用 dspic DSC MCPWM 模块驱动交流感应电机 作者 : Jorge Zambada Microchip Technology Inc. 如图 1 所示, 电机绕组的电感对 PWM 电压源的电流进行滤波 正如下文即将介绍的, 基于该原理我们可利用 PWM 信号产生正弦波来对三相 ACIM 进行通电 引言 本文档概括介绍了采用 dspic3f 电机控制数字信号控制器系列芯片实现的电机控制 PWM 模块 (Motor Control PWM module, MCPWM) 文中包含的代码示例适用于采用三相逆变器拓扑结构的典型三相交流感应电机 (AC Induction Motor, ACIM) 控制应用 MCPWM 模块 图 1: ILOAD VLOAD 经电机绕组滤波后的电流波形 本文档涉及内容仅限于 MCPWM 模块的使用 所提供信息基于一个应用实例 在阅读本文档之前, 用户应先熟悉 MCPWM 的特性和功能 ( 见 dspic3f 系列参考手册 (DS746D_CN) 第 15 章 ) 图 2 是 MCPWM 模块的简化结构图 图中显示如何产生互补脉冲以对本例中的 ACIM 进行驱动 图 2: MCPWM 结构原理图 16 位时基 OVDCON 占空比发生器 #4 死区单元 DTA DTB PWM4H PWM4L 占空比发生器 #3 占空比发生器 #2 死区单元 DTA 死区单元 DTA DTB DTB PWM 改写逻辑 PWM3H PWM3L PWM2H PWM2L 4 个具有输出极性控制功能的 PWM 输出对 占空比发生器 #1 死区单元 DTA DTB PWM1L 注 :6 输出模块不具有虚线表示的逻辑 Fault A Fault B 2 个具有可编程故障状态的故障输入引脚 26 Microchip Technology Inc. DS934A_CN 第 1 页
占空比发生器用于产生包含预先设定占空比信息的脉冲 死区单元对脉冲进行偏移以避免在对逆变器晶体管进行驱动时出现直通现象 PWM 改写逻辑将根据故障条件或编程指令对输出信号进行修改 例如, 如果选择负极性则此功能单元的输出信号将被反相, 或被强制为 OVDCON 寄存器的设定值 应用实例 应用实例包括如何产生 6 Hz 的三相信号以对三相感应电机进行通电 图 3 显示了三相逆变器的拓扑结构 在该拓扑结构中, 6 路 PWM 输出分别被接至各个功率晶体管 (MOSFET 或 IGBT) 此应用实例的主要要求是产生相位互差 12 电角度的 6 Hz 三相正弦波 根据正弦波查找表, 在表指针上加上不同的偏移量可在 PWM 引脚上产生三个信号 表中每个数据都代表一个占空比值, 该值将被存入相应的占空比寄存器 初始化 MCPWM 模块 以下过程将指导用户如何选择运行应用实例所需的特定 MCPWM 模块功能, 其中给出了一个代码示例以显示实际寄存器和控制位的名称 图 3: 三相逆变器 步骤 1. 将 MCPWM 模块配置为互补输出模式 由于采用互补模式产生正弦波, 因此需要加入一小段时间, 使得晶体管 PWMxH 和 PWMxL 在这段时间内处于关断状态以避免直通现象 实例中, 在一个晶体管关断后 互补晶体管导通之前, 自动插入一个 2 µs 的死区时间值 图 4 显示了插入死区后两个互补引脚输出信号的时序图 图 4: PWM1L 具有自动死区插入功能的互补 PWM 输出 死区时间 步骤 2. 使用中心对齐模式的 PWM 输出 本实例中采用中心对齐模式以避免出现同时导通三个功率晶体管的现象, 这样可减少功率器件产生的噪声 图 5 显示了中心对齐模式的时序图 +V PWM2H PWM3H THREE-PHASE ACIM PWM1L PWM2L PWM3L DS934A_CN 第 2 页 26 Microchip Technology Inc.
