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摘  要： 介紹了日本三菱公司最新推出的單片微處理器M37906和智能功率模塊PS21245在變頻調(diào)速中的應(yīng)用,并結(jié)合不對稱規(guī)則采樣脈寬調(diào)制(PWM)法，給出了變頻器設(shè)計的基本方法。 

關(guān)鍵詞: M37906  脈寬調(diào)制  智能功率模塊  規(guī)則采樣

     隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展,變頻調(diào)速技術(shù)也在日新月異地進步。智能微控制器的不斷完善和智能功率模塊(IPM)的更新?lián)Q代更加促進了變頻調(diào)速技術(shù)的進步。近十多年來,以半導(dǎo)體功率器件為基礎(chǔ)的PWM變頻脈寬調(diào)速技術(shù)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如何在普通環(huán)境中應(yīng)用最新的電子技術(shù)成果,通過優(yōu)化PWM算法提高控制性能,一直是技術(shù)人員的不懈追求。 

    本文介紹三菱公司最近推出的一種16位專用變頻調(diào)速微處理器M37906及三菱公司第四代智能功率模塊DIP-IPM的性能特點,并結(jié)合不對稱規(guī)則采樣PWM算法,對微處理器M37906和智能功率模塊PS21245組成的變頻器的軟硬件進行說明。 

1 M37906微處理器 

1.1 M37906微處理器的功能和特點 

    M37906 微處理器采用高性能硅柵CMOS工藝,具有42腳塑料表面粘貼(SSOP)和42腳塑料窄腳雙列直插(SDIP)兩種封裝形式,提供 FLASH芯片和掩膜ROM芯片兩種供貨方式,其基本特點如下: 

    基本指令           203條 

    指令執(zhí)行時間       50ns (系統(tǒng)時鐘20MHz) 

    存儲器容量 

        片內(nèi)ROM        32K byte 

        片內(nèi)RAM        1024 byte 

    可編程輸入/輸出口   30 

                  (P1，P2，P5，P6，P7) 

    串行通行口          2路 

    多功能定時器   

        TA0～TA9       10路16位              

        TB0～TB2       3路16位 

    看門狗定時器       1路12位

    中斷源             23  

        外部中斷(INT3、INT4、INT5、INT6、INT7) 

        內(nèi)部中斷(TA0～TA9)(TB0～TB2) 

                (UART0、UART1、A/D) 

        中斷優(yōu)先級     7 

    A/D轉(zhuǎn)換             5路10位               

    D/A轉(zhuǎn)換             2路 8位 

    供電電源            5V±0.5V 

    工作環(huán)境            -20℃～85℃ 

    功耗                255mW(20MHz) 

1.2 M37906單片微處理器^[2] 

    M37906單片微處理器是M7900系列16位單片機中專為三相電機驅(qū)動而設(shè)計的微處理芯片,特別適合于三相直流無刷電機的控制,結(jié)構(gòu)封裝如圖1所示。其所有的I/O口除了具有雙向輸入/輸出功能外還具有其它復(fù)合功能。其中DA0和DA1為D/A轉(zhuǎn)換口,可用于系統(tǒng)模擬量的輸出;AN0～AN4是A/D轉(zhuǎn)換接口,可用于模擬量的采集;W_N、V_N、U_N和W、V、U是產(chǎn)生三相PWM控制信號的接口,可用于對三相電機的驅(qū)動;IDU、IDV、IDW為三相位置檢測口,用于三相無刷電機控制中對轉(zhuǎn)子位置的實時檢測;其余的定時器輸入、定時器輸出、串行通信接口等與普通單片機基本相同。下面著重介紹M37906處理器中三相PWM波形的生成和與此相關(guān)的定時器的工作方式。 

    M37906處理器內(nèi)部具有TA0～TA9和TB0～TB2共十三個16位的多功能定時器。定時器之間相互獨立,每個定時器都可以選擇其獨立的工作方式。定時器TA0～TA9有四種工作方式: 

    定時工作方式:定時器對內(nèi)部計數(shù)源計數(shù)。有普通、帶門控功能、帶脈沖輸出三種方式。 

    事件計數(shù)方式:定時器對一個外部脈沖計數(shù),可對單相或兩相外部信號計數(shù)。 

    單次脈沖方式:定時器輸出一個給定寬度的脈沖信號,該方式只觸發(fā)一次,觸發(fā)后停止記數(shù)。 

    脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式:定時器輸出給定寬度的連續(xù)脈沖。 

    定時器TB0～TB2有三種工作方式: 

    定時工作方式:定時器對內(nèi)部計數(shù)源計數(shù)。工作情況與定時器TA相同。 

    事件計數(shù)方式:定時器對一個外部脈沖計數(shù),只能對單相外部脈沖信號計數(shù)。 

    脈沖周期/脈沖寬度測量方式:定時器測量外部脈沖的周期或?qū)挾取?nbsp;

    聯(lián)合使用定時器TA0～TA3和定時器TB0可以產(chǎn)生驅(qū)動三相馬達的電壓波形。M37906內(nèi)部集成的三相馬達驅(qū)動的工作方式稱為三相波模式,用于實現(xiàn)三相波形的輸出。三相正相波形(U相、V相、W相)和三相負相波形(U_N相、V_N相、W_N相),分別從P6₅、P6₄、P6₃、P6₂、P6₁和P6₀輸出,P6OUTcut/INT4作為智能模塊的故障檢測口。定時器TA3按定時方式工作,用于控制載波周期;定時器TA0～TA2按單次脈沖方式工作分別控制各輸出相。其中定時器TA0控制W和W_N相,定時器TA1控制V和V_N相,定時器TA2控制U和U_N相。 

    定時器TA3用于控制三角調(diào)制波或鋸齒波的周期。當(dāng)定時器TA3記數(shù)器向下溢出時,產(chǎn)生中斷請求,發(fā)出一個短脈沖使定時器TA0～TA2開始記數(shù);同時三相輸出極性設(shè)置寄存器(00A8H)的相應(yīng)位分別觸發(fā)各自對應(yīng)的輸出極性設(shè)置翻轉(zhuǎn)觸發(fā)(toggle flip-flop)器,設(shè)置其輸出的極性,觸發(fā)器的內(nèi)容在定時器TA0～TA2觸發(fā)時反向;定時器TA0～TA2在觸發(fā)極性設(shè)置翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器的同時也觸發(fā)死區(qū)時間定時器使之開始工作。此時正相和負相輸出波形并不能馬上從高電平轉(zhuǎn)到低電平,只有死區(qū)時間定時器溢出后,所發(fā)出的反向觸發(fā)信號才使輸出從高電平轉(zhuǎn)到低電平。 

    在輸出波形時,設(shè)置死區(qū)時間的目的是防止正向波形(U相、V相、W相)輸出低電平和負相波形(U_N相、V_N相、W_N相)輸出低電平時互相重疊,因為正相和負相同時為低電平時會造成驅(qū)動電路短路。M37906內(nèi)部提供了3個以單次脈沖方式工作的八位定時器完成對死區(qū)時間的控制。它們共用一個設(shè)定死區(qū)時間的重加載寄存器,在設(shè)定死區(qū)時間寄存<