提高无刷直流电机PWM调制频率极限的方法摘 要：在以TMS320F240为核心的永磁无刷直流电机控制系统的基础上，比较了多种PWM调制模式的优缺点，着重介绍了一种突破功率器件开关频率极限，使系统PWM调制频率提高一倍的方法。 l引言 无刷直流电机具有体积小、效率高、过载能力强、运行平稳等特点，随着高性能的微处理器和功率驱动器件的出现，满足了无刷直流电机对速度控制的精度和信号反馈控制的灵敏度要求高的特点，使其在工业系统中的应用越来越广泛。 近年来，无刷直流电机的容量也在不断增大，为使电机的体积小，功率密度高，不仅其运行转速高，而且采用多极结构。多极与高速两个因素就使PWM调制频率不得不相应提高，否则难以获得良好的电机运行性能。然而，目前大容量IGBT的开关频率最高极限为10kHz，不能满足大容量高功率密度无刷直流电机对PWM调制频率的要求。本文在分析了几种常用的PWM调制方式的优缺点的基础上，着重介绍了一种新的调制方式。它能有效地提高PWM的调制频率，在不增加功率器件的动态功耗的情况下，可使PWM最高调制频率为功率器件极限开关频率的两倍，从而扩大了开关频率不够高的功率器件的应用范围。 2无刷直流电机的控制系统 由于无刷直流电机由电子换相线路取代了传统的机械式换向结构，其控制系统一般包括有整流、逆变电路、驱动电路、控制电路和电动机本体几部分组成。主要的 电流采样与DSP的AD通道相连，利用高精度LEM电流传感器，可以做到反馈电流和主回路互不影响，而且响应速度快。驱动电路的设计采用了美国国际整流器(IR)公司的IR2130芯片，它特有的自举技术和完善的保护功能，是功率MOSFET和IGBT专用的栅极驱动集成芯片。位置传感器检测无刷直流电机的位置信号，通过调整导通相序，实现电子换相。 无刷直流电动机的感应电势与电机的转速成正比，转矩与相电流成正比，所以整个控制系统采用转速和电流双闭环的调速系统。 速度闭环通过检测来的位置信号，计算出转速，与给定的转速相比较，通过一简单的PI算法来调节电机转速。 DSP采用的是实时计算的方法。即在每一个载波周期的时间内计算出下一个载波周期的占空比，然后写入寄存器中，在下一个脉冲到来的时候，自动用寄存器的值来控制硬件实时产生PWM波。电流闭环将LEM反馈过来的电流转换成数字值，经计算得到当前的相电流值。该当前电流值通过与参考电流值比较，调整PWM波的占空比就可以调整电流的平均值。 3常用的PWM调制方式 在无刷直流电机控制系统中，当逆变器采用三相六状态120°二二导通方式时，每个电周期共有6个扇区，每个扇区各占60°电角度，每个功率器件在一个电周期内导通120°电角度。根据功率器件在导通周期内调制方式的不同可以分为以下三种： 图2a称为双边调制方式，也是最典型的一种，这种调制方式上下桥功率器件在各自导通的120°都进行斩波。图2b上桥臂各功率器件在导通的120°里进行PWM调制．下桥臂各功率器件在导通期间保持恒通。同理，也可上桥臂保持恒通，下桥臂各功率器件进行PWM调制。图2c中各功率器件在前60°保持恒通，后60°进行PWM斩波。同样，也可以在前60°内进行PWM调制，后60°内保持恒通，两者的效果是一样的。图2b、图2c统称为单边调制方式。其中图2b又可称为单边单管调制方式，图2c称为单边双管调制方式。 (a)双边调制方式 （b）单边单管调制方式 (c)单边双管调制方式 图2常用的PWM调制波形 显然，在双边调制方式中，功率开关动态功耗是单边调制方式的两倍。因此，功率开关器件发热比较严重。在单边调制方式中，单管调制实现起来较容易，但上下桥功率器件发热不均。