一種小功率通用變頻器的設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞：變頻器；正弦波脈寬調(diào)制；專用集成電路；智能功率模塊
引言
由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，交流變頻調(diào)速已上升為電氣傳動(dòng)的主流，正在逐步取代傳統(tǒng)的直流傳動(dòng)。而從性價(jià)比的角度來看，交流變頻調(diào)速裝置已經(jīng)優(yōu)于直流調(diào)速裝置。
異步電機(jī)的變頻調(diào)速不僅可以實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)，還有著許多其他交流調(diào)速系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：交流變頻調(diào)速在頻率范圍、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、調(diào)速精度、低頻轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)差補(bǔ)償、通信功能、智能控制、功率因數(shù)、工作效率、使用方便等方面的優(yōu)勢是其他的交流調(diào)速方式難以達(dá)到的，并以體積小、重量輕、通用性強(qiáng)、保護(hù)功能完善、可靠性高、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，深受鋼鐵、冶金、礦山、石油、化工、醫(yī)藥、紡織、機(jī)械、電力、輕工、造紙、印刷、卷煙、自來水等行業(yè)的歡迎，社會(huì)效益非常顯著。
變頻調(diào)速雖然在各個(gè)方面有其優(yōu)勢，但其早期昂貴的造價(jià)和可靠性問題使許多用戶望而卻步。降低造價(jià)和提高可靠性一直是交流變頻調(diào)速的重要課題。
本文針對一般小功率交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的要求，采用上世紀(jì)90年代末才推出的多功能高集成度專用SPWM控制芯片SA866和智能功率模塊PS21255開發(fā)了一種新型通用變頻器。其整?結(jié)構(gòu)簡潔，具有比較完善的功能，滿足了空調(diào)、洗衣機(jī)等家電及小型紡織、塑料加工等工業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)線對變頻器低成本、高可靠性、高性能的要求，并已經(jīng)在廣東、江蘇等多家工廠生產(chǎn)中得到應(yīng)用。
1 SA866和PS21255功能介紹
1.1 SA866功能簡介
1.1.1 功能特點(diǎn)
SA866是專用于交流異步電機(jī)SPWM控制的集成電路。它除了根據(jù)設(shè)定參數(shù)產(chǎn)生合乎要求的SPWM脈沖外，還集成了多種保護(hù)功能，并可在緊急情況下，如短路和過載時(shí)快速關(guān)斷SPWM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，無須微處理器控制。它的輸出頻率以及加速減速頻率都可由外接電位器在線連續(xù)調(diào)節(jié)。所有須定義的參數(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，與微處理器配合使用，基本做到了低價(jià)格多功能。
1.1.2 管腳說明
該芯片采用PLCC封裝,共有32個(gè)管腳,各管腳排列如圖1所示。
各管腳功能如下。
1）電源VDDD和VDDA分別為數(shù)字電源和模擬電源；VSSADC為A/D轉(zhuǎn)換電源，它們接一個(gè)＋5V的電源；VSSD和VSSA分別為數(shù)字電源和模擬電源的地；VREFIN為A/D轉(zhuǎn)換參考電壓（＋2.5V）。
2）串行接口SDA，SCL和CS用于從EEPROM獲取數(shù)據(jù)，分別為數(shù)據(jù)，時(shí)鐘和片選信號(hào)。
3）控制及輸出SETPOINT為頻率給定端，該腳的輸入電壓將決定系統(tǒng)的工作頻率；RACC和RDEC分別確定加速和減速的時(shí)間；RPHT，YPHT，BPHT，RPHB，YPHB和BPHB為橋臂脈沖信號(hào)輸出，其中RPHT，YPHT和BPHT分別對應(yīng)三相輸出的上橋臂；RPHB，YPHB和BPHB分別對應(yīng)三相輸出的下橋臂；DIR控制三相順序，該腳對應(yīng)高低電平有兩個(gè)方向的PWM波供用戶選擇。
4）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和PAGE1決定采用的是EEPROM的哪一頁參數(shù)。
