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［1，2，3］。雖然PWM技術(shù)的實現(xiàn)方法很多［4］，然而，為了降低產(chǎn)品的制造成本，采用微機控制軟件實 現(xiàn)PWM控制具有成本低、調(diào)制方式靈活等特點，比較適合于家用電器產(chǎn)品的要求。本文針對 洗衣機電機的調(diào)速要求，提出了采用直接PWM(DPWM)軟件計算的方法，并在AVR系列單片機AT 90C8535上實現(xiàn)，該方法可以很容易地實現(xiàn)電機的恒V/f比調(diào)速，其PWM算法簡單，易于實現(xiàn)，是一種較為實用的方法。
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，載波信號采用對稱的三角波實現(xiàn)PWM 輸出波形的對稱雙邊調(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：對稱規(guī)則采樣SPWM、非對稱規(guī)則采樣SPWM、平均對稱規(guī)則采樣SPWM，以平均對稱規(guī)則采樣SPWM的算法簡單，應(yīng)用較為廣泛。SPWM的主要缺點就是電源電壓利 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法具有微機實現(xiàn)簡單方便 的優(yōu)點，且對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 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)點是，在調(diào)制比固定時，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的整個周期T分為2N等份，則每個區(qū)間的長度(即載波周期)為Ts=T/2N，在第i個區(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)可分別計算出PWM的脈沖換相點公式為 ：
由圖1可知，等面積PWM法生成的PWM波形在T/2處是點對稱的，因而可推導(dǎo)出：
在上述計算公式中，式(8)為單極性PWM調(diào)制，式(9)為雙極性調(diào)制。在計算過程中，雖然δi的表達(dá)式包含有三角函數(shù)的計算，但它僅與N有關(guān)，一旦N確定后，可事先將計算好的δi存入內(nèi)存中，需要時通過查表方式獲取即可。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。這對于電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)，通常使U/f比為常數(shù)來達(dá)到恒轉(zhuǎn)矩 控制，即只需使k值為一個常數(shù)即可。
3 單片機實現(xiàn)PWM技術(shù)的設(shè)計
采用單片機實現(xiàn)PWM，為了保證能夠滿足變流電路的控制性能要求，設(shè)計時必須處理好以下 幾個技術(shù)問題。
3.1 載波比
采用微機生成PWM波時，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 么在整個頻率范圍內(nèi)采用同一個載波比的同步調(diào)制方案，難以兼顧高頻和低頻輸出時的性能。較大的載波比往往會造成高頻時PWM開關(guān)頻率過高，導(dǎo)致開關(guān)器件的開關(guān)損耗增加，而較小的載波比又會造成低頻時PWM波過于稀疏，使電流脈動增大、諧波分量增加等缺點。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，使變頻器在整個頻率變化范圍內(nèi)，都有一個較為合理的PWM開關(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必須注意兩點：
(1)切換時不出現(xiàn)電壓的突變。
(2)在各切換臨界點處需設(shè)置一個滯環(huán)區(qū)，以避免輸出頻率落在臨界切換點附近時造成載波 頻率反復(fù)變化而引起的振蕩現(xiàn)象。
3.2 PWM波的開關(guān)頻率極限
由于PWM波是通過單片機CPU實時計算的，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波開關(guān)頻率極限的主要因素。設(shè)計時必須保證單片機能輸出的PWM波的最高開關(guān)頻率滿足逆變器要求，當(dāng)然對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)實際需要變化以適應(yīng)電機恒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A/D轉(zhuǎn)換輸入到單片機中，調(diào)制深度M可以用軟件計算完成，也可采取類似的方法讀入CPU。
3.4 橋臂互鎖及死區(qū)時間
為了保證逆變器同一橋臂上下兩管同時導(dǎo)通而引起的短路，兩驅(qū)動信號間必須留有一定的死 區(qū)時間，以防止一管還未完全關(guān)斷時另一管便開始導(dǎo)通的短路故障。此要求可以在單片機PWM波的計算程序中加以考慮。然而這樣做往往會增加單片機的數(shù)據(jù)處理工作量，而且僅靠軟件實現(xiàn)上下橋臂開關(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)計上充分考慮并實現(xiàn)此項要求。
