dsPIC及其在交流变频调速中的应用研究

在现代交流调速中，越来越多地采用交流变频调速。PWM变频器与鼠笼型电机的结合，就性价比而言是公认的优选方案。Microchip公司生产的16位微处理器dsPIC30F4012具有片内波形发生器，是专为电机高速控制而设计的。本文引入了dsPIC30F4012芯片，并介绍采用它与IPM模块结合实现的全数字化SPWM变频调速系统的构成及基本算法。系统主电路采用交直一交电压型变频方式，逆变电路采用三菱电机推出的第4代智能功率模块PM100CVA120，给出实验结果。实验结果表明，系统有较 好的控制效果，具有较高性价比，有广泛的应用前景。 1 控制芯片dsPIC30F4012介绍 dsPIC30F4012是Microchip公司专门为电机高速控制所设计的一种16位微处理器。它有1个16位CPU和1个DSP内核。当内部时钟频率为最高120 MHz时，进行一次16位%26;#215;16位运算，为8.3ns；另外包括2048 B的寄存器RAM，48KB的片内程序空间，1024 B的EEP—ROM，中断7个I／O口共21条I／O口线；有1路全双工的UART功能模块，1个同步串行SPI功能模块，1个I2C串行通信模块和1个CAN串行通信模块；片内设有1个6通道的A／D转换器，工作在10位模式，采样保持时间、转换时间、阀值检测方式和零偏补偿校正均可编程；5个16位定时器；有4路捕捉器、2路比较／标准脉宽调制单元(PWM)模块；1个6通道的电机专用MCPWM控制器。 dsPIC30F4012片内MCPWM电机专用PWM控制器，是其特色设计之一。这一设置大大简化了产生PWM波形的控制软件和外部硬件，通过编程可产生独立的、具有相同频率和工作方式的三相6路PWM波形，并由RE口直接输出6路PWM信号给逆变器，且三相互补不重叠。每个引脚驱动电流达25mA。为防止同一桥臂上2个功率管发生直通造成短路，该发生器还可通过编程设置死区互锁时间，在外部时钟10MHz经内部8倍频后系统时钟为80MHz时，死区时间范围根据分频系数的不同分为：①系数为1∶1时，在50ns～3.15μs之间；②系数为1∶2时，在100ns～6.3μs之间；③系数为1∶4时，在200ns～12.6μs之间；④系数为1∶8时，在400ns～25.2μs之间。 2 系统组成及基本算法 2 1系统硬件组成 变频器的总体结构框图如图1所示，由控制部分和主电路部分组成。主电路部分采用交-直-交变频方式。三相工频电压经整流桥整流后，再经电容平滑滤波后得到600V直流电压，送逆变器IPM模块PM100CVA120的输入端P、N。IPM模块是三菱电机推出的第4代智能功率模块，内部含有1个三相H型逆变桥的6个IGBT和6个快速功率二极管及其相应的驱动电路。另外，含有过流保护、短路保护、驱动电源欠压保护、过热保护、报警输出等，其所用元件数量比传统IPM少得多，相应可靠性也得到提高。由于这种带IGBT驱动电路且具有自诊断功能及保护功能完善的IPM模块的应用，使本系统体积更小，更可靠，更具智能化。 系统控制部分由dsPIC30F4012微处理器专用系统(包括相应软件)、信号检测电路、驱动与保护电路等组成，主要完成逆变桥SPWM驱动信号的产生、信号检测及故障处理、故障显示、操纵盒按键检测及逻辑控制、及时显示变频器频率等。dsPIC30F4012微处理器是控制系统的核心。它接收外部信息，按预定算法实时计算三相SPWM波形数据，并由它产生三相6路SPWM信号，从RE口输 出，然后再经驱动电路去驱动逆变功率开关，完成三相SPWM逆变。 系统频率为80MHz，SPWM的正弦控制波频率由键盘设置，dsPIC30F4012微处理器通过计算把存储在片内EPROM中的正弦函数的数据送到6通道的电机专用PWM控制器。波形发生器产生的三相互补的SPWM信号经PWMO～PWM5端输出，送至IPM驱动信号输入端。为保证系统安全工作，逆变器设置了过流、过压、过热、缺相、短路、过载等多种保护功能，所有保护信号均通过一组中断逻辑送至dsPIC30F4012的FLTA脚。只要任何一路保护起作用，都将封锁6通道的电机专用PWM控制器输出，禁止三相PWM波的产生，及时对IPM驱动电路进行封锁，保护IPM及其他电路不致损坏。 2.2系统软件设计 本系统使用规则采样法，用软件方式产生SPWM波，克服了模拟元件实现方式的缺点。规则采样法如图2所示。图中用的是中值采样，以三角波的中值点(底点)作为采样点，通过该点对应的正弦波的取值点E，作平行于时间轴线的直线。该线与三角波的交点为A、B。A、B点间宽度即为PWM波脉宽，用t2表示脉宽，则有关系： 式中Tc为三角波周期，M为调制度，ω为正弦波的角频率，te为采样时刻。 三相SPWM的脉宽计算公式为： 其中T为正弦波的周期。在用微机产生SPWM波形时，为使三相SPWM波形对称，调制比N应为3的整数倍。从消除谐波考虑，N越大越好；但N的值要受到功率开关器件的开断频率和计算机运算速度的限制。这里采用分段同步调制的方法，不同频率段N值不同，将正弦函数按载波比N离散制成表，并将半载波周期也制成表，微机通过查表法与实时计算法相结合，计算出脉宽值送入PDCX中去。 PTPER的计算公式如下： 式中：fosc为晶振频率；fpwM为MCPWM输出波形频率(载波频率)，fPWM=Nfmin。fsin为正弦调制波频率，fsin=1／T。fPWM=1／Tc。系统软件由主程序、故障中断子程序、显示子程序、键盘服务程序、MCPWM中断、A／D采样中断子程序等组成。主程序主要完成系统的初始化，并根据显示模式计算要显示的数据并送显示，键盘扫描及服务处理，输入数据的码制变换等。故障中断子程序中，视故障性质完成自处理或故障报警，封锁触发脉冲、跳闸等。图3为主程序流程。由于本芯片特点之一是有完善的保护功能，只要在PTCON命令寄存器中写入相应的控制命令字，系统就能在发生故障时立即封锁脉冲。在FLTA中断服务程序中，通过读取不同的I／O口来进一步识别是发生了何种中断，并显示。图4为MCPWM中断子程序框图。 3 实验结果与结论 本系统实验的电流波形如图5所示。实验结果表明，系统控制方案正确，谐波得到抑制，控制系统有较好的电流波形。 本文探讨了dsPIC30F4012微处理器在交流变频调速中的应用。利用SPWM技术原理，通过软件设计抑制谐波，信号产生简单方便，易于编程，死区时间也通过软件编程控制在50ns～25.2μs之间，电路结构简单、可靠性好、抗干扰能力强，因而有较好的应用前景。