基于ma818交流异步电动机的变频调速控制系统的设计

基于ma818交流异步电动机的变频调速控制系统的设计内容摘要：

成。 第二部分为从 EPROM 中读出正弦调制波形的数据部分。 它由地址发生器和数据缓冲器组成。 第三部分为三相输出 控制电路及输出脉冲锁存电路。 每相输出控制电路又由脉冲删除电路和脉冲延 迟电路组成。 脉冲延迟电路能 避免同一相上的开关器件发生直通短路现象。 脉冲删除电路能保证使最小输出脉冲大于器件的开关时间 ,而将更窄的脉冲删除掉。 MA818 的结构框图如图 31 所示。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 8 J u n 2 0 08 S he e t o f F i l e : E : \下载软件 \ S ys t e m \ M y D e s i g n 2 . d db D r a w n B y:总 线 译 码总 线控 制R0R1R2R3R424位初始化寄存器24位控制寄存器相位控制脉冲删除电路脉冲删除电路脉冲删除电路脉冲延迟电路脉冲延迟电路脉冲延迟电路分 频 器 地址发生器 数据缓冲器 输出封锁锁存器RE S E TS Y S T E M BU SCSM O T E LIN T A RF A C ECL O CK调制波 E P RO M S E T T R I P T R I P红黄蓝 图 31 MA818 的结构框图 The principle diagram of MA818 管脚说明 18 采用标准双列直插式 40 脚封装的 MA818 的管脚排列如图 2 所示。 按基本功能可将其划分为三部分 :第一部分用于与微处理器接口的 MOTEL 多用总线 ,包括 AD0~AD三根总线控制线和一个片选输入 CS 脚 ,它能使 MA818 与其它微处理器外围接口芯片一样共享同一组总线。 该部分的具体引 脚说明如图 ,MA818 还可以自动适应 INTEL 或 MOTOROLA 模式。 第二部分用于与存储正弦调制波形的 EPROM 连接的11 根地址线 A0A10 和 4 根数据线 D0D3。 第三部分为三相 PWM 输出线及控制线。 包含具有标准 TTL 电平的 6 个端口 RPHT、 RPHB、 YPHT、 YPHB、 BPHT 和 BPHB7,分别用于三相逆变器六个全控器件的端口驱动电路的控制信号。 当封锁控制脚 (SET TRIP)脚输入高电平时 ,封锁状态输出脚 TRIP 及六个 PWM 输出将被迅速地锁存在低电平状态。 该脚可接至保护系统的输出脚 ,以进行过流、过压、过热、相序检测、缺相保护及相应的保护。 封锁状态输出脚 TRIP 用来表明输出脚的状态。 低电平有效。 复位脚 (RST):输入低电平有效。 该脚可将所有 PWM 输出强制箝位于低电平 ,从而关断逆变器的六个输出。 使内部计数器置零 ,对应于 R 相的 输出 0176。 在 SET TRIP 无效时 ,可解除对 PWM 输出的封锁并将 TRIP 置为高电平。 零相脉冲信号 ZPP 能输出与调制波同频率 的脉冲波。 此外 , VDD 为 5V电源引脚 , Vss 为零电平电源引脚 ,CLK 是时钟输入端。 CSR S TD3V d dD1D0D2T R I PR P H BY P H BZ P PA0AD7B P H BV s sA L ERDWRS E T T R I PB P H TR P H TY P H TAD0A 1 0........................ 图 32 MA818 引脚图 The pin diagram of MA818 19 工作原理 MA818 在工作之前 ,两个 24 位寄存器 (初始化寄存器和控制寄存器 )要先从微机中输入命令字。 MOTEL 总线的宽度为 8 位 ,向 24 位寄存器输送数据时 ,要分三次分别送到 R0、 RR2 寄存器中 ,再通过向虚拟寄存器 R R4 的写指令命令分别完成从 R0、 R R2 向控制寄存器和初始寄存器传送数据。 