面向低成本变速应用的"即用型"交流感应电机控制IC

面向低成本变速应用的"即用型"交流感应电机控制IC

摘要

PWM生成和控制技术领域内取得的最新进展已经成功地与一些预编程解决方案中的一流控制算法进行了结合，如MC3PHAC。该解决方案旨在最大限度地降低变速交流电机控制应用的一线开发成本，并加快产品上市进程。虽然不需要编程，但是保留了设备的灵活性，用户可以根据特定的应用对其进行定制设计。该方案对设备的安全和故障处理功能也给予了特别关注，如"失效晶体(dead-crystal)"关闭、硬件故障停机和DC总线监视/保护等。

前言

由于能够节省能源，并采用了更为先进的控制技术，感应电机变速控制在过去十年中的使用量呈现显著增长态势。这对那些只需要在很少的时间段内进行全速运行的应用来说尤其如此，如某些风扇和泵站负荷等。由于线路连接交流电机具有速度难以控制的特征，类似的负荷需求变化过去一直通过控制电机和载荷来进行处理，这与用油门踏板驱动汽车、用刹车控制速度非常相似。然而，通过直接控制电机的运行速度，与直接的线路连接电机操作相比，某些应用可节省高达75%的电能。

在实现对变速交流电机的控制方面，有多种先进程度各不相同的技术。如果所有运行速度都需要高带宽扭矩控制，就要采用转子转速传感器或利用电机本身作为反馈传感器的现场控制技术。由于交流感应电机在本质上不同步，因此完成这一操作所需的计算通常需要一片高性能控制器来完成，比如DSP。然而，实际上很多(如果在数量上不是大多数的话)变速交流电机控制应用只要求适度的扭矩控制性能，频率可以低至5Hz。在这些情况下，只控制电机的波形电压和频率(伏特/赫兹控制)是最为经济的手段。

如果不考虑所选的控制拓扑，不可否认，开发变速驱动器的很大一部分任务就是软件的开发以及与之相关的工具投入。由于MC3PHAC不需要编程，就省去了这一部分要求，从而可以缩短项目的总体开发和调试时间。作为一个"固定"解决方案，平衡这些优势必须以降低灵活性为代价来实现。然而，该解决方案在设计之初就已经充分考虑到这一点，确保通常由高性能交流驱动的大多数系统关键参数都能进行动态配置，从而使MC3PHAC得以用于多数变速配置之中。此外，MC3PHAC还使用了一个串行接口，该接口采用特殊的通信协议，使PC或微控制器可以作为主机来实时配置运行特征并控制电机。例如，通过主机软件，计算机可以对伏特/赫兹关系进行完全控制，使MC3PHAC能用于可变扭矩和恒定扭矩的变速应用中。

先进的电机控制 PWM

MC3PHAC功能的核心是一个先进的PWM模块，它是专为满足高性能交流驱动的苛刻要求而设计的。该模块在8 MHz 频率上运行(循环发送间隔时间为125nS)，在3组配套PWM中生成6个居中排列的PWM信号。这就使MC3PHAC能直接连接到几乎所有三相交流电机驱动都固有的变频器上，如图1所示。高端PWM信号的极性可以独立于低端PWM极性进行指定。在每个补充信号线对的on-times 之间插入停滞时间，而且停滞时间可以在125 nS的增量内调整为0至32 μS之间的任何值。

图 1. 使用MC3PHAC的典型三相交流电机驱动

PWM信号的频率可以指定为表1显示的4个PWM频率及每个频率的有效PWM分辨率中的一个。每路PWM输出从一个512条目的表中合成而来，该表由8比特值组成，如图2所示。尽管这会把最大值分辨率的输出波形限定在8比特，但并不意味着PWM分辨率本身也限定在8比特，对那些较小的调制指数来说尤其如此。PWM分辨率定义了在整个调制范围(0%到100%)内可以有多少个不同的值，这些值与输出波形的最大值分辨率不同。

表1. PWM频率及相应的分辨率

图2. MC3PHAC中用于波形合成的表

与波形表条目的分辨率相比，对波形失真产生更大影响的另外一个因素就是更新电机波形的取样频率。由于PWM模块的作用如同取样和保持功能，因此波形失真会以两种方式体现出来。首先，取样和保持功能会造成相位滞后，当取样频率降低时相位滞后就会增加。在生成开放环路波形时，通常来讲不会构成问题。然而，当执行任何封闭环路功能(如总线-纹波补偿)时就必须把它考虑进去，这一点留待以后讨论。其次，由于PWM值一直要保持到下一次更新，因此会导致"步进式"波形的出现，与参照正弦波相比，会造成振幅失真。该失真与波形的第一个导数成比例，这意味着从图2中合成的输出波形在零交叉附近快速变化时将会出现更严重的失真。

