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提高無刷直流電機PWM調制頻率極限的方法

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:4573


   摘  要:在以TMS320F240為核心的永磁無刷直流電機控制系統的基礎上,比較了多種PWM調制模式的優缺點,著重介紹了一種突破功率器件開關頻率極限,使系統PWM調制頻率提高一倍的方法。

l引言

   無刷直流電機具有體積小、效率高、過載能力強、運行平穩等特點,隨著高性能的微處理器和功率驅動器件的出現,滿足了無刷直流電機對速度控制的精度和信號反饋控制的靈敏度要求高的特點,使其在工業系統中的應用越來越廣泛。

   近年來,無刷直流電機的容量也在不斷增大,為使電機的體積小,功率密度高,不僅其運行轉速高,而且采用多極結構。多極與高速兩個因素就使PWM調制頻率不得不相應提高,否則難以獲得良好的電機運行性能。然而,目前大容量IGBT的開關頻率最高極限為10kHz,不能滿足大容量高功率密度無刷直流電機對PWM調制頻率的要求。本文在分析了幾種常用的PWM調制方式的優缺點的基礎上,著重介紹了一種新的調制方式。它能有效地提高PWM的調制頻率,在不增加功率器件的動態功耗的情況下,可使PWM最高調制頻率為功率器件極限開關頻率的兩倍,從而擴大了開關頻率不夠高的功率器件的應用范圍。

2無刷直流電機的控制系統

   由于無刷直流電機由電子換相線路取代了傳統的機械式換向結構,其控制系統一般包括有整流、逆變電路、驅動電路、控制電路和電動機本體幾部分組成。主要的

    圖l無刷直流電機的系統結構圖

   電流采樣與DSP的AD通道相連,利用高精度LEM電流傳感器,可以做到反饋電流和主回路互不影響,而且響應速度快。驅動電路的設計采用了美國國際整流器(IR)公司的IR2130芯片,它特有的自舉技術和完善的保護功能,是功率MOSFET和IGBT專用的柵極驅動集成芯片。位置傳感器檢測無刷直流電機的位置信號,通過調整導通相序,實現電子換相。

   無刷直流電動機的感應電勢與電機的轉速成正比,轉矩與相電流成正比,所以整個控制系統采用轉速和電流雙閉環的調速系統。

   速度閉環通過檢測來的位置信號,計算出轉速,與給定的轉速相比較,通過一簡單的PI算法來調節電機轉速。

   DSP采用的是實時計算的方法。即在每一個載波周期的時間內計算出下一個載波周期的占空比,然后寫入寄存器中,在下一個脈沖到來的時候,自動用寄存器的值來控制硬件實時產生PWM波。電流閉環將LEM反饋過來的電流轉換成數字值,經計算得到當前的相電流值。該當前電流值通過與參考電流值比較,調整PWM波的占空比就可以調整電流的平均值。

3常用的PWM調制方式

在無刷直流電機控制系統中,當逆變器采用三相六狀態120°二二導通方式時,每個電周期共有6個扇區,每個扇區各占60°電角度,每個功率器件在一個電周期內導通120°電角度。根據功率器件在導通周期內調制方式的不同可以分為以下三種:

圖2a稱為雙邊調制方式,也是最典型的一種,這種調制方式上下橋功率器件在各自導通的120°都進行斬波。圖2b上橋臂各功率器件在導通的120°里進行PWM調制.下橋臂各功率器件在導通期間保持恒通。同理,也可上橋臂保持恒通,下橋臂各功率器件進行PWM調制。圖2c中各功率器件在前60°保持恒通,后60°進行PWM斬波。同樣,也可以在前60°內進行PWM調制,后60°內保持恒通,兩者的效果是一樣的。圖2b、圖2c統稱為單邊調制方式。其中圖2b又可稱為單邊單管調制方式,圖2c稱為單邊雙管調制方式。

 

