面向低成本變速應(yīng)用的“即用型“交流感應(yīng)電機(jī)控制IC

假定ACCEL管腳上的電壓保持一個(gè)常量，或者加速度值通過主機(jī)軟件被設(shè)置為一個(gè)常量，MC3PHAC就會(huì)生成一個(gè)線速配置文件。為了獲取其它類型的配置文件，當(dāng)速度沿斜線上升時(shí)，加速度值必須動(dòng)態(tài)變化。例如，為了獲得拋物線速度配置文件，當(dāng)速度沿斜線上升時(shí)，加速度必須在線性配置文件中變動(dòng)。

MC3PHAC中的速度配置程序(velocity Profiler)不但要負(fù)責(zé)控制電機(jī)的速度，還要負(fù)責(zé)控制電機(jī)的電壓，因?yàn)檫@兩者在每赫茲伏特控制器中彼此相關(guān)。為了實(shí)施MC3PHAC中嵌入的所有功能，速度配置程序每秒需要進(jìn)行很多計(jì)算，這會(huì)影響到速度更新的頻率。如果計(jì)算頻率太低，就會(huì)創(chuàng)建步進(jìn)式速度配置文件，從而導(dǎo)致速度沿斜線上升時(shí)產(chǎn)生扭矩干擾和振動(dòng)。

MC3PHAC采用兩種技術(shù)來共同消除這個(gè)問題。第一種技術(shù)是速度整平，如圖9所示。

圖 9. 速度整平（Velocity Pipelining）

各個(gè)垂直的分區(qū)表示PWM的更新間隔。正如我們所看到的，在每16個(gè)更新間隔上，觸發(fā)一次速度配置程序以合成新的速度和電壓信息。在圖中，速度配置程序的第一次觸發(fā)生成一個(gè)標(biāo)為w2的速度。

然而，需要指出的是，應(yīng)用到該電機(jī)的PWM波形直到后來才反映該轉(zhuǎn)速。這種"整平"的作用允許PWM波形在原有的速度數(shù)據(jù)上構(gòu)建，同時(shí)速度配置程序生成新的速度數(shù)據(jù)。由于速度配置程序的速度輸出波形的絕對(duì)時(shí)間參照是任意的(過度再生情況中的減速放緩除外)，這種速度整平表示的相位延遲將不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成負(fù)面影響。

為了進(jìn)一步提高速度波形的分辨率，MC3PHAC還采用了一種修改技術(shù)，允許速度波形在每個(gè)PWM更新間隔上根據(jù)新的值進(jìn)行更新。圖10顯示了一個(gè)速度上升的波形示例，其中來自配置程序的各個(gè)具體的速度輸出值分別用一個(gè)圓點(diǎn)表示。這些更新每3或4μS發(fā)生一次(視PWM頻率情況而定)，在加速和減速過程中還可能導(dǎo)致電機(jī)達(dá)不到最優(yōu)性能。

每次觸發(fā)配置程序時(shí)，都會(huì)提供三個(gè)輸出值，分別是原有速度、"delta"速度和調(diào)制指數(shù)(未在圖10中顯示)。在每個(gè)PWM更新間隔，delta速度值都會(huì)分成更細(xì)的速度增量。通過在每次更新PWM時(shí)把這些增量添加到原有的速度值中，就會(huì)生成一條新的速度曲線，該曲線增加了16x分辨率，所圖10所示。因此，電機(jī)可以非常平穩(wěn)地從一個(gè)速度過渡到另一個(gè)速度。

圖10. 速度修改

由于MC3PHAC設(shè)計(jì)用來控制處理危險(xiǎn)的高電壓和高電流的逆變器，因此它融入了一系列系統(tǒng)監(jiān)視和保護(hù)功能。在有些情況下，當(dāng)探測(cè)到問題時(shí)，MC3PHAC會(huì)立即做出響應(yīng)，努力降低故障的影響。在另外一些情況中， PWM會(huì)立即關(guān)閉，直到問題解決，同時(shí)完成超時(shí)操作，表明可以安全重啟。對(duì)兩種類型的故障模式(低Vdd 和晶體探測(cè)丟失)來說，MC3PHAC會(huì)重啟，致使PWM立即進(jìn)入高抗阻狀態(tài)，并迫使重新設(shè)置連接到復(fù)位管腳的所有外部硬件。每種保護(hù)功能都按問題的嚴(yán)重性在下面進(jìn)行詳細(xì)討論。