由于对所有非零导数功能来说，失真与相位的不确定性有关，因此取样频率和输出电机的波形频率也会影响失真。对于除15.9kHz外的所有载波频率来说，MC3PHAC PWM以5.3kHz的取样频率更新，从而导致+/- 95μS的定时抖动。对15.9kHz载波来说，PWM以4kHz的频率更新，其定时抖动为+/-126μS。这会导致与电机波形频率成比例的相位的不确定性，如图3所示。当电机波形的频率降至10Hz以下时，由于达到了512点波形表的相位分辨率，相位抖动没有什么改进。在这两个更新频率上，结果都是电机波形与使用更高波形分辨率的设计相比，前者的精确性更高，但波形更新频率要比后者低。

图 3. 与电机波形频率相关的MC3PHAC相位的不确定性

从图2中我们可以看出，波形中包含了添加到正弦波的第三个谐波成分，与传统的正弦调制相比，它把相到相的调幅提高了15%。然而，由于这种调制技术会导致共模第三谐波频率成分，因此，它把MC3PHAC的使用限制在拥有浮接中心线(floating neutral)的三相负载上。此外，由于输出电压波形的总和不再为零，它还对三相输出的合成技术带来限制。

运行模式

MC3PHAC可以运行于以下两种模式之一：独立模式或主机模式。 模式选择在加电启动时根据管脚20的状态进行。下面将详细介绍这两种模式。

独立模式
在这种模式中，MC3PHAC运行参数通过连接到设备的无源组件来在加电启动时配置。一旦MC3PHAC确定没有外部主机(管脚20处于高电位)，它就开始询问外部连接的电阻器网络以获取运行参数，如速度范围、停滞时间和电源稳压器等。其它参数在系统运行过程中继续实时输入，如开始/停止、前进/后退、电机速度、PWM频率、总线电压和加速度等。从系统的总成本角度看，独立模式是最经济的模式，因为在MC3PHAC运行时不需要主机控制器。图4显示了独立模式中使用MC3PHAC的电路示意图。

图4. 以独立模式运行的MC3PHAC示意图

主机模式
MC3PHAC的第二种运行模式称为主机模式，该模式利用一台运行主机软件(可以从摩托罗拉公司购买)的PC或模仿主机软件命令的微控制器。与使用离散组件来指定运行参数不同的是，它们直接从主机上通过软件进行控制。

在加电启动后，MC3PHAC可以通过读取管脚20的值(逻辑低电位)检测到外部主机。在MC3PHAC继续初始化，进入一个惰性的安全状态后，它仍然处于休眠状态，等待串行接口接到指定运行参数的命令。在接受到某些关键参数(如PWM极性和停滞时间信息等)前，MC3PHAC不允许激活电机。主机模式允许外部控制器监视并控制MC3PHAC运行的所有方面。与独立模式相比，它允许对系统的运行环境进行更全面的控制，详见下表。

在主机模式中，我们甚至可以通过互联网进行远程控制。通过运行连接到MC3PHAC的独立服务器应用(也可以从摩托罗拉购买)，运行前面提到的主机软件的远程计算机可以从世界的一个地方对另一个地方的电机进行控制。

图5. 主机模式下的MC3PHAC 示意图

主机模式下使用MC3PHAC的电路示例如图5所示。

图 6 显示了使用摩托罗拉接口主机软件控制MC3PHAC的GUI。

图 6. MC3PHAC使用的主机软件GUI界面

总线涟波消除

在很多交流驱动中，变频器由一个拥有较大并联连接的电容器(作用如同一个能量库)的直流总线供电。为了防止总线上的波动影响到电机波形，该电容器的容量通常设计得很大，特别是使用标准的整流器为总线供电时。这些波动可能是交流电源线上产生的电涌造成的，也可能是电机快速减速的再生，甚至可能是由交流电路整流引起的更高频率波动。由于MC3PHAC采用较高的总线反馈取样频率，所有这些失真都可以进行补偿。根据PWM频率，每189或252μS取样DC_BUS输入管脚，读数被用来实时补偿调制指数以调整电机电流。尽管很多交流驱动都实施相似的功能，但由于它们的总线电压取样频率太低而不能进行实时涟波去除，因此它们只能对较低的频率失真进行补偿。

请参见图7，假设晶体管以零停滞时间以补充方式驱动，定义输出波形平均电压的方程式如下：

方程式1

其中，表示平均输出电压t_h(t)表示PWM波形的峰值时间 T表示PWM时间段V_bus(t)表示直流总线的电压

图7. 从半桥中生成的PWM波形

需要注意的是，方程式1并没有假定V_bus 是一个常量，而是时间T的一个函数。然而，让我们假设V_bus有一个最合适的值，并把这个值称为V_norm，这样一来，当V_bus(t)等于V_norm时，根据指定的PWM高时间和时段，就等于值。然而，当V_bus(t)不等于V_norm时，通过在方程式1中为调制项 t_h(t)/T应用一个修正因子，仍然有可能和l相等，如方程式2所示。

