采用68HC908MR16單片機的空間矢量控制變頻電源設計

T_s為PWM周期；

t₁為的作用時(shí)間；

t₂為的作用時(shí)間；

t₀為零矢量的作用時(shí)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(gè)非零矢量和零矢量合成，在實(shí)際合成時(shí)可采用每一個(gè)非零矢量分別發(fā)出兩次，零矢量則依次插入各個(gè)分割點(diǎn)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(shí)間，再發(fā)零矢量作用t₀/4時(shí)間，而后發(fā)出非零矢量作用t₂/2時(shí)間，接著(zhù)發(fā)出零矢量作用t₀/4時(shí)間。然后再依此次序重發(fā)矢量一次，就完成了整個(gè)合成過(guò)程。之所以采用這種合成方法是因為系統工作到低頻時(shí)，控制周期變長(cháng)，而每個(gè)周期內非零矢量的作用時(shí)間又是一定的，也就是說(shuō)零矢量的作用時(shí)間相應的變長(cháng)了。于是就將一個(gè)周期中太長(cháng)的零矢量分開(kāi)成幾個(gè)零矢量，而后把它們均勻地插入到非零矢量中去，這樣既滿(mǎn)足了合成的要求，又有效地抑止了低速轉矩脈動(dòng)。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(lái)處理，即有一個(gè)非零矢量的作用時(shí)間為0。

2 系統實(shí)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(guān)。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(xié)調變化，即要求電壓V和頻率f要同時(shí)變化并滿(mǎn)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(guò)程中保持恒定。采用空間矢量PWM控制法驅動(dòng)逆變橋，可以實(shí)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(jiǎn)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(zhuān)用單片機68HC908MR16（以下簡(jiǎn)稱(chēng)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(xiě)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(shí)間最快僅需2μs，能夠在極短時(shí)間內完成多路采樣并進(jìn)行高精度轉換；同時(shí)MR16含有一個(gè)可編程時(shí)鐘發(fā)生器模塊(CGM)，系統時(shí)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(guò)SCI模塊能方便地實(shí)現系統與外部的實(shí)時(shí)通信。

2.3 PWM波形成
本系統利用MR16單片機中的PWMMC模塊，實(shí)現PWM波形的生成。在初始化時(shí)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(gè)開(kāi)關(guān)管直通，在無(wú)信號發(fā)生器DEADTIME的死區時(shí)間寄存器DEADTM中設置了2.5μs的死區時(shí)間。系統采用4MHz的外部晶振，由程序選擇內部鎖相環(huán)頻率合成器產(chǎn)生8MHz內部總線(xiàn)時(shí)鐘。同時(shí)設置載波頻率為9kHz，并將其寫(xiě)入PMOD(H:L)寄存器。PWM波的實(shí)時(shí)脈沖寬度的計算都是在中斷服務(wù)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(shí)就引起一次中斷。預先將一個(gè)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(jìn)入中斷后都從表中取出一個(gè)正弦值，經(jīng)過(guò)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(jìn)行比較后自動(dòng)產(chǎn)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(shí)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(shí)，它們的值都不相同，都是實(shí)時(shí)變化的。同樣，賦給每一個(gè)PVALX(H:L)寄存器的值也就不盡相同。這種產(chǎn)生對稱(chēng)PWM波形的方法，每個(gè)PWM周期都開(kāi)始和結束于零向量，并且000和111的持續時(shí)間相同；同時(shí)，除了占空比0％和100％外，每個(gè)周期內各橋臂通斷兩次，而且對于一個(gè)扇區來(lái)講，橋臂的通斷都有一個(gè)固定的順序。

圖5 軟件實(shí)現原理圖