采用68HC908MR16單片機的空間矢量控制變頻電源設計

T_s為PWM周期；

t₁為的作用時間；

t₂為的作用時間；

t₀為零矢量的作用時間；

。

圖3α－β坐標系中的矢量合成示意圖

由于理想電壓矢量是由位于該扇區(qū)邊界的兩個非零矢量和零矢量合成，在實際合成時可采用每一個非零矢量分別發(fā)出兩次，零矢量則依次插入各個分割點的方法。例如：理想電壓矢量為，其合成步驟可以是：先發(fā)非零矢量作用t₁/2時間，再發(fā)零矢量作用t₀/4時間，而后發(fā)出非零矢量作用t₂/2時間，接著發(fā)出零矢量作用t₀/4時間。然后再依此次序重發(fā)矢量一次，就完成了整個合成過程。之所以采用這種合成方法是因為系統(tǒng)工作到低頻時，控制周期變長，而每個周期內(nèi)非零矢量的作用時間又是一定的，也就是說零矢量的作用時間相應的變長了。于是就將一個周期中太長的零矢量分開成幾個零矢量，而后把它們均勻地插入到非零矢量中去，這樣既滿足了合成的要求，又有效地抑止了低速轉(zhuǎn)矩脈動。對于理想電壓矢量位于扇區(qū)邊界的這種情形，可以把它作為扇區(qū)的特例來處理，即有一個非零矢量的作用時間為0。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 主電路拓撲結(jié)構(gòu)

主電路采用三相全橋逆變電路，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示，逆變DC/AC部分為全控式逆變橋，電容C為濾波電容，其電容值的選擇與負載額定功率及直流側(cè)輸入電壓有關(guān)。交流電機變頻調(diào)速不僅要求輸出電壓為正弦波，而且要求電壓和頻率協(xié)調(diào)變化，即要求電壓V和頻率f要同時變化并滿足一定的規(guī)律，如V/f為常數(shù)，這樣才能保證異步電機轉(zhuǎn)子磁通在變頻調(diào)速過程中保持恒定。采用空間矢量PWM控制法驅(qū)動逆變橋，可以實現(xiàn)輸出電壓和頻率分別按各自規(guī)律變化，而且正弦波畸變小，響應速度快，控制簡單。

圖4 系統(tǒng)主電路拓撲結(jié)構(gòu)

2.2 控制芯片

本系統(tǒng)采用MOTOROLA公司的電機控制專用單片機68HC908MR16（以下簡稱MR16）作為主控芯片，它是一種高性能，低成本的8位單片機。MR16內(nèi)部集成有16K字節(jié)的可擦寫片內(nèi)閃速存儲器FLASH，768字節(jié)的RAM；具有10位精度的10通道ADC模塊，其AD轉(zhuǎn)換時間最快僅需2μs，能夠在極短時間內(nèi)完成多路采樣并進行高精度轉(zhuǎn)換；同時MR16含有一個可編程時鐘發(fā)生器模塊(CGM)，系統(tǒng)時鐘不僅可以直接由外部晶振輸入分頻得到，也可以先將晶振電路的輸出信號緩沖后再經(jīng)內(nèi)部鎖相環(huán)(PLL)頻率合成器提供；具有串行通信模塊SCI，它有32種可編程波特率，可以工作在全雙工或半雙工模式，通過SCI模塊能方便地實現(xiàn)系統(tǒng)與外部的實時通信。

2.3 PWM波形成
本系統(tǒng)利用MR16單片機中的PWMMC模塊，實現(xiàn)PWM波形的生成。在初始化時將其設置為3對互補工作模式，即同一橋臂上的兩路PWM信號是互補的。為了防止同一橋臂上的2個開關(guān)管直通，在無信號發(fā)生器DEADTIME的死區(qū)時間寄存器DEADTM中設置了2.5μs的死區(qū)時間。系統(tǒng)采用4MHz的外部晶振，由程序選擇內(nèi)部鎖相環(huán)頻率合成器產(chǎn)生8MHz內(nèi)部總線時鐘。同時設置載波頻率為9kHz，并將其寫入PMOD(H:L)寄存器。PWM波的實時脈沖寬度的計算都是在中斷服務程序中完成的，每當PWMMC模塊中的PCTN(H:L)計數(shù)器計數(shù)至PMOD(H:L)中的數(shù)值時就引起一次中斷。預先將一個扇區(qū)（60°）的正弦值擴大一定倍數(shù)后制成正弦表格存入FLASH中，每次進入中斷后都從表中取出一個正弦值，經(jīng)過相應的計算后將結(jié)果送入PVALX(H:L)寄存器中，單片機將PCTN(H:L)中的值與PVALX(H:L)中的值進行比較后自動產(chǎn)生PWM波，而后依次送入相應的PWM輸出通道，完成PWM波的輸出。采用軟件方法實現(xiàn)PWM波的原理如圖5所示，它對應于圖1的第1扇區(qū)。當位于不同的扇區(qū)，不同的PWM周期時，它們的值都不相同，都是實時變化的。同樣，賦給每一個PVALX(H:L)寄存器的值也就不盡相同。這種產(chǎn)生對稱PWM波形的方法，每個PWM周期都開始和結(jié)束于零向量，并且000和111的持續(xù)時間相同；同時，除了占空比0％和100％外，每個周期內(nèi)各橋臂通斷兩次，而且對于一個扇區(qū)來講，橋臂的通斷都有一個固定的順序。

圖5 軟件實現(xiàn)原理圖