1 、引言

隨著家用電器產(chǎn)品變頻技術(shù)的發(fā)展，單相電機(jī)的變頻調(diào)速已成為一種可行的方法，在這種調(diào) 速系統(tǒng)中，脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)仍然是提高調(diào)速性能的主要手段。雖然PWM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法很多，然而，為了降低產(chǎn)品的制造成本，采用微機(jī)控制軟件實(shí) 現(xiàn)PWM控制具有成本低、調(diào)制方式靈活等特點(diǎn)，比較適合于家用電器產(chǎn)品的要求。本文針對(duì) 洗衣機(jī)電機(jī)的調(diào)速要求，提出了采用直接PWM（DPWM）軟件計(jì)算的方法，并在AVR系列單片機(jī)AT90C8535上實(shí)現(xiàn)，該方法可以很容易地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的恒V/f比調(diào)速，其PWM算法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，是一種較為實(shí)用的方法。

2、 直接PWM技術(shù)的算法

常用PWM技術(shù)的基本原理是利用高頻載波與控制波進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生經(jīng)過(guò)調(diào)制的PWM波。為 滿足逆變電源的需要，減小輸出電壓的諧波含量，載波信號(hào)采用對(duì)稱的三角波實(shí)現(xiàn)PWM 輸出波形的對(duì)稱雙邊調(diào)制，使輸出電壓不含偶次諧波。

用軟件產(chǎn)生PWM波形的算法有很多方法，如：采樣SPWM法、均值PWM法、直接PWM法等，其中SPWM法有三種不同形式：對(duì)稱規(guī)則采樣SPWM、非對(duì)稱規(guī)則采樣SPWM、平均對(duì)稱規(guī)則采樣SPWM，以平均對(duì)稱規(guī)則采樣SPWM的算法簡(jiǎn)單，應(yīng)用較為廣泛。SPWM的主要缺點(diǎn)就是電源電壓利 用率不夠高，即輸出電壓不高。均值PWM法的基本思想是根據(jù)等面積PWM控制方式的原理，選 擇最佳脈沖中心線位置，使得其PWM波形的諧波成分量小，均值PWM法具有微機(jī)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單方便 的優(yōu)點(diǎn)，且對(duì)各次諧波的抑制均有很好的效果。直接PWM法與均值PWM法類似，也是使相同時(shí) 間間隔內(nèi)的PWM波 的面積與調(diào)制波的面積相等，其主要的優(yōu)點(diǎn)是，在調(diào)制比固定時(shí)，控制規(guī) 律正比于調(diào)制深度而反比于輸出頻率，特別使用于電機(jī)的控制，因此本文選擇直接PWM法。

直接PWM法的調(diào)制原理如圖1所示，假定一個(gè)周期內(nèi)PWM波的脈沖數(shù)（即載波比）為2N，將參考 正弦波Umsin ωt的整個(gè)周期T分為2N等份，則每個(gè)區(qū)間的長(zhǎng)度（即載波周期）為T(mén)s=T/2N，在第i個(gè)區(qū)間正弦波的面積為：

設(shè)輸出PWM波的幅值為E，若采用單極性調(diào)制，則第i個(gè)區(qū)間內(nèi)的PWM波形所圍面積為：

若采用雙極性調(diào)制，則第i個(gè)區(qū)間內(nèi)的PWM波形所圍面積為：

式中，Tpi為脈沖的寬度，考慮到有Ts=Tpi+2Tgi，令Sri=Spi，由式（1）和式（2）整理可得：

式中M=Um/E為調(diào)制深度，由式（4）或式（5）可分別計(jì)算出PWM的脈沖換相點(diǎn)公式為 ：

由圖1可知，等面積PWM法生成的PWM波形在T/2處是點(diǎn)對(duì)稱的，因而可推導(dǎo)出：

在上述計(jì)算公式中，式（8）為單極性PWM調(diào)制，式（9）為雙極性調(diào)制。在計(jì)算過(guò)程中，雖然δi的表達(dá)式包含有三角函數(shù)的計(jì)算，但它僅與N有關(guān)，一旦N確定后，可事先將計(jì)算好的δi存入內(nèi)存中，需要時(shí)通過(guò)查表方式獲取即可。從k的表達(dá)式可以看出，k正比于調(diào)制深度而反比于基波頻率ω。這對(duì)于電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，通常使U/f比為常數(shù)來(lái)達(dá)到恒轉(zhuǎn)矩 控制，即只需使k值為一個(gè)常數(shù)即可。

3 、單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PWM技術(shù)的設(shè)計(jì)

采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PWM，為了保證能夠滿足變流電路的控制性能要求，設(shè)計(jì)時(shí)必須處理好以下 幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題。