不过假如有意识地选择不同开关频率的功率器件用于上下桥臂，倒也能起到物尽其用、降低成本的效果。在功率开关动态损耗相同的情况下，双管调制方式使上下桥臂的功率开关次数趋于相同，解决了功率开关散热不均的问题，当然实现起来比较复杂。 4提高PWM极限频率的调制方法 4．1基本思路 单边调制方式在保持原来的调制频率基础上，使功率开关动态功耗比双边调制减少一倍，但其并没有使系统的PWM调制频率得到提高。在实际应用中，有些大功率IGBT，在容量上能满足系统的要求，但最高开关频率不够高。在这种情况下，无论是双边调制方式还是单边调制方式，都无法提高系统的PWM调制频率。图3就是针对这个问题而提出的一种新的调制方式。这种方法能够解决IGBT的开关频率普遍不高的问题。
单边调制方式的实现是基于这样一个事实，为使一条支路开通，在这条支路上的两个开关(上下桥臂对应的功率器件)必须同时导通，而要使这条支路断开，只需关断其中的一个开关即可。根据这一原理，我们可以把上下桥功率器件的导通宽度都增加到恰好覆盖原来的两个PWM脉冲，关断宽度和原来一样。与此同时，上下桥功率器件在导通时间上错开一个PWM周期，如图3所示。在tl时间段内，上下桥功率器件共同导通，等效成PWM的导通段；在t2时间段内，上下桥功率器件一个导通，一个关断，就等效成PWM的截止段；在t3时间段内，两者又是一起导通，又等效成PWM的导通段；如此周而复始，从图3中可以看出，功率器件的开关频率只是PWM斩波频率的一半，可见通过这种方法可以有效地提高系统的开关频率。 在功率器件能够满足PWM斩波频率要求的前提下，利用这种方法，可以降低功率器件开关频率的指标，减少系统成本。而且，功率器件开关频率的降低，系统发热下降，减少了散热装置，可以降低控制器的体积。 4．2实现方法 在TMS320F240中，全比较单元的时基只能由通用定时器1提供。T1采用连续增减计数模式，T1计数器(T1CNT)由0开始增计数，当Tl计数器与全比较寄存器(CMPRx)值相匹配时，产生比较中断，PWM脉冲就会产生一次跳变；当和Tl周期寄存器(TIPER)值匹配时，就产生周期中断，开始减计数；当T1计数器减为0时，产生下溢中断，重新开始增计数。所以将T1的计数方式可以形象地表示成一个个连续的三角波，如图4所示。 程序共设有三个中断，一个是捕获中断(CAPINT)，用于捕捉无刷直流电机的位置信号，实现正确换相；另一个是电流采样中断(ADCINT)，用于调节占空比，从而实现转速闭环。AD采样由Tl的周期中断触发。还有一个就是T1的下溢中断(UFINT)。 为了正确判断PWM脉冲何时跳变，在程序中可以设置了适当的标志，以判别不同的时间段。 由于全比较寄存器(CMPRx)是一个阴影寄存器，新值提前一周期写人，在下一周期有效。例如图4中，在①时刻发生下溢中断，中断子程序中对CMPRx赋的值，起作用的是在②到③时间段。全比较寄存器(CMPRx)具体是在T1CNT=0(下溢)还是T1CNT=T1PER(周期匹配)时重载，可以通过对COMCON(比较控制寄存器)进行设置。
5结论 高功率密度永磁无刷直流电机，采用多极而且高速运行，为了使电机的性能良好，需要PWM调制频率相应提高。而大容量IGBT的开关频率一般都小于10kHz，通过本文所讨论的方法，能有效地提高PWM调制频率。而且使用这种方法，可以减小控制器的体积，降低系统成本。利用TMS320F240强大的事件管理器功能，灵活多变的寄存器，能方便地实现这种PWM调制方式。
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