摘? 要: 采用三相SPWM波形發(fā)生器SA4828,結(jié)合相應(yīng)的軟件,根據(jù)電機(jī)的調(diào)速要求,對為電機(jī)提供頻率0~400Hz、功率為數(shù)百千瓦以上的逆變電源系統(tǒng)進(jìn)行了探索性研究,以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。
關(guān)鍵詞: SA4828? 變頻調(diào)速? 三相交流電機(jī)? IGBT? 單片機(jī)
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針對某大功率電機(jī)要求調(diào)制頻率較高、速度多級可調(diào)并且穩(wěn)定運(yùn)行條件下產(chǎn)生熱量較小的特點(diǎn),本文介紹了采用單片機(jī)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)采用MITEL公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型SPWM波形發(fā)生器SA4828,利用其SPWM輸出的高效型波形,不但可以使功率半導(dǎo)體開關(guān)器件大幅度降低開關(guān)損耗,而且還可以使用更少、更便宜的功率器件,減小散熱片的體積。此外,系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí),SA4828幾乎不占用CPU的運(yùn)算資源,因而,單片機(jī)有能力進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的檢測、保護(hù)、控制、顯示等。系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好,可靠性高。
1?硬件電路方案
系統(tǒng)硬件電路由主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路以及鍵盤顯示電路組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
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1.1 主電路
系統(tǒng)主電路采用AC/DC/AC三相逆變橋結(jié)構(gòu),橋臂上的變流元件由絕緣柵門極雙極性晶體管(IGBT)構(gòu)成。由電網(wǎng)引出的三相交流電經(jīng)過整流、濾波變?yōu)榉€(wěn)定的直流電,直接提供給逆變器。主開關(guān)器件選用日本三菱公司生產(chǎn)的CM400HA-24H IGBT(400A/1200V)模塊,并聯(lián)后作為三相橋的一個(gè)臂,加上緩沖電路構(gòu)成本系統(tǒng)三相逆變器。
由于IGBT工作頻率較高,而開關(guān)頻率高會(huì)增大開關(guān)損耗,并在IGBT的集電極產(chǎn)生浪涌電壓,從而造成器件過熱,甚至損壞。為避免這一情況的發(fā)生,需對IGBT增設(shè)緩沖吸收電路。用于橋式臂上常見的緩沖吸收電路如圖2所示。其中圖2(a)適用于50A以下的IGBT,圖2(b)適用于200A以下的IGBT,圖2(c)則適用于200A以上大容量的IGBT。經(jīng)初步考慮,可選擇如圖2(c)所示的RCD鉗位式緩沖吸收電路,將IGBT的工作點(diǎn)限制在安全區(qū)內(nèi),以防止因IGBT過電壓、過電流而降低其開關(guān)損耗。
考慮到緩沖電路的吸收效果和Rs的耗散功率以及反饋能量,在滿足一定條件的前提下,Rs取大些為好,因?yàn)槠涔呐c阻值無關(guān)。如果Rs過小,則吸收回路會(huì)出現(xiàn)電流振蕩,IGBT導(dǎo)通時(shí)使集電極電流Ic尖峰值也增大。Rs的實(shí)際值選取應(yīng)以試驗(yàn)為準(zhǔn)。
VD的選擇對吸收也有明顯影響,應(yīng)選擇快速恢復(fù)二極管。同時(shí)吸收回路的引線電感對吸收也影響很大,應(yīng)盡量縮短引線(其詳細(xì)資料見文獻(xiàn)[1])。
1.2 驅(qū)動(dòng)電路
驅(qū)動(dòng)電路采用日本富士公司生產(chǎn)的EXB841厚膜驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成。EXB841可直接驅(qū)動(dòng)300A/1200V的IGBT管,其輸入端接有高隔離電壓光電耦合器,使控制電路與驅(qū)動(dòng)電路隔離。由于EXB841直接驅(qū)動(dòng)400A/1200V的IGBT管驅(qū)動(dòng)能力不足,故需要外接功率晶體管,以提高其驅(qū)動(dòng)能力,去驅(qū)動(dòng)本系統(tǒng)的IGBT模塊。EXB841不但具有隔離性能好、抗干擾能力強(qiáng),同時(shí)還有過流檢測及保護(hù)電路等功能。一旦EXB841檢測到過流信號,則快速向SA4828發(fā)出保護(hù)高電平,以封鎖各路IGBT驅(qū)動(dòng)信號、高速切斷電路和關(guān)斷IGBT。
