新型PWM產(chǎn)生器SA866及其在通用變頻器上的應(yīng)用
1引言
變頻器正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在變頻器技術(shù)中最重要的是SPWM脈沖的產(chǎn)生，通常采用的方法有模擬法和數(shù)字法，數(shù)字法的實(shí)現(xiàn)一種是利用微處理器計(jì)算查表得到，常需復(fù)雜的編程，另一種是利用專(zhuān)用集成電路(ASIC)來(lái)產(chǎn)生PWM脈沖，不需或只需少許編程，使用起來(lái)極為方便。本文介紹的SA866就是一塊90年代末才推出的多功能ASIC。它可以獨(dú)立運(yùn)行，功能較強(qiáng)，以它為核心的變頻器具有極高的性?xún)r(jià)比。本文介紹采用SA866研制的一臺(tái)適用于風(fēng)機(jī)、水泵負(fù)載的通用變頻器，并可推廣應(yīng)用于對(duì)成本敏感的家電領(lǐng)域。
2SA866功能簡(jiǎn)介
2?1功能特點(diǎn)
SA866是專(zhuān)為感應(yīng)電機(jī)的PWM控制設(shè)計(jì)的一款集成電路。它除了能產(chǎn)生合乎要求的PWM脈沖外，還集成了完備的過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)功能，并可在緊急情況如短路、過(guò)熱時(shí)快速關(guān)斷PWM脈沖，保護(hù)逆變器和電機(jī)。它的最大特點(diǎn)是可以獨(dú)立運(yùn)行，無(wú)需微處理器。它的輸出頻率以及加速減速的快慢都可由外接電位器在線連續(xù)調(diào)節(jié)。所有需定義的參數(shù)如載波頻率、死區(qū)時(shí)間、最小脈寬、調(diào)制波形、V／F曲線等均存儲(chǔ)在外接的廉價(jià)EEPROM中，上電時(shí)自動(dòng)讀入SA866中。SA866有6種工作模式，它可以變頻變幅，也可以定頻變幅；可以獨(dú)立運(yùn)行，也可與微處理器配合使用，基本做到了低價(jià)格多功能，在許多逆變領(lǐng)域均可采用。它采用雙緣調(diào)制技術(shù)，脈沖產(chǎn)生精確，它的工作頻率范圍很寬，時(shí)鐘頻率為25MHz時(shí)，載波頻率可達(dá)24kHz，輸出頻率可達(dá)4kHz。它還可以提供兩種V／F曲線：恒轉(zhuǎn)矩的V／F線和負(fù)補(bǔ)償?shù)腣／F線，后者即針對(duì)風(fēng)機(jī)類(lèi)負(fù)載而設(shè)。
2?2管腳說(shuō)明
采用PLCC封裝，共有32個(gè)管腳，管腳圖如圖1所示。
圖1SA866管腳圖
(1)對(duì)外串行接口SDA、SCL、CS為SA866與EEPROM或微處理器的串行接口。SDA為數(shù)據(jù)總線，SCL為時(shí)鐘信號(hào)，CS為片選信號(hào)。
表2EEPROM參數(shù)放置圖
| 地址 | 最高位最低位 | |||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 15 | 14 | 13 | 12 | 11 | 10 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 | |
| （00）1100 | GRAD7:0 | PED7:0 | ||||||||||||||
| 1101 | PDY5:0 | ZTH1:0 | PDT6:0 | FC | ||||||||||||
| 1110 | CFS2:0 | WS1:0 | FRS2:0 | KAY7:0 | ||||||||||||
| 1111 | AWS3:0 | CHKSUM2:0 | 多余字節(jié) | |||||||||||||
(2)工作狀態(tài)選擇SERIAL決定與SA866連接
的是EEPROM還是微處理器，高電平表示與EEPROM連接，PAGE0、PAGE1決定采用的是EEPROM中的哪一頁(yè)參數(shù)。
(3)控制及輸出SETPOINT決定穩(wěn)定運(yùn)行頻
率，RACC、RDEC決定加速減速的快慢，也可用來(lái)選擇6種工作模式中的一種。RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT、BPHB為三相PWM脈沖輸出端，可直接驅(qū)動(dòng)光耦。DIR控制三相順序，高電平表示正向旋轉(zhuǎn)。
