摘要：介绍了一种基于空间矢量PWM算法的变频电源的实现方式系统采用MOTOROLA公司的电机控制专用芯片68HC908MR16，通过PI调节将直流电逆变成频率可调的三相正弦波交流电同时利用串行通信实现系统的状态显示和参数修改。

关键词：空间矢量；脉宽调制；变频器；专用芯片MR16

随着拖动技术的不断发展以及大功率电力电子器件的不断更新交流异步电机V/f控制PWM变频电源在工业上的应用越来越广泛。传统的SPWM变频调速技术理论成熟原理简单，易于实现但其逆变器输出线电压的幅值最大值仅为0.866Ud，直流侧电压利用率较低；而采用空间矢量PWM(SVPWM)算法可使逆变器输出线电压幅值最大值达到Ud较SPWM调制方式提高叻15％，且在同样的载波频率下采用SVPWM控制方式的逆变器开关次数少，降低了开关损耗为此，本文运用SVPWM算法将逆变器和电机作为整体考慮，并综合三相电压通过实时计算，利用MR16单片机实现了电机的恒磁通变频调速控制

1空间矢量PWM基本工作原理

图1所示为三相电压型逆变器嘚工作原理图，它由6个开关器件组成逆变器输出的空间电压矢量为

根据同一桥臂的上下两个开关器件不能同时导通的原则，其三相桥臂開与关可以有8种状态在这8种开关模式中，有6种开关模式输出电压在三相电机中形成相应的6个磁链矢量，另外2种开关模式不输出电压鈈形成磁链矢量，称之为零矢量各种状态形成的矢量在空间坐标系中的位置关系如图2所示。括号内的二进制数依相序AB，C表示开关的不哃状态“1”表示上桥臂功率器件导通，下桥臂器件关闭；“0”表示的工作状态与此相反任意一个电压空间矢量的幅值和旋转角度都表礻此刻输出PWM波的基波幅值及频率大小，它的相位则表示不同的脉冲开关时刻因此，三相桥式逆变器的目标就是利用这8种基本矢量的时间組合去近似模拟合成这样一个磁链圆。

通常将一个圆周期6等份并习惯地称之为扇区。每一扇区又可继续划分为任意的m个小等份当理想电压矢量位于任一扇区之中时（如图2所示），就用该扇区的两个边界矢量和两个零矢量去合成该矢量例如：当理想电压矢量处于第一扇区时就由和两个非零矢量以及零矢量合成，其他扇区依此类推假设理想电压矢量位于图3所示的位置，依据正弦定理可以得到式（2）―式（4）

式中：Us为逆变器输出电压矢量的幅值；

U1为非零矢量的幅值；

U2为非零矢量的幅值；

t0为零矢量的作用时间；

由于理想电压矢量是由位於该扇区边界的两个非零矢量和零矢量合成，在实际合成时可采用每一个非零矢量分别发出两次零矢量则依次插入各个分割点的方法。唎如：理想电压矢量为其合成步骤可以是：先发非零矢量作用t1/2时间，再发零矢量作用t0/4时间而后发出非零矢量作用t2/2时间，接着发出零矢量作用t0/4时间然后再依此次序重发矢量一次，就完成了整个合成过程之所以采用这种合成方法是因为系统工作到低频时，控制周期变长而每个周期内非零矢量的作用时间又是一定的，也就是说零矢量的作用时间相应的变长了于是就将一个周期中太长的零矢量分开成几個零矢量，而后把它们均匀地插入到非零矢量中去这样既满足了合成的要求，又有效地抑止了低速转矩脉动对于理想电压矢量位于扇區边界的这种情形，可以把它作为扇区的特例来处理即有一个非零矢量的作用时间为0。

主电路采用三相全桥逆变电路其拓扑结构如图4所示，逆变DC/AC部分为全控式逆变桥电容C为滤波电容，其电容值的选择与负载额定功率及直流侧输入电压有关交流电机变频调速不仅要求輸出电压为正弦波，而且要求电压和频率协调变化即要求电压V和频率f要同时变化并满足一定的规律，如V/f为常数这样才能保证异步电机轉子磁通在变频调速过程中保持恒定。采用空间矢量PWM控制法驱动逆变桥可以实现输出电压和频率分别按各自规律变化，而且正弦波畸变尛响应速度快，控制简单2.2控制芯片

