面向低成本變速應用的“即用型“交流感應電機控制IC

假定ACCEL管腳上的電壓保持一個(gè)常量，或者加速度值通過(guò)主機軟件被設置為一個(gè)常量，MC3PHAC就會(huì )生成一個(gè)線(xiàn)速配置文件。為了獲取其它類(lèi)型的配置文件，當速度沿斜線(xiàn)上升時(shí)，加速度值必須動(dòng)態(tài)變化。例如，為了獲得拋物線(xiàn)速度配置文件，當速度沿斜線(xiàn)上升時(shí)，加速度必須在線(xiàn)性配置文件中變動(dòng)。

MC3PHAC中的速度配置程序(velocity Profiler)不但要負責控制電機的速度，還要負責控制電機的電壓，因為這兩者在每赫茲伏特控制器中彼此相關(guān)。為了實(shí)施MC3PHAC中嵌入的所有功能，速度配置程序每秒需要進(jìn)行很多計算，這會(huì )影響到速度更新的頻率。如果計算頻率太低，就會(huì )創(chuàng )建步進(jìn)式速度配置文件，從而導致速度沿斜線(xiàn)上升時(shí)產(chǎn)生扭矩干擾和振動(dòng)。

MC3PHAC采用兩種技術(shù)來(lái)共同消除這個(gè)問(wèn)題。第一種技術(shù)是速度整平，如圖9所示。

圖 9. 速度整平（Velocity Pipelining）

各個(gè)垂直的分區表示PWM的更新間隔。正如我們所看到的，在每16個(gè)更新間隔上，觸發(fā)一次速度配置程序以合成新的速度和電壓信息。在圖中，速度配置程序的第一次觸發(fā)生成一個(gè)標為w2的速度。

然而，需要指出的是，應用到該電機的PWM波形直到后來(lái)才反映該轉速。這種"整平"的作用允許PWM波形在原有的速度數據上構建，同時(shí)速度配置程序生成新的速度數據。由于速度配置程序的速度輸出波形的絕對時(shí)間參照是任意的(過(guò)度再生情況中的減速放緩除外)，這種速度整平表示的相位延遲將不會(huì )對系統造成負面影響。

為了進(jìn)一步提高速度波形的分辨率，MC3PHAC還采用了一種修改技術(shù)，允許速度波形在每個(gè)PWM更新間隔上根據新的值進(jìn)行更新。圖10顯示了一個(gè)速度上升的波形示例，其中來(lái)自配置程序的各個(gè)具體的速度輸出值分別用一個(gè)圓點(diǎn)表示。這些更新每3或4μS發(fā)生一次(視PWM頻率情況而定)，在加速和減速過(guò)程中還可能導致電機達不到最優(yōu)性能。

每次觸發(fā)配置程序時(shí)，都會(huì )提供三個(gè)輸出值，分別是原有速度、"delta"速度和調制指數(未在圖10中顯示)。在每個(gè)PWM更新間隔，delta速度值都會(huì )分成更細的速度增量。通過(guò)在每次更新PWM時(shí)把這些增量添加到原有的速度值中，就會(huì )生成一條新的速度曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)增加了16x分辨率，所圖10所示。因此，電機可以非常平穩地從一個(gè)速度過(guò)渡到另一個(gè)速度。

圖10. 速度修改

由于MC3PHAC設計用來(lái)控制處理危險的高電壓和高電流的逆變器，因此它融入了一系列系統監視和保護功能。在有些情況下，當探測到問(wèn)題時(shí)，MC3PHAC會(huì )立即做出響應，努力降低故障的影響。在另外一些情況中， PWM會(huì )立即關(guān)閉，直到問(wèn)題解決，同時(shí)完成超時(shí)操作，表明可以安全重啟。對兩種類(lèi)型的故障模式(低Vdd 和晶體探測丟失)來(lái)說(shuō)，MC3PHAC會(huì )重啟，致使PWM立即進(jìn)入高抗阻狀態(tài)，并迫使重新設置連接到復位管腳的所有外部硬件。每種保護功能都按問(wèn)題的嚴重性在下面進(jìn)行詳細討論。