其中，V_norm表示V_bus(t)的最佳值或参照值[ ]内的项是修正因子

由于略去了V_bus(t) 项，我们发现，总线电压中的任何干扰都不会影响输出电压。而且，由于t_h(t)/T比总是一个正的小数值，所以我们必须保证不管希望输出什么样的波形，都应该进行适当调整和偏移以反映这一点。举例来说，如果需要正弦调制，那么正弦波调幅就应该进行调整，使它不超过最大值1，而且波形应偏移1/2，以实现动态范围的完全利用。如果我们修改方程式2来反应这一点，计算输出的所有三种相位，我们会得出如下方程式：

其中，X是输出相位的编号(1，2，3) W_O是输出波形的频率M是调制指数(0到1)

方程式3消除了输出波形的所有总线涟波。然而，这并不是最理想的状况，因为输出波形在¹/₂ V_norm固定电压上有一定的误差，真正的固定电压应该是¹/₂ V_bus(t)。需要注意的是，调制模型由两项组成，分别是¹/₂ 直流项和交流正弦项。在方程式3中，这两项都可以修正，事实上却只有交流项可以修正。如果我们从直流项对修改进行去耦操作，交流波形就可以在地面和V_bus(t)的动态范围内以自我为中心。重新书写方程式3来实现去耦，我们就可以得出方程式4。

这是MC3PHAC中使用的技术。V_bus(t)在每个PWM更新间隔(189或252μS)进行取样，并被分成表示3.5伏V_norm值的数。由此产生的修改因子只被应用到调制指数（M）中，以修改V_bus(t)中因干扰引起的输出波形的任何失真。由于直流项不能应用修改因子，在偏压上就会出现一个人为产生的噪声(Noise Artifact)。然而，由于这个噪音对所有三个输出波形来说是共模信号，它将被电机拒绝，假定它的中间节点是浮动的。

图8显示了¹/₂hp电机的实际电流波形图，该电机由60 Hz上的单相115 V交流输入电压提供电源，且有大量的总线涟波。在第一个波形图中，MC3PHAC 总线涟波消除功能被关闭，波形中的失真反映了这一点。第二个波形图显示了同样的情况，但我们明显地看到它的总线涟波消除功能被激活并有效地消除了涟波。

图8. MC3PHAC的总线涟波消除功能的影响

速度整平和更改

假定ACCEL管脚上的电压保持一个常量，或者加速度值通过主机软件被设置为一个常量，MC3PHAC就会生成一个线速配置文件。为了获取其它类型的配置文件，当速度沿斜线上升时，加速度值必须动态变化。例如，为了获得抛物线速度配置文件，当速度沿斜线上升时，加速度必须在线性配置文件中变动。

MC3PHAC中的速度配置程序(velocity Profiler)不但要负责控制电机的速度，还要负责控制电机的电压，因为这两者在每赫兹伏特控制器中彼此相关。为了实施MC3PHAC中嵌入的所有功能，速度配置程序每秒需要进行很多计算，这会影响到速度更新的频率。如果计算频率太低，就会创建步进式速度配置文件，从而导致速度沿斜线上升时产生扭矩干扰和振动。

MC3PHAC采用两种技术来共同消除这个问题。第一种技术是速度整平，如图9所示。

图 9. 速度整平（Velocity Pipelining）

各个垂直的分区表示PWM的更新间隔。正如我们所看到的，在每16个更新间隔上，触发一次速度配置程序以合成新的速度和电压信息。在图中，速度配置程序的第一次触发生成一个标为w2的速度。

然而，需要指出的是，应用到该电机的PWM波形直到后来才反映该转速。这种"整平"的作用允许PWM波形在原有的速度数据上构建，同时速度配置程序生成新的速度数据。由于速度配置程序的速度输出波形的绝对时间参照是任意的(过度再生情况中的减速放缓除外)，这种速度整平表示的相位延迟将不会对系统造成负面影响。

为了进一步提高速度波形的分辨率，MC3PHAC还采用了一种修改技术，允许速度波形在每个PWM更新间隔上根据新的值进行更新。图10显示了一个速度上升的波形示例，其中来自配置程序的各个具体的速度输出值分别用一个圆点表示。这些更新每3或4μS发生一次(视PWM频率情况而定)，在加速和减速过程中还可能导致电机达不到最优性能。

