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dsPIC及其在交流变频调速中的应用研究

作者:    时间:2007-08-16    来源: 

 

       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×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。

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