時(shí)是不對稱規(guī)則采樣,通過(2)式進(jìn)行計(jì)算設(shè)定。 

    通過上述兩種方法可得到不同頻率的三相PWM波形。對變頻器輸出的特性分析,不對稱規(guī)則采樣所形成的階梯波比對稱規(guī)則采樣時(shí)更接近于正弦波,輸出電壓也高于前者。當(dāng)載波比N等于3或3的倍數(shù)時(shí),逆變器輸出電壓中偶次諧波分量基本可以消除,其它的高次諧波分量的幅值也較小,但相應(yīng)的中斷次數(shù)和計(jì)算量將成倍增加。當(dāng)然基波信號不一定是正弦波,可以采用其它優(yōu)化PWM調(diào)制方法,同時(shí)也可以采用其它采樣方法,但需要將存儲在微處理器中的基波數(shù)據(jù)和采樣計(jì)算公式進(jìn)行調(diào)整,可以進(jìn)行多種嘗試以達(dá)到更好的諧波特性和更高的功率因數(shù)。 

    該變頻器由于采用集成度較高的變頻專用微處理器和功能更強(qiáng)的智能功率模塊,體積小、成本低,特別適合家電產(chǎn)品和民用產(chǎn)品使用。主要的缺點(diǎn)是省去光耦后IPM與微處理器只能置于同一塊PCB板上,而且上下臂控制信號的走線要盡量短。如微處理器和IPM較遠(yuǎn)時(shí)仍需通過光耦隔離,采用原有的光耦接法。 

    采用不對稱規(guī)則采樣所形成的階梯波更接近于正弦波。輸出頻率與輸出電壓對頻率指令值的響應(yīng)時(shí)間是一個(gè)中斷周期,由于16位微處理器的指令執(zhí)行速度快,指令周期短,同時(shí)智能功率模塊的開關(guān)頻率典型值達(dá)到5kHz,可以選用更大的載波比以縮短響應(yīng)時(shí)間,滿足實(shí)時(shí)控制的需要。同時(shí)智能功率模塊的各種保護(hù)措施也提高了變頻器的可靠性。 

參考文獻(xiàn) 

1 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng).上海:上海工業(yè)大學(xué)出版社 

2 日本三菱.  M7906 Group User’s Manual