基于dsPIC30F4012带CAN总线的SPWM变频器的研究

导语：本文介绍一种以IPM模块和电机专用微处理器dsPIC30F4012芯片为基础构成的SPWM变频器。

摘要：本文介绍一种以IPM模块和电机专用微处理器dsPIC30F4012芯片为基础构成的SPWM变频器。该变频器的输出频率为0～240Hz，载波频率3.0～12.0kHz;设置22条V/F曲线和不同的启动速率以供选择，软件上采用各种灵活措施来获得优良的静动态性能，并且有完善的故障保护功能。 关键词：dsPIC30F4012微处理器 IPM CAN SPWM正弦脉宽调制 1、引言： 随着电力电子技术和微机控制技术的飞速发展，传统的电气传动正面临着一场重大变革，直流调速逐步被交流调速所取代。而近代交流调速中，越来越多地采用变频调速方案。电压型正弦脉宽调制（SPWM）变频器以其独有的技术优势而得到快速的发展和广泛应用。先进的控制策略，高性能的控制芯片，智能化高速开关器件相结合成为现代交流调速技术发展的主流趋势。在SPWM波形生成方法中，已很少采用模拟方法。数字方法在可靠性、灵活性、可控性等方面具有模拟方法无法比拟的优越性。目前，市场上相继推出的数字式SPWM变频器中，大多数都采用了专用SPWM芯片（如HEF4752、SLE480）。这样，可使编程简单，但增加了硬件投入，鉴于此，本变频器采用Microchip最新推出的电机专用16位微dsPIC30F4012构成数字化变频器，编程产生驱动信号SPWM波，大大简化了用于产生PWM波形的软件和硬件，使系统简化，同时提高了其动、静态性能。本变频器主要指标如下：频率范围0～240Hz，变频分辩率：0.1Hz，V/f曲线22条任选，载波频率3.0kHz～12.0kHz之间变化。完善的保护功能：直流过压、欠压、短路、交流过流、过热等保护。主电路采用以第三代IGBT和续流二极管为基础的IPM模块，它具有导通电阻小，开关速度快，驱动功率小，工作频率高，耐压高，承受工作电流大等优点，因而整体性能好。 2、变频器控制系统： 2.1、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120MHz时，进行一次16bit＊16bit运算为8.3ns；另外包括2048字节的寄存器RAM、48kB的片内程序空间、1024字节的EEPROM、中断7个I/O口共21条I/O囗线，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串行通讯模块和1个CAN串行通讯模块，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。dsPIC30F4012片内MCPWM电机专用PWM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囗直接输出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时为50nS～3.15μS之间；2、系数为1:2时为100nS～6.3μS之间；3、系数为1:4时为200nS～12.6μS之间；4、系数为1:8时为400nS～25.2μS之间。 2.2、系统硬件结构及工作原理：

图1 变频器内部结构

本变频器的总体结构框图如图1所示，它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。本系统所选用的IPM模块是三菱电机推出的智能功率模块，它内部含有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。它纠正了传统的IGBT—IPM模块，当工作温度迅速上升时IPM可能被击穿以及有时由于寄生电容或控制电路产生的寄生电感而引起的噪声使IGBT产生误动作的缺点，而且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，它接受外部信息，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囗输出，然后再经驱动电路去驱动逆变功率开关，完成三相SPWM逆变。 dsPIC30F4012微处理器通过计算查表把存储在片内EPROM中的正弦函数的数据乘V/f参数送到6通道的电机专用PWM。波形发生器产生的三相互补的SPWM信号经PWM0～PWM5端输出，送至IPM驱动信号输入端。七个按键功能：SET（参数设置）、RUN（运行）、STOP（停）、INPUT—F/R（输入参数）、MOVE/POINT（参数显示方式改变和参数设置时并闪烁位改变）、UP（加1和快加1）、DOWN（减1）。频率给定键盘设置。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及电路不致损坏，同时将故障以代码形式存于EEPROM中，并在LED显示器上显示其故障来源，以便维修。 3、控制策略及软件设计： 3.1、SPWM的脉冲宽度的计算 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Tt：三角波周期；M：调制度；ω：正弦波的角频率；te：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。我们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。 3.2、PTPER的计算：

式中：fOSC为晶振频率，fPWM为MCPWM输出波形频率（载波频率），fPWM=Nfsin，fsin为正弦调制波频率。（fsin=1/T，fPWM=1/Tt） 3.3、软件设计：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出显示，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为主程序流程图。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囗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。

4、系统抗干扰措施： 由于变频器长期运行在环境恶劣的工业现场干扰严重，因而抗干扰措施是必不可少的，本系统从硬件和软件方面采取了抗干扰措施。硬件抗干扰措施：逆变器采用IPM模块，结构紧凑，整流电路后端设置有滤波电路，以消除或减弱来自外部的噪声。在控制电路中采取了如下措施：（1）在电源输入端加设电源滤波器，电源变压器采用屏蔽变压器，且CPU的VCC端用1μF的钽电容以抗电源系统干扰。（2）过程通道抗干扰措施：在输入输出囗中全部采用高速光电耦合器件来切断外围模拟电路与单片机数字电路之间电气上的联系，而所有传输导线均采用双绞线。（3）线路板抗干扰措施：设计印制电路板时，在元器件的布置上将数字电路元件与模拟电路元件尽量隔开距离，并加接地线，且接地线构成闭合环路，各集成芯片电源正负极间配置0.1μF的去耦电容。软件抗干扰措施：利用dsPIC30F4012的监视定时器，实现软件的抗干扰措施。本变频器在干扰而引发软件故障时，在小于16mS时间内使控制系统自动复位。 5、实验结果： 我们根据上述方案，设计并制作了一台样机，用于22kW注塑机拖动电机上，一年来运行情况良好，技术指标达到设计要求，其电流波形如图5所示。

综上所述：采用dsPIC30F4012微处理器和IPM组成逆变器，应用方便，特别是通过编程产生SPWM波信号，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。多条V/f曲线可供不同用户选择。因而有较好的应用前景。