高總線電壓
由于MC3PHAC 為交流驅(qū)動(dòng)提供的PWM類型會(huì)導(dǎo)致變頻器的完全4 象限運(yùn)行，因此能量可從電機(jī)回傳給直流總線。然而，在很多情況下，會(huì)阻止這種能量返回交流主線，而是作為1/2CV2儲(chǔ)存在總線電容器中。在大多數(shù)情況下，這種情況都是電機(jī)大幅減速的結(jié)果。如果總線電壓超過表2中描述的"總線電壓Decel值"的限制，MC3PHAC就會(huì)減緩降速以調(diào)整再生處理。而且，如果總線電壓超過表2中描述的"總線電壓Decel值"限制，MC3PHAC就會(huì)激活RBRAKE管腳，在電容器上打開一個(gè)電阻負(fù)載，釋放再生能量而不是把它儲(chǔ)存起來。圖11顯示了通過1/2 hp電機(jī)的加速和減速獲得的波形及其對(duì)總線電壓的相應(yīng)影響。在這種情況下，只使用電阻制動(dòng)來限制總線電壓，并把"總線電壓Rbrake值"設(shè)置為其默認(rèn)值的110%。

圖11. 用RBRAKE Clamping加速和減速時(shí)直流總線的電壓

過高的總線電壓
如果上面描述的技術(shù)在限制直流總線電容器上的電壓時(shí)并不成功，總線電壓超出表2中描述的"總線電壓過壓值"限制，PWM輸出就立即關(guān)閉。在總線電壓降至安全限制范圍內(nèi)前，它會(huì)一直保持關(guān)閉狀態(tài)，并出現(xiàn)指定的超時(shí)操作，顯示可以安全地為變頻器接通電源。

低壓總線
如果總線電壓降得過低(如在電力管制條件下)，某些由總線供電的系統(tǒng)的功能就會(huì)不穩(wěn)定，導(dǎo)致其它系統(tǒng)問題。如果總線電壓降至表2中描述的"總線電壓過壓值"門限以下，PWM輸出將被關(guān)閉，并根據(jù)上面對(duì)過壓條件的描述重新激活。

外部故障條件
MC3PHAC內(nèi)置有一個(gè)稱為"FAULT IN"管腳的特殊輸入單元，以處理其它系統(tǒng)故障。用戶應(yīng)自己決定該管腳監(jiān)視哪些系統(tǒng)參數(shù)。與以前討論過的故障模式不同，那些故障模式都是基于以PWM更新取樣頻率對(duì)DC BUS IN管腳的取樣，而它則是數(shù)字輸入，一旦確定是數(shù)字輸入，就會(huì)在使用后立即關(guān)閉PWM。如果輸入被拒絕，PWM就會(huì)在指定的超時(shí)，表明可以安全地為變頻器接通電源后重新激活。

時(shí)鐘檢測(cè)丟失
放松MC3PHAC的輸入時(shí)鐘(或任何標(biāo)準(zhǔn)的微型時(shí)鐘或DSP)可能意味著電機(jī)控制系統(tǒng)的潛在危險(xiǎn)環(huán)境。事實(shí)上，有些法律機(jī)構(gòu)正強(qiáng)制要求對(duì)某些設(shè)備應(yīng)用進(jìn)行"失效晶體"測(cè)試，以確認(rèn)所有可能造成安全危險(xiǎn)的應(yīng)用的電源都已關(guān)閉。在交流電機(jī)控制系統(tǒng)中，最可能出現(xiàn)的故障是PWM信號(hào)可能凍結(jié)于目前條件，使變頻器中的某些晶體管打開。這樣，電機(jī)、變頻器或兩者就很容易毀壞。借助MC3PHAC，這些問題將不復(fù)存在，因?yàn)槿绻斎霑r(shí)鐘丟失，設(shè)備會(huì)立即重新設(shè)置系統(tǒng)并關(guān)閉PWM輸出。

低Vdd保護(hù)
與輸入時(shí)鐘的丟失一樣，較低的Vdd 值可能導(dǎo)致危險(xiǎn)的系統(tǒng)故障，因?yàn)镸C3PHAC和其它關(guān)閉Vdd的電路功能會(huì)發(fā)生混亂。MC3PHAC內(nèi)置一個(gè)板上電壓監(jiān)視器，當(dāng)Vdd 的電壓降到4伏以下時(shí)，它會(huì)重新復(fù)位系統(tǒng)。它允許使用5伏電源，不管其輸出電壓是否規(guī)定為5%或10%的容許量。

結(jié)論

到此，我們已經(jīng)全面介紹了一款控制交流感應(yīng)電機(jī)速度的器件，它可以應(yīng)用到大多數(shù)開放式環(huán)路、伏特/赫茲控制的應(yīng)用中而無需對(duì)其進(jìn)行編程。這樣就可以極大地減輕一線開發(fā)工作量并降低開發(fā)成本，同時(shí)它還保持了一定的靈活性，以滿足眾多變速應(yīng)用的要求。

MC3PHAC向市場(chǎng)推出幾種標(biāo)準(zhǔn)封裝。其中有兩種28管腳封裝：28管腳、6英寸寬、塑料DIP和28管腳塑料SOIC。此外，我們還提供32管腳(QFP) 塑料四方扁平封裝。所有封裝都能在從-40℃ 到105℃的溫度范圍內(nèi)工作。目前，該芯片還可以提供無鉛封裝的版本。

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作者：Dave Wilson
飛思卡爾半導(dǎo)體