用MC9S12H256實現異步電機變頻調速

關鍵詞：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、對電網影響小、電機運行平穩、可有效抑制低次諧波、可實現較大容量等諸多優點，而越來越受到人們的重視，一直被視作非常有發展前途的變頻方案，越來越多的科研技術人員開始討論這一課題。由于電力電子技術的高速發展和智能控制技術的廣泛應用，當前人們設計的SPWM電機變頻調速系統，摒棄了過去依賴邏輯電路，如比較器、三角波發生器等陳舊的實現方式，而采用高性能MCU加上一些專門的PWM集成電路，如HEF4752、SLE4520等構成。文本介紹的系統由于MC9S12H256具有獨立的PWM通道，實現起來更為容量；加之Motorola出品的MCU一向具有產品線豐富，片內資源眾多等優點，所以比較使用Intel 80196實現的方案，無論是調試方式還是工作速度以及實現難易度都有一定的優勢。

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勢，最高工作頻率為24MHz，內部具有256K Flash ROM、12K RAM、4K EEPROM、2個SCI、1個SPI、1個I2C總線接口、8通道16位定時器、1個6通道PWM模塊、16通道10個A/D轉換器、2個CAN2.0接口、1個LCD驅動器。其中專門用于電機控制的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PWM通道，每個通道可以獨立產生左對齊或者中心對齊的波形。每個通道的波形周期和占空比以及對齊方式都可以單獨編程，同時每個通道還配有一個專門的計數器來靈活選擇不同的時間源，以提供更寬的變頻。綜合起來PWM模塊具有以下性質：

*6個獨立的PWM通道，其周期、占空比、對齊方式都可以單獨編程；

*每個PWM通道都配有計數器，用來選擇時鐘源；

*每個PWM通道都可以通過編程來開啟或者關斷；

*每個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，也就是說只有一個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8位的PWM通道可以合并成更高精度的3個16位PWM通道；

*可以編程選擇4個時鐘源，所以可提供寬廠的變頻范圍；

*具有突發事故通道關斷功能。

由此可見，該芯片的PWM模塊是相當強大的。毫無疑問，這將有助于縮短我們設計電機變頻調整系統的時間。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，都是通過改變每一通道所包含的寄存器以及系統寄存器來實現的，所以明確這些寄存器的含義是成功實現SPWM波形的關鍵。但是，由于該PWM模塊含有31個寄存器，數目眾多，限于篇幅，這里只概略介紹一下。

在這31個寄存器中，有一部分為芯片出廠測試之用，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是與時鐘源選擇有關的。在PWM模塊中共有四種不同的時鐘源：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寄存器用來設置每個通道的時鐘源，PWMPRCLK用來設置生成ClockA、ClockB時鐘時的比例因子；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的關斷頻率可以達到1Hz～16MHz。這是一個非常寬的頻率范圍，當然實際中還需要考慮IGBT可以承受的關斷頻率。

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。毫無疑問，這給硬件設計帶來了極大的方便，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的驅動裝置、人機接口部分的鍵盤和LCD以及用于測定電機轉速的光電編碼器四個部分。

考慮到可購買性和價格，IGBT選用IMB150-120，其驅動器選用EVB840。它們都具有價格適中，應用成熟等特點。LCD選用東芝JR07用來顯示電機轉速、頻率、工作狀態等。至于光電編碼器，以前以國外產品為主，價格一般非常昂貴；現在已有不少國內廠家可以生產，不光價格要便宜得多，性能也并不遜色，所以我們選用了長春三峰傳感器技術公司的PZF系列傳感器，鍵盤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。控制電路以MC9S12H256為核心，如圖3所示，接受外部鍵盤輸入的速度數據，送LCD顯示的同時，通過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，再通過內置的PWM模塊使EXB840驅動IGBT產生脈寬調帛波形，來使電機按照期望的頻率轉動。其中6個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，我們在設計算法時規定了輸出頻率和電壓的關系。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；當頻率下降幅度較陡時，將載波比分段一級一級增加。具體來說就是使逆變器整個變頻范圍劃分為多個頻段，在每個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，查表時調制度要進行插值運算。

3.2 PWM波形的生成

考慮到工程上的可實現性以及輸出波形的精度，采用了規則采樣二法進行采樣，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，然后過E點作水平線，截得三角波A、B兩點，從而確定脈寬時間t2。在這種采樣法中，每個周期的采樣時刻是固定的。根據脈沖電壓對三角載波的對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刻。

考慮到該型號單片機的高速計算能力，我們采用以實時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模塊寄存器來產生期望的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，此外還有過電流、過電壓保護等其它一些細節問題。限于篇幅，此處不詳細介紹。由表2可知，為了匹配相應的開關頻率，我們必須為每一個PWM通道選用恰當的時鐘源。經過分析，將ClockSA作為0、1、4、5通道時鐘源；將ClockSB作為2、3通道時鐘源，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，所以開頻率范圍為（2048/512，2048）=(4,2048)Hz。顯然，表2所要求的開關頻率在個范圍之內。

4 軟件開發工具

開發工具采用Windriver公司的嵌入式C編譯器。為了優化編譯質量，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使用匯編編寫，其余LCD顯示、鍵盤處理等使用C語言編寫。實際上，由于MC9S12H256集成了絕大多數功能模塊，這也給軟件編程帶來了方便。整個軟件功能主要包括處理鍵盤輸入、LCD顯示、控制算法實現、PWM波形生成。程序分為主程序和兩個定時中斷服務子程序T0、T1。主程序完成轉差矢量變換、LCD顯示、鍵盤處理。T0每隔一個三角載波周期中斷一次，以便將實時計算出的PWM波形數據送入相關寄存器；T1每隔一個調制波周期中斷一次，以便對定時器和累加器清零，消除積累誤差。

結語

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、開發工具優良等諸多優點，大大簡化了變頻調速系統的開發。