一种三MCU系统的硬件实现

3.1 PWM采样方法[1]

PWM脉宽调制是利用相当于基波分量的信号对三角载波进行调制，脉冲宽度由正弦波和三角波自然相交而成的自然采样法，如图4所示。其中图4（a）为对称规则采术，设三角载波周期为Tt，采样周期为Ts(Ts=Tt)，当以三角波顶点t1为采样点时：

ton=Ts/4(1+Usinωt1),toff=Ts/4(1-Usinωt1) （1）

tpw=Ts/2(1+Usinωt1)

采样点时刻t1只与载波比N有关，与调节器幅比M无关（其中t1=kT1,k=0,1,2,…N-1）。

对于图4（b）所示的不对称规则采样法，既在三角波的顶点位置又在底点位置对正弦波进行采样时，采样周期Ts是三角波周期的1/2：

ton=Ts/2(1+Usinωt1)

toff=Ts/2(1-Usinωt1) (2)

t'on=Ts/2(1+Usinωt2)

t'off=Ts/2(1-Usinωt2)

脉冲宽度为：

tpw=ton+t'on=Tt/2[1+U/2(sinωt1+sinωt2)]

t1=kTt/2(当k=0,2,4,6,…)

t2=kTt/2(当k=1,3,5,7,…)

其中k=0，1，2，3…，当k为偶数时是顶点采样，k为奇数时是底点采样。

3.2 软件结构

软件流程如图5所示。由于IPM智能模块只有一路+15V控制电源，为了使IPM正常启动，上电开始时通过依次开通下臂的IGBT，在上臂IGBT上进行足够脉宽的PWM输出，对IMP上臂驱动电源（VUFB、VVFB、VWFB）和下臂驱动电源（VUFS、VVFS、VWFS）上的自举电容进行充电。当自举电容为100μF，自举电阻为50Ω的情况下，自举充电时间约为5ms。自举完成后通过检测IPM的Fo输出判断IPM的运行情况。正常情况Fo输出判断IPM的运行情况。正常情况Fo输出的信号为高电平，当此端口输出低脉冲时，表示模块处于故障状态，通过INT4外部中断程序停止智能模块的输出。

三角载波是通过定时器由软件方式实现。载波周期定时器和采样定时器之间的关系决定着规则采样的性质。当载波周期定时器和采样定时器的周期相同时是对称规则采样，通过（1）式设定定时器TA0～TA2的预载寄存器；当载波半周期定时器和采样定时器的周期相同时是对称规则采样，通过（2）式进行计算设定。

通过上述两种方法可得到不同频率的三相PWM波形。对变频器输出的特性分析，不对称规则采样所形成的阶梯波比对称规则采样时更接近于正弦波，输出电压也高于前者。当载波比N等于3或3的倍数时，逆变器输出电压中偶次谐波分量基本可以消除，其它的高次谐波分量的幅值也较小，但相应的中断次数和计算量将成倍增加。当然基波信号不一定是正弦波，可以采用其它优化PWM调制方法，同时也可以采用其它采样方法，但需要将存储在微处理器中的基波数据和采术计算公式进行调整，可以进行多种尝试以达到更好的谐波特性和更高的功率因数。

该变频器由于采用集成度较高的变频专用微处理器和功能更强的智能功率模块，体积小、成本低，特别适合家电产品和民用产品使用。主要的缺点是省去光耦后IPM 与微处理器只能置于同一块PCB板上，而且上下臂控制信号的走线要尽量短。如微处理器和IPM较远时仍需通过光耦隔离，采用原有的光耦接法。

采用不对称规则采样所形成的阶梯波更接近于正弦波。输出频率与输出电压对频率指令执行速度快，指令周期短，同时智能功率模块的开关频率典型值达到5kHz，可以选用更大的载波比以缩短响应时间，满足实时控制的需要。同时智能功率模块的各种保护措施也是高了变频器的可靠性。