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        基于XC878M變頻器的設(shè)計(jì)

        2010-02-01 07:57:52
        科技傳播 2010年19期
        關(guān)鍵詞:信號(hào)

        張 慧

        長江大學(xué)文理學(xué)院,湖北荊州 434023

        節(jié)能是當(dāng)今電器領(lǐng)域科技發(fā)展的主要方向之一,也是人們?nèi)粘OM(fèi)與生活關(guān)注的焦點(diǎn)。變頻技術(shù)在實(shí)現(xiàn)電器節(jié)能方面發(fā)揮著重要作用。對(duì)中小容量變頻器而言,應(yīng)用最為廣泛的是交流-直流-交流變換器。此類變換器中,又以正弦脈寬調(diào)制(SPWM)型變換器為主。

        利用變頻技術(shù)產(chǎn)生SPWM信號(hào)的方法有多種,如利用分立元件搭建模擬、數(shù)字混合電路、使用SPWM專用芯片或基于CPLD/FPGA設(shè)計(jì)SPWM發(fā)生器等。本文主要研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)SPWM,此方法控制電路簡單可靠,利用軟件產(chǎn)生SPWM波,減輕了對(duì)硬件的要求,且成本低,受外界干擾小。

        圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

        圖2 正弦逆變電路

        1 變頻器方案設(shè)計(jì)

        本文以英飛凌公司XC878M單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流-直流-交流變換器的實(shí)時(shí)檢測和自動(dòng)控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中,變頻器設(shè)計(jì)主要由電源電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)和逆變電路、濾波電路及保護(hù)電路等幾部分構(gòu)成。

        變頻器各模塊設(shè)計(jì):

        1)電源模塊

        本系統(tǒng)要求提供給橋式逆變模塊310V直流電壓。該310V直流電壓由市電經(jīng)全橋整流、濾波后獲得。

        2)控制模塊

        由XC878M輸出利用軟件方法產(chǎn)生的正弦脈寬調(diào)制信號(hào)(SPWM)。

        3)驅(qū)動(dòng)和逆變電路模塊

        由英飛凌公司提供的2片驅(qū)動(dòng)芯片2ED020I12-FI、4只IGBT管SKW30N60HS及外圍輔助電路構(gòu)成,完成DC-AC的逆變、電壓變換。

        4)濾波電路模塊

        驅(qū)動(dòng)和逆變電路輸出的高頻電壓信號(hào),經(jīng)由LC低通濾波后,得到帶動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)電機(jī)的純正弦波電壓信號(hào)。

        5)保護(hù)電路模塊

        由1個(gè)10A保險(xiǎn)絲、4個(gè)反向并聯(lián)在IGBT管集-射極間的反向偏置二極管和LM393及輔助電路組成的比較電路和繼電器構(gòu)成,完成系統(tǒng)的過欠壓、過流保護(hù)及IGBT管的瞬間過流保護(hù)工作。

        2 變頻器硬件電路設(shè)計(jì)

        2.1 逆變電路設(shè)計(jì)

        逆變電路由4個(gè)IGBT管(Q3、Q4、Q5、Q6)組成的全橋式逆變電路組成,每個(gè)IGBT管并聯(lián)1個(gè)反向偏置二極管(D2、D6、D5、D10),利用二極管的極間電容,可以濾除IGBT管導(dǎo)通瞬間的大電流,起到瞬間過流保護(hù)作用。橋臂Q3、Q6和Q5、Q4在輸出正弦波信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)交替工作,可將直流電壓轉(zhuǎn)換成按正弦規(guī)律變化的梯形脈沖波,經(jīng)低通濾波器濾波后,負(fù)載上得到的實(shí)際電壓為正弦波。逆變橋的SPWM控制信號(hào)由主控芯片XC878M產(chǎn)生,并通過隔離驅(qū)動(dòng)電路傳遞到IGBT管的柵極。逆變電路如圖2所示。