图 5: 中心对齐 PWM 时序图 周期 /2 PTPER PDC1 PTMR 值 PDC2 PWM2H PDCx 值 周期 如图所示, 只要占空比 (PDC1 和 PDC2) 不同, 功率器件的导通时间也不相同 在边沿对齐模式下, 它们将同时导通, 而与占空比值无关 步骤 3. 避免 PWM 音频噪声 PWM 频率设置为 2 khz 以避免出现音频噪声 一般来说, 15 khz 以上时的音频噪声已难以被人耳察觉 以下公式可用来计算工作于中心对齐 ( 递增 / 递减计数 ) 模式和 2 khz 条件下实际的 PTPER 设定值 FCY PTPER = -------------- 1 2 FPWM 根据前述 PWM 设置要求, 示例 1 显示了用于初始化 MCPWM 模块的代码 : 26 Microchip Technology Inc. DS934A_CN 第 3 页
例 1: 用于初始化 MCPWM 模块的代码 #define FCY 2 // 2 MIPS #define FPWM 2 // 2 khz #define DEADTIME (unsigned int)(.2 * FCY) #define _DES_FREQ 6 // 需要产生 6 Hz 正弦波 #define _DELTA_PHASE (unsigned int)(_des_freq * 65536 / FPWM) void InitMCPWM(void) { TRISE = x1; // 将 PWM 和 FLTA 引脚分别配置为输出和输入 PTPER = (FCY/FPWM - 1) >> 1; // 计算期望频率所对应的周期 OVDCON = x; // 禁止所有 PWM 输出 DTCON1 = DEADTIME; // 死区时间为 ~2 us@ 2 MIPS 且预分频比为 1:1 PWMCON1 = x77; // 使能 PWM 输出引脚并使能互补模式 PDC1 = PTPER; /* 相 A 电压为 伏 此值对应于 5% 占空比 在互补模式下输出平均电压为 伏 */ PDC2 = PTPER; // 相 B 电压为 伏 PDC3 = PTPER; // 相 C 电压为 伏 IFS2bits.PWMIF = ; // 清零 PWM 中断标志 IEC2bits.PWMIE = 1; // 允许 PWM 中断 OVDCON = x3f; // PWM 输出由 PWM 模块进行控制 PTCONbits.PTMOD = 2; // 中心对齐 PWM 工作 Phase = ; // 复位 Phase 变量 Delta_Phase = _DELTA_PHASE; // 将 Phase 增量初始化为 6Hz 正弦波模式 PTCONbits.PTEN = 1; // 启动 PWM return; } 使用 MCPWM 实现三相 ACIM 的驱动 本节将阐述如何使用前面介绍的 MCPWM 模块产生三相正弦波, 并通过一个代码示例对该应用的实际实现过程进行说明 为产生三相输出, 通过一个由 64 个字组成的表提供一个完整电周期所使用的全部正弦数据 数据采用 16 位有符号小数格式, 且被归一化到 -1 至 1 范围之内 变量 Phase 用作指向数据表的 16 位指针, 其中 x 和 xffff 分别表征 º 和 359.99º 每次 PWM 周期中断期间 (5 µs), Delta_Phase 变量将被加入 Phase Delta_Phase 变量值决定了代码扫描正弦数据表的速度, 亦即调制频率的大小 图 6 显示了查找表以及使用 MCPWM 模块获得的三个正弦波信号 从图中可看到叠加在 PWM 信号上的平均电压, 该电压表征加到电机绕组上的电压幅值 图 6: 使用查找表产生三相正弦波 64 字表... 32767...... -32767... PWM1L PWM2H PWM2L PWM3H PWM3L DS934A_CN 第 4 页 26 Microchip Technology Inc.
Delta_Phase 变量按照下面公式进行计算 : Delta_Phase = 2 16 x = 2 16 X 期望频率 (Hz) FPWM 6 = 196.6 = 197 2 在使用 Delta_Phase 对 Phase 变量进行调整后, 通过在 Phase 中加入偏移常量以计算电机第 2 和第 3 相所需的另外两个表指针 对于 16 位指针,x5555 值可实现 12º 偏移量而 xaaaa 值实现 24º 偏移量 其次, 通过对三个 16 位指针右移 1 位以获得最高 6 位的信息 由于数据表仅由 64 个数据字构成, 因此只需一个 6 位指针 不同大小的查找表所需的移位数也不同 最后, 将三相指针加入存放在程序存储器中的正弦表基准地址即可获得所需的正弦数据值 在获得正弦值之后, 需根据期望的调制幅值和 PWM 占空比范围对其进行换算 首先, 将查表值乘以 PTPER 寄存器值以获得幅值 随后将 PTPER 值加入幅值以确保最终的占空比值为正 图 7 举例说明了该换算过程 由于占空比寄存器具有两倍于 PTPER 寄存器的分辨率, 因此需要最大设定值为 2xPTPER 图 7: 占空比寄存器的正弦表换算操作 来自正弦表的源数据换算操作最终负值的偏移量.999(x7FFF) PTPER 2xPTPER x x + + PTPER -1 (x8) 这里写出了调制操作以及相关的正弦数据表, 这样用户可在自己的代码中使用 在实际应用中, 用户可能需要对正弦表数据进行预先换算, 这样在对正弦波进行调制时不必再做大量的换算操作 以下代码示例对三相 ACIM 的 B 相进行调制 例 2: 在 MCPWM 中断服务程序中对 B 相进行调制 #define _12_DEGREES x5555 #define _24_DEGREES xaaaa unsigned int Phase, Delta_Phase, Phase_Offset; int Multiplier, Result;... Phase += Delta_Phase; // 将 Delta_Phase 累加到 Phase 变量中 Phase_Offset = _12_DEGREES; // 将正确的值加入相位偏移量中 Multiplier = sinetable[(phase + Phase_Offset) >> 1];// 获取正弦信息 asm("mov _Multiplier, W4"); // 装载第一个乘数 asm("mov _PTPER, W5"); // 装载第二个乘数 asm("mov #_Result, W"); // 将结果地址载入 W asm("mpy W4*W5, A"); // 执行小数乘法 asm("sac A, [W]"); // 将乘法结果装入 var 结果 PDC2 = Result + PTPER; // 移除占空比的负值 对于其他两相, 可采用相同的代码 对于 A 相, Phase_Offset 值为 ( ) 对于 C 相, Phase_Offset 值为 xaaaa (24 ) 注意, 乘法采用汇编代码实现, 即采用 dspic DSC 的小数乘法指令 26 Microchip Technology Inc. DS934A_CN 第 5 页
结论 本文档介绍了如何使用专用于交流感应电机的 dspic 电机控制 PWM 模块 文档中的代码示例对实际的实现过 程进行了说明 图 8 显示了经外部 RC 滤波器滤波后的电机相电压波形 图 9 给出了该外部 RC 滤波器的电路图 图 8: PWM 电压和相应占空比的示波器图 图 9: C 相 RC 滤波器电路 B 相 A 相 1 KΩ 1 n F 滤波器输出 注 : 文档中给出的所有代码示例都是基于 dspic3f412 器件, 且使用 Microchip MPLAB IDE 7.11 以及 MPLAB C3 C 编译器 v1.31 进行开发和测试的 DS934A_CN 第 6 页 26 Microchip Technology Inc.
