GeneralIndustryInverterwithSuper-smallOutlineandHighPerformance-costRatio-（超小型高性价比通用工业变频器）.docx

超小型高性价比通用工业变频器摘要：描述了MOTOROLA电动机运动控制专用8位微控制器MC68HC908MR16（MR16）的工作原理，介绍了MR16为核心控制器的一种高性能价格比小功率通用变频器产品的硬件和软件设计方法，最后给出了这种工业变频器的几种实际应用举例，并且提供了部分实验结果和变频器外型尺寸。关键词：工业变频器，微控制器，MC68HC908MR16General Industry Inverter with Super-small Outline and High Performance-cost RatioAbstract：Principle of MC68HC908MR16 is depicted, which is a 8-bit micro-controller dedicated for motor motion control and developed by MOTOROLA. Further, a low-power general industry inverter is also described just employing the MR16 as kernel controller including its hardware and software designs. Finally, some typical practical applications are given, so are some experimental results and outline picture.Keyword：Industry Inverter, MCU, MC68HC908MR161 引言随着变频技术的进步，变频器的市场越来越大，几乎已经用到所有需要电气传动调速的场合。在目前在小功率变频调速领域，尤其是采用几千瓦以下变频器的场合，存在着以下一些特点：（1）应用场合广泛，市场需求大，前景十分可观；（2）一般调速精度要求不高，可以采用容易实现的转矩/转差补偿算法，也可以采用复杂的矢量或直接转矩控制算法，但这一般都需要采用高端处理器；（3）大都使用价格较高的16位单片机作为核心控制器，而且采取全隔离硬件设计，造成变频器价格比较高；（4）变频算法一般采用传统的SPWM和分扇区处理的SVPWM方法，它们在变频理解和程序编制方面存在一些缺憾，或多或少影响了变频性能。基于以上几点，认为在硬件设计上，应该采用高性能低成本8位微控制器代替价格较高的16位单片机作为小功率变频器的核心控制器，而且应该采用非隔离驱动方式；在控制算法上采用更加通用的开关函数法，这样的小功率变频器会更有市场，本文就探讨了采用MR16高性能MCU、非隔离驱动方式与开关函数控制方法的小功率变频器产品设计方法。2 MR16微控制器特点1MR16微控制器采用高性能的M68HC08体系结构，兼容M6805、M146805和M68HC905系列，内部总线频率为8MHz，片内资非常丰富：768字节RAM，16K字节FLASH存储器，12位6路中心对准或边沿对准的脉冲宽度调制输出PWM，串行外围接口模块（SPI），异步串行通讯接口模块（SCI），16位4通道定时器模块（TIMA），16位2通道定时器接口模块（TIMB），时钟产生模块（CGM），10位10通道AD转换器（ADC）以及COP、低电压检测、非法指令和非法寻址复位等保护功能。此外，MR16采用的中央处理单元CPU08具有以下特点：增强的M68HC05编程模式；扩展的锁相环控制功能；16位寻址模式；16位指针寄存器和堆栈指针；内存间的数据直接传送；快速8位乘法指令和16位除法指令；BCD调整指令；支持C语言编程等。MR16是一款高性价比电动机控制专用芯片，非常适合与异步电动机的变频控制，也可用于直流无刷电动机（同步电动机）的运动控制。3 硬件设计超小型高性价比通用工业变频器的整个硬件系统采用共地方案，主回路采用单电源智能功率模块（IPM），控制回路以MR16为核心控制芯片，使得整个系统设计结构简洁，性能提高，成本达到最低。 3.1 功率电路设计变频器功率电路采用典型的交-直-交电压型功率变换结构，其结构图如图1所示。电网输入电压经过由滤波电容C1、C2和压敏电阻ZMR1组成的滤波网络，滤去外界干扰信号，以便保护后级电路，其中C1、C2作用为滤去差模干扰信号和共模干扰信号，ZMR1作用为吸收尖峰干扰电压。为了使得直流侧电压脉动平缓，在直流侧并联了三个滤波平滑电解电容E1、E2和E3，这样可得到稳定的直流电压。直流侧电阻R1用于刚通电时对电容E1、E2和E3的充电限流，冲击电流过后，继电器吸合，将电阻R1短路，以减小对回路的损耗。电容C3的作用是吸收直流侧的突波电压。