1.3 控制電路
控制電路由AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)及少量的擴(kuò)展外圍芯片和SA4828三相PWM波形產(chǎn)生器構(gòu)成。
(1)單片機(jī)功能
工作開始時(shí),單片機(jī)首先對SA4828進(jìn)行初始化,定義載波頻率和電源頻率范圍、死區(qū)、最小脈沖取消時(shí)間等參數(shù);然后向SA4828的控制寄存器傳送電源的頻率控制字和幅度控制字等參數(shù)。正常工作時(shí),單片機(jī)根據(jù)需要對SA4828的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行修改,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的反饋與實(shí)時(shí)控制。調(diào)壓時(shí),用戶可通過控制面板調(diào)節(jié)電壓的給定值來改變輸出電壓。調(diào)頻時(shí),單片機(jī)根據(jù)用戶設(shè)定直接修改SA4828頻率控制寄存器的控制字,以改變電源輸出頻率。為保持磁通恒定,輸出的交流電壓u與頻率f的比值應(yīng)保持常數(shù),二者之間的關(guān)系可由u/f曲線來描述。用戶根據(jù)具體情況,可設(shè)置多根補(bǔ)償程度不同的u/f曲線。為使單片機(jī)運(yùn)行簡化,可將曲線表示的函數(shù)關(guān)系制成表格預(yù)存在存儲器內(nèi),再利用單片機(jī)特有的地址運(yùn)算方法逐一調(diào)出所需的電壓控制數(shù)據(jù)。
(2)SA4828簡介
SA4828是由英國MITEL公司專門為電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)的三相SPWM波產(chǎn)生器。它是SA8282的增強(qiáng)型產(chǎn)品,其本身的功能要比同系列的其他產(chǎn)品以及英國Mullard公司生產(chǎn)的HEF4752和德國西門子公司生產(chǎn)的SLE4520功能強(qiáng)大得多。其功能比較如表1所示,3種芯片更詳細(xì)介紹請參閱文獻(xiàn)[2]。
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SA4828的特點(diǎn):
①具有全數(shù)字化操作,輸出波形精度高;工作頻率范圍寬,輸出電源頻率可達(dá)4kHz,頻率控制精度達(dá)16位;若用于變頻調(diào)速,對運(yùn)行于3000r/min的單相電機(jī),速度分辨率可達(dá)到0.05r/min。
②SA4828是一種通用可編程的微機(jī)外圍芯片,雖然必須和微處理器配合使用,但微機(jī)的介入程度很低。
③采用諧波抑制技術(shù);提供軟件復(fù)位功能;內(nèi)置“看門狗”定時(shí)器以加強(qiáng)監(jiān)控,從而提高了可靠性。
④有3種可供選擇的輸出波形:純正弦波、增強(qiáng)型和高效型波形,如圖3所示。適用于多種應(yīng)用場合;采用可由用戶選擇的三相幅值獨(dú)立控制方式,使得三相逆變器可用于任意不對稱負(fù)載。
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⑤工作參數(shù):載波頻率、電源頻率、輸出幅值、死區(qū)等都可以通過微處理器很方便地寫入,并且只需在改變工作方式時(shí)才刷新。因而,工作方式更加靈活。其更詳細(xì)介紹請參閱文獻(xiàn)[3]。
就本系統(tǒng)而言,采用SA4828輸出的高效型波形的功能如下:
①降低功率器件的開關(guān)損耗,大大提高整機(jī)利用效率。
②大幅度減小電機(jī)發(fā)熱,這對于散熱不良的空間,減少熱量積聚極為有利。
③使用體積更小的散熱片,減小了整個(gè)系統(tǒng)的體積。
以上3種優(yōu)點(diǎn)也是目前大功率電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)有待改進(jìn)的性能之一。
此外,本方案還考慮讓SA4828和單片機(jī)共用一個(gè)晶體振蕩器,以增強(qiáng)其同步性能、減小漂移。由于時(shí)鐘輸入(CLK)采用CMOS輸入時(shí)其負(fù)載電流非常小,因而可考慮在SA4828的CLK輸入和晶體振蕩器之間加一級CMOS施密特緩沖電路,并且盡可能靠近晶體振蕩器。
