摘 要： 介绍了日本三菱公司最新推出的单片微处理器M37906和智能功率模块PS21245在变频调速中的应用,并结合不对称规则采样脉宽调制(PWM)法，给出了变频器设计的基本方法。
关键词: M37906 脉宽调制 智能功率模块 规则采样
随着电力电子技术和微电子技术的飞速发展,变频调速技术也在日新月异地进步。智能微控制器的不断完善和智能功率模块(IPM)的更新换代更加促进了变频调速技术的进步。近十多年来,以半导体功率器件为基础的PWM变频脉宽调速技术在各个领域得到了广泛的应用。如何在普通环境中应用最新的电子技术成果,通过优化PWM算法提高控制性能,一直是技术人员的不懈追求。
本文介绍三菱公司最近推出的一种16位专用变频调速微处理器M37906及三菱公司第四代智能功率模块DIP-IPM的性能特点,并结合不对称规则采样PWM算法,对微处理器M37906和智能功率模块PS21245组成的变频器的软硬件进行说明。
1 M37906微处理器
1.1 M37906微处理器的功能和特点
M37906 微处理器采用高性能硅栅CMOS工艺,具有42脚塑料表面粘贴(SSOP)和42脚塑料窄脚双列直插(SDIP)两种封装形式,提供 FLASH芯片和掩膜ROM芯片两种供货方式,其基本特点如下:
基本指令 203条
指令执行时间 50ns (系统时钟20MHz)
存储器容量
片内ROM 32K byte
片内RAM 1024 byte
可编程输入/输出口 30
(P1，P2，P5，P6，P7)
串行通行口 2路
多功能定时器
TA0～TA9 10路16位
TB0～TB2 3路16位
看门狗定时器 1路12位
中断源 23
外部中断(INT3、INT4、INT5、INT6、INT7)
内部中断(TA0～TA9)(TB0～TB2)
(UART0、UART1、A/D)
中断优先级 7
A/D转换 5路10位
D/A转换 2路 8位
供电电源 5V±0.5V
工作环境 -20℃～85℃
功耗 255mW(20MHz)
1.2 M37906单片微处理器[2]
M37906单片微处理器是M7900系列16位单片机中专为三相电机驱动而设计的微处理芯片,特别适合于三相直流无刷电机的控制,结构封装如图1所示。其所有的I/O口除了具有双向输入/输出功能外还具有其它复合功能。其中DA0和DA1为D/A转换口,可用于系统模拟量的输出;AN0～AN4是A/D转换接口,可用于模拟量的采集;WN、VN、UN和W、V、U是产生三相PWM控制信号的接口,可用于对三相电机的驱动;IDU、IDV、IDW为三相位置检测口,用于三相无刷电机控制中对转子位置的实时检测;其余的定时器输入、定时器输出、串行通信接口等与普通单片机基本相同。下面着重介绍M37906处理器中三相PWM波形的生成和与此相关的定时器的工作方式。
M37906处理器内部具有TA0～TA9和TB0～TB2共十三个16位的多功能定时器。定时器之间相互独立,每个定时器都可以选择其独立的工作方式。定时器TA0～TA9有四种工作方式:
定时工作方式:定时器对内部计数源计数。有普通、带门控功能、带脉冲输出三种方式。
事件计数方式:定时器对一个外部脉冲计数,可对单相或两相外部信号计数。
单次脉冲方式:定时器输出一个给定宽度的脉冲信号,该方式只触发一次,触发后停止记数。
脉冲宽度调制(PWM)方式:定时器输出给定宽度的连续脉冲。
定时器TB0～TB2有三种工作方式:
定时工作方式:定时器对内部计数源计数。工作情况与定时器TA相同。
事件计数方式:定时器对一个外部脉冲计数,只能对单相外部脉冲信号计数。
脉冲周期/脉冲宽度测量方式:定时器测量外部脉冲的周期或宽度。
