用MC9S12H256實(shí)現異步電機變頻調速

關(guān)鍵詞：SPWM MC9S12H256 變頻 IGBT 光電編碼器

引言

SPWM變頻調速系統由于具有調速范圍寬、功率因數高、對電網(wǎng)影響小、電機運行平穩、可有效抑制低次諧波、可實(shí)現較大容量等諸多優(yōu)點(diǎn)，而越來(lái)越受到人們的重視，一直被視作非常有發(fā)展前途的變頻方案，越來(lái)越多的科研技術(shù)人員開(kāi)始討論這一課題。由于電力電子技術(shù)的高速發(fā)展和智能控制技術(shù)的廣泛應用，當前人們設計的SPWM電機變頻調速系統，摒棄了過(guò)去依賴(lài)邏輯電路，如比較器、三角波發(fā)生器等陳舊的實(shí)現方式，而采用高性能MCU加上一些專(zhuān)門(mén)的PWM集成電路，如HEF4752、SLE4520等構成。文本介紹的系統由于MC9S12H256具有獨立的PWM通道，實(shí)現起來(lái)更為容量；加之Motorola出品的MCU一向具有產(chǎn)品線(xiàn)豐富，片內資源眾多等優(yōu)點(diǎn)，所以比較使用Intel 80196實(shí)現的方案，無(wú)論是調試方式還是工作速度以及實(shí)現難易度都有一定的優(yōu)勢。

圖1 MC9S12H256 PWM方框圖

1 MC9S12H256 PWM模塊介紹

MC9S12H256是Motorola公司16位單片機系列中定位于電機控制的機型，它秉承了Motorola單片機資源豐富的傳統優(yōu)勢，最高工作頻率為24MHz，內部具有256K Flash ROM、12K RAM、4K EEPROM、2個(gè)SCI、1個(gè)SPI、1個(gè)I2C總線(xiàn)接口、8通道16位定時(shí)器、1個(gè)6通道PWM模塊、16通道10個(gè)A/D轉換器、2個(gè)CAN2.0接口、1個(gè)LCD驅動(dòng)器。其中專(zhuān)門(mén)用于電機控制的PWM模塊可以很方便地生成雙極式三相脈寬調制波形。下面詳細介紹該芯片的PWM模塊。

PWM模塊含有6個(gè)PWM通道，每個(gè)通道可以獨立產(chǎn)生左對齊或者中心對齊的波形。每個(gè)通道的波形周期和占空比以及對齊方式都可以單獨編程，同時(shí)每個(gè)通道還配有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的計數器來(lái)靈活選擇不同的時(shí)間源，以提供更寬的變頻。綜合起來(lái)PWM模塊具有以下性質(zhì)：

*6個(gè)獨立的PWM通道，其周期、占空比、對齊方式都可以單獨編程；

*每個(gè)PWM通道都配有計數器，用來(lái)選擇時(shí)鐘源；

*每個(gè)PWM通道都可以通過(guò)編程來(lái)開(kāi)啟或者關(guān)斷；

*每個(gè)通道的起始極性能可以編程；

*周期和占空比寄存器是雙緩沖的，也就是說(shuō)只有一個(gè)周期結束之后才可以轉化為新的指定的周期和占空比；

*6個(gè)8位的PWM通道可以合并成更高精度的3個(gè)16位PWM通道；

*可以編程選擇4個(gè)時(shí)鐘源，所以可提供寬廠(chǎng)的變頻范圍；

*具有突發(fā)事故通道關(guān)斷功能。

由此可見(jiàn)，該芯片的PWM模塊是相當強大的。毫無(wú)疑問(wèn)，這將有助于縮短我們設計電機變頻調整系統的時(shí)間。該PWM模塊框圖如圖1所示。

圖2 主電路圖

由圖1可以看出，PWM波形的生成和修改，都是通過(guò)改變每一通道所包含的寄存器以及系統寄存器來(lái)實(shí)現的，所以明確這些寄存器的含義是成功實(shí)現SPWM波形的關(guān)鍵。但是，由于該PWM模塊含有31個(gè)寄存器，數目眾多，限于篇幅，這里只概略介紹一下。