功率级回路的核心部分是逆变，经过整流后的P和N两端的直流电压经过IPM模块中的三相逆变桥转换为三相交流电压，这一过程称之为逆变，而实现逆变的PWM脉冲驱动信号由微控制器68HC908MR16控制完成。图1 功率主回路 3.2 控制电路设计系统控制电路以MR16微控制器为核心，如图2所示，主要完成逆变控制的实现及PWM脉冲发送；变频器操作键盘控制及数码显示；变频器外部控制功能；变频器辅助保护功能；变频器能耗制动和直流制动功能；变频器调频用电位器控制功能；外部EEPROM的读写操作等诸多控制功能。在控制回路设计中，有以下一些主要问题需要注意：（1）六路PWM脉冲信号输出到IPM模块时，需要将输出信号线接4.7K电阻上拉，以保证在输出信号端出现断路故障时，能够及时关断IGBT；当PWM信号线较长时，需要在信号线上并联滤波电容，防止干扰信号的误动作，损坏器件或设备（2）变频器的外控端子需要经光耦与系统隔离，虽然整个系统采用共地方案，但外接信号仍然存在着破坏系统的可能。（3）在设计远距离（2米左右）手持控制面板时，主要是防止干扰信号对有用信号的影响，尤其是对显示信号的干扰。为此在显示部分设计时，先后用了三种方案，第一种方案是直接将显示信号接到外部面板，结果显示乱码，干扰严重；第二种方案是通过光耦进行隔离，但是一般的光耦速度不够，使得外部显示明显滞后变频器面板，而高速光耦价格又太高，所以采用了第三种方案；第三种方案是采用反向器74LS14进行隔离，经过两级反向后，能够得到很好的显示效果。此外，尤其值得一提的是：由于整个系统共地，所以六路PWM信号与IPM模块之间不需要通过光耦进行电气隔离，这样降低了硬件的成本，缩小了硬件所占体积，提高了产品的性价比。图2 控制回路示意图 3.3 开关电源设计 开关电源设计采用PWM型反激式开关电源，其控制芯片采用PI公司最近推出的一款高性价比的开关电源专用控制芯片TNY267，该控制芯片由一个耐压700V的功率MOSFET开关管和电源控制器两部分组成。TNY267的控制方式不同于传统的PWM型开关电源，采用简单的开/关控制输出电压，其瞬态响应时间比传统的PWM型要快，而且具有线电压欠压保护功能。由于变频器系统共地，所需要的隔离电源至少减少4路，所以开关电源设计中的变压器体积可以大大减小，成本下降，设计难度减少。开关电源电路输出+5V、+12V和+15V三路电源，分别作为MCU控制用电源、风扇电源和IPM驱动电源。4 软件设计210软件是变频器系统的重要组成部分，变频器的所有功能都是在软件的指挥下完成的，所以软件设计的好坏直接影响变频器的性能。由于通用变频器的功能非常多，程序设计工作量大，所以在程序设计时采用模块化结构，即将系统划分成若干个功能模块，每个模块完成一个特定的功能。在逆变控制算法上采用基于开关函数的SVPWM控制方法，这种方法在概念上清楚，实现方便简单，而且电压利用率比传统的SPWM高15.47%。 4.1 SVPWM的开关函数表示 开关函数是指在给定输入电压函数、期望输出电压函数以及各种约束条件下用来描述变换器中一组相关功率开关占空比的连续函数或分段连续函数，采用双极性逆变算法时逆变器中同一个桥臂上下功率开关的开关函数通用表达形式为 （1）其中，和分别为描述任一桥臂上管与下管瞬时占空比的开关函数，为调制度，直流侧电压不排除允许一定程度的波动。具体到电压空间矢量PWM（SVPWM）控制算法，逆变器的开关函数矩阵可以描述为 （2）其中，与、与、与分别表示逆变器第一、二与三桥臂上管与下管的瞬时占空比函数。由开关函数所描述的物理意义，开关函数矩阵中各函数元素必须满足以下关系：，。 SVPWM在抑制谐波电流和转矩脉动方面具有明显的效果，它是一种基于获得正弦对称输出线电压的PWM控制方法。学术已经证明SVPWM与SPWM具有相同的变换本质，完全可以建立自己的目标函数和开关函数矩阵。SVPWM的目标函数建可以由三相期望输出基波相电压分别与一种特殊的三次零序分量相加得到，一相目标函数建立见图3和图4。 图3 等效SVPWM采用的零序分量 图4 等效SVPWM目标函数 表明SVPWM的目标函数属于分段连续函数，可以由以下三个基本正弦函数组成的包络线得到 （3）具体来说，区间0 , 可以划分为7个小区间，SVPWM的三相对称调制函数、与在每个区间所采用的基本函数分别见以下三个表达式： （4）（5）（6） 于是，SVPWM控制方法中期望输出的三相相电压可分别表示为、与，其中为期望输出相电压的幅值。设逆变器直流侧电压为常值，则由逆变器通用开关函数表达式，可以得到SVPWM开关函数矩阵中各函数元素的具体表达式。在区间0 ,内SVWPM的调制函数由7段组成，应该分别按区间给出相应的开关函数矩阵。不失一般性，下面以第一区间为例给出各开关函数的具体表达式： （7） （8） （9）其中，为调制度，从以上各式可以看出SVPWM算法比SPWM算法可以提高电压利用率。同理可以推导出其它区间的开关函数矩阵。 4.2 SVPWM实现方法SVPWM开关函数原理上看来很复杂，但实现方法却非常简单。下面给出SVPWM开关函数的使用技巧。