3.5 初始狀態(tài)及故障封鎖
任何一款型號的CPU，工作前總存在復(fù)位狀態(tài)，此時CPU各I/O輸出口全“1”或全“0”，設(shè) 計時應(yīng)避免在此復(fù)位狀態(tài)時造成所有開關(guān)管都被驅(qū)動導(dǎo)通的危險，因此應(yīng)將CPU復(fù)位時的初 始電平值設(shè)置成開關(guān)管驅(qū)動信號無效狀態(tài)。此外，當(dāng)發(fā)生故障時，也可以通過輸出故障封鎖信號來關(guān)閉驅(qū)動信號。
4 PWM波的單片機控制
在本文分析的洗衣機電機控制中，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，由單片機根據(jù)給定輸出頻率的大小計算逆變器電壓，以適應(yīng)變頻調(diào)速的恒V/f 比控制要求?？刂菩酒捎肁T90S8535單片機。
AT90S8535是40腳封裝的RISC結(jié)構(gòu)低功耗CMOS 8位單片機，具有8K字節(jié)的Flash,512字節(jié)的EE PROM，512字節(jié)RAM，32個多功能的I/O口，3個內(nèi)部定時/計數(shù)器，8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，2個外部中斷源，可編程的串行通訊，可編程的看門狗定時器等資源，適合于許多要求集成度高、成本低的應(yīng)用場合，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)動信號，設(shè)置為輸出口；17腳的INT1外部中斷作為電路 故障信號(如過流、過壓、短路等)的輸入腳，同時該腳也作為“解除閉鎖”控制位的輸入腳，其作用在于：當(dāng)故障發(fā)生時，由外部中斷輸入引腳的信號變化向CPU提出中斷請求，CPU響應(yīng)中斷，在執(zhí)行中斷服務(wù)程序中輸出PWM封鎖信號并實現(xiàn)閉鎖，直到解除閉鎖控制位有效時，才撤銷PWM封鎖信號，使PWM波能夠正常輸出。由于AT90S8535芯片的復(fù)位時端口的初始狀態(tài)是“高”，因此封鎖信號和驅(qū)動信號均設(shè)置成“低”電平為無效狀態(tài)，此時端口輸出信號使所有功率開關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)。PWM波的載波周期由片內(nèi)T0定時器來完成，PWM波換相所需的時間由片內(nèi)T1定時器來實現(xiàn)。采用AT90S8535單片機實現(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 單片機控制軟件設(shè)計
按上述算法分析，軟件只計算PWM波的切換時間，在CPU中由定時中斷服務(wù)程序完成PWM脈沖 波的換相。其具體過程：PWM的載波周期Ts由載波周期定時器定時，當(dāng)定時到時，向C PU發(fā)出中斷申請，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開關(guān)定時數(shù)據(jù)(在上一個載波周期計算出來的PWM換相定時時間)送PWM波定時器，并啟動此定時器工作，然后再計算下一個載波周期的PWM數(shù)據(jù)并保存。
PWM波定時器根據(jù)載波周期定時中斷服務(wù)程序送來的開關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行定時控制，在中斷服務(wù)程 序中完成對PWM的換相并輸出至端口。
主程序的主要任務(wù)是，對逆變器輸出頻率指令f的采樣或計算，并計算與頻率指令對應(yīng)的調(diào) 制深度指令、載波比、載波周期定時常數(shù)等，為載波周期定時中斷服務(wù)程序的計算提供實時指令。然而在變頻切換時，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零時(即0°、180°)，變頻瞬間無電流沖擊，但該方法會造成頻 率變化響應(yīng)過程較慢，特別是低頻時響應(yīng)時間過長。因此最好能設(shè)計成在任何一個載波周期結(jié)束時刻都可以進(jìn)行頻率切換，為防止電流沖擊的產(chǎn)生，此時應(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)，使得計算頻率變化前后基波電壓相等的條件相當(dāng)費時，因此在實現(xiàn)過程中，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，根據(jù)脈沖計數(shù)器所表示的相位關(guān)系進(jìn)行等相位切換。假定舊頻率時的載波比為N1，頻率變化的切換時刻計數(shù)器值為P1，新頻率時載波比為N2，切換時新頻率計數(shù)器的值P2應(yīng)為：
求出P2后再進(jìn)行切換。
實現(xiàn)PWM算法的整個控制程序流程如圖4所示。
6 實驗與結(jié)論
按照上述設(shè)計方法，研制了單片機控制系統(tǒng)的軟硬件，并進(jìn)行了實驗，其輸出波形如圖5所 示。實驗證明，該方法簡單可行，控制性能良好，具有一定的實用價值。
此外，三相PWM發(fā)生器的實現(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 PWM波換相定時器，再加上載波周期定時器，共需4個定時器。至于三相PWM發(fā)生器的軟件設(shè)計，其基本的設(shè)計方法與單相的是相同的，這里不再討論。