摘要：本文介紹一種以IPM模塊和電機專用微處理器dsPIC30F4012芯片為基礎構成的SPWM變頻器。該變頻器的輸出頻率為0～240Hz，載波頻率3.0～12.0kHz;設置22條V/F曲線和不同的啟動速率以供選擇，軟件上采用各種靈活措施來獲得優良的靜動態性能，并且有完善的故障保護功能。 關鍵詞：dsPIC30F4012微處理器 IPM CAN SPWM正弦脈寬調制 1、 引言： 隨著電力電子技術和微機控制技術的飛速發展，傳統的電氣傳動正面臨著一場重大變革，直流調速逐步被交流調速所取代。而近代交流調速中，越來越多地采用變頻調速方案。電壓型正弦脈寬調制（SPWM）變頻器以其獨有的技術優勢而得到快速的發展和廣泛應用。先進的控制策略，高性能的控制芯片，智能化高速開關器件相結合成為現代交流調速技術發展的主流趨勢。在SPWM波形生成方法中，已很少采用模擬方法。數字方法在可靠性、靈活性、可控性等方面具有模擬方法無法比擬的優越性。目前，市場上相繼推出的數字式SPWM變頻器中，大多數都采用了專用SPWM芯片（如HEF4752、SLE480）。這樣，可使編程簡單，但增加了硬件投入，鑒于此，本變頻器采用Microchip最新推出的電機專用16位微控制器dsPIC30F4012構成數字化變頻器，編程產生驅動信號SPWM波，大大簡化了用于產生PWM波形的軟件和硬件，使系統簡化，同時提高了其動、靜態性能。本變頻器主要指標如下：頻率范圍0～240Hz，變頻分辯率：0.1Hz，V/f曲線22條任選，載波頻率3.0kHz～12.0kHz之間變化。完善的保護功能：直流過壓、欠壓、短路、交流過流、過熱等保護。主電路采用以第三代IGBT和續流二極管為基礎的IPM模塊，它具有導通電阻小，開關速度快，驅動功率小，工作頻率高，耐壓高，承受工作電流大等優點，因而整體性能好。 2、 變頻器控制系統： 2.1、控制芯片dsPIC30F4012介紹： dsPIC30F4012是Microchip公司專門為電機高速控制所設計的一種16位微處理器。它有1個16位CPU和1個DSP內核，當內部時鐘頻率為最高120MHz時，進行一次16bit＊16bit運算為8.3ns；另外包括2048字節的寄存器RAM、48kB的片內程序空間、1024字節的EEPROM、中斷7個I/O口共21條I/O囗線，有1路全雙工的UART功能模塊、1個同步串行SPI功能模塊、1個I2C串行通訊模塊和1個CAN串行通訊模塊，片內設有1個6通道的A/D轉換器，工作在10位模式，采樣保持時間、轉換時間、閥值檢測方式和零偏補償校正均可編程；5個16位定時器；有4路捕捉器、2路比較/標準脈寬調制單元（PWM）模塊；1個6通道的電機專用MCPWM控制器。dsPIC30F4012片內MCPWM電機專用PWM控制器是其特色設計之一；這一設置大大簡化了產生PWM波形的控制軟件和外部硬件，通過編程可產生獨立的、具有相同頻率和工作方式的三相6路PWM波形，并由RE囗直接輸出6路PWM信號給逆變器，且三相互補不重疊。每個引腳驅動電流達25mA，為防止同一橋臂上2個功率管發生直通造成短路，該發生器還可通過編程設置死區互鎖時間，在外部時鐘10MHz經內部8倍頻后系統時鐘為80MHz時，死區時間范圍根據分頻系數的不同分為：1、系數為1:1時為50nS～3.15μS之間；2、系數為1:2時為100nS～6.3μS之間；3、系數為1:4時為200nS～12.6μS之間；4、系數為1:8時為400nS～25.2μS之間。 2.2、系統硬件結構及工作原理： 本變頻器的總體結構框圖如圖1所示，它由控制部分和主電路部分組成。 主電路部分采用交—直—交變頻方式。三相工頻電壓經整流橋整流后再經電容平滑濾波后得到600V直流電壓送逆變器IPM模塊PM100CVA120的輸入端P，N。本系統所選用的IPM模塊是三菱電機推出的第四代智能功率模塊，它內部含有1個三相H型逆變橋的6個IGBT和6個快速功率二極管及其相應的驅動電路。另外含有過流保護、短路保護、驅動電源欠壓保護、過熱保護、報警輸出等。它糾正了傳統的IGBT—IPM模塊，當工作溫度迅速上升時IPM可能被擊穿以及有時由于寄生電容或控制電路產生的寄生電感而引起的噪聲使IGBT產生誤動作的缺點，而且其所用元件數量比傳統IPM少得多，相應可靠性也得到提高，由于這種帶IGBT驅動電路且具有自診斷功能及保護功能完善的IPM模塊的應用，使本系統體積更小，更可靠，更具智能化。 系統控制部分由dsPIC30F4012微處理器專用系統（包括相應軟件）、信號檢測電路、驅動與保護電路等組成，主要完成逆變橋SPWM驅動信號的產生、信號檢測及故障處理、故障顯示、操縱盒按鍵檢測及邏輯控制、及時顯示變頻器頻率等。