在這31個(gè)寄存器中，有一部分為芯片出廠(chǎng)測試之用，具體功能如表1所列。其中的偏移地址指的是該寄存器相對于PWM基址的偏移量。

寄存器中PWMCLK、PWMPRCLK、PWMSCLA、PWMSCLB是與時(shí)鐘源選擇有關(guān)的。在PWM模塊中共有四種不同的時(shí)鐘源：ClockA、ClockB、ClockSA、ClockSB。其中ClockA和ClockSA用于0、1、4、5通道；ClockB和ClockSB用于2、3通道。ClockA、ClockB是由總線(xiàn)時(shí)鐘除以一定的比例因子（最大為128）生成的，而ClockSA、ClockSB是由ClockA、ClockB除以一定的比例因子（最大為512）生成的。對應地，PWMCLK寄存器用來(lái)設置每個(gè)通道的時(shí)鐘源，PWMPRCLK用來(lái)設置生成ClockA、ClockB時(shí)鐘時(shí)的比例因子；而PWMSCLA、PWMSCLB則設置生成ClockSA、ClockSB的比例因子。由此我們可以看出，如果芯片的工作頻率為16MHz，那么理論上，IGBT的關(guān)斷頻率可以達到1Hz～16MHz。這是一個(gè)非常寬的頻率范圍，當然實(shí)際中還需要考慮IGBT可以承受的關(guān)斷頻率。

表1 PWM寄存器功能描述

2 硬件選型與系統框圖

由前面對MC9S12H256芯片的介紹可以知道，它的內部資源非常豐富。毫無(wú)疑問(wèn)，這給硬件設計帶來(lái)了極大的方便，基本上們不需要再行擴展大的外圍器件了；主要擴展的是IGBT的驅動(dòng)裝置、人機接口部分的鍵盤(pán)和LCD以及用于測定電機轉速的光電編碼器四個(gè)部分。

考慮到可購買(mǎi)性和價(jià)格，IGBT選用IMB150-120，其驅動(dòng)器選用EVB840。它們都具有價(jià)格適中，應用成熟等特點(diǎn)。LCD選用東芝JR07用來(lái)顯示電機轉速、頻率、工作狀態(tài)等。至于光電編碼器，以前以國外產(chǎn)品為主，價(jià)格一般非常昂貴；現在已有不少?lài)鴥葟S(chǎng)家可以生產(chǎn)，不光價(jià)格要便宜得多，性能也并不遜色，所以我們選用了長(cháng)春三峰傳感器技術(shù)公司的PZF系列傳感器，鍵盤(pán)則使用市售普通型號。

SPWM電機變頻調速系統由電機主電路和控制電路兩部分構成。主電路采用交-直-交電壓型IGBT-PWM變頻電路，如圖2所示?？刂齐娐芬訫C9S12H256為核心，如圖3所示，接受外部鍵盤(pán)輸入的速度數據，送LCD顯示的同時(shí)，通過(guò)此輸入的速度和光電編碼器測得的速度，根據一定的控制算法，計算出電機的頻率，然后計算出SPWM波形參數，再通過(guò)內置的PWM模塊使EXB840驅動(dòng)IGBT產(chǎn)生脈寬調帛波形，來(lái)使電機按照期望的頻率轉動(dòng)。其中6個(gè)PWM通道與IGBT的接口安排為：通道5接A+；4接A-；3接B+；2接B-；1接C+；0接C-。圖2中T1～T6表示的是6只IGBT。

表2 調制度和載波比取值表

3 算法與控制策略

3.1 調制度與載波比的選擇

SPWM變頻有一個(gè)原則，即在盡可能的范圍內保持轉子磁通不變。所以，我們在設計算法時(shí)規定了輸出頻率和電壓的關(guān)系。為了充分利用本型號單片機強大的計算功能，我們采用分段同步調制的方法；在一定的頻率范圍內，采用同步調制，保持輸出波形對稱(chēng)；當頻率下降幅度較陡時(shí)，將載波比分段一級一級增加。具體來(lái)說(shuō)就是使逆變器整個(gè)變頻范圍劃分為多個(gè)頻段，在每個(gè)頻段內維持載波比恒定。如表2所列，調制定M定義為正弦調制波參考信號峰值Urm與三解載波峰值Utm之比，載波比N定義為三角載波頻率ft與正弦調制波頻率fr之比。表2可建于Flash中，方便在程序中讀取，查表時(shí)調制度要進(jìn)行插值運算。

