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基于68HC908MR16單片機的空間矢量控制變頻電源

時間:2023-02-21 00:04:30 電子通信論文 我要投稿
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基于68HC908MR16單片機的空間矢量控制變頻電源

摘要:介紹了一種基于空間矢量PWM算法的變頻電源的實現(xiàn)方式。系統(tǒng)采用MOTOROLA公司的電機控制專用芯片68HC908MR16,通過PI調(diào)節(jié)將直流電逆變成頻率可調(diào)的三相正弦波交流電,同時利用串行通信實現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)顯示和參數(shù)修改。

    關(guān)鍵詞:空間矢量;脈寬調(diào)制;變頻器;專用芯片MR16

引言

隨著拖動技術(shù)的不斷發(fā)展以及大功率電力電子器件的不斷更新,交流異步電機V/f控制PWM變頻電源在工業(yè)上的應(yīng)用越來越廣泛。傳統(tǒng)的SPWM變頻調(diào)速技術(shù)理論成熟,原理簡單,易于實現(xiàn),但其逆變器輸出線電壓的幅值最大值僅為0.866Ud,直流側(cè)電壓利用率較低;而采用空間矢量PWM(SVPWM)算法可使逆變器輸出線電壓幅值最大值達到Ud,較SPWM調(diào)制方式提高了15%,且在同樣的載波頻率下,采用SVPWM控制方式的逆變器開關(guān)次數(shù)少,降低了開關(guān)損耗。為此,本文運用SVPWM算法,將逆變器和電機作為整體考慮,并綜合三相電壓,通過實時計算,利用MR16單片機實現(xiàn)了電機的恒磁通變頻調(diào)速控制。
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1 空間矢量PWM基本工作原理

圖1所示為三相電壓型逆變器的工作原理圖,它由6個開關(guān)器件組成。逆變器輸出的空間電壓矢量為

根據(jù)同一橋臂的上下兩個開關(guān)器件不能同時導(dǎo)通的原則,其三相橋臂開與關(guān)可以有8種狀態(tài)。在這8種開關(guān)模式中,有6種開關(guān)模式輸出電壓,在三相電機中形成相應(yīng)的6個磁鏈矢量,另外2種開關(guān)模式不輸出電壓,不形成磁鏈矢量,稱之為零矢量。各種狀態(tài)形成的矢量在空間坐標系中的位置關(guān)系如圖2所示。括號內(nèi)的二進制數(shù)依相序A,B,C表示開關(guān)的不同狀態(tài),“1”表示上橋臂功率器件導(dǎo)通,下橋臂器件關(guān)閉;“0”表示的工作狀態(tài)與此相反。任意一個電壓空間矢量的幅值和旋轉(zhuǎn)角度都表示此刻輸出PWM波的基波幅值及頻率大小,它的相位則表示不同的脈沖開關(guān)時刻。因此,三相橋式逆變器的目標就是利用這8種基本矢量的時間組合,去近似模擬合成這樣一個磁鏈圓。

通常將一個圓周期6等份,并習(xí)慣地稱之為扇區(qū)。每一扇區(qū)又可繼續(xù)劃分為任意的m個小等份。當理想電壓矢量位于任一扇區(qū)之中時(如圖2所示),就用該扇區(qū)的兩個邊界矢量和兩個零矢量去合成該矢量,例如:當理想電壓矢量處于第一扇區(qū)時就由和兩個非零矢量以及零矢量合成,其他扇區(qū)依此類推。假設(shè)理想電壓矢量位于圖3所示的位置,依據(jù)正弦定理可以得到式(2)—式(4)。

式中:Us為逆變器輸出電壓矢量的幅值;

U1為非零矢量的幅值;

U2為非零矢量的幅值;

Ts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;

|U1|=|U2|=…=Ud。

   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(yīng)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(yīng)速度快,控制簡單。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。