MA818 采用规则采样法产生 SPWM 波形。 它内部具有一个地址发生器和一个输入数据缓冲器 ,能从外部微机系统 PROM/ EPROM 中直接读取用户按要求定义的各种精确的、用于产生 SPWM 脉冲序列的调制波形 ,并与三角载波比较 ,从而产生所需要的 SPWM 波形。 在调制波形的正半周 (0176。 ~180176。 ),波形被分割为 768 个 8 位采样值进行存储 ,幅值范围为0~255。 768 个采样值从 0176。 ~180176。 按线性增长 ,其角度分辨率为 176。 在调制波形的负半周 (180176。 ~360176。 ), MA818 对 0176。 ~180176。 内的 768 个采样值取反 ,从而得到全 360176。 的调制波形。 768 个采样值分成 1536 个 4 位采样值存储 ,其中低 4 位部分分别存储在 0000H~0300H单元中 ,高 4 位部分分别存储在 0400H~0700H 单元中 , MA818 自动地读取这两个部分 ,并在内部拼成一个 8位采样值。 这样 ,MA818只需要 4根数据线既可完成从外部 PROM/ EPROM中读取采样值。 MA818 寄存器的设置方法 初始化寄存器的编程 先将控制字确定的三角波载波频率、调制波频率范围 (PWM 输出调制波的最高可能频率 )、脉冲延迟时间、最小脉冲宽度、计数器复位等参 数送入三个 8 位暂存器 R0、 R R2中 ,再输送到 24 位初始化寄存器。 详见表 1 所列。 R1 中的 CFS 字为载波频率选择字 ,FRS字为调制频率范围选择字。 R2 中的 PDY 字为脉冲延迟时间选择字。 R0 中的 PDT 字为脉冲删除宽度选择字 ,最高位为计数器复位 CR。 当 CR 为低电平时 ,内部调制波相位计数器置零 ,对应 R 相输出 0176。 控制寄存器的编程 由控制字确定调制波频率选择、正转 /反转选择、调制波幅值选择、过调制选择、输出禁止选择等参数 ,先将这些参数送入三个 8 位暂存器 R0、 R R2 中 ,再输送到 24 位控制寄存器。 见 表 2。 表 2 中 R0、 R1 中的 PF0~PF11 构成 12 位输出调制频率选择字 ,它使调制频率从零到最大被分成 4096 个相等的台阶 ,实际调制频率为调制频率范围内的一个百分比。 20 表 31 初始化寄存器 Table of the Initialize Register R0 CR PDT6 PDT5 PDT4 PDT3 PDT2 PDT1 PDT0 R1 FRS2 FRS1 FRS0 CFS2 CFS1 CFS0 R2 PDY5 PDY4 PDY3 PDY2 PDY1 PDY0 表 32 控制寄存器 Table of the Control Register R0 PF7 PF6 PF5 PF4 PF3 PF2 PF1 PF0 R1 F/R OM INH PF11 PF10 PF9 PF8 R2 AMP7 AMP6 AMP5 AMP4 AMP3 AMP2 AMP1 AMP0 R1 中的 INH 为输出禁止位。 当 INH 为低电平时 ,禁止输出 PWM 波形 ,但 MA818 内部PWM 脉冲电路仍继续工作 ,一旦 INH 为高电平 ,将继续输出 PWM 波形。 OM为过调制选择位。 当 OM 为高电平时 ,调制波形的幅值将在控制选择字控制的 (100~200)%范围内变化。 F/R为正转 /反转选择位。 当 F/R 为低 (高 )电平时 ,调制波频率相位计数器为增 (减 )计数 ,输出正 (反 )相序为 :红 黄 蓝 (蓝 黄 红 )。 R2 的 AMP0~AMP7 是调制波幅值选择字。 该幅值是通过给存储在 PROM/EPROM 中的波形采样值乘以一个比例因子而得到的 [10][11][14]。 21 4 SPWM 波生成方法 自然采样法 ： 计算正弦信号波和三角载波的交点，从而求出相应的脉宽和间歇时间，生成 SPWM 波形。 图 41 为截取一段正弦与三角波相交的实时状况。 