面向低成本变速应用的“即用型“交流感应电机控制IC

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

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Vdd 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Vdd保护
与输入时钟的丢失一样，较低的Vdd 值可能导致危险的系统故障，因为MC3PHAC和其它关闭Vdd的电路功能会发生混乱。MC3PHAC内置一个板上电压监视器，当Vdd 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。

如欲索取免费样品或在线观看MC3PHAC实际驱动电机的视频演示，敬请访问：http://www.freescale.com/8bit

作者：Dave Wilson
飞思卡尔半导体