请注意以下有关 Microchip 器件代码保护功能的要点 : Microchip 的产品均达到 Microchip 数据手册中所述的技术指标 Microchip 确信 : 在正常使用的情况下, Microchip 系列产品是当今市场上同类产品中最安全的产品之一 目前, 仍存在着恶意 甚至是非法破坏代码保护功能的行为 就我们所知, 所有这些行为都不是以 Microchip 数据手册中规定的操作规范来使用 Microchip 产品的 这样做的人极可能侵犯了知识产权 Microchip 愿与那些注重代码完整性的客户合作 Microchip 或任何其他半导体厂商均无法保证其代码的安全性 代码保护并不意味着我们保证产品是 牢不可破 的 代码保护功能处于持续发展中 Microchip 承诺将不断改进产品的代码保护功能 任何试图破坏 Microchip 代码保护功能的行为均可视为违反了 数字器件千年版权法案 (Digital Millennium Copyright Act) 如果这种行为导致他人在未经授权的情况下, 能访问您的软件或其他受版权保护的成果, 您有权依据该法案提起诉讼, 从而制止这种行为 提供本文档的中文版本仅为了便于理解 请勿忽视文档中包含的英文部分, 因为其中提供了有关 Microchip 产品性能和使用情况的有用信息 Microchip Technology Inc. 及其分公司和相关公司 各级主管与员工及事务代理机构对译文中可能存在的任何差错不承担任何责任 建议参考 Microchip Technology Inc. 的英文原版文档 本出版物中所述的器件应用信息及其他类似内容仅为您提供便利, 它们可能由更新之信息所替代 确保应用符合技术规范, 是您自身应负的责任 Microchip 对这些信息不作任何明示或暗示 书面或口头 法定或其他形式的声明或担保, 包括但不限于针对其使用情况 质量 性能 适销性或特定用途的适用性的声明或担保 Microchip 对因这些信息及使用这些信息而引起的后果不承担任何责任 如果将 Microchip 器件用于生命维持和 / 或生命安全应用, 一切风险由买方自负 买方同意在由此引发任何一切伤害 索赔 诉讼或费用时, 会维护和保障 Microchip 免于承担法律责任, 并加以赔偿 在 Microchip 知识产权保护下, 不得暗中或以其他方式转让任何许可证 商标 Microchip 的名称和徽标组合 Microchip 徽标 Accuron dspic KEELOQ microid MPLAB PIC PICmicro PICSTART PRO MATE PowerSmart rfpic 和 SmartShunt 均为 Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地区的注册商标 AmpLab FilterLab Migratable Memory MXDEV MXLAB SEEVAL SmartSensor 和 The Embedded Control Solutions Company 均为 Microchip Technology Inc. 在美国的注册商标 Analog-for-the-Digital Age Application Maestro dspicdem dspicdem.net dspicworks ECAN ECONOMONITOR FanSense FlexROM fuzzylab In-Circuit Serial Programming ICSP ICEPIC Linear Active Thermistor Mindi MiWi MPASM MPLIB MPLINK PICkit PICDEM PICDEM.net PICLAB PICtail PowerCal PowerInfo PowerMate PowerTool REAL ICE rflab rfpicdem Select Mode Smart Serial SmartTel Total Endurance UNI/O WiperLock 和 ZENA 均为 Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地区的商标 SQTP 是 Microchip Technology Inc. 在美国的服务标记 在此提及的所有其他商标均为各持有公司所有 26, Microchip Technology Inc. 版权所有 Microchip 位于美国亚利桑那州 Chandler 和 Tempe 位于俄勒冈州 Gresham 及位于加利福尼亚州 Mountain View 的全球总部 设计中心和晶圆生产厂均于通过了 ISO/TS-16949:22 认证 公司在 PICmicro 8 位单片机 KEELOQ 跳码器件 串行 EEPROM 单片机外设 非易失性存储器和模拟产品方面的质量体系流程均符合 ISO/TS-16949:22 此外, Microchip 在开发系统的设计和生产方面的质量体系也已通过了 ISO 91:2 认证 26 Microchip Technology Inc. DS934A_CN 第 7 页
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