變頻器驅(qū)動(dòng)程序的Proteus仿真

時(shí)為

(揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)，江蘇揚(yáng)州225009)

三相異步交流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用和維護(hù)方便、堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)，配合以變頻調(diào)速控制，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用。使用單片機(jī)產(chǎn)生三相SPWM驅(qū)動(dòng)波形，驅(qū)動(dòng)三相功率模塊獲取頻率可變的三相交流電源，并用其驅(qū)動(dòng)三相異步電機(jī)，調(diào)整三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。本文探討了使用單片機(jī)編寫三相SPWM驅(qū)動(dòng)程序的方法，使用Proteus仿真軟件運(yùn)行所編寫的程序，直接觀察到由程序所產(chǎn)生的SPWM波形。

1 單相SPWM的基本原理

SPWM的實(shí)質(zhì)是將一個(gè)正弦波的大小變化，用與之對(duì)應(yīng)的幅度相同、寬度不同的脈沖來(lái)表示，這樣可以將正弦波轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)的程序，通過(guò)程序運(yùn)算處理，產(chǎn)生所需要的正弦波形[1]。以面積等效的SPWM算法為例，一個(gè)正弦波的SPWM轉(zhuǎn)換原理如下:

設(shè)正弦波表達(dá)式為:(Us/2)sinωt，將其在一個(gè)周期中等分為N份，每份寬度為Δt，取出其中的一份計(jì)算其面積:

與之對(duì)應(yīng)的等效脈沖的面積S2=δ×Us，根據(jù)面積等效原則有S1=S2，即:

圖1 面積等效SPWM算法

其中正弦波每份的寬度由設(shè)計(jì)師在程序中設(shè)定，當(dāng)用戶選定好電機(jī)工作頻率f以后，所有編程所需的參數(shù)就可以確定了。面積等效SPWM算法的示意圖見圖1。

2 面積等效算法的三相SPWM編程原理

SPWM編程的關(guān)鍵在于確定在一個(gè)正弦波等分區(qū)間中，I/O控制端口何時(shí)送出邏輯“1”(高電平Us)，何時(shí)送出邏輯“0”(低電平0)，從kΔt到kΔt+δ區(qū)間，計(jì)算機(jī)I/O端口送出邏輯“1”;從kΔt+δ到(k+1)Δt區(qū)間，計(jì)算機(jī)I/O端口送出邏輯“0”;以此類推，再重復(fù)下一個(gè)從(k+1)Δt到(k+2)Δt循環(huán)。

圖2 用戶輸入頻率數(shù)據(jù)處理

在程序中，將計(jì)算所需的cosωkΔt(k=0，1，2，…N)事先計(jì)算好，放于計(jì)算機(jī)的ROM之中，其它的參數(shù)根據(jù)用戶設(shè)定的電機(jī)工作頻率f由計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算獲得。

V相正弦的－120°和W相正弦的－240°初相角的起始點(diǎn)按如下方法確定:將一個(gè)正弦周期分為N等分，設(shè)U相SPWM以k=0為起點(diǎn)開始計(jì)算，則以k+2N/3等分點(diǎn)開始計(jì)算的正弦的初相角為－120°，以k+N/3等點(diǎn)分開始計(jì)算的正弦的初相角為－240°。編程思想見圖2和圖3。

圖3 PWM周期中斷服務(wù)程序

3 單片機(jī)的選擇

在工業(yè)控制領(lǐng)域，目前常用的控制電動(dòng)機(jī)的芯片是PIC系列的單片機(jī)，本文選擇型號(hào)為dsPIC33FJ16MC304的16位的具有dsp和單片機(jī)功能的芯片，這是一款針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用由MicroChip公司生產(chǎn)的單片機(jī)芯片，其6路互補(bǔ)PWM輸出的硬件結(jié)構(gòu)見圖4[2]。

圖4 dsPIC33FJ16MC304的PWM硬件結(jié)構(gòu)

dsPIC33FJ16MC304具有6路PWM脈沖輸出(三路PWM互補(bǔ)輸出):PWM1H3、PWM1L3，PWM1H2、PWM1L2，PWM1H1和PWM1L1;同步PWM周期中斷，死區(qū)的插入和硬件保護(hù)控制端口FALAT，具備產(chǎn)生SPWM的條件，用戶只需要在相關(guān)的控制寄存器中寫入相應(yīng)的控制字即可實(shí)現(xiàn)指定的功能。

例如，以下的一段初始化程序可用來(lái)設(shè)定每一個(gè)SPWM脈沖的中斷時(shí)間，并啟動(dòng)PWM模塊的輸出功能:

當(dāng)設(shè)置好PWM的中斷模式后，單片機(jī)中的PWM模塊就可以用來(lái)產(chǎn)生SPWM脈沖了。其中，使用的編程語(yǔ)言是MPLAB C30，使用的編譯軟件是MPLAB 8.43[3]。

4 三相SPWM驅(qū)動(dòng)程序的Protues仿真

根據(jù)三相SPWM的波形產(chǎn)生原理，在MPLAB軟件中使用MPLAB C30編寫dsPIC33FJ16MC304 SPWM產(chǎn)生程序。在pic33FJ16MC304中裝入上述用MPLAB軟件生成的Hex文件，啟動(dòng)Proteus的仿真功能，就可以看到三相SPWM輸出波形了，見圖5。

5 結(jié)語(yǔ)

dsPIC單片機(jī)中的PWM模塊的使用方法具有一定的代表性，其對(duì)于目前流行的用于變頻器驅(qū)動(dòng)的高檔次單片機(jī)的編程具有一定的參考價(jià)值。

圖5 三相SPWM的Proteus仿真測(cè)試波形

[1]王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[2]石朝林.dsPIC數(shù)字信號(hào)控制器入門與實(shí)戰(zhàn)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[3]張皆喜.PIC系列單片機(jī)C語(yǔ)言編程與應(yīng)用實(shí)例[M].北京:電子工業(yè)出版社，2007.