dsPIC30F4012微處理器是控制系統的核心，它接受外部信息，按預定算法實時計算三相SPWM波形數據，并由它產生三相6路SPWM信號，從RE囗輸出，然后再經驅動電路去驅動逆變功率開關，完成三相SPWM逆變。 dsPIC30F4012微處理器通過計算查表把存儲在片內EPROM中的正弦函數的數據乘V/f參數送到6通道的電機專用PWM控制器。波形發生器產生的三相互補的SPWM信號經PWM0～PWM5端輸出，送至IPM驅動信號輸入端。七個按鍵功能：SET（參數設置）、RUN（運行）、STOP（停）、INPUT—F/R（輸入參數）、MOVE/POINT（參數顯示方式改變和參數設置時并閃爍位改變）、UP（加1和快加1）、DOWN（減1）。頻率給定鍵盤設置。為保證系統安全工作，逆變器設置了過流、過壓、過熱、缺相、短路、過載等多種保護功能，所有保護信號均通過一組中斷邏輯送至dsPIC30F4012的FLTA腳，只要任何一路保護起作用都將封鎖6通道的電機專用PWM控制器輸出，禁止三相PWM波的產生，及時對IPM驅動電路進行封鎖，保護IPM及其它電路不致損壞，同時將故障以代碼形式存于EEPROM中，并在LED顯示器上顯示其故障來源，以便維修。 3、 控制策略及軟件設計： 3.1、SPWM的脈沖寬度的計算 本系統使用規則采樣法，用軟件方式產生SPWM波，克服了模擬元件實現方式的缺點。規則采樣法如圖2所示，圖中用的是中值采樣，以三角波的中值點（底點）作為采樣點，通過該點對應的正弦波的取值點E，作平行于時間軸線的直線，該線與三角波的交點A、B，A、B點間寬度即為PWM波脈寬，用t2表示脈寬，則有關系： 式中Tt：三角波周期；M：調制度；ω：正弦波的角頻率；te：采樣時刻。 三相SPWM的脈寬計算公式為： 其中T為正弦波的周期。在用微機產生SPWM波形時，為使三相SPWM波形對稱，調制比N應為3的整數倍。從消除諧波考慮，N越大越好，但N的值要受到功率開關器件的開斷頻率和計算機運算速度的限制。我們采用分段同步調制的方法，不同頻率段N值不同，將正弦函數按載波比N離散制成表，并將半載波周期也制成表，微機通過查表法與實時計算法相結合計算出脈寬值送入PDCX中去。 3.2、PTPER的計算： 式中：fOSC為晶振頻率，fPWM為MCPWM輸出波形頻率（載波頻率），fPWM=Nfsin，fsin為正弦調制波頻率。（fsin=1/T，fPWM=1/Tt） 3.3、軟件設計： 系統軟件由主程序，故障中斷子程序，顯示子程序，鍵盤服務程序，MCPWM中斷，A/D采樣中斷子程序等組成。主程序主要完成系統的初始化，并根據顯示模式計算要顯示的數據并送出顯示，鍵盤掃描及服務處理，輸入數據的碼制變換等。故障中斷子程序中視故障性質完成自處理或故障報警，封鎖觸發脈沖，跳閘等。圖3為主程序流程圖。由于本芯片特點之一是有完善的保護功能，只要在PTCON命令寄存器中寫入相應的控制命令字，系統就能在發生故障時立即封鎖脈沖。在FLTA中斷服務程序中，通過讀取不同的I/O囗來進一步識別是發生了何種中斷，并顯示。圖4為MCPWM中斷子程序框圖。 4、 系統抗干擾措施： 由于變頻器長期運行在環境惡劣的工業現場干擾嚴重，因而抗干擾措施是必不可少的，本系統從硬件和軟件方面采取了抗干擾措施。 硬件抗干擾措施：逆變器采用IPM模塊，結構緊湊，整流電路后端設置有濾波電路，以消除或減弱來自外部的噪聲。在控制電路中采取了如下措施：（1）在電源輸入端加設電源濾波器，電源變壓器采用屏蔽變壓器，且CPU的VCC端用1μF的鉭電容以抗電源系統干擾。（2）過程通道抗干擾措施：在輸入輸出囗中全部采用高速光電耦合器件來切斷外圍模擬電路與單片機數字電路之間電氣上的聯系，而所有傳輸導線均采用雙絞線。（3）線路板抗干擾措施：設計印制電路板時，在元器件的布置上將數字電路元件與模擬電路元件盡量隔開距離，并加接地線，且接地線構成閉合環路，各集成芯片電源正負極間配置0.1μF的去耦電容。 軟件抗干擾措施：利用dsPIC30F4012的監視定時器，實現軟件的抗干擾措施。本變頻器在干擾而引發軟件故障時，在小于16mS時間內使控制系統自動復位。 5、 實驗結果： 我們根據上述方案，設計并制作了一臺樣機，用于22kW注塑機拖動電機上，一年來運行情況良好，技術指標達到設計要求，其電流波形如圖5所示。 綜上所述：采用dsPIC30F4012微處理器和IPM組成逆變器，應用方便，特別是通過編程產生SPWM波信號，信號產生簡單方便，易于編程，死區時間也通過軟件編程控制在50nS～25.2μS之間。多條V/f曲線可供不同用戶選擇。因而有較好的應用前景。