每次触发配置程序时，都会提供三个输出值，分别是原有速度、"delta"速度和调制指数(未在图10中显示)。在每个PWM更新间隔，delta速度值都会分成更细的速度增量。通过在每次更新PWM时把这些增量添加到原有的速度值中，就会生成一条新的速度曲线，该曲线增加了16x分辨率，所图10所示。因此，电机可以非常平稳地从一个速度过渡到另一个速度。

图10. 速度修改

系统监视和保护

由于MC3PHAC设计用来控制处理危险的高电压和高电流的逆变器，因此它融入了一系列系统监视和保护功能。在有些情况下，当探测到问题时，MC3PHAC会立即做出响应，努力降低故障的影响。在另外一些情况中， PWM会立即关闭，直到问题解决，同时完成超时操作，表明可以安全重启。对两种类型的故障模式(低V_dd 和晶体探测丢失)来说，MC3PHAC会重启，致使PWM立即进入高抗阻状态，并迫使重新设置连接到复位管脚的所有外部硬件。每种保护功能都按问题的严重性在下面进行详细讨论。

高总线电压
由于MC3PHAC 为交流驱动提供的PWM类型会导致变频器的完全4 象限运行，因此能量可从电机回传给直流总线。然而，在很多情况下，会阻止这种能量返回交流主线，而是作为¹/₂CV²储存在总线电容器中。在大多数情况下，这种情况都是电机大幅减速的结果。如果总线电压超过表2中描述的"总线电压Decel值"的限制，MC3PHAC就会减缓降速以调整再生处理。而且，如果总线电压超过表2中描述的"总线电压Decel值"限制，MC3PHAC就会激活RBRAKE管脚，在电容器上打开一个电阻负载，释放再生能量而不是把它储存起来。图11显示了通过¹/₂ hp电机的加速和减速获得的波形及其对总线电压的相应影响。在这种情况下，只使用电阻制动来限制总线电压，并把"总线电压Rbrake值"设置为其默认值的110%。

图11. 用RBRAKE Clamping加速和减速时直流总线的电压

过高的总线电压
如果上面描述的技术在限制直流总线电容器上的电压时并不成功，总线电压超出表2中描述的"总线电压过压值"限制，PWM输出就立即关闭。在总线电压降至安全限制范围内前，它会一直保持关闭状态，并出现指定的超时操作，显示可以安全地为变频器接通电源。

低压总线
如果总线电压降得过低(如在电力管制条件下)，某些由总线供电的系统的功能就会不稳定，导致其它系统问题。如果总线电压降至表2中描述的"总线电压过压值"门限以下，PWM输出将被关闭，并根据上面对过压条件的描述重新激活。

外部故障条件
MC3PHAC内置有一个称为"FAULT IN"管脚的特殊输入单元，以处理其它系统故障。用户应自己决定该管脚监视哪些系统参数。与以前讨论过的故障模式不同，那些故障模式都是基于以PWM更新取样频率对DC BUS IN管脚的取样，而它则是数字输入，一旦确定是数字输入，就会在使用后立即关闭PWM。如果输入被拒绝，PWM就会在指定的超时，表明可以安全地为变频器接通电源后重新激活。

时钟检测丢失
放松MC3PHAC的输入时钟(或任何标准的微型时钟或DSP)可能意味着电机控制系统的潜在危险环境。事实上，有些法律机构正强制要求对某些设备应用进行"失效晶体"测试，以确认所有可能造成安全危险的应用的电源都已关闭。在交流电机控制系统中，最可能出现的故障是PWM信号可能冻结于目前条件，使变频器中的某些晶体管打开。这样，电机、变频器或两者就很容易毁坏。借助MC3PHAC，这些问题将不复存在，因为如果输入时钟丢失，设备会立即重新设置系统并关闭PWM输出。

低V_dd保护
与输入时钟的丢失一样，较低的V_dd 值可能导致危险的系统故障，因为MC3PHAC和其它关闭V_dd的电路功能会发生混乱。MC3PHAC内置一个板上电压监视器，当V_dd 的电压降到4伏以下时，它会重新复位系统。它允许使用5伏电源，不管其输出电压是否规定为5%或10%的容许量。

结论

到此，我们已经全面介绍了一款控制交流感应电机速度的器件，它可以应用到大多数开放式环路、伏特/赫兹控制的应用中而无需对其进行编程。这样就可以极大地减轻一线开发工作量并降低开发成本，同时它还保持了一定的灵活性，以满足众多变速应用的要求。

MC3PHAC向市场推出几种标准封装。其中有两种28管脚封装：28管脚、6英寸宽、塑料DIP和28管脚塑料SOIC。此外，我们还提供32管脚(QFP) 塑料四方扁平封装。所有封装都能在从-40℃ 到105℃的温度范围内工作。目前，该芯片还可以提供无铅封装的版本。