(a)雙邊調制方式

(b)單邊單管調制方式

(c)單邊雙管調制方式

   圖2常用的PWM調制波形

顯然,在雙邊調制方式中,功率開關動態功耗是單邊調制方式的兩倍。因此,功率開關器件發熱比較嚴重。在單邊調制方式中,單管調制實現起來較容易,但上下橋功率器件發熱不均。不過假如有意識地選擇不同開關頻率的功率器件用于上下橋臂,倒也能起到物盡其用、降低成本的效果。在功率開關動態損耗相同的情況下,雙管調制方式使上下橋臂的功率開關次數趨于相同,解決了功率開關散熱不均的問題,當然實現起來比較復雜。

4提高PWM極限頻率的調制方法

4.1基本思路

單邊調制方式在保持原來的調制頻率基礎上,使功率開關動態功耗比雙邊調制減少一倍,但其并沒有使系統的PWM調制頻率得到提高。在實際應用中,有些大功率IGBT,在容量上能滿足系統的要求,但最高開關頻率不夠高。在這種情況下,無論是雙邊調制方式還是單邊調制方式,都無法提高系統的PWM調制頻率。圖3就是針對這個問題而提出的一種新的調制方式。這種方法能夠解決IGBT的開關頻率普遍不高的問題。

 圖3提高極限頻率的調制方法

單邊調制方式的實現是基于這樣一個事實,為使一條支路開通,在這條支路上的兩個開關(上下橋臂對應的功率器件)必須同時導通,而要使這條支路斷開,只需關斷其中的一個開關即可。根據這一原理,我們可以把上下橋功率器件的導通寬度都增加到恰好覆蓋原來的兩個PWM脈沖,關斷寬度和原來一樣。與此同時,上下橋功率器件在導通時間上錯開一個PWM周期,如圖3所示。在tl時間段內,上下橋功率器件共同導通,等效成PWM的導通段;在t2時間段內,上下橋功率器件一個導通,一個關斷,就等效成PWM的截止段;在t3時間段內,兩者又是一起導通,又等效成PWM的導通段;如此周而復始,從圖3中可以看出,功率器件的開關頻率只是PWM斬波頻率的一半,可見通過這種方法可以有效地提高系統的開關頻率。

在功率器件能夠滿足PWM斬波頻率要求的前提下,利用這種方法,可以降低功率器件開關頻率的指標,減少系統成本。而且,功率器件開關頻率的降低,系統發熱下降,減少了散熱裝置,可以降低控制器的體積。

4.2實現方法

在TMS320F240中,全比較單元的時基只能由通用定時器1提供。T1采用連續增減計數模式,T1計數器(T1CNT)由0開始增計數,當Tl計數器與全比較寄存器(CMPRx)值相匹配時,產生比較中斷,PWM脈沖就會產生一次跳變;當和Tl周期寄存器(TIPER)值匹配時,就產生周期中斷,開始減計數;當T1計數器減為0時,產生下溢中斷,重新開始增計數。所以將T1的計數方式可以形象地表示成一個個連續的三角波,如圖4所示。

程序共設有三個中斷,一個是捕獲中斷(CAPINT),用于捕捉無刷直流電機的位置信號,實現正確換相;另一個是電流采樣中斷(ADCINT),用于調節占空比,從而實現轉速閉環。AD采樣由Tl的周期中斷觸發。還有一個就是T1的下溢中斷(UFINT)。

為了正確判斷PWM脈沖何時跳變,在程序中可以設置了適當的標志,以判別不同的時間段。

由于全比較寄存器(CMPRx)是一個陰影寄存器,新值提前一周期寫人,在下一周期有效。例如圖4中,在①時刻發生下溢中斷,中斷子程序中對CMPRx賦的值,起作用的是在②到③時間段。全比較寄存器(CMPRx)具體是在T1CNT=0(下溢)還是T1CNT=T1PER(周期匹配)時重載,可以通過對COMCON(比較控制寄存器)進行設置。    

 圖4 PWM波形產生示意圖

5結論

高功率密度永磁無刷直流電機,采用多極而且高速運行,為了使電機的性能良好,需要PWM調制頻率相應提高。而大容量IGBT的開關頻率一般都小于10kHz,通過本文所討論的方法,能有效地提高PWM調制頻率。而且使用這種方法,可以減小控制器的體積,降低系統成本。利用TMS320F240強大的事件管理器功能,靈活多變的寄存器,能方便地實現這種PWM調制方式。

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