高總線(xiàn)電壓
由于MC3PHAC 為交流驅動(dòng)提供的PWM類(lèi)型會(huì )導致變頻器的完全4 象限運行，因此能量可從電機回傳給直流總線(xiàn)。然而，在很多情況下，會(huì )阻止這種能量返回交流主線(xiàn)，而是作為1/2CV2儲存在總線(xiàn)電容器中。在大多數情況下，這種情況都是電機大幅減速的結果。如果總線(xiàn)電壓超過(guò)表2中描述的"總線(xiàn)電壓Decel值"的限制，MC3PHAC就會(huì )減緩降速以調整再生處理。而且，如果總線(xiàn)電壓超過(guò)表2中描述的"總線(xiàn)電壓Decel值"限制，MC3PHAC就會(huì )激活RBRAKE管腳，在電容器上打開(kāi)一個(gè)電阻負載，釋放再生能量而不是把它儲存起來(lái)。圖11顯示了通過(guò)1/2 hp電機的加速和減速獲得的波形及其對總線(xiàn)電壓的相應影響。在這種情況下，只使用電阻制動(dòng)來(lái)限制總線(xiàn)電壓，并把"總線(xiàn)電壓Rbrake值"設置為其默認值的110%。

圖11. 用RBRAKE Clamping加速和減速時(shí)直流總線(xiàn)的電壓

過(guò)高的總線(xiàn)電壓
如果上面描述的技術(shù)在限制直流總線(xiàn)電容器上的電壓時(shí)并不成功，總線(xiàn)電壓超出表2中描述的"總線(xiàn)電壓過(guò)壓值"限制，PWM輸出就立即關(guān)閉。在總線(xiàn)電壓降至安全限制范圍內前，它會(huì )一直保持關(guān)閉狀態(tài)，并出現指定的超時(shí)操作，顯示可以安全地為變頻器接通電源。

低壓總線(xiàn)
如果總線(xiàn)電壓降得過(guò)低(如在電力管制條件下)，某些由總線(xiàn)供電的系統的功能就會(huì )不穩定，導致其它系統問(wèn)題。如果總線(xiàn)電壓降至表2中描述的"總線(xiàn)電壓過(guò)壓值"門(mén)限以下，PWM輸出將被關(guān)閉，并根據上面對過(guò)壓條件的描述重新激活。

外部故障條件
MC3PHAC內置有一個(gè)稱(chēng)為"FAULT IN"管腳的特殊輸入單元，以處理其它系統故障。用戶(hù)應自己決定該管腳監視哪些系統參數。與以前討論過(guò)的故障模式不同，那些故障模式都是基于以PWM更新取樣頻率對DC BUS IN管腳的取樣，而它則是數字輸入，一旦確定是數字輸入，就會(huì )在使用后立即關(guān)閉PWM。如果輸入被拒絕，PWM就會(huì )在指定的超時(shí)，表明可以安全地為變頻器接通電源后重新激活。

時(shí)鐘檢測丟失
放松MC3PHAC的輸入時(shí)鐘(或任何標準的微型時(shí)鐘或DSP)可能意味著(zhù)電機控制系統的潛在危險環(huán)境。事實(shí)上，有些法律機構正強制要求對某些設備應用進(jìn)行"失效晶體"測試，以確認所有可能造成安全危險的應用的電源都已關(guān)閉。在交流電機控制系統中，最可能出現的故障是PWM信號可能凍結于目前條件，使變頻器中的某些晶體管打開(kāi)。這樣，電機、變頻器或兩者就很容易毀壞。借助MC3PHAC，這些問(wèn)題將不復存在，因為如果輸入時(shí)鐘丟失，設備會(huì )立即重新設置系統并關(guān)閉PWM輸出。

低Vdd保護
與輸入時(shí)鐘的丟失一樣，較低的Vdd 值可能導致危險的系統故障，因為MC3PHAC和其它關(guān)閉Vdd的電路功能會(huì )發(fā)生混亂。MC3PHAC內置一個(gè)板上電壓監視器，當Vdd 的電壓降到4伏以下時(shí)，它會(huì )重新復位系統。它允許使用5伏電源，不管其輸出電壓是否規定為5%或10%的容許量。

結論

到此，我們已經(jīng)全面介紹了一款控制交流感應電機速度的器件，它可以應用到大多數開(kāi)放式環(huán)路、伏特/赫茲控制的應用中而無(wú)需對其進(jìn)行編程。這樣就可以極大地減輕一線(xiàn)開(kāi)發(fā)工作量并降低開(kāi)發(fā)成本，同時(shí)它還保持了一定的靈活性，以滿(mǎn)足眾多變速應用的要求。

MC3PHAC向市場(chǎng)推出幾種標準封裝。其中有兩種28管腳封裝：28管腳、6英寸寬、塑料DIP和28管腳塑料SOIC。此外，我們還提供32管腳(QFP) 塑料四方扁平封裝。所有封裝都能在從-40℃ 到105℃的溫度范圍內工作。目前，該芯片還可以提供無(wú)鉛封裝的版本。

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作者：Dave Wilson
飛思卡爾半導體