        2.2 驅(qū)動(dòng)電路

        由于XC878M產(chǎn)生的SPWM信號(hào)不能直接驅(qū)動(dòng)IGBT,故逆變橋的驅(qū)動(dòng)采用英飛凌專用驅(qū)動(dòng)芯片2ED020I12-FI。2ED020I12-FI為雙通道、高壓高速功率驅(qū)動(dòng)器件,可驅(qū)動(dòng)1200V的MOSFET及IGBT。2ED020I12-FI可同時(shí)輸出兩路獨(dú)立并且隔離的驅(qū)動(dòng)信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)兩路同一橋臂IGBT。2ED020I12-FI輸出部分采用15 V供電,供電電壓可直接供給或經(jīng)由二極管及電容供給。常規(guī)逆變電路經(jīng)常需要四組隔離的驅(qū)動(dòng)電源,而2ED020I12-F驅(qū)動(dòng)芯片只需要單組15 V電源供電,這可以極大地簡化驅(qū)動(dòng)電路并且節(jié)約成本。2ED020I12-F的所有邏輯輸入電壓可為3.3V或5V。/SD(高低端兩通道關(guān)斷邏輯輸入)、INH(高端邏輯輸入)和INL(低端邏輯輸入)為2ED020I12-F的邏輯輸入端。/ SD為高電平時(shí),INH和INL輸入無效(OutH 與OutL輸出低電平)。/ SD為低電平時(shí),若INH為高電平(而INL為低電平),則OutH(高端輸出)啟用(輸出高電平);反之,若INL為高電平(而INH為低電平),OutL(低端輸出)啟用(輸出高電平)。若INH和INL均為高電平,則兩個(gè)輸入都無效(OutH 與OutL輸出低電平),直至兩者之一變?yōu)榈碗娖綍r(shí)才有效。2ED020I12-FI內(nèi)部還有一個(gè)通用運(yùn)算放大器和一個(gè)通用比較器,可分別用于IGBT管的電流檢測和過流檢測。

        利用1片2ED020I12-FI驅(qū)動(dòng)半橋逆變電路的電路圖如圖3所示。

        圖3 半橋驅(qū)動(dòng)電路

        XC878M的輸入捕獲/輸出比較單元CCU6中的定時(shí)器T12(選通道0和通道1)可產(chǎn)生兩路PWM信號(hào)。2ED020I12-FI為雙通道驅(qū)動(dòng)芯片,故2片2ED020I12-FI可驅(qū)動(dòng)4個(gè)IGBT管SKW30N60HS。其中,第一片驅(qū)動(dòng)芯片2ED020I12-FI用于控制IGBT管Q3、Q4。第二片驅(qū)動(dòng)芯片2ED020I12-FI用于控制IGBT管Q5、Q6。在交流輸出的前半個(gè)周期,XC878M的P3.0輸出有效,利用三極管的開關(guān)作用,送至第一片驅(qū)動(dòng)芯片2ED020I12-FI的INL(低端輸入)及第二片驅(qū)動(dòng)芯片的INH(高端輸入),由第一片驅(qū)動(dòng)芯片2ED020I12-FI的OutH(高端輸出)及第二片驅(qū)動(dòng)芯片的OutL(低端輸出)控制IGBT管Q3、Q6的導(dǎo)通與關(guān)斷。同理,在交流輸出的后半個(gè)周期,XC878M的P3.1輸出有效,此時(shí)的SPWM信號(hào)經(jīng)由兩片2ED020I12-FI控制IGBT管Q5、Q4的導(dǎo)通與關(guān)斷。XC878M的P3.0和 P3.1輪流交替有效,使得輸出端得到正負(fù)交替出現(xiàn)的調(diào)制方波。

        3 SPWM信號(hào)產(chǎn)生

        3.1 PWM程序編程思路

        本文將一個(gè)周期T的信號(hào)分成1 440個(gè)點(diǎn)(按X軸等分),兩點(diǎn)間的時(shí)間間隔由XC878M通過定時(shí)器中斷產(chǎn)生。因此,首先需建立正弦脈寬數(shù)據(jù)表,由XC878M初始化時(shí)算好,將其按一定的格式(即考慮相序及同一相中的脈寬次序等)存入片內(nèi)的FLASH中,建立好數(shù)據(jù)指針,以便按一定的尋址方式查詢。

        3.2 PWM程序詳細(xì)設(shè)計(jì)

        SPWM實(shí)際上就是用一組經(jīng)過調(diào)制的幅值相等、寬度不等的脈沖信號(hào)代替調(diào)制信號(hào),用開關(guān)量代替模擬量。調(diào)制后的信號(hào)中除了含有調(diào)制信號(hào)外,還含有頻率很高的載波頻率及載波倍頻附近的頻率分量,但幾乎不含其他諧波,特別是接近基波的低次諧波。因此,載波頻率也即SPWM的開關(guān)頻率越高,諧波含量越少。這從SPWM的原理可以直觀地看出。當(dāng)載波頻率高時(shí),半周期內(nèi)開關(guān)次數(shù)越多,把期望的正弦波分段也越多,SPWM的基波就越接近期望的正弦波。

