李 瑾

LI Jin

（南昌工程學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，南昌 330099）

0 引言

電機(jī)交流變頻技術(shù)是一種將功率和控制綜合應(yīng)用的技術(shù)。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。用于產(chǎn)生PWM 波的專用大規(guī)模集成電路芯片主要有 HEF4752，SLE4520，MA818 和 8XC196MC等，但它們都需要比較復(fù)雜的外圍控制電路或是需要借助于微處理器才能構(gòu)成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。由M IT EL公司推出的三相PWM運(yùn)動(dòng)控制芯片SA866是一種全數(shù)字化高智能的PWM控制器，其接口簡(jiǎn)單，工作中無(wú)需微處理器，許多重要的運(yùn)行參數(shù)可在器件初始化時(shí)編程設(shè)置，非常適于用在通用變頻器及高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)中。

本文設(shè)計(jì)了一種以專用集成芯片SA866為控制核心的新型全數(shù)字化三相SPWM變頻器，它采用IGBT作為主功率器件，充分利用其外圍電路簡(jiǎn)單、具有多種波形選擇、無(wú)需其它處理器配合的特點(diǎn)，采用這種變頻器，可以得到相當(dāng)接近正弦波的輸出電壓，并能使功率因數(shù)接近于1，同時(shí)只要通過對(duì)輸出脈沖寬度的控制就可以改變輸出電壓，大大加快了變頻器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

1 SA866AE的特點(diǎn)及原理框圖

SA866是專為感應(yīng)電機(jī)的PWM控制設(shè)計(jì)的一款集成電路，其內(nèi)部包含了波形、頻率、幅值等控制信息，控制實(shí)行全數(shù)字化，重復(fù)性好，無(wú)溫漂，無(wú)時(shí)漂。SA866AE 采用異步不對(duì)稱規(guī)則采樣的調(diào)制方法，脈沖調(diào)制信號(hào)是通過比較輸入?yún)⒖疾ㄐ魏透哳l載波得到的。三角波（載波)由 1個(gè)上/ 下計(jì)數(shù)器合成，并通過數(shù)字比較器和輸入?yún)⒖疾ㄐ芜M(jìn)行比較。SA866為用戶提供的參考波形以數(shù)字形式存在內(nèi)部的ROM 中，有3種形式：純正弦波、三次諧波、帶死區(qū)三次諧波。PWM波形最終輸出三對(duì)互補(bǔ)信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)三相逆變橋的上下開關(guān)器件。腳SETPIONT給定的電壓決定了電源工作頻率或電壓的幅值，經(jīng)一快速10位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量作為加速/減速單元電路的目標(biāo)頻率或電壓值。加減速時(shí)間分別由外圍RC決定。內(nèi)部電源頻率是一個(gè)十六位數(shù)字量，因此，它比十位的給定頻率更能平滑地加速和減速。輸入端Vmon和Imon也可控制加速/減速，當(dāng)Vmon或Imon信號(hào)有效時(shí)，不論正常的頻率如何變化，可以強(qiáng)制使加速率或減速率為O，防止功率開關(guān)管被沖擊，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)管的過流和過壓保護(hù)。外部中斷輸入腳TRIP允許一有效高電平迅速關(guān)斷PWM輸出，當(dāng)輸入高電平時(shí)，PWM輸出被封鎖。只有通過復(fù)位輸入才能恢復(fù)工作。方向控制DIR端可以使輸出的對(duì)稱三相PWM波某兩相轉(zhuǎn)換相序，實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。

SA866具有調(diào)頻調(diào)速范圍寬以及無(wú)噪。

2 系統(tǒng)工作原理

整個(gè)系統(tǒng)采用三相全橋整流，然后通過三相逆變器將整流后的直流電轉(zhuǎn)換為可進(jìn)行壓頻協(xié)調(diào)控制的交流電壓。圖2所示為采用SA866作控制芯片的變頻調(diào)速系統(tǒng)電路圖，實(shí)現(xiàn)VVVF開環(huán)控制。系統(tǒng)的控制由SA866獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，無(wú)需與微控制器相配合。保護(hù)電路主要有：驅(qū)動(dòng)電壓欠壓保護(hù)、直流聲運(yùn)行的特點(diǎn)，當(dāng)時(shí)鐘頻率為25MHz時(shí)，載波頻率最高可達(dá)24kHz，輸出頻率可達(dá)4kHz，其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)在外接的串行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。它除了能產(chǎn)生合乎要求的PWM脈沖外，還集成了完備的過流、過壓保護(hù)功能，并可在緊急情況如短路、過熱時(shí)快速關(guān)斷PWM脈沖，保護(hù)逆變器和電機(jī)。其原理框圖如圖1所示。

側(cè)電壓過壓保護(hù)、過載保護(hù)和短路保護(hù)等。在作為三相變頻器使用的時(shí)候，SPWM控制電路輸出六路PWM波形，分別控制三相逆變橋的六個(gè)IGBT。調(diào)節(jié)給定頻率，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)隨之變化。變頻器工作在0～80Hz的范圍內(nèi)，其中設(shè)定50Hz為基頻，即電機(jī)從0Hz到50Hz變化時(shí)，輸出電壓是遵循壓頻比協(xié)調(diào)變換的，此時(shí)系統(tǒng)工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)；當(dāng)頻率超過50Hz，輸出電壓不再上升，此時(shí)系統(tǒng)工作在恒功率區(qū)。

圖1 SA866標(biāo)準(zhǔn)工作方式的原理框圖

圖2 SA866作控制芯片的變頻調(diào)速系統(tǒng)電路圖

3 主電路的設(shè)計(jì)