3.1 載波比

采用微機(jī)生成PWM波時(shí)，必須事先確定好載波比N（或2N）。如果輸出頻率的變化范圍較大，那 么在整個(gè)頻率范圍內(nèi)采用同一個(gè)載波比的同步調(diào)制方案，難以兼顧高頻和低頻輸出時(shí)的性能。較大的載波比往往會(huì)造成高頻時(shí)PWM開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗增加，而較小的載波比又會(huì)造成低頻時(shí)PWM波過(guò)于稀疏，使電流脈動(dòng)增大、諧波分量增加等缺點(diǎn)。因此 采用分段同步調(diào)制是較合理的方法，即在不同的頻率段選擇不同的載波比，使變頻器在整個(gè)頻率變化范圍內(nèi)，都有一個(gè)較為合理的PWM開(kāi)關(guān)頻率，以獲得較好的控制性能。然而載波比的選擇和切換時(shí)必須注意兩點(diǎn)：

（1）切換時(shí)不出現(xiàn)電壓的突變。

（2）在各切換臨界點(diǎn)處需設(shè)置一個(gè)滯環(huán)區(qū)，以避免輸出頻率落在臨界切換點(diǎn)附近時(shí)造成載波 頻率反復(fù)變化而引起的振蕩現(xiàn)象。

3.2 PWM波的開(kāi)關(guān)頻率極限

由于PWM波是通過(guò)單片機(jī)CPU實(shí)時(shí)計(jì)算的，因此所選擇PWM算法的數(shù)據(jù)處理量大小以及CPU的處 理速度是影響輸出PWM波開(kāi)關(guān)頻率極限的主要因素。設(shè)計(jì)時(shí)必須保證單片機(jī)能輸出的PWM波的最高開(kāi)關(guān)頻率滿足逆變器要求，當(dāng)然對(duì)逆變器的最低工作頻率要求是很容易滿足的。

3.3 PWM波的輸出頻率和調(diào)制深度指令

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，由于逆變器的輸出頻率是可調(diào)的，因而要求PWM算法的輸出頻率和調(diào)制 深度都能根據(jù)實(shí)際需要變化以適應(yīng)電機(jī)恒V/f比或恒功率控制的要求。一般，逆變器的輸出頻率指令可通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換輸入到單片機(jī)中，調(diào)制深度M可以用軟件計(jì)算完成，也可采取類似的方法讀入CPU。

3.4 橋臂互鎖及死區(qū)時(shí)間

為了保證逆變器同一橋臂上下兩管同時(shí)導(dǎo)通而引起的短路，兩驅(qū)動(dòng)信號(hào)間必須留有一定的死 區(qū)時(shí)間，以防止一管還未完全關(guān)斷時(shí)另一管便開(kāi)始導(dǎo)通的短路故障。此要求可以在單片機(jī)PWM波的計(jì)算程序中加以考慮。然而這樣做往往會(huì)增加單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理工作量，而且僅靠軟件實(shí)現(xiàn)上下橋臂開(kāi)關(guān)管的互鎖和死區(qū)延遲也不可靠，因此，為保證電路的安全性，建議最好在硬件電路設(shè)計(jì)上充分考慮并實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)要求。

3.5 初始狀態(tài)及故障封鎖

任何一款型號(hào)的CPU，工作前總存在復(fù)位狀態(tài)，此時(shí)CPU各I/O輸出口全“1”或全“0”，設(shè) 計(jì)時(shí)應(yīng)避免在此復(fù)位狀態(tài)時(shí)造成所有開(kāi)關(guān)管都被驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通的危險(xiǎn)，因此應(yīng)將CPU復(fù)位時(shí)的初 始電平值設(shè)置成開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)無(wú)效狀態(tài)。此外，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，也可以通過(guò)輸出故障封鎖信號(hào)來(lái)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

4、PWM波的單片機(jī)控制

在本文分析的洗衣機(jī)電機(jī)控制中，逆變器的輸出頻率由給定電位器調(diào)節(jié)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入至 單片機(jī)，由單片機(jī)根據(jù)給定輸出頻率的大小計(jì)算逆變器電壓，以適應(yīng)變頻調(diào)速的恒V/f 比控制要求。控制芯片采用AT90S8535單片機(jī)。

AT90S8535是40腳封裝的RISC結(jié)構(gòu)低功耗CMOS 8位單片機(jī)，具有8K字節(jié)的Flash，512字節(jié)的EE PROM，512字節(jié)RAM，32個(gè)多功能的I/O口，3個(gè)內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器，8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，2個(gè)外部中斷源，可編程的串行通訊，可編程的看門(mén)狗定時(shí)器等資源，適合于許多要求集成度高、成本低的應(yīng)用場(chǎng)合，其引腳配置如圖2所示。