(4)保護(hù)VMON為過(guò)電壓信號(hào)輸入端，減速過(guò)程
中此端電平若大于2?5V，就起動(dòng)過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作，將輸出頻率固定在當(dāng)前值。IMON為過(guò)流信號(hào)輸入端，升速過(guò)程中端電平若大于2?5V，內(nèi)部過(guò)流保護(hù)就動(dòng)作，不再繼續(xù)升速，直到過(guò)流信號(hào)消失才繼續(xù)升速。SETTRIP為緊急停機(jī)信號(hào)，可快速禁止PWM脈沖輸出，TRIP端表示輸出禁止?fàn)顟B(tài)，低電平有效，該信號(hào)只有在復(fù)位信號(hào)下才能被解除。
(5)電源VDDD為數(shù)字電源，VDDA為模擬電源，
VSSADC為A／D轉(zhuǎn)換電源，均接同一個(gè)＋5V電源，VSSD、VSSA分別為數(shù)字地及模擬地，VREFIN為A／D轉(zhuǎn)換參考電壓，＋2?5V。
3SA866的控制方式
所有可編程參數(shù)都存儲(chǔ)在EEPROM中，并在RESET信號(hào)后自動(dòng)裝入SA866中。一片EEPROM可同時(shí)存放四頁(yè)參數(shù)，改變PAGE0、PAGE1兩腳的電平就可決定采用哪一頁(yè)參數(shù)，如表1所示。
表1EEPROM頁(yè)地址
| PAGE1 | PAGE0 | 起始地址 | 頁(yè)數(shù) |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | XX0000 | 0 |
| 0 | 1 | XX0100 | 1 |
| 1 | 0 | XX1000 | 2 |
| 1 | 1 | XX1100 | 3 |
表中各參數(shù)的計(jì)算方法如下：
（1）載波頻率選擇字CFS載波頻率fCARR由外部時(shí)鐘頻率fCLK和分頻比n決定，fCARR=，其中n是選擇字CFS的十進(jìn)制表示，如表3所示。
表3CFS值
| CFS | 111 | 110 | 101 | 100 | 011 | 010 | 001 | 000 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| n | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
（2）調(diào)制頻率范圍選擇字FRS調(diào)制頻率范圍是載波頻率fCARR和系數(shù)m的函數(shù)，m是FRS的十進(jìn)制表示，0≤m≤6；FRS為三位二進(jìn)制數(shù)。調(diào)制頻率范圍由下式給出：fRANGE=。
（3）脈沖延遲(死區(qū))時(shí)間選擇字PDY脈沖延遲時(shí)間是載波頻率和參數(shù)pdy的函數(shù)，如下式所示：tpdy=，參數(shù)pdy是PDY字的十進(jìn)制形式，pdy在0到63之間，PDY為六位二進(jìn)制數(shù)。
（4）脈沖刪除時(shí)間選擇字PDT因?yàn)镾A866內(nèi)部脈沖刪除電路在脈沖延遲電路之前，所以實(shí)際輸出的最小脈寬等于tpd－tpdy。脈沖刪除時(shí)間tpd由下式給出：tpd=，參數(shù)pdt由選擇字PDT確定，pdt在0到127之間，PDT為七位二進(jìn)制數(shù)。
（5）波形選擇字WSSA866可以提供三種調(diào)制波
形：純正弦波、正弦波加三次諧波，帶死區(qū)的三次諧波。采用三次諧波型波形可以提高輸出功率，而帶死區(qū)的三次諧波型波形可以降低開(kāi)關(guān)損耗。選擇字WS定義所選用的波形，見(jiàn)表4。
表4波形選擇值
| WS | 00 | 01 | 10 | 11 |
|---|---|---|---|---|
| 波形 | 純正弦型 | 正弦波加三次諧波形 | 帶死區(qū)的三次諧波形 | 波形自動(dòng)轉(zhuǎn)換 |
其中GRAD為8位正數(shù)，而KAY為八位有符號(hào)數(shù)，最高位是符號(hào)位。
圖2恒轉(zhuǎn)矩型V／F線
圖3負(fù)補(bǔ)償型V／F線
圖4變頻器系統(tǒng)框圖
