「PWM」用于单相电机调速的单片PWM控制技术

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1小序

跟着家用电器产品变频技巧的成长,单相电机的变频调速已成为一种可行的措施,在这种调 速系统中,脉宽调制(PWM)技巧仍旧是前进调速机能的主要手段。虽然PWM技巧的实现措施很多,然而,为了低落产品的制造资源,采纳微机节制软件实 现PWM节制具有资源低、调制要领机动等特征,对照得当于家用电器产品的要求。本文针对 洗衣机电机的调速要求,提出了采纳直接PWM(DPWM)软件谋略的措施,并在AVR系列单片机AT 90C8535上实现,该措施可以很轻易地实现电机的恒V/f比调速,其PWM算法简单,易于实现,是一种较为实用的措施。

2 直接PWM技巧的算法

常用PWM技巧的基滥觞基本理是使用高频载波与节制波进行对照,从而孕育发生颠末调制的PWM波。为 满意逆变电源的必要,减小输出电压的谐波含量,载波旌旗灯号采纳对称的三角波实现PWM 输出波形的对称双边调制,使输出电压不含偶次谐波。

用软件孕育发生PWM波形的算法有很多措施,如:采样SPWM法、均值PWM法、直接PWM法等,此中SPWM法有三种不合形式:对称规则采样SPWM、非对称规则采样SPWM、匀称对称规则采样SPWM,以匀称对称规则采样SPWM的算法简单,利用较为广泛。SPWM的主要毛病便是电源电压利 用率不敷高,即输出电压不高。均值PWM法的基础思惟是根据等面积PWM节制要领的道理,选 择最佳脉冲中间线位置,使得其PWM波形的谐波因素量小,均值PWM法具有微机实现简单方便 的优点,且对各次谐波的抑制均有很好的效果。直接PWM法与均值PWM法类似,也是使相同时 间距离内的PWM波 的面积与调制波的面积相等,其主要的优点是,在调制比固准时,节制规 律正比于调制深度而反比于输出频率,分外应用于电机的节制,是以本文选择直接PWM法。

直接PWM法的调制道理如图1所示,假定一个周期内PWM波的脉冲数(即载波比)为2N,将参考 正弦波Umsin ωt的全部周期T分为2N等份,则每个区间的长度(即载波周期)为Ts=T/2N,在第i个区间正弦波的面积为:

「PWM」用于单相电机调速的单片PWM节制技巧

设输出PWM波的幅值为E,若采纳单极性调制,则第i个区间内的PWM波形所围面积为:

若采纳双极性调制,则第i个区间内的PWM波形所围面积为:

式中,Tpi为脉冲的宽度,斟酌到有Ts=Tpi+2Tgi,令Sri=Spi,由式(1)和式(2)收拾可得:

「PWM」用于单相电机调速的单片PWM节制技巧

式中M=Um/E为调制深度,由式(4)或式(5)可分手谋略出PWM的脉冲换相点公式为 :

「PWM」用于单相电机调速的单片PWM节制技巧

由图1可知,等面积PWM法天生的PWM波形在T/2处是点对称的,因而可推导出:

在上述谋略公式中,式(8)为单极性PWM调制,式(9)为双极性调制。在谋略历程中,虽然δi的表达式包孕有三角函数的谋略,但它仅与N有关,一旦N确定后,可事先将谋略好的δi存入内存中,必要时经由过程查表要领获取即可。从k的表达式可以看出,k正比于调制深度而反比于基波频率ω。这对付电机的变频调速系统,平日使U/f比为常数来达到恒转矩 节制,即只需使k值为一个常数即可。

3 单片机实现PWM技巧的设计

采纳单片机实现PWM,为了包管能够满意变流电路的节制机能要求,设计时必须处置惩罚好以下 几个技巧问题。

3.1 载波比

采纳微机天生PWM波时,必须事先确定好载波比N(或2N)。假如输出频率的变更范围较大年夜,那 么在全部频率范围内采纳同一个载波比的同步调制规划,难以兼顾高频和低频输出时的机能。较大年夜的载波比每每会造成高频时PWM开关频率过高,导致开关器件的开关损耗增添,而较小的载波比又会造成低频时PWM波过于稀疏,使电流脉动增大年夜、谐波分量增添等毛病。是以 采纳分段同步调制是较合理的措施,即在不合的频率段选择不合的载波比,使变频器在全部频率变更范围内,都有一个较为合理的PWM开关频率,以得到较好的节制机能。然而载波比的选择和切换时必须留意两点:

(1)切换时不呈现电压的突变。

(2)在各切换临界点处需设置一个滞环区,以避免输出频率落在临界切换点相近时造成载波 频率反复变更而引起的振荡征象。

3.2 PWM波的开关频率极限

因为PWM波是经由过程单片机CPU实时谋略的,是以所选择PWM算法的数据处置惩罚量大年夜小以及CPU的处 理速率是影响输出PWM波开关频率极限的主要身分。设计时必须包管单片性能输出的PWM波的最高开关频率满意逆变器要求,当然对逆变器的最低事情频率要求是很轻易满意的。

3.3 PWM波的输出频率和调制深度指令

在变频调速系统中,因为逆变器的输出频率是可调的,因而要求PWM算法的输出频率和调制 深度都能根据实际必要变更以适应电机恒V/f比或恒功率节制的要求。一样平常,逆变器的输出频率指令可经由过程A/D转换输入到单片机中,调制深度M可以用软件谋略完成,也可采取类似的措施读入CPU。