5）保護(hù)VMON為過電壓信號(hào)輸入端，減速過程中此端電平若大于2.5V，就啟動(dòng)過電壓保護(hù)動(dòng)作，將輸出頻率固定在當(dāng)前值；IMON為過電流信號(hào)輸入端，升速過程中，電平若大于2.5V，內(nèi)部過流保護(hù)就動(dòng)作，不再繼續(xù)升速，直到過流信號(hào)消失；SETTRIP為緊急停機(jī)信號(hào)，可快速禁止PWM脈沖輸出；TRIP端表示禁止輸出狀態(tài)，低電平有效，該信號(hào)只有在復(fù)位信號(hào)RESET下才能被解除。
1.2 PS21255功能簡介
1.2.1 功能特點(diǎn)
與常規(guī)的IGBT模塊相比，PS21255具有如下特點(diǎn)：
1）內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電路IPM設(shè)定了內(nèi)部IGBT的最佳驅(qū)動(dòng)條件，驅(qū)動(dòng)電路離IGBT較近，可以大大減少信號(hào)傳輸阻抗，且受外界干擾小，因此不需加反向偏壓，同時(shí)，本模塊采用自舉電路，從而擺脫了控制電源不共地的限制，使用一個(gè)電源，即可實(shí)現(xiàn)方便的控制；
2）內(nèi)含各種保護(hù)使內(nèi)部IGBT因故障損壞的幾率大大降低，這些保護(hù)包括短路保護(hù)(SC)，控制電路欠壓保護(hù)(UV)等；
3）內(nèi)部報(bào)警輸出(FO)該信號(hào)送到控制PWM產(chǎn)生器，封鎖脈沖輸出，進(jìn)而停止系統(tǒng)工作；
4）散熱效果好采用陶瓷絕緣結(jié)構(gòu)，扁平封裝，可以直接安裝在散熱器上；
5）端子布局合理，便于安裝強(qiáng)弱電的輸出輸入端分別安排在模塊的兩側(cè),做到盡量減少干擾。
1.2.2 管腳說明
該模塊的外形及端子分布如圖2所示。IPM(PS21255)模塊外部端子在布局上強(qiáng)弱電分開，P及N為直流輸入端，P為正端，N為負(fù)端；U，V，W為逆變器三相輸出端；UP，VP，WP為上橋臂U，V，W各相脈沖信號(hào)輸入端；UN，VN，WN為下橋臂U，V，W各相脈沖信號(hào)輸入端；VP1及VPC為上橋臂工作電源輸入端，VP1為正端，VPC為負(fù)端；VN1及VNC為下橋臂工作電源輸入端，VN1為正端，VNC為負(fù)端；CIN為電流檢測信號(hào)輸入端；FO為故障輸出端（低電平有效）；CFO為故障輸出脈寬控制端；VUFB及VUFS為U相自舉電路兩端，VUFB為高端，VUFS為低端；VVFB及VVFS為V相自舉電路兩端，VVFB為高端，VVFS為低端；VWFB及VWFS為W相自舉電路兩端，VWFB為高端，VWFS為低端。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 硬件電路
我們開發(fā)的小功率通用變頻器，采用單相交流供電，經(jīng)整流濾波后送入逆變橋，再由逆變橋?qū)⒃撝绷麟娔孀兂扇郪VVF（variablevoltagevariablefrequency）電源，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)分為主電路和控制電路兩部分。系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖3所示。
主電路采用二極管整流，大容量的電解電容濾波，IPM模塊為主電路的核心部分，它包含6個(gè)IGBT構(gòu)成三相逆變橋，且各有自己的驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路，整個(gè)模塊還有短路及控制電路欠壓保護(hù)功能。它的輸入可以兼容TTL電平輸入。
控制電路主要有控制電源和以SA866為核心的SPWM波發(fā)生及驅(qū)動(dòng)電路。控制電源采用7805和7815提供直流穩(wěn)壓電源。SA866AE通過10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器和外接正反向方向腳,可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)和正反向切換。所有的運(yùn)行參數(shù)，包括載波頻率、波形、最小脈沖寬度、死區(qū)脈寬和V/f曲線等都是通過外接的EEPROM編程。由于輸入電壓和反饋能量都將直接反映在直流環(huán)節(jié)上，所以，整個(gè)系統(tǒng)的電壓電流檢測及保護(hù)取樣均集中在直流環(huán)節(jié)。驅(qū)動(dòng)逆變橋所須的PWM信號(hào)則由ASIC芯片SA866提供，經(jīng)反向后送給IPM模塊。
EEPROM選用93LC46，它只須＋5V的電壓即可工作。可重復(fù)地擦寫106次。該芯片的封裝形式為DIP－8，其中VCC和VSS分別為5V電源輸入的正負(fù)端，CLK為時(shí)鐘信號(hào)輸入端，DI為數(shù)據(jù)輸入端，DO為數(shù)據(jù)輸出端，ORG為內(nèi)部數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行8位或16位的選擇。將需要設(shè)定的參數(shù)寫入EEPROM，系統(tǒng)在上電時(shí)就自動(dòng)從EEPROM里面將參數(shù)字讀入SA866，依據(jù)所設(shè)定的參數(shù)字，系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖波形用來控制主電路中模塊的開或關(guān)。
