用MC9S12H256實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)變頻調(diào)速
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關(guān)鍵詞：SPWM MC9S12H256 變頻 IGBT 光電編碼器
引言
SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)由于具有調(diào)速范圍寬、功率因數(shù)高、對(duì)電網(wǎng)影響小、電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、可有效抑制低次諧波、可實(shí)現(xiàn)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(yīng)用，當(dāng)前人們?cè)O(shè)計(jì)的SPWM電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，摒棄了過(guò)去依賴邏輯電路，如比較器、三角波發(fā)生器等陳舊的實(shí)現(xiàn)方式，而采用高性能MCU加上一些專門的PWM集成電路，如HEF4752、SLE4520等構(gòu)成。文本介紹的系統(tǒng)由于MC9S12H256具有獨(dú)立的PWM通道，實(shí)現(xiàn)起來(lái)更為容量；加之Motorola出品的MCU一向具有產(chǎn)品線豐富，片內(nèi)資源眾多等優(yōu)點(diǎn)，所以比較使用Intel 80196實(shí)現(xiàn)的方案，無(wú)論是調(diào)試方式還是工作速度以及實(shí)現(xiàn)難易度都有一定的優(yōu)勢(shì)。
圖1 MC9S12H256 PWM方框圖
1 MC9S12H256 PWM模塊介紹
MC9S12H256是Motorola公司16位單片機(jī)系列中定位于電機(jī)控制的機(jī)型，它秉承了Motorola單片機(jī)資源豐富的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，最高工作頻率為24MHz，內(nèi)部具有256K Flash ROM、12K RAM、4K EEPROM、2個(gè)SCI、1個(gè)SPI、1個(gè)I2C總線接口、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(zhuǎn)換器、2個(gè)CAN2.0接口、1個(gè)LCD驅(qū)動(dòng)器。其中專門用于電機(jī)控制的PWM模塊可以很方便地生成雙極式三相脈寬調(diào)制波形。下面詳細(xì)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(dú)立產(chǎn)生左對(duì)齊或者中心對(duì)齊的波形。每個(gè)通道的波形周期和占空比以及對(duì)齊方式都可以單獨(dú)編程，同時(shí)每個(gè)通道還配有一個(gè)專門的計(jì)數(shù)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(dú)立的PWM通道，其周期、占空比、對(duì)齊方式都可以單獨(dú)編程；
*每個(gè)PWM通道都配有計(jì)數(shù)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(jié)束之后才可以轉(zhuǎn)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(dāng)強(qiáng)大的。毫無(wú)疑問(wèn)，這將有助于縮短我們?cè)O(shè)計(jì)電機(jī)變頻調(diào)整系統(tǒng)的時(shí)間。該P(yáng)WM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(tǒng)寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以明確這些寄存器的含義是成功實(shí)現(xiàn)SPWM波形的關(guān)鍵。但是，由于該P(yáng)WM模塊含有31個(gè)寄存器，數(shù)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測(cè)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(duì)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(duì)應(yīng)地，PWMCLK寄存器用來(lái)設(shè)置每個(gè)通道的時(shí)鐘源，PWMPRCLK用來(lái)設(shè)置生成ClockA、ClockB時(shí)鐘時(shí)的比例因子；而PWMSCLA、PWMSCLB則設(shè)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(dá)到1Hz～16MHz。這是一個(gè)非常寬的頻率范圍，當(dāng)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
| 偏移地址 | 寄存器名稱 | 功 能 | 訪問(wèn)權(quán)限 |
| $_00 | PWME | 6通道PWM關(guān)斷控制 | 讀/寫 |
| $_01 | PWMPOL | 指定起始電平 | 讀/寫 |
| $_02 | PWMCLK | 選擇時(shí)鐘源 | 讀/寫 |
| $_03 | PWMPRCLK | 設(shè)置ClockA/B比例因子 | 讀/寫 |
| $_04 | PWMCAE | 選擇波表對(duì)齊方式 | 讀/寫 |
| $_05 | PWMCTL | 控制是否合成為16位PWM通道 | 讀/寫 |
| $_06～07 | PWMTST,PWMTRSC | 出廠測(cè)試用 | 讀/寫 |
| $_08 | PWMCLA | 設(shè)置ClockSA比例因子 | 讀/寫 |
| $_09 | PWMCLB | 設(shè)置ClockSB比例因子 | 讀/寫 |
| $_0A～B | PWMSCNTA，PWMSCNTB | 出廠測(cè)試用 | 讀/寫 |
| $_0C～11 | PWMCNT0～PWMCNT5 | PWM通道0～5專用計(jì)烽器 | 讀/寫 |
| $_12～17 | PWMPER0～PWMPER5 | 設(shè)置PWM通道0～5脈沖周期 | 讀/寫 |
| $_18～1D | PWMDTY0～PWMDYT5 | 設(shè)置PWM通道0～5“1”電平寬度 | 讀/寫 |
| $_1E | PWMSDN | 突發(fā)事故關(guān)斷PWM | 讀/寫 |
2 硬件選型與系統(tǒng)框圖
由前面對(duì)MC9S12H256芯片的介紹可以知道，它的內(nèi)部資源非常豐富。毫無(wú)疑問(wèn)，這給硬件設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的方便，基本上們不需要再行擴(kuò)展大的外圍器件了；主要擴(kuò)展的是IGBT的驅(qū)動(dòng)裝置、人機(jī)接口部分的鍵盤和LCD以及用于測(cè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速的光電編碼器四個(gè)部分。