        但是,SPWM的載波頻率除了受功率器件的允許開關(guān)頻率制約外,SPWM的開關(guān)頻率也不宜過高,這是因?yàn)殚_關(guān)器件工作頻率提高,開關(guān)損耗和換流損耗會(huì)隨之增加。另外,開關(guān)瞬間電壓或電流的急劇變化形成很大的du/dt或di/dt,會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的電磁干擾;高du/dt、di/dt還會(huì)在線路和器件的分布電容和電感上引起沖擊電流和尖峰電壓;這些也會(huì)因頻率提高而變得嚴(yán)重。

        綜上所述,SPWM的開關(guān)頻率的選擇應(yīng)綜合考慮各個(gè)方面的因素,本設(shè)計(jì)實(shí)際采用的SPWM開關(guān)頻率,也即IGBT的開關(guān)頻率為18MHz,這是一個(gè)折中的選擇。

        正弦波輸出的0~180度由XC878M定時(shí)器T12的通道0(對(duì)應(yīng)的為COUT60_0)輸出有效,180~360度由T12的通道1(對(duì)應(yīng)的為COUT61_0)輸出有效,COUT60_0和 COUT61_0兩腳輪流交替有效輸出脈寬調(diào)制的正弦半波。

        正弦波輸出的一個(gè)周期T分成1440個(gè)點(diǎn)(按X軸等分),兩點(diǎn)間的時(shí)間間隔由XC878M的定時(shí)器通過計(jì)數(shù)中斷實(shí)現(xiàn)(載波頻率設(shè)置),由于XC878M的內(nèi)部定時(shí)器有PWM的設(shè)置,通過在程序中設(shè)置定時(shí)器的計(jì)數(shù)值來控制頻率,通過設(shè)置占空的計(jì)數(shù)值來調(diào)整脈沖的占空比,以保證輸出方波的脈沖寬度按正弦規(guī)律變化。正弦脈寬調(diào)制波形示意圖見圖4。

        本設(shè)計(jì)中壓縮機(jī)電機(jī)工作頻率范圍為20Hz~130Hz。逆變后的方波經(jīng)濾波后可以得到正弦波脈沖,調(diào)制頻率為28.8KHz~187KHz,一個(gè)周期分為1 440個(gè)調(diào)制脈寬,每個(gè)正弦波周期為 1440×(1/187KHz~1/28.8KHz)=0.0077s~0.05s,輸出頻率為20Hz~130Hz。正弦脈沖的度數(shù)與計(jì)數(shù)值之間的一個(gè)換算見表1。

        圖4 正弦波脈沖寬度調(diào)制波形示意圖

        3.3 PWM程序流程圖

        首先對(duì)程序進(jìn)行初始化,初始化之后程序就進(jìn)入了中斷,連續(xù)讀取720個(gè)PWM的匹配值產(chǎn)生0~180度的PWM。然后,關(guān)閉此定時(shí)器和中斷,并打開TIMER0和它的定時(shí)中斷,同樣的連續(xù)讀取720個(gè)PWM的匹配值產(chǎn)生180~360度的PWM。

        主程序中,在while(1)中不斷的掃描DS18B20溫度傳感器返回值。通過判斷室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度間溫差,動(dòng)態(tài)生成變頻表。正弦波頻率的改變范圍是20Hz~130Hz。

        PWM調(diào)制程序流程圖如圖5所示。

        4 結(jié)論

        文中以XC878M單片機(jī)輸出利用軟件方法產(chǎn)生的正弦脈寬調(diào)制信號(hào),將310V直流電壓逆變?yōu)楦哳l交流信號(hào),后經(jīng)低通濾波得到純正正弦波帶動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)電機(jī)運(yùn)行,即基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流-直流-交流變換器的實(shí)時(shí)檢測和自動(dòng)控制,利用變頻技術(shù)最終達(dá)到空調(diào)節(jié)能的目的。單片機(jī)模擬輸出的SPWM信號(hào)可使硬件電路簡化,系統(tǒng)功率因數(shù)與效率大大提高;同時(shí),采用高頻調(diào)制后可獲得高質(zhì)量的輸出電壓波形,抑制了高次諧波,使變換器損耗減小,由此提高了系統(tǒng)的工作性能。

        [1]劉鳳君.正弦波逆變器[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

        [2]李愛文.現(xiàn)代逆變技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社, 2000.

        [3]陳道煉.DC-AC逆變技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版 社,2005.

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        [5]張燕賓.SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版 社,2005.

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