基于dsPIC的SPWM變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

摘要:本文采用微芯公司的dsPIC30F4011單片機(jī)作為控制核心，針對逆變器結(jié)構(gòu)，采用查表法產(chǎn)生三相SPWM波形，在MPLAB IDE v8.2集成環(huán)境下通過編譯，燒錄到單片機(jī)中調(diào)試運(yùn)行。最終實(shí)現(xiàn)三相異步電動機(jī)連續(xù)變壓變頻調(diào)速的功能。

關(guān)鍵詞:正弦脈沖寬度調(diào)制(SPWM)查表法三相橋式逆變電路

中圖分類號:TM5文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1672-3791(2011)02(b)-0039-02

Abstract:The design uses the dedicated motor driver chip Microchip's dsPIC30F4011 microcontroller as the control center，using lookup-table method produces three-phase SPWM waveform. The program is compiled by the MPLAB IDE v8.2 integrated environment and be burnt to SCM to debug and run，and finally achieve the function of controlling the induction motor in a variable voltage and frequency way.

Key words:SPWM;lookup-table;three-phase inverter bridge circuit

三相異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、重量輕、功率大，應(yīng)用于生產(chǎn)和生活各方面。電機(jī)運(yùn)行時，由于轉(zhuǎn)速與其旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速有一定的轉(zhuǎn)差關(guān)系，其調(diào)速性能較差，需借助調(diào)速系統(tǒng)提高其性能。

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，SPWM(正弦脈沖寬度調(diào)制)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。SPWM控制基本思想是用一系列等幅不等寬的矩形脈沖來逼近理想正弦波，即利用一系列連續(xù)的三角波和正弦波相交，通過控制逆變器功率開關(guān)器件導(dǎo)通或關(guān)斷，在逆變器輸出端獲得一系列寬度和正弦波幅值成正比的的矩形脈沖波形[1]。改變矩形脈沖的寬度和調(diào)制周期就可以改變輸出電壓的幅值和頻率。

Microchip的MPLAB C30編譯器支持dsPIC30F結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)庫，經(jīng)過高度優(yōu)化，充分汲取了眾多dsPIC30F的優(yōu)點(diǎn)，可提供有效的軟件代碼生成。本文采用dsPIC30F4011單片機(jī)作為控制核心，給出了可行的逆變電路及SPWM波形產(chǎn)生方法，得到頻率、幅值連續(xù)可調(diào)的三相SPWM波形[2]。

1控制信號發(fā)生器軟件設(shè)計(jì)

在軟件實(shí)現(xiàn)的過程中，通過A/D采樣模塊采入電位器信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換將信號傳遞給PWM脈寬調(diào)制模塊，控制信號波的載波比、調(diào)制度等變量，產(chǎn)生頻率、幅值可調(diào)的SPWM波，并通過LCD模塊實(shí)現(xiàn)頻率的實(shí)時顯示。

1.1 dsPIC單片機(jī)寄存器初始化

DsPIC單片機(jī)具有多路同時采樣并轉(zhuǎn)換功能，10位A/D轉(zhuǎn)換器最多可以有16個模擬輸入引腳，指定為AN0-AN15。轉(zhuǎn)速信號的給定只需對一個模擬輸入引腳進(jìn)行采樣。通過初始化程序進(jìn)行設(shè)置，主要完成以下功能。

(1)1個通道轉(zhuǎn)換(本例中，該通道為RB1/AN1)。

(2)PWM觸發(fā)采樣。

(3)每完成16個采樣/轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生中斷。

(4)采樣時間3TAD，轉(zhuǎn)換時間2Tcy。

通過采集電位器電壓，將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，從而達(dá)到調(diào)頻的目的。

MCPWM模塊通過改變PWM輸出信號的占空比來控制功率器件的導(dǎo)通和截止，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三相逆變電壓的輸出。設(shè)計(jì)中選用了中心對齊形式，其初始化程序完成功能主要包括以下幾點(diǎn)。

(1)設(shè)定RE0-RE5，即PWM1L-PWM3H為輸出端口。

(2)FPWM=7200Hz，互補(bǔ)的PWM。

(3)使用OVDCON控制PWM輸出。

(4)用從電位計(jì)讀取的ADC值設(shè)定載波比N。

(5)啟動MCPWM模塊。

1.2 SPWM算法及參數(shù)設(shè)定

SPWM信號的產(chǎn)生采用規(guī)則對稱采樣法，其原理圖如圖1所示。

設(shè)正弦調(diào)制信號波為。式中為調(diào)制度，為正弦信號波角頻率[3]。

可得到如下關(guān)系式:

由此可得:

而兩邊的間隙寬度為:

顯然，脈沖寬度可直接計(jì)算得出，但由于dsPIC單片機(jī)晶振頻率和計(jì)算速度的局限性，指令執(zhí)行時間會將調(diào)制波頻率拉低，實(shí)驗(yàn)證明，三相同時計(jì)算時，理論上50Hz的調(diào)制頻率會被拉低到20Hz左右，對結(jié)果影響較大。所以，實(shí)時計(jì)算方法會花費(fèi)CPU大量時間來計(jì)算正弦值，并不適合dsPIC單片機(jī)產(chǎn)生SPWM波。

