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在變頻調速中的應用,并結合不對稱規則采樣脈寬調制(PWM)法，給出了變頻器設計的基本方法。
關鍵詞: M37906 脈寬調制 智能功率模塊 規則采樣
隨著電力電子技術和微電子技術的飛速發展,變頻調速技術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)的更新換代更加促進了變頻調速技術的進步。近十多年來,以半導體功率器件為基礎的PWM變頻脈寬調速技術在各個領域得到了廣泛的應用。如何在普通環境中應用最新的電子技術成果,通過優化PWM算法提高控制性能,一直是技術人員的不懈追求。
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,并結合不對稱規則采樣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
指令執行時間 50ns (系統時鐘20MHz)
存儲器容量
片內ROM 32K byte
片內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)
內部中斷(TA0～TA9)(TB0～TB2)
(UART0、UART1、A/D)
中斷優先級 7
A/D轉換 5路10位
D/A轉換 2路 8位
供電電源 5V±0.5V
工作環境 -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動而設計的微處理芯片,特別適合于三相直流無刷電機的控制,結構封裝如圖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合功能。其中DA0和DA1為D/A轉換口,可用于系統模擬量的輸出;AN0～AN4是A/D轉換接口,可用于模擬量的采集;WN、VN、UN和W、V、U是產生三相PWM控制信號的接口,可用于對三相電機的驅動;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的定時器的工作方式。
M37906處理器內部具有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:定時器對內部計數源計數。有普通、帶門控功能、帶脈沖輸出三種方式。
事件計數方式:定時器對一個外部脈沖計數,可對單相或兩相外部信號計數。
單次脈沖方式:定時器輸出一個給定寬度的脈沖信號,該方式只觸發一次,觸發后停止記數。
脈沖寬度調制(PWM)方式:定時器輸出給定寬度的連續脈沖。
定時器TB0～TB2有三種工作方式:
定時工作方式:定時器對內部計數源計數。工作情況與定時器TA相同。
事件計數方式:定時器對一個外部脈沖計數,只能對單相外部脈沖信號計數。
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寬度。
聯合使用定時器TA0～TA3和定時器TB0可以產生驅動三相馬達的電壓波形。M37906內部集成的三相馬達驅動的工作方式稱為三相波模式,用于實現三相波形的輸出。三相正相波形(U相、V相、W相)和三相負相波形(UN相、VN相、WN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WN相,定時器TA1控制V和VN相,定時器TA2控制U和UN相。
定時器TA3用于控制三角調制波或鋸齒波的周期。當定時器TA3記數器向下溢出時,產生中斷請求,發出一個短脈沖使定時器TA0～TA2開始記數;同時三相輸出極性設置寄存器(00A8H)的相應位分別觸發各自對應的輸出極性設置翻轉觸發(toggle flip-flop)器,設置其輸出的極性,觸發器的內容在定時器TA0～TA2觸發時反向;定時器TA0～TA2在觸發極性設置翻轉觸發器的同時也觸發死區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到低電平,只有死區時間定時器溢出后,所發出的反向觸發信號才使輸出從高電平轉到低電平。
在輸出波形時,設置死區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(UN相、VN相、WN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動電路短路。M37906內部提供了3個以單次脈沖方式工作的八位定時器完成對死區時間的控制。它們共用一個設定死區時間的重加載寄存器,在設定死區時間寄存<