首先只需要计算区间0 ,内单位调制函数的函数值，并将其制作成表格存放在微控制器的FLASH存储器中，以备查用；然后基于开关函数和存储的表格计算出每个载波周期中第一桥臂上管的占空比；最后，再根据占空比大小、载波周期以及电压频率关系计算出第一桥臂上管的实际导通脉宽。同理，在查表时分别将表格移相和可以计算出第二、三桥臂上管的导通脉宽。由于采用互补触发方式，因此三个下管的导通脉宽不需要重复计算。在变频器设计中选用MOTOROLA微控制器68HC908MR16，由于其具有上下管互补触发功能和自动插入死区能力，因此只需计算上管的脉宽，大大简化了运算量，提高了可靠性；另一方面68HC908MR16具有倍频功能，能够根据实际需要将开关频率提升，弥补了一般8位单片很难将开关频率做到很高的局限。 4.3 系统软件实现变频器系统软件主要由五大部分组成：系统资源初始化部分，片外EEPROM读写部分，用户变量初始化，主程序循环部分和PWM逆变中断部分。其系统程序流程图和逆变部分流程分别如图5和图6所示。其中主程序循环部分包括A/D采样、键盘扫描、外控功能、故障处理、加减速率计算、目标频率计算、输出频率计算和显示程序等功能模块；逆变中断程序主要完成三相脉冲宽度计算，其中包括V/F曲线计算、正弦函数值的查表计算以及转矩提升功能等。由于程序编制工作量非常大，实际代码长度已经达到16kB FLASH，因此只能部分提供部分程序框图。图5 主程序流程 图6 逆变程序流程5 实验结果在实验室建立了基于IPM的交直交变频器产品平台，实验电动机为Y90S-4TH，1.1kW，Y接，负载为电磁调速电动机YCT160-4B，IPM为PM20CTM060，开关频率为3.0kHz，没有采用倍频。在上述条件下测试了各个频率点的电动机线电流波形，下面给出部分测试结果。输出频率为1.75Hz、9.64Hz、49.5Hz与101.0Hz时电动机线电流波形分别见图7、8、9与10，可见在宽调频范围内变频器输出电流波形的正弦度很高，说明输出电压的总谐波含量较低，基于开关函数的SVPWM逆变控制方法是有效的，变频器软、硬件设计是正确合理的。这种变频器目前已经有了几个品种，功率范围包括0.4kW、0.75kW、1.5kW、2.2kW、2.75kW等。投放市场使用后反映，变频器性能良好，表现为负载电动机噪声小、低频转矩脉动小、转矩充足、调频范围宽（2250Hz）。这种变频器应用范围广，包括小功率风机、泵类和压缩机等，如果配套工业变频器捆绑销售，收益将更大。这种变频器产品的设计思路不仅可以应用到工业变频调速，而且还可以用于是家用电器变频传动，比如空调、冰箱和洗衣机。这种变频思路已经引用到家用变频空调中去，效果良好。下面再给出这种小功率变频器产品外型尺寸120mmx110mm x140mm，可见它体积小巧，非常便于包装和运输。 图7 电动机线电流波形（1.75Hz） 图8 电动机线电流波形（9.64Hz） 图9 电动机线电流波形（49.5Hz） 图10 电动机线电流波形（101.0Hz）6 结论基于MR16设计的小功率通用工业变频器经过实践应用验证：性能可靠，控制效果良好，在性能和价格上能够满足客户的要求。而且在控制算法上不同于一般分扇区的SVPWM，由于引入了开关函数的概念，使得SVPWM在控制思想上更容易理解，实现也变得更加容易，这种控制方法很有实用价值，值得推广。MOTOROLA的MRxx MCU是一种高兴能的电动机运动控制专用控制器，不仅可以应用到异步电动机，而且也适合于无刷直流电动机（BLDCM）。参考文献1 68HC908MR32/MR16 advanced information rev. 1.0, motorola Inc. 20022 G.Buja and G.Indri. Improvement of pulsewidth modulation techniques. Arch. f. Electrotechn, 1975, 57(5): 281-289. 3 J.Houldsworth, and D.Grant. The use of harmonic distortion to increase the output voltage of a three phase PWM inverters. IEEE IA 20(5): 1224-1878, 1996.4 陈国呈. PWM变频调速技术. 北京：机械工业出版社，1998年7月第一版：24, 28-32.5 Vladimir Blasko. A hybrid PWM strategy combining modified space vector and triangle comparison methods, IEEE PESC96: 1878-1872.6 Yoshihiro Murai, Kazuharu Ohashi. New PWM method for fully digitized inverters. IEEE IA 2