鑒于以上存在問題，本文使用一個包含正弦波所有點(diǎn)的查找表，每經(jīng)過1個或幾個周期性的間隔從該表讀出正弦值，并通過計(jì)算使之符合所允許的占空比范圍，在每個PWM周期的開頭調(diào)節(jié)此指針，則指針將以規(guī)定的頻率在表中前移，因此每次改變指針的值后均無需軟件檢查該值，指針計(jì)滿返回并復(fù)位為0。這是一種用空間換取時間的方法，且調(diào)頻準(zhǔn)確，保證了波形質(zhì)量。

1.3 表格創(chuàng)建與連續(xù)調(diào)頻調(diào)幅的實(shí)現(xiàn)

創(chuàng)建表格過程中，可針對其中一相的采樣點(diǎn)計(jì)算出對應(yīng)的sin值，作為一個表存放，其余兩相只是采樣點(diǎn)即采樣的位置不同，而所有采樣值均包含在此表中.在給另兩相的占空比寄存器賦值時，只需在表中選擇不同的值即可。由此看出，雖為三相SPWM波輸出，正弦表的大小與單相相同。

本設(shè)計(jì)采用72點(diǎn)正弦表格。利用dsPIC單片機(jī)的PWM模塊，可以方便地產(chǎn)生三相六路帶有可編程死區(qū)和輸出極性的SPWM波形。在晶振頻率為7.37MHz的情況下，本文設(shè)定載波比N=72，產(chǎn)生1Hz～50Hz正弦波，載波頻率Fpwm=72×50×2=7200Hz。

查表時，占空比寄存器初始化為:

PDC1=sinetab[0];

PDC2=sinetab[24];

PDC3=sinetab[48];

此過程保證了三相正弦波輸出相位互差120°。

若數(shù)組指針在每次中斷后增加固定的偏移量，可在每個PWM周期中取得表格相應(yīng)的正弦值，由此可見，通過A/D采樣連續(xù)改變查表指針的偏移量，可達(dá)到連續(xù)調(diào)頻的目的。

在脈寬調(diào)制中，有，即改變調(diào)制度，可改變調(diào)制波幅值。理論上，在0～1之間，=0時，輸出占空比為0.5的方波[4]。

在查表時，在所得查表值前乘以調(diào)制度系數(shù)，即可改變逆變電壓的幅值。值可由A/D采樣得出，在改變載波比的同時連續(xù)改變值，可達(dá)到既調(diào)頻又調(diào)壓的效果。

2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

通過對三相異步電動機(jī)控制系統(tǒng)的分析，進(jìn)行了基于dsPIC的三相異步電動機(jī)SPWM控制信號發(fā)生器設(shè)計(jì)。逆變電路采用三相橋式逆變結(jié)構(gòu)，器件較少，結(jié)構(gòu)相對簡單。每個橋臂的導(dǎo)電角度為180°，同一相上下兩個橋臂交替導(dǎo)通，各相開始導(dǎo)電的角度依次相差120°。這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導(dǎo)通。為了防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源的短路，要在同一橋臂通斷之間留一個短暫的死區(qū)時間。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

逆變電路主電路板包括4個獨(dú)立的穩(wěn)壓源，為芯片提供工作電壓。為避免故障時主回路電流灌入單片機(jī)中，采用光耦6N137進(jìn)行電氣隔離，信號通過功率驅(qū)動器件IR2110控制IGBT按要求導(dǎo)通與關(guān)斷，進(jìn)而驅(qū)動電機(jī)工作。硬件構(gòu)成如圖3所示。本文驅(qū)動電機(jī)為三相鼠籠式異步電動機(jī)，額定電壓220V，電流0.5A，繞組三角形接法，工頻50Hz。

3系統(tǒng)檢測與調(diào)試結(jié)果

為驗(yàn)證程序正確性，采用10k歐姆電阻和1uF電容組成濾波電路。通過檢測產(chǎn)生波形的幅值、占空比、頻率、死區(qū)時間等指標(biāo)，驗(yàn)證了程序的正確性。部分波形截圖如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

4結(jié)語

本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速功能，創(chuàng)新點(diǎn)在于以dsPIC為基礎(chǔ)，編程時巧妙的利用查正弦表法，避開了實(shí)時計(jì)算正弦函數(shù)值，為處理器節(jié)省了大量時間，同時將三相相位差轉(zhuǎn)化為查表讀數(shù)時起始位置的差別，省去了基準(zhǔn)正弦波的發(fā)生設(shè)計(jì)，在精確控制前提下簡化了程序，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

[1]陳國呈.PWM變頻調(diào)速及軟開關(guān)電力變換技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2]Microchip.dsPIC語言工具庫使用手冊(DS51456B_CN).Microchip.dsPIC C30 C編程器用戶指南(DS51284C_CN).

[3]熊軍華，王亭嶺，陳建明，等.三種SPWM波形生成算法的分析與實(shí)現(xiàn).

[4]孫立志.PWM與數(shù)字化電動機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社，2008.