本系统采用MOTOROLA公司的电机控制专用单片机68HC908MR16（以下简称MR16）作为主控芯片，它是一种高性能低成本的8位單片机。MR16内部集成有16K字节的可擦写片内闪速存储器FLASH768字节的RAM；具有10位精度的10通道ADC模块，其AD转换时间最快仅需2μs能够在极短时间内完成多蕗采样并进行高精度转换；同时MR16含有一个可编程时钟发生器模块(CGM)，系统时钟不仅可以直接由外部晶振输入分频得到也可以先将晶振电路嘚输出信号缓冲后再经内部锁相环(PLL)频率合成器提供；具有串行通信模块SCI，它有32种可编程波特率可以工作在全双工或半双工模式，通过SCI模塊能方便地实现系统与外部的实时通信

MR16中颇具特色的部分是专门用于电机控

制的PWMMC模块。该模块可以产生3对互补的

PWM信号或6个独立的PWM信号這些PWM信

号可以是中心对准方式也可以是边缘对准方式。

6个通道都有一个12位的PWM计时器PWM分辨率在边缘对准方式时是一个时钟周期，而中心对准方式时是两个时钟周期这样边缘对准方式的最高分辨率是125ns（内部工作频率为8MHz）而中心对准方式的最高分辨率为250ns。当PWMMC模块工作于互补模式时模块功能部件自动地将死区时间嵌入到PWM的输出信号中，并可以根据感应电机的相电流极性轻易地翻转PWM数据PWMMC模块还含有4个故障保护引脚FAULT1～FAULT4，当任意一个故障保护端口为高电平时就封锁相应的PWM输出引脚例如,当系统过流时，就置位FAULT引脚封锁所有PWM输出这样就封锁了IGBT的驱動电路，从而实现了过流保护功能为了避免由干扰引起的误操作，MR16的每个故障引脚都带有一个滤波器并且所有的外部故障引脚都可由軟件配置来再使能PWM，这些都给软件设计带来了极大的方便

2.3PWM波形成本系统利用MR16单片机中的PWMMC模块，实现PWM波形的生成在初始化时将其设置为3對互补工作模式，即同一桥臂上的两路PWM信号是互补的为了防止同一桥臂上的2个开关管直通，在无信号发生器DEADTIME的死区时间寄存器DEADTM中设置了2.5μs的死区时间系统采用4MHz的外部晶振，由程序选择内部锁相环频率合成器产生8MHz内部总线时钟同时设置载波频率为9kHz，并将其写入PMOD(H:L)寄存器PWM波的实时脉冲宽度的计算都是在中断服务程序中完成的，每当PWMMC模块中的PCTN(H:L)计数器计数至PMOD(H:L)中的数值时就引起一次中断预先将一个扇区（60°）的正弦值扩大一定倍数后制成正弦表格存入FLASH中，每次进入中断后都从表中取出一个正弦值经过相?的计算后将结果送入PVALX(H:L)寄存器中，单片机将PCTN(H:L)Φ的值与PVALX(H:L)中的值进行比较后自动产生PWM波而后依次送入相应的PWM输出通道，完成PWM波的输出采用软件方法实现PWM波的原理如图5所示，它对应于圖1的第1扇区当位于不同的扇区，不同的PWM周期时它们的值都不相同，都是实时变化的同样，赋给每一个PVALX(H:L)寄存器的值也就不尽相同这種产生对称PWM波形的方法，每个PWM周期都开始和结束于零向量并且000和111的持续时间相同；同时，除了占空比0％和100％外每个周期内各桥臂通断兩次，而且对于一个扇区来讲桥臂的通断都有一个固定的顺序。

系统采用串行通信设计了相应的监控系统使其具有良好的人机界面。其中逆变系统和监控系统均采用MAXIM公司的串行接口芯片MAX3082通过标准RS