检测出交点 A 是发出脉冲的初始时刻， B 点是脉冲结束时刻。 TC为三角波的周期； t2为 AB 之间的脉宽时间， t1和 t3为间歇时间。 显然， TC= t1+ t2+ t3。 若以单位量 1 代表三角载波的幅值 Utm，则正弦波的幅值就是调制度 M， M=Urm/Utm=Urm,正弦波的公式可写为 ur=Msinω1t，式中 ω1是正弦波的频率，也就是变频器的输出频率。 经推导可得脉宽的计算公式 )]s i n(s i n21[2B1A1c2 ttMTt   (41) 由于 本方法需要实时采样 tA、 tB，计算与控制均比较困难，故实际进行微机控制时，取简化的近似处理，在三角波为 Utm的 te 点进行一次采样，脉宽公式即简化为 )s i n1(2e1c2 tMTt  (42) 图 41 自然采样法 SPWM 波 SPWM wave of natural sample method 采用上述方法，虽然可以较准确地确定正弦波与三角波的交点，但计算 工作量较大，特别是当变频范围较大时，将占用大量的内存空间。 因而只有在某一变化不大的范围内变频调速时，采用此法才是可行的。 22 规则采样法 ：这是 工程上实用的方法。 自然采样法的主要问题是， SPWM 波形每一个脉冲的起始和终了时刻 tA 和 tB对三角波的中心线不对称，因而求解困难。 工程上实用的方法要求算法简单，只要误差不太大，允许作出一些近似处理，这样就提出了各种规则采样法（ Regular Sampling）。 图 42a 所示为一种规则采样法，它是在三角波每一周期的正峰值时找到正弦调制波上的对应点，即图中 D 点，求得电压值 urd。 用此电压值对三角波进行采样，得 到 两点 ， 就认为它们是 SPWM 波形中脉冲的生成时刻， 这 两点区间就是脉宽时间t2。 规则采样法的计算显然比自然采样法简单，但从图中可以看出，所得的脉冲宽度将明显地偏小，从而造成控制误差。 这是由于采样电压水平线与三角载波的交点都处于正弦调制波的同一侧造成的。 为了减小误差，可对采样时刻作另外的选择，这就是图 42b)所示的规则采样法。 图中仍在三角载波的固定时刻找到正弦调制波上的采样电压值，但所取的不是三角载波的正峰值 时刻，而是负 峰值 时刻， 得 到 图中 E 点，采样电压为 ure。 在三角载波上 由 ure 水平线截得 A、 B 两点，从而确定了脉宽时间 t2。 这时，由于 A、 B 两点座落在正弦调制波的两侧，t2较大。 因此，减少了脉宽生成误差，所得 到 的 SPWM 波形也就更准确了。 由图 42 可以看出，规则采样法的实质是用就阶梯波来代替正弦波，从而简化了算法。 只要载波比足够大，不同的阶梯波都很逼近正弦波，所造成的误差就可以忽略不计了。 图 42 生成 SPWM 波形的规则采样法 wave of regular sample method gain 在规则采样法中，三角载波每个周期的采样时刻都是 确定的，都在正峰值或负峰值处，不必作图就可计算出相应时刻的正弦波值。 例如，如果采样值是三角载波的负峰值，采样值依次为 Msinω1te， Msin（ ω1te+Tc）， Msin（ ω1te+2Tc）， …。 因而脉宽时间和间歇时间都可以很容易计算出来。 由图 42b 可得出其规则采样法的计算公式 ： 23 脉宽时间 ：  ec tMTt 12 s i n12  （ 43） 间歇时间 ：  231 21 tTtt c  （ 44） 实用的变频器多是三相的，因此还应形成三相 SPWM 波形。 三相正弦调制拨在时间上互差 2π/3，而三角载波是共用的，这样就可在同一个三角载波周期内获得三相 SPWM 脉冲波形。 变频调速软件的任务是求取调制波脉冲的宽度 Kt ， 根据上边的规则采样法，其算式为 A 相： AKt =2t   tMTt cKA s in12  B 相 ：   0120s in12  tMTt cKB  （ 45） C 相：   0120s in12  tMTt cKC 。