图4 系统主电路拓扑结构
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位单片机。MR16内部集成有16K字节的可擦写片内闪速存储器FLASH，768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路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的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模块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，这些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的驱动电路，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软件配置来再使能PWM，这些都给软件设计带来了极大的方便。
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2.3 PWM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对互补工作模式，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，经过相应的计算后将结果送入PVALX(H:L)寄存器中，单片机将PCTN(H:L)中的值与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，它对应于图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。这种产生对称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两次，而且对于一个扇区来讲，桥臂的通断都有一个固定的顺序。
图5 软件实现原理图
2.4 串行通信
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-485总线准确实时地实现了相互的串行通信。同时，运用光耦隔离的办法增强了系统的抗干扰能力，提高了通信的可靠性。双方约定波特率9600bps，工作于半双工模式，并采用校验和的校验方法检验数据通信的准确性。
MR16工作频率设为8MHz，初始化程序如下：
MOV ＃＄50, SCC1 ； 每一帧10位数据，
启动SCI模块
MOV ＃＄0C, SCC2 ； 发送器和接收器使能
MOV ＃＄00, SCC3 ； 屏蔽出错中断
MOV ＃＄30, SCBR ； 设置波特率为9600bps
2.5 软件设计
系统软件采用模块化设计，包括初始化模块，读X5043模块，保护模块，通信显示模块，PI调节模块，软启动模块以及中断模块等。其中除中断模块在中断服务程序中完成以外，其他均放在主程序中完成。主程序流程如图6所示。
图6 主程序流程图
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3 结语
按照上述思想制成实验样机，图7及图8分别是变频器带载时用示波器观察到的系统试验波形。可见，变频器输出波形的正弦度良好，符合理论设计的预期要求。
图7 相电压波形
图8 相电流波形
