摘 要： 介紹了日本三菱公司最新推出的單片微處理器M37906和智能功率模塊PS21245在變頻調(diào)速中的應(yīng)用,并結(jié)合不對(duì)稱規(guī)則采樣脈寬調(diào)制(PWM)法，給出了變頻器設(shè)計(jì)的基本方法。
關(guān)鍵詞: M37906 脈寬調(diào)制 智能功率模塊 規(guī)則采樣
隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展,變頻調(diào)速技術(shù)也在日新月異地進(jìn)步。智能微控制器的不斷完善和智能功率模塊(IPM)的更新?lián)Q代更加促進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)的進(jìn)步。近十多年來,以半導(dǎo)體功率器件為基礎(chǔ)的PWM變頻脈寬調(diào)速技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如何在普通環(huán)境中應(yīng)用最新的電子技術(shù)成果,通過優(yōu)化PWM算法提高控制性能,一直是技術(shù)人員的不懈追求。
本文介紹三菱公司最近推出的一種16位專用變頻調(diào)速微處理器M37906及三菱公司第四代智能功率模塊DIP-IPM的性能特點(diǎn),并結(jié)合不對(duì)稱規(guī)則采樣PWM算法,對(duì)微處理器M37906和智能功率模塊PS21245組成的變頻器的軟硬件進(jìn)行說明。
1 M37906微處理器
1.1 M37906微處理器的功能和特點(diǎn)
M37906 微處理器采用高性能硅柵CMOS工藝,具有42腳塑料表面粘貼(SSOP)和42腳塑料窄腳雙列直插(SDIP)兩種封裝形式,提供 FLASH芯片和掩膜ROM芯片兩種供貨方式,其基本特點(diǎn)如下:
基本指令 203條
指令執(zhí)行時(shí)間 50ns (系統(tǒng)時(shí)鐘20MHz)
存儲(chǔ)器容量
片內(nèi)ROM 32K byte
片內(nèi)RAM 1024 byte
可編程輸入/輸出口 30
(P1，P2，P5，P6，P7)
串行通行口 2路
多功能定時(shí)器
TA0～TA9 10路16位
TB0～TB2 3路16位
看門狗定時(shí)器 1路12位
中斷源 23
外部中斷(INT3、INT4、INT5、INT6、INT7)
內(nèi)部中斷(TA0～TA9)(TB0～TB2)
(UART0、UART1、A/D)
中斷優(yōu)先級(jí) 7
A/D轉(zhuǎn)換 5路10位
D/A轉(zhuǎn)換 2路 8位
供電電源 5V±0.5V
工作環(huán)境 -20℃～85℃
功耗 255mW(20MHz)
1.2 M37906單片微處理器[2]
M37906單片微處理器是M7900系列16位單片機(jī)中專為三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)的微處理芯片,特別適合于三相直流無刷電機(jī)的控制,結(jié)構(gòu)封裝如圖1所示。其所有的I/O口除了具有雙向輸入/輸出功能外還具有其它復(fù)合功能。其中DA0和DA1為D/A轉(zhuǎn)換口,可用于系統(tǒng)模擬量的輸出;AN0～AN4是A/D轉(zhuǎn)換接口,可用于模擬量的采集;WN、VN、UN和W、V、U是產(chǎn)生三相PWM控制信號(hào)的接口,可用于對(duì)三相電機(jī)的驅(qū)動(dòng);IDU、IDV、IDW為三相位置檢測(cè)口,用于三相無刷電機(jī)控制中對(duì)轉(zhuǎn)子位置的實(shí)時(shí)檢測(cè);其余的定時(shí)器輸入、定時(shí)器輸出、串行通信接口等與普通單片機(jī)基本相同。下面著重介紹M37906處理器中三相PWM波形的生成和與此相關(guān)的定時(shí)器的工作方式。
M37906處理器內(nèi)部具有TA0～TA9和TB0～TB2共十三個(gè)16位的多功能定時(shí)器。定時(shí)器之間相互獨(dú)立,每個(gè)定時(shí)器都可以選擇其獨(dú)立的工作方式。定時(shí)器TA0～TA9有四種工作方式:
定時(shí)工作方式:定時(shí)器對(duì)內(nèi)部計(jì)數(shù)源計(jì)數(shù)。有普通、帶門控功能、帶脈沖輸出三種方式。
事件計(jì)數(shù)方式:定時(shí)器對(duì)一個(gè)外部脈沖計(jì)數(shù),可對(duì)單相或兩相外部信號(hào)計(jì)數(shù)。
單次脈沖方式:定時(shí)器輸出一個(gè)給定寬度的脈沖信號(hào),該方式只觸發(fā)一次,觸發(fā)后停止記數(shù)。
脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式:定時(shí)器輸出給定寬度的連續(xù)脈沖。
定時(shí)器TB0～TB2有三種工作方式:
定時(shí)工作方式:定時(shí)器對(duì)內(nèi)部計(jì)數(shù)源計(jì)數(shù)。工作情況與定時(shí)器TA相同。
事件計(jì)數(shù)方式:定時(shí)器對(duì)一個(gè)外部脈沖計(jì)數(shù),只能對(duì)單相外部脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)。
脈沖周期/脈沖寬度測(cè)量方式:定時(shí)器測(cè)量外部脈沖的周期或?qū)挾取?nbsp;
聯(lián)合使用定時(shí)器TA0～TA3和定時(shí)器TB0可以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)三相馬達(dá)的電壓波形。M37906內(nèi)部集成的三相馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的工作方式稱為三相波模式,用于實(shí)現(xiàn)三相波形的輸出。三相正相波形(U相、V相、W相)和三相負(fù)相波形(UN相、VN相、WN相),分別從P65、P64、P63、P62、P61和P60輸出,P6OUTcut/INT4作為智能模塊的故障檢測(cè)口。定時(shí)器TA3按定時(shí)方式工作,用于控制載波周期;定時(shí)器TA0～TA2按單次脈沖方式工作分別控制各輸出相。其中定時(shí)器TA0控制W和WN相,定時(shí)器TA1控制V和VN相,定時(shí)器TA2控制U和UN相。
定時(shí)器TA3用于控制三角調(diào)制波或鋸齒波的周期。當(dāng)定時(shí)器TA3記數(shù)器向下溢出時(shí),產(chǎn)生中斷請(qǐng)求,發(fā)出一個(gè)短脈沖使定時(shí)器TA0～TA2開始記數(shù);同時(shí)三相輸出極性設(shè)置寄存器(00A8H)的相應(yīng)位分別觸發(fā)各自對(duì)應(yīng)的輸出極性設(shè)置翻轉(zhuǎn)觸發(fā)(toggle flip-flop)器,設(shè)置其輸出的極性,觸發(fā)器的內(nèi)容在定時(shí)器TA0～TA2觸發(fā)時(shí)反向;定時(shí)器TA0～TA2在觸發(fā)極性設(shè)置翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器的同時(shí)也觸發(fā)死區(qū)時(shí)間定時(shí)器使之開始工作。此時(shí)正相和負(fù)相輸出波形并不能馬上從高電平轉(zhuǎn)到低電平,只有死區(qū)時(shí)間定時(shí)器溢出后,所發(fā)出的反向觸發(fā)信號(hào)才使輸出從高電平轉(zhuǎn)到低電平。
在輸出波形時(shí),設(shè)置死區(qū)時(shí)間的目的是防止正向波形(U相、V相、W相)輸出低電平和負(fù)相波形(UN相、VN相、WN相)輸出低電平時(shí)互相重疊,因?yàn)檎嗪拓?fù)相同時(shí)為低電平時(shí)會(huì)造成驅(qū)動(dòng)電路短路。M37906內(nèi)部提供了3個(gè)以單次脈沖方式工作的八位定時(shí)器完成對(duì)死區(qū)時(shí)間的控制。它們共用一個(gè)設(shè)定死區(qū)時(shí)間的重加載寄存器,在設(shè)定死區(qū)時(shí)間寄存<