(8)檢查字CHKSUMSA866在從EEPROM中讀入數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)對(duì)其中的‘1’計(jì)數(shù)(不包括CHKSUM中的數(shù)據(jù))，計(jì)數(shù)結(jié)果(二進(jìn)制)的最低三位應(yīng)等于CHKSUM中的數(shù)據(jù)，否則將輸出TRIP信號(hào)，禁止脈沖輸出。
4變頻器硬件電路設(shè)計(jì)
所研制的變頻器硬件電路原理框圖如圖4所示，它主要由以下幾部分構(gòu)成：
（1）主電路采用的電路形式為AC/DC/AC型逆變電路。三相交流電經(jīng)整流濾波后以直流形式供給逆變橋，主開(kāi)關(guān)器件使用西門(mén)子公司的6單元模塊BSM100GD120DN2，輸出接三相電機(jī)。
（2）驅(qū)動(dòng)電路采用三菱公司的M57962L，它內(nèi)
含光耦隔離，能夠檢測(cè)橋臂直通短路，并能通過(guò)柵極關(guān)閉和降壓電路實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)器件軟關(guān)斷，同時(shí)向SA866發(fā)故障信號(hào)，封鎖脈沖輸出。
（3）控制及保護(hù)電路SA866只需少許外圍元
件就可構(gòu)成功能較強(qiáng)的控制電路。開(kāi)機(jī)后SA866首先從EEPROM(這里是HT93LC46)中讀取設(shè)定參數(shù)，完成自身的初始化。三個(gè)外接電位器分別控制穩(wěn)定工作頻率、升速斜率和降速斜率。保護(hù)電路主要包括過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)熱等部分，均可通過(guò)SETTRIP端實(shí)現(xiàn)快速封鎖脈沖信號(hào)，保護(hù)逆變橋不受損害。但對(duì)于升降速過(guò)程中引起的過(guò)壓過(guò)流則可以分別由VMON、IMON實(shí)現(xiàn)保護(hù)。
5參數(shù)計(jì)算
本系統(tǒng)應(yīng)用的時(shí)鐘頻率為11?059MHz，載波頻率11kHz，調(diào)制頻率范圍0～60Hz，最小脈寬3μs，死區(qū)時(shí)間5μs。計(jì)算過(guò)程如下所示：(1)確定CFS2n＋1==1?96，所以
n=0，CFS=000。實(shí)際的fCARR=10?8kHz。
(2)確定FRS2m=384×fRANGE／fCARR=2?13，
所以可取m=1，F(xiàn)RS=001，實(shí)際fRANGE=57?6Hz。(3)確定PDY死區(qū)時(shí)間tpdy==
5μs，所以pdy=35?4，取35，則PDY=100011，實(shí)際死區(qū)時(shí)間為5?1μs。
(4)確定PDT由tpd－tpdy=3μs
得tpd=tpdy＋3=8?1μs又tpd=故pdt=82?2，則PDT=1010010，
實(shí)際的最小脈寬為8?1－5?1=3μs。
(5)確定V／F曲線控制字因?yàn)槭秋L(fēng)機(jī)類(lèi)負(fù)載，所以FC=1，又低頻時(shí)不需轉(zhuǎn)矩提升，則PED=0；令fBASE=50Hz，則它對(duì)應(yīng)的F=fBASE＊255/fRANGE=221；在V／F曲線上取兩點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)額定頻率和1／2額定頻率在V／F曲線上映射，以(F，V％)格式表示為(221，100)和(110，25)，根據(jù)求幅值公式(1)可列出方程組如下：解此方程組可得：GRAD=10?6，取11即GRAD=00001011；KAY=5?3，取5，即KAY=00000101。
（6）確定其余選擇字波形采用正弦波加三次諧波型，所以WS=01，AWS=0000；零頻閾值電壓為0，所以ZTH=00；以上所有選擇字中‘1’的個(gè)數(shù)為14，所以CHKSUM=110。
6結(jié)語(yǔ)
變頻器采用SA866后，控制電路大為簡(jiǎn)化，降低了成本，提高了可靠性，減少了開(kāi)發(fā)周期。通過(guò)測(cè)試效果令人滿(mǎn)意。對(duì)于通用變頻器，采用SA866應(yīng)是一個(gè)比較理想的選擇
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