考慮到可購(gòu)買性和價(jià)格，IGBT選用IMB150-120，其驅(qū)動(dòng)器選用EVB840。它們都具有價(jià)格適中，應(yīng)用成熟等特點(diǎn)。LCD選用東芝JR07用來(lái)顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速、頻率、工作狀態(tài)等。至于光電編碼器，以前以國(guó)外產(chǎn)品為主，價(jià)格一般非常昂貴；現(xiàn)在已有不少國(guó)內(nèi)廠家可以生產(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(zhǎng)春三峰傳感器技術(shù)公司的PZF系列傳感器，鍵盤則使用市售普通型號(hào)。
SPWM電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)由電機(jī)主電路和控制電路兩部分構(gòu)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，接受外部鍵盤輸入的速度數(shù)據(jù)，送LCD顯示的同時(shí)，通過(guò)此輸入的速度和光電編碼器測(cè)得的速度，根據(jù)一定的控制算法，計(jì)算出電機(jī)的頻率，然后計(jì)算出SPWM波形參數(shù)，再通過(guò)內(nèi)置的PWM模塊使EXB840驅(qū)動(dòng)IGBT產(chǎn)生脈寬調(diào)帛波形，來(lái)使電機(jī)按照期望的頻率轉(zhuǎn)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(diào)制度和載波比取值表
| 逆變器輸出頻率/Hz | 載波比N | 調(diào)制度M | 開(kāi)關(guān)頻率/Hz |
| 32～62 | 18 | 0.56～0.8 | 576～1116 |
| 16～31 | 36 | 0.24～0.56 | 576～1116 |
| 8～16 | 72 | 0.16～0.24 | 576～1080 |
| 4～7.5 | 144 | 0.08～0.16 | 576～1080 |
3 算法與控制策略
3.1 調(diào)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(nèi)保持轉(zhuǎn)子磁通不變。所以，我們?cè)谠O(shè)計(jì)算法時(shí)規(guī)定了輸出頻率和電壓的關(guān)系。為了充分利用本型號(hào)單片機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能，我們采用分段同步調(diào)制的方法；在一定的頻率范圍內(nèi)，采用同步調(diào)制，
保持輸出波形對(duì)稱；當(dāng)頻率下降幅度較陡時(shí)，將載波比分段一級(jí)一級(jí)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(nèi)維持載波比恒定。如表2所列，調(diào)制定M定義為正弦調(diào)制波參考信號(hào)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(diào)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(diào)制度要進(jìn)行插值運(yùn)算。
3.2 PWM波形的生成
考慮到工程上的可實(shí)現(xiàn)性以及輸出波形的精度，采用了規(guī)則采樣二法進(jìn)行采樣，如圖4所示。
在三角載波的固定負(fù)峰值位置找到正弦調(diào)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，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(jù)脈沖電壓對(duì)三角載波的對(duì)稱性以及三相電壓的特性，可知三相脈寬t和周期t2a～t2c的計(jì)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(diào)制波的角頻率；
te—三角載波的負(fù)峰值時(shí)刻。
考慮到該型號(hào)單片機(jī)的高速計(jì)算能力，我們采用以實(shí)時(shí)計(jì)算為主的波形生成方法：即先在芯片自帶Flash中存儲(chǔ)正弦函數(shù)的值，根據(jù)鍵盤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(jì)算出電機(jī)的工作頻率。然后，查表2取出M和N，再查正弦表，根據(jù)上述公式計(jì)算出每一相的脈沖寬度和周期，再設(shè)置相應(yīng)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(tǒng)參數(shù)設(shè)置
控制策略采用轉(zhuǎn)差矢量變換，此外還有過(guò)電流、過(guò)電壓保護(hù)等其它一些細(xì)節(jié)問(wèn)題。限于篇幅，此處不詳細(xì)介紹。由表2可知，為了匹配相應(yīng)的開(kāi)關(guān)頻率，我們必須為每一個(gè)PWM通道選用恰當(dāng)?shù)臅r(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(shè)為$FD；將PWMPRCLK設(shè)為$55；將PWMSCLA/B設(shè)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(nèi)。
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(jì)算速度的任務(wù)使用匯編編寫，其余LCD顯示、鍵盤處理等使用C語(yǔ)言編寫。實(shí)際上，由于MC9S12H256集成了絕大多數(shù)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輸入、LCD顯示、控制算法實(shí)現(xiàn)、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(zhuǎn)差矢量變換、LCD顯示、鍵盤處理。T0每隔一個(gè)三角載波周期中斷一次，以便將實(shí)時(shí)計(jì)算出的PWM波形數(shù)據(jù)送入相關(guān)寄存器；T1每隔一個(gè)調(diào)制波周期中斷一次，以便對(duì)定時(shí)器和累加器清零，消除積累誤差。
結(jié)語(yǔ)
由MC9S12H25構(gòu)成的SPWM變頻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，充分利用了Motorola公司單片機(jī)特有片內(nèi)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(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。
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