    MR16中頗具特色的部分是專門用于電機控

制的PWMMC模塊。該模塊可以產(chǎn)生3對互補的

PWM信號或6個獨立的PWM信號,這些PWM信

號可以是中心對準方式也可以是邊緣對準方式。

6個通道都有一個12位的PWM計時器,PWM分辨率在邊緣對準方式時是一個時鐘周期,而中心對準方式時是兩個時鐘周期,這樣邊緣對準方式的最高分辨率是125ns(內(nèi)部工作頻率為8MHz)而中心對準方式的最高分辨率為250ns。當PWMMC模塊工作于互補模式時,模塊功能部件自動地將死區(qū)時間嵌入到PWM的輸出信號中,并可以根據(jù)感應(yīng)電機的相電流極性輕易地翻轉(zhuǎn)PWM數(shù)據(jù)。PWMMC模塊還含有4個故障保護引腳FAULT1~FAULT4,當任意一個故障保護端口為高電平時就封鎖相應(yīng)的PWM輸出引腳。例如,當系統(tǒng)過流時,就置位FAULT引腳封鎖所有PWM輸出,這樣就封鎖了IGBT的驅(qū)動電路,從而實現(xiàn)了過流保護功能。為了避免由干擾引起的誤操作,MR16的每個故障引腳都帶有一個濾波器,并且所有的外部故障引腳都可由軟件配置來再使能PWM,這些都給軟件設(shè)計帶來了極大的方便。

2.3PWM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(shè)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(shè)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(shè)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(wù)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(yù)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?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(yīng)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(yīng)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。

2.4 串行通信

系統(tǒng)采用串行通信設(shè)計了相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng),使其具有良好的人機界面。其中逆變系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)均采用MAXIM公司的串行接口芯片MAX3082,通過標準RS?485總線準確實時地實現(xiàn)了相互的串行通信。同時,運用光耦隔離的辦法增強了系統(tǒng)的抗干擾能力,提高了通信的可靠性。雙方約定波特率9600bps,工作于半雙工模式

,并采用校驗和的校驗方法檢驗數(shù)據(jù)通信的準確性。MR16工作頻率設(shè)為8MHz,初始化程序如下:

MOV!50,SCC1;每一幀10位數(shù)據(jù),

啟動SCI模塊

MOV!0C,SCC2;發(fā)送器和接收器使能

MOV!00,SCC3;屏蔽出錯中斷

MOV!30,SCBR;設(shè)置波特率為9600bps

2.5 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計,包括初始化模塊,讀X5043模塊,保護模塊,通信顯示模塊,PI調(diào)節(jié)模塊,軟啟動模塊以及中斷模塊等。其中除中斷模塊在中斷服務(wù)程序中完成以外,其他均放在主程序中完成。主程序流程如圖6所示。

初始化模塊包括MR16內(nèi)部寄存器初始化,變量存儲單元定義,通信初始化設(shè)置等部分;芯片X5043把三種常見的電路,即看門狗電路,電壓監(jiān)視和EEPROM組合在單個封裝內(nèi),它內(nèi)含的4KbitEEPROM存儲著上次關(guān)機時正常運行的參數(shù)值設(shè)置,每次開機時系統(tǒng)都將這些參數(shù)值讀到MR16中,這樣就使系統(tǒng)具有記憶功能,使用戶不必每次開機時都要對系統(tǒng)參數(shù)進行重新設(shè)置。保護模塊則實現(xiàn)了系統(tǒng)的過熱,過載,過流以及系統(tǒng)低頻保護等保護功能。其中過流保護由硬件完成,以保證系統(tǒng)能在過流產(chǎn)生后的極短時間內(nèi)迅速封鎖全部的PWM輸出。調(diào)節(jié)模塊主要完成穩(wěn)壓輸出的功能,而通信顯示模塊則是方便人機交流的界面,通過它可以進行多種功能的設(shè)定,系統(tǒng)狀態(tài)的顯示以及各種參數(shù)的修改。

3 結(jié)語

按照上述思想制成實驗樣機,圖7及圖8分別是變頻器帶載時用示波器觀察到的系統(tǒng)試驗波形?梢,變頻器輸出波形的正弦度良好,符合理論設(shè)計的預(yù)期要求。


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