面向低成本变速应用的“即用型“交流感应电机控制IC

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，