联合使用定时器TA0～TA3和定时器TB0可以产生驱动三相马达的电压波形。M37906内部集成的三相马达驱动的工作方式称为三相波模式,用于实现三相波形的输出。三相正相波形(U相、V相、W相)和三相负相波形(UN相、VN相、WN相),分别从P65、P64、P63、P62、P61和P60输出,P6OUTcut/INT4作为智能模块的故障检测口。定时器TA3按定时方式工作,用于控制载波周期;定时器TA0～TA2按单次脉冲方式工作分别控制各输出相。其中定时器TA0控制W和WN相,定时器TA1控制V和VN相,定时器TA2控制U和UN相。
定时器TA3用于控制三角调制波或锯齿波的周期。当定时器TA3记数器向下溢出时,产生中断请求,发出一个短脉冲使定时器TA0～TA2开始记数;同时三相输出极性设置寄存器(00A8H)的相应位分别触发各自对应的输出极性设置翻转触发(toggle flip-flop)器,设置其输出的极性,触发器的内容在定时器TA0～TA2触发时反向;定时器TA0～TA2在触发极性设置翻转触发器的同时也触发死区时间定时器使之开始工作。此时正相和负相输出波形并不能马上从高电平转到低电平,只有死区时间定时器溢出后,所发出的反向触发信号才使输出从高电平转到低电平。 
在输出波形时,设置死区时间的目的是防止正向波形(U相、V相、W相)输出低电平和负相波形(UN相、VN相、WN相)输出低电平时互相重叠,因为正相和负相同时为低电平时会造成驱动电路短路。M37906内部提供了3个以单次脉冲方式工作的八位定时器完成对死区时间的控制。它们共用一个设定死区时间的重加载寄存器,在设定死区时间寄存器(00A7H)时也同时自动加载到共用的重加载寄存器中;每次触发死区时间定时器时微处理器会重新加载该寄存器中的值,按选择的记数源进行减记数;当记数器下溢时,记数器停止工作,等待下一次触发。
M37906具有两种三相PWM方式,即三相PWM方式0和三相PWM方式1。在方式0中每次定时器TA3溢出都会产生中断请求;定时器TA0～TA2各使用一个寄存器,通过设定U、V、W各相的输出极性设置缓冲的方法使输出极性反向,也可以通过软件方法直接使三相输出反向。而三相波形方式1中定时器TA3每两次或每四次向下溢出才会产生中断;每个定时器交替使用两个寄存器,只能通过设置三相输出波形的极性寄存器实现三相波的极性设置;在每个周期内根据三相输出极性设置缓存器的内容由硬件自动完成对三相波极性的反向。
2 PS21245智能功率模块
DIP-IPM模块是日本三菱公司最新推出的第四代IPM智能功率模块。IPM智能功率模块是集内置三相交流输出IGBT逆变电路、高压驱动和保护于一体的双列直插封装模块。其内部既有驱动控制和保护逻辑,又有过流、过(欠)压、短路和过热探测等保护电路,大大提高了变频器的可靠性和可维护性。DIP-IPM模块与第三代IPM智能功率模块相比具有以下特点:只需一路+15V的驱动电源,可不采用光耦直接与单片机进行连接,工艺上采用了更小的IGBT/FWDi芯片,使功耗更低、体积更小。PS21245的每路IGBT集电极电流为20A,开关频率典型值5kHz,绝缘耐压1500Vrms，集电极-发射极额定电压600V，其内部电路如图2所示。
3 M37906微处理器和智能功率模块PS21245构成的变频器