主電路由整流，濾波和逆變電路三部分構(gòu)成。為了減小成本，整流部分采用三相橋式不控整流電路，電路簡(jiǎn)單、可靠且無(wú)需控制電路驅(qū)動(dòng)，缺點(diǎn)是紋波較大，需采用較大的濾波電容。這里用工頻變壓器將三相交流電降為相電壓127V的交流電送到整流電路，整流后的平均電壓是Ud＝1.35，UL＝ 1.35×1.732×127＝ 297V，再用一1000uF/450V的電容用于濾平整流后的電壓紋波；另外當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，它可使直流電壓保持平衡。

4 控制部分設(shè)計(jì)

4.1 加減速控制邏輯的實(shí)現(xiàn)

加速/減速單元包括一個(gè)17位up/down計(jì)數(shù)器，一個(gè)16位的幅值比較器。計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘和外接的加速或減速RC振蕩器的時(shí)鐘同步，加速/減速速率可分別由外圍的RC振蕩器決定。兩個(gè)回路的電阻和電容值可以相同，也可不同，從而可以產(chǎn)生相同或不同的加速/減速時(shí)間。

從0Hz加速到由頻率范圍確定的最大頻率的時(shí)間，或反之由最大頻率減速到0Hz，所需的時(shí)間由下式給定：

加速/減速振蕩器輸出控制著加速/減速信號(hào)，遞增或遞減頻率。計(jì)算過程流程圖如圖3所示。

圖3 加、減速控制邏輯流程圖

計(jì)數(shù)器是一個(gè)同步up/down計(jì)數(shù)器，復(fù)位以后，瞬時(shí)方向和頻率分別被迫變?yōu)檎蚝?，只要給定頻率等于0，則瞬時(shí)頻率就會(huì)變?yōu)?，同時(shí)相輸出被禁止（強(qiáng)迫為0）。如從此狀態(tài)開始啟動(dòng)（同剛上電后的狀態(tài)）上橋臂輸出暫時(shí)禁止，而下橋臂在PWM恢復(fù)輸出前的整個(gè)載波周期成高電平。在此期間完成對(duì)自舉驅(qū)動(dòng)電路中上橋臂電容的充電，但不會(huì)產(chǎn)生短于脈沖取消時(shí)間的脈沖。

4.2 控制軟件的實(shí)現(xiàn)

工作于標(biāo)準(zhǔn)方式的SA866AE，軟件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，只要根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求，驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)，開關(guān)管參數(shù)，就可以確定出設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行編程。在這種工作模式下，需要編程的參數(shù)總共有7個(gè)，包括載波頻率（CFS）、電源頻率范圍（FRS）、脈沖延遲時(shí)間（tPDY）、脈沖取消時(shí)間、波形選擇、電壓/頻率控制參數(shù)（GRAD，KAY，PED，F(xiàn)C）、A/D輸入門檻電壓。

系統(tǒng)應(yīng)用的時(shí)鐘頻率8MHz，載波頻率7.8125kHz，調(diào)制頻率范圍0～81.4Hz，最小脈寬3μs，死區(qū)時(shí)間5.1μs。計(jì)算過程如下：

1）確定CFS n＝f，所以由式

確定fCARR＝7812.5Hz，則CFS＝000。

2）確定FRS m＝2，所以由式

確定fRANGE＝81.4Hz，則FRS＝010。

3）確定 PDY tPDY＝ 5μs，由式

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 由于 tPD－tPDY＝ 3μs ,得tPD＝tPDY＋ 3 ＝ 8.1μs,由式

得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)槭呛戕D(zhuǎn)矩負(fù)載，所以FC＝0。Pedestal取3.1%,則由

得PED＝00001000。令fBASE＝50Hz，則

由

得GRAD＝25.1，取GRAD＝25，即為00011001。

6）確定其余選擇字 波形采用正弦波和三次諧波型，所以WS=00或01，AWS＝0000；零頻閾值電壓為0，所以ZTH＝00；KAY未用，所以取為00H，正弦波時(shí)所有選擇字中‘1’的個(gè)數(shù)為15，所以CHKSUM＝111。

上面這些參數(shù)以頁(yè)為單位存入外接的EEPROM中。SA866的微線型三線串聯(lián)接口可與256位或者1024位的串接微線總線型EEPROM兼容，例如93C06或93C46。所有存在EEPROM的參數(shù)在復(fù)位以后通過串聯(lián)接口自動(dòng)下載。所以采用的EEPORM必須要具有地址自動(dòng)增量的功能，這樣不需要連續(xù)觸發(fā)CS就可以使初始化參數(shù)一位一位地從EEPROM下載到控制芯片中。本系統(tǒng)中我們采用MICROCHIP公司生產(chǎn)的型號(hào)為93LC46B的EEPROM，實(shí)際應(yīng)用中只用了它的低256位，它的存儲(chǔ)地址共分為4頁(yè)，每頁(yè)為4個(gè)16位字，每頁(yè)應(yīng)用中包含一套初始化參數(shù)。通過SA866給EEPROM發(fā)出的起始地址命令及所讀取的位數(shù)選擇，因此可以有4套初始化參數(shù)可供選擇。復(fù)位以后通過頁(yè)選端來(lái)確定選用哪一套參數(shù)。

5 結(jié)論

本文給出了一種采用PWM控制器SA866和IGBT組成的變壓變頻（VVVF）調(diào)速系統(tǒng)，只要改變參數(shù)設(shè)置就可以改變系統(tǒng)性能，具有較高智能的控制保護(hù)功能。系統(tǒng)控制電路簡(jiǎn)單，使用方便，成本低，可靠性高。由SA866構(gòu)成的變頻系統(tǒng)輸出電壓頻率穩(wěn)定度高，總諧波含量少，低速運(yùn)行特性好，因此適用于通用變頻器及高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

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