3.4 桥臂互锁及逝世区光阴

为了包管逆变器同一桥臂高低两管同时导通而引起的短路,两驱动旌旗灯号间必须留有必然的逝世 区光阴,以防止一管还未完全关断时另一管便开始导通的短路故障。此要求可以在单片机PWM波的谋略法度榜样中加以斟酌。然而这样做每每会增添单片机的数据处置惩罚事情量,而且仅靠软件实现高低桥臂开关管的互锁和逝世区延迟也弗成靠,是以,为包管电路的安然性,建议最好在硬件电路设计上充分斟酌并实现此项要求。

3.5 初始状态及故障封锁

任何一款型号的CPU,事情前总存在复位状态,此时CPU各I/O输出口全“1”或全“0”,设 计时应避免在此复位状态时造成所有开关管都被驱动导通的危险,是以应将CPU复位时的初 始电平值设置成开关管驱动旌旗灯号无效状态。此外,当发生故障时,也可以经由过程输出故障封锁旌旗灯号来关闭驱动旌旗灯号。

4 PWM波的单片机节制

在本文阐发的洗衣机电机节制中,逆变器的输出频率由给定电位器调节,经A/D转换输入至 单片机,由单片机根据给定输出频率的大年夜小谋略逆变器电压,以适应变频调速的恒V/f 比节制要求。节制芯片采纳AT90S8535单片机。

AT90S8535是40脚封装的RISC布局低功耗CMOS 8位单片机,具有8K字节的Flash,512字节的EE PROM,512字节RAM,32个多功能的I/O口,3个内部准时/计数器,8通道10位A/D转换器,2个外部中断源,可编程的串行通讯,可编程的看门狗准时器等资本,得当于许多要求集成度高、资源低的利用处合,其引脚设置设置设备摆设摆设如图2所示。

「PWM」用于单相电机调速的单片PWM节制技巧

设逆变器输出压频变更关系曲线是已知的,当逆变器的输出频率确定后,PWM节制的载波比 和调制深度指令也随之确定。单片机的资本分配为:39脚的PA1作为A/D采样输进口,采样输出频率;PC0~PC3作为PWM输出的驱动旌旗灯号,设置为输出口;17脚的INT1外部中断作为电路 故障旌旗灯号(如过流、过压、短路等)的输入脚,同时该脚也作为“解除闭锁”节制位的输入脚,其感化在于:当故障发生时,由外部中断输入引脚的旌旗灯号变更向CPU提出中断哀求,CPU相应中断,在履行中断办事法度榜样中输出PWM封锁旌旗灯号并实现闭锁,直到解除闭锁节制位有效时,才撤销PWM封锁旌旗灯号,使PWM波能够正常输出。因为AT90S8535芯片的复位时端口的初始状态是“高”,是以封锁旌旗灯号和驱动旌旗灯号均设置成“低”电平为无效状态,此时端口输出旌旗灯号使所有功率开关管处于关断状态。PWM波的载波周期由片内T0准时器来完成,PWM波换相所需的光阴由片内T1准时器来实现。采纳AT90S8535单片机实现的单相PWM波形发生器的硬件连接关系如图3所示。

「PWM」用于单相电机调速的单片PWM节制技巧

5 单片机节制软件设计

按上述算法阐发,软件只谋略PWM波的切换光阴,在CPU中由准时中断办事法度榜样完成PWM脉冲 波的换相。其详细历程:PWM的载波周期Ts由载波周期准时器准时,当准时到时,向C PU发出中断申请,CPU相应中断并履行中断办事法度榜样,个中断办事法度榜样的主要义务是将保存 在内存中的PWM开关准时数据(在上一个载波周期谋略出来的PWM换相准韶光阴)送PWM波准时器,并启动此准时器事情,然后再谋略下一个载波周期的PWM数据并保存。

PWM波准时器根据载波周期准时中断办事法度榜样送来的开关数据进行准时节制,在中断办事程 序中完成对PWM的换相并输出至端口。

主法度榜样的主要义务是,对逆变器输出频率指令f的采样或谋略,并谋略与频率指令对应的调 制深度指令、载波比、载波周期准时常数等,为载波周期准时中断办事法度榜样的谋略供给实时指令。然而在变频切换时,因为电压跟随频率的变更而改变,变频瞬间轻易孕育发生电流冲击。平日办理法子是在基波电压过零时(即0°、180°),变频瞬间无电流冲击,但该措施会造成频 率变更相应历程较慢,分外是低频时相应光阴过长。是以最好能设计成在任何一个载波周期停止时候都可以进行频率切换,为防止电流冲击的孕育发生,此时应使频率切换前后的基波电压不仅与频率和相位有关,还和调制比有关,使得谋略频率变更前后基波电压相等的前提相称费时,是以在实现历程中,一样平常按相位相等的原则进行频率切换。即在新旧频率切换时,根据脉冲计数器所表示的相位关系进行等相位切换。假定旧频率时的载波比为N1,频率变更的切换时候计数器值为P1,新频率时载波比为N2,切换时新频率计数器的值P2应为:

求出P2后再进行切换。

实现PWM算法的全部节制法度榜样流程如图4所示。

「PWM」用于单相电机调速的单片PWM节制技巧

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6 实验与结论

按照上述设计措施,研制了单片机节制系统的软硬件,并进行了实验,其输出波形如图5所 示。实验证实,该措施简单可行,节制机能优越,具有必然的实用代价。

此外,三相PWM发生器的实现措施与单相也是相似的,不合之处在于三相PWM发生器必要3个 PWM波换相准时器,再加上载波周期准时器,共需4个准时器。至于三相PWM发生器的软件设计,其基础的设计措施与单相的是相同的,这里不再评论争论。

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