M37906和PS21245智能功率模块构成的变频器结构如图3所示。其中IPM三相PWM控制信号通过4.7kΩ的上拉电阻后直接与M37906的P6相连(布线时要特别注意该组引线要尽可能短,以提高系统的抗干扰性能)。上臂驱动电源正极(VUFB、VVFB、VWFB)和下臂驱动电源负极(VUFS 、VVFS 、VWFS)通过自举电路连到+15V,IPM的三个上臂控制电源端VP1和下臂控制电源端Vpc与+15V驱动电源直接相连。短路保护动作电压设定端CIN与VNC之间加限流电阻,根据实际保护动作电压的需要调整阻值。故障信号输出端Fo与M37906的P6OUTcut/INT4相连。输出故障脉宽设定端CFO通过陶瓷电容与VNC相连,当选取22nF的电容时,对应的故障脉宽为1.8ms。IPM供电直流电源端P与+15V驱动电源连接。电源端N、上下臂GND端接模拟地。三相逆变输出端U、V、W与负载电机的U、V、W连接。
3.1 PWM采样方法[1]
PWM脉宽调制是利用相当于基波分量的信号对三角载波进行调制,脉冲宽度由正弦波和三角波自然相交而成的自然采样法,如图4所示。其中图4(a)为对称规则采样,设三角载波周期为Tt,采样周期为TS(TS= Tt),当以三角波顶点t1为采样点时:
脉冲宽度为：
采样点时刻t1只与载波比N有关,与调节器幅比M无关(其中t1=kTt,k=0,1,2,…N-1)。
对于图4(b)所示的不对称规则采样法,既在三角波的顶点位置又在底点位置对正弦波进行采样时,采样周期TS是三角波周期的1/2:
脉冲宽度为：
其中k=0,1,2,3…,当k为偶数时是顶点采样,k为奇数时是底点采样。
3.2 软件结构
软件流程如图5所示。由于IPM智能模块只有一路+15V控制电源,为了使IPM正常启动,上电开始时通过依次开通下臂的IGBT,在上臂IGBT上进行足够脉宽的PWM输出,对IMP上臂驱动电源(VUFB 、VVFB、VWFB)和下臂驱动电源(VUFS、VVFS、VWFS)上的自举电容进行充电。当自举电容为100μF，自举电阻为50Ω的情况下,自举充电时间约为5ms。自举完成后通过检测IPM的FO输出判断IPM的运行情况。正常情况FO输出的信号为高电平,当此端口输出低脉冲时,表示模块处于故障状态,通过INT4外部中断程序停止智能模块的输出。
三角载波是通过定时器由软件方式实现。载波周期定时器和采样定时器之间的关系决定着规则采样的性质。当载波周期定时器和采样定时器的周期相同时是对称规则采样,通过(1)式设定定时器TA0～TA2的预载寄存器;当载波半周期定时器和采样定时器的周期相同时是不对称规则采样,通过(2)式进行计算设定。
通过上述两种方法可得到不同频率的三相PWM波形。对变频器输出的特性分析,不对称规则采样所形成的阶梯波比对称规则采样时更接近于正弦波,输出电压也高于前者。当载波比N等于3或3的倍数时,逆变器输出电压中偶次谐波分量基本可以消除,其它的高次谐波分量的幅值也较小,但相应的中断次数和计算量将成倍增加。当然基波信号不一定是正弦波,可以采用其它优化PWM调制方法,同时也可以采用其它采样方法,但需要将存储在微处理器中的基波数据和采样计算公式进行调整,可以进行多种尝试以达到更好的谐波特性和更高的功率因数。
该变频器由于采用集成度较高的变频专用微处理器和功能更强的智能功率模块,体积小、成本低,特别适合家电产品和民用产品使用。主要的缺点是省去光耦后IPM与微处理器只能置于同一块PCB板上,而且上下臂控制信号的走线要尽量短。如微处理器和IPM较远时仍需通过光耦隔离,采用原有的光耦接法。
采用不对称规则采样所形成的阶梯波更接近于正弦波。输出频率与输出电压对频率指令值的响应时间是一个中断周期,由于16位微处理器的指令执行速度快,指令周期短,同时智能功率模块的开关频率典型值达到5kHz,可以选用更大的载波比以缩短响应时间,满足实时控制的需要。同时智能功率模块的各种保护措施也提高了变频器的可靠性。
参考文献
1 陈伯时.电力拖动自动控制系统.上海:上海工业大学出版社
2 日本三菱. M7906 Group User’s Manual