3.2 PWM波形的生成

考慮到工程上的可實(shí)現性以及輸出波形的精度，采用了規則采樣二法進(jìn)行采樣，如圖4所示。

在三角載波的固定負峰值位置找到正弦調制波的采樣電壓值，也就是圖4中E點(diǎn)，然后過(guò)E點(diǎn)作水平線(xiàn)，截得三角波A、B兩點(diǎn)，從而確定脈寬時(shí)間t2。在這種采樣法中，每個(gè)周期的采樣時(shí)刻是固定的。根據脈沖電壓對三角載波的對稱(chēng)性以及三相電壓的特性，可知三相脈寬t和周期t2a～t2c的計算公式如下：

t2a=T[1+Msin(ω1te)]/2

t2b=T[1+Msin(ω1te+2π/3)]/2]

t2c=T[1+Msin(ω1te+4π/3)]/2

t=T[3+Msin(ω1te)]/4

其中：T―三角載波的周期；

ω1―正弦調制波的角頻率；

te―三角載波的負峰值時(shí)刻。

考慮到該型號單片機的高速計算能力，我們采用以實(shí)時(shí)計算為主的波形生成方法：即先在芯片自帶Flash中存儲正弦函數的值，根據鍵盤(pán)輸入的期望速度和光電編碼器的反饋速度，按照一定的控制算法，計算出電機的工作頻率。然后，查表2取出M和N，再查正弦表，根據上述公式計算出每一相的脈沖寬度和周期，再設置相應通道的PWM模塊寄存器來(lái)產(chǎn)生期望的PWM波形。

3.3 控制策略和PWM通道系統參數設置

控制策略采用轉差矢量變換，此外還有過(guò)電流、過(guò)電壓保護等其它一些細節問(wèn)題。限于篇幅，此處不詳細介紹。由表2可知，為了匹配相應的開(kāi)關(guān)頻率，我們必須為每一個(gè)PWM通道選用恰當的時(shí)鐘源。經(jīng)過(guò)分析，將ClockSA作為0、1、4、5通道時(shí)鐘源；將ClockSB作為2、3通道時(shí)鐘源，并將PWMCLK設為$FD；將PWMPRCLK設為$55；將PWMSCLA/B設為$40，這樣ClockSA=ClockSB=16M/32/128=2048Hz，所以開(kāi)頻率范圍為（2048/512，2048）=(4,2048)Hz。顯然，表2所要求的開(kāi)關(guān)頻率在個(gè)范圍之內。

4 軟件開(kāi)發(fā)工具

開(kāi)發(fā)工具采用Windriver公司的嵌入式C編譯器。為了優(yōu)化編譯質(zhì)量，采取匯編和C混合編程的模式，其中PWM波形等需要計算速度的任務(wù)使用匯編編寫(xiě)，其余LCD顯示、鍵盤(pán)處理等使用C語(yǔ)言編寫(xiě)。實(shí)際上，由于MC9S12H256集成了絕大多數功能模塊，這也給軟件編程帶來(lái)了方便。整個(gè)軟件功能主要包括處理鍵盤(pán)輸入、LCD顯示、控制算法實(shí)現、PWM波形生成。程序分為主程序和兩個(gè)定時(shí)中斷服務(wù)子程序T0、T1。主程序完成轉差矢量變換、LCD顯示、鍵盤(pán)處理。T0每隔一個(gè)三角載波周期中斷一次，以便將實(shí)時(shí)計算出的PWM波形數據送入相關(guān)寄存器；T1每隔一個(gè)調制波周期中斷一次，以便對定時(shí)器和累加器清零，消除積累誤差。

結語(yǔ)

由MC9S12H25構成的SPWM變頻電機調速系統，充分利用了Motorola公司單片機特有片內資源異常豐富、開(kāi)發(fā)工具優(yōu)良等諸多優(yōu)點(diǎn)，大大簡(jiǎn)化了變頻調速系統的開(kāi)發(fā)。