設(shè)逆變器輸出壓頻變化關(guān)系曲線是已知的，當(dāng)逆變器的輸出頻率確定后，PWM控制的載波比 和調(diào)制深度指令也隨之確定。單片機(jī)的資源分配為：39腳的PA1作為A/D采樣輸入口，采樣輸出頻率；PC0～PC3作為PWM輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，設(shè)置為輸出口；17腳的INT1外部中斷作為電路 故障信號(hào)（如過(guò)流、過(guò)壓、短路等）的輸入腳，同時(shí)該腳也作為“解除閉鎖”控制位的輸入腳，其作用在于：當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，由外部中斷輸入引腳的信號(hào)變化向CPU提出中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)中斷，在執(zhí)行中斷服務(wù)程序中輸出PWM封鎖信號(hào)并實(shí)現(xiàn)閉鎖，直到解除閉鎖控制位有效時(shí)，才撤銷(xiāo)PWM封鎖信號(hào)，使PWM波能夠正常輸出。由于AT90S8535芯片的復(fù)位時(shí)端口的初始狀態(tài)是“高”，因此封鎖信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)均設(shè)置成“低”電平為無(wú)效狀態(tài)，此時(shí)端口輸出信號(hào)使所有功率開(kāi)關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)。PWM波的載波周期由片內(nèi)T0定時(shí)器來(lái)完成，PWM波換相所需的時(shí)間由片內(nèi)T1定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用AT90S8535單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的單相PWM波形發(fā)生器的硬件連接關(guān)系如圖3所示。

5 、單片機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)

按上述算法分析，軟件只計(jì)算PWM波的切換時(shí)間，在CPU中由定時(shí)中斷服務(wù)程序完成PWM脈沖 波的換相。其具體過(guò)程：PWM的載波周期Ts由載波周期定時(shí)器定時(shí)，當(dāng)定時(shí)到時(shí)，向C PU發(fā)出中斷申請(qǐng)，CPU響應(yīng)中斷并執(zhí)行中斷服務(wù)程序，此中斷服務(wù)程序的主要任務(wù)是將保存 在內(nèi)存中的PWM開(kāi)關(guān)定時(shí)數(shù)據(jù)（在上一個(gè)載波周期計(jì)算出來(lái)的PWM換相定時(shí)時(shí)間）送PWM波定時(shí)器，并啟動(dòng)此定時(shí)器工作，然后再計(jì)算下一個(gè)載波周期的PWM數(shù)據(jù)并保存。

PWM波定時(shí)器根據(jù)載波周期定時(shí)中斷服務(wù)程序送來(lái)的開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)控制，在中斷服務(wù)程 序中完成對(duì)PWM的換相并輸出至端口。

主程序的主要任務(wù)是，對(duì)逆變器輸出頻率指令f的采樣或計(jì)算，并計(jì)算與頻率指令對(duì)應(yīng)的調(diào) 制深度指令、載波比、載波周期定時(shí)常數(shù)等，為載波周期定時(shí)中斷服務(wù)程序的計(jì)算提供實(shí)時(shí)指令。然而在變頻切換時(shí)，由于電壓跟隨頻率的變化而改變，變頻瞬間容易產(chǎn)生電流沖擊。通常解決辦法是在基波電壓過(guò)零時(shí)（即0°、180°），變頻瞬間無(wú)電流沖擊，但該方法會(huì)造成頻 率變化響應(yīng)過(guò)程較慢，特別是低頻時(shí)響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。因此最好能設(shè)計(jì)成在任何一個(gè)載波周期結(jié)束時(shí)刻都可以進(jìn)行頻率切換，為防止電流沖擊的產(chǎn)生，此時(shí)應(yīng)使頻率切換前后的基波電壓不僅與頻率和相位有關(guān)，還和調(diào)制比有關(guān)，使得計(jì)算頻率變化前后基波電壓相等的條件相當(dāng)費(fèi)時(shí)，因此在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，一般按相位相等的原則進(jìn)行頻率切換。即在新舊頻率切換時(shí)，根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)器所表示的相位關(guān)系進(jìn)行等相位切換。假定舊頻率時(shí)的載波比為N1，頻率變化的切換時(shí)刻計(jì)數(shù)器值為P1，新頻率時(shí)載波比為N2，切換時(shí)新頻率計(jì)數(shù)器的值P2應(yīng)為：

求出P2后再進(jìn)行切換。

實(shí)現(xiàn)PWM算法的整個(gè)控制程序流程如圖4所示。

6 、實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

按照上述設(shè)計(jì)方法，研制了單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，其輸出波形如圖5所 示。實(shí)驗(yàn)證明，該方法簡(jiǎn)單可行，控制性能良好，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

此外，三相PWM發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法與單相也是相似的，不同之處在于三相PWM發(fā)生器需要3個(gè) PWM波換相定時(shí)器，再加上載波周期定時(shí)器，共需4個(gè)定時(shí)器。至于三相PWM發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)，其基本的設(shè)計(jì)方法與單相的是相同的，這里不再討論。

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