2.2 參數(shù)計(jì)算與設(shè)定
1）載波頻率(CFS)載波頻率是外接時(shí)鐘頻率和一個(gè)倍率系數(shù)N的函數(shù)，N的十進(jìn)制值由初始化寄存器中的一個(gè)3位的CFS字決定。載波頻率fCARR由式（1）決定。
fCARR=fCLK/(512×2 n＋1) （1）
式中：fCLK為時(shí)鐘輸入頻率，本系統(tǒng)所選用的晶振為20MHz。取n=1，CFS=001，實(shí)際fCARR==9.766kHz。
2）輸出電源頻率范圍(FRS)頻率范圍給出了輸出頻率的上限值。頻率范圍fRANCE=fCARR×2m/384，取m=1，即FRS=(001)B。
3）死區(qū)時(shí)間（tpdy）tpdy=（63－PDY）/（fCARR×512）；PDY在0～63之間，取PDY=37=（100101）B；則實(shí)際的tpdy=(26/26.2144)5μs=4.959μs。
4）脈沖取消時(shí)間(PDT)經(jīng)調(diào)制后SPWM的脈寬可以很小，但實(shí)際上，過小的脈寬沒有用，因?yàn)闀r(shí)間過短，功率管還沒來得及完全打開就關(guān)閉了，只增加了功率管的損耗，降低了系統(tǒng)的效率。脈沖取消時(shí)間tpd=(127－PDT)/(fCARR×512)；依此公式，若定義最小寬度為3μs，實(shí)際最小脈寬為tpd－tpdy，則tpd=7.959μs，可得PDT=85.272，取PDT=85=（1010101）B，因此，實(shí)際tpd=8.01μs，脈沖最小寬度為tpd－tpdy=8.01μs－4.959μs=3.051μs。
5）波形選擇SA866AE有三種標(biāo)準(zhǔn)波形供選擇，即純正弦波，正弦波帶三次諧波（增強(qiáng)型）和帶死區(qū)的三次諧波（高效型）。波形采用對稱技術(shù)保證每個(gè)功率管的開通角度相同。本系統(tǒng)選用帶三次諧波的正弦波作為調(diào)制波，即有：WS=（01）B。
6）V/f曲線控制FC用來確定是線性定律還是風(fēng)扇定律，本系統(tǒng)設(shè)定工作在線性曲線狀態(tài)，即FC=0。圖4為SA866AE/AM所提供的線性特性。PED是一個(gè)8位參數(shù)，用來確定在頻率為0時(shí)電機(jī)上的電壓。如果設(shè)置PED=255，則VVVF線性特性沒用。Pedestal(％)=PED×100/255，本系統(tǒng)的初始值設(shè)定為10％，可得PED=25.5，取25，實(shí)際的Pedestal(％)=9.8。GRAD為一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)，決定恒轉(zhuǎn)矩區(qū)曲線的斜率，根據(jù)基頻和PED值計(jì)算：GRAD=(255－PED)×fRANGE/（16×fbase）；GRAD?255，取fbase=50Hz；則有GRAD=15=（1111）B。
7）其他參數(shù)由于線性曲線中不用KAY，在此KAY=（0000000）B；A/D轉(zhuǎn)換的零閾值的控制參數(shù)ZTH=（00）B；將上述所有參數(shù)字經(jīng)統(tǒng)計(jì)得CHKSUM=（001）B。AWS=（0000）B。
由上述計(jì)算可得到參數(shù)分布表如表1所列。
表1 參數(shù)分布表
|
ADDRESS |
MSB(15～8) |
LSB(7～0) |
|
001100 |
00001111 |
00011001 |
|
001101 |
10010100 |
10101010 |
|
001110 |
00101001 |
00000000 |
|
001111 |
11111110 |
＊＊＊＊＊＊＊＊ |
表中“＊”表示任意項(xiàng)，在寫入時(shí)寫成01010101
4 試驗(yàn)應(yīng)用結(jié)果及結(jié)論
根據(jù)設(shè)計(jì)做成的通用變頻器,進(jìn)行了調(diào)速、起動(dòng)、停止、反向、過載調(diào)節(jié)和加減速時(shí)間調(diào)節(jié)等試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，該變頻器各項(xiàng)性能良好，符合設(shè)計(jì)要求，并已先后在廣東和江蘇等地的空調(diào)制冷機(jī)、壓縮機(jī)、紡織生產(chǎn)線和塑料制品生產(chǎn)線上得到應(yīng)用。該變頻器結(jié)構(gòu)簡潔、成本低、可靠性高、具有較高的性價(jià)比和靈活的適應(yīng)性，是驅(qū)動(dòng)小功率電機(jī)及此類生產(chǎn)線最理想的選擇。
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