1.4 鍵盤及顯示電路
鍵盤由AT89C51的P2口引出,由于穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)幾乎不用鍵盤,所以鍵盤連接采用中斷方式。顯示電路采用Motorola公司生產(chǎn)的5位7段LED譯碼/驅(qū)動(dòng)芯片MC14489,直接驅(qū)動(dòng)4位共陰極LED數(shù)碼管和5個(gè)LED指示燈。各種參數(shù)的設(shè)置及頻率、電流、電壓和故障代碼的顯示,都可通過鍵盤進(jìn)行操作,并由4位數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示出來。詳細(xì)資料參閱文獻(xiàn)[1]。
1.5 保護(hù)電路
本系統(tǒng)保護(hù)功能包括直流過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、短路保護(hù)、過熱保護(hù)及交流過流保護(hù)。直流過壓、欠壓及過流保護(hù)信號經(jīng)比較器判斷,由快速光耦隔離后直接輸出;交流過流保護(hù)信號由霍爾傳感器取樣輸出電流得到;過熱保護(hù)信號由溫度傳感器獲取(限于篇幅,未給出保護(hù)電路)。
此外,SA4828的SETTRIP端在緊急情況下可以越過單片機(jī)直接關(guān)斷輸出信號。為了排除任何可能疊加到該端的干擾源引起的誤動(dòng)作,應(yīng)考慮在該輸入端加1個(gè)合適的去耦電容。
2?SA4828編程計(jì)算
對SA4828的控制是通過微處理器接口將數(shù)據(jù)送入芯片和2個(gè)寄存器(初始化寄存器和控制寄存器)來實(shí)現(xiàn)的。各種參數(shù)通過8個(gè)暫存器R0、R1、R2、R3、R4、R5、R14、R15來傳送。初始化參數(shù)先被寫入R0～R5,然后通過對R14的寫操作將參數(shù)送入初始化寄存器,最后再將控制參數(shù)寫入R0~R5,并通過對R15的寫操作將參數(shù)送入控制寄存器,控制輸出脈寬調(diào)制波的狀態(tài),從而進(jìn)一步控制逆變器的運(yùn)行狀態(tài)。編程計(jì)算如下(具體寄存器內(nèi)容請參閱文獻(xiàn)[1])。
假設(shè):時(shí)鐘頻率12MHz,調(diào)制波頻率范圍0～400Hz,載波頻率12kHz,脈沖刪除時(shí)間10μs,延遲時(shí)間5μs,采用高效型波形,使用紅相控制幅值,相序正轉(zhuǎn),“看門狗”喚醒時(shí)間為1秒,輸出禁止無效,三相波形的幅值均為內(nèi)部ROM取樣值的80%。
2.1 初始化參數(shù)計(jì)算
(1)載波頻率設(shè)定
因?yàn)槊}沖取消時(shí)間以及脈寬延時(shí)時(shí)間的設(shè)定均與載波頻率有關(guān),因此首先必須設(shè)定載波頻率。要獲得所需的載波頻率只需計(jì)算出相應(yīng)的N值:
根據(jù)fCARR=fCLK/(512×2N+1),可得N=0,所以初始化寄存器R0中CFS字的值為000B。
(2)調(diào)制波頻率范圍設(shè)定
要設(shè)定400Hz的調(diào)制波頻率需要計(jì)算出相應(yīng)的M值。由fRANGE=fCARR×2M/384,可得2M=12.5,取M=4,fRANGE=512,則初始化寄存器R0中FRS字的值為100B,R0應(yīng)賦值為100xx010B。
(3)脈寬延遲時(shí)間設(shè)定
計(jì)算出PDY值就可獲得所需的脈寬延時(shí)(死區(qū))時(shí)間。由tPDY=(63-PDY)/(fCARR×512),可得PDY=31.5。
PDY的值必須為整數(shù)。由于脈寬延時(shí)時(shí)間的作用是防止逆變器直通故障(即某相橋臂上、下開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通),因此脈寬延時(shí)時(shí)間tPDY在PDY取整時(shí)應(yīng)保證其取較大值。
取PDY=32,則tPDY=5.9μs,初始化寄存器R2中6位的PDY字值為100000B,故R2應(yīng)賦值為xx100000B。
(4)脈沖取消時(shí)間設(shè)定
由于實(shí)際輸出PWM脈沖的最小脈寬為tPD-tPDY,所以在設(shè)定脈寬取消時(shí)間(最小脈寬)時(shí),必須考慮脈寬延遲時(shí)間。
在本例中,脈寬取消時(shí)間的具體值應(yīng)比所需的最小脈寬(10μs)寬5.9μs,所以tPD的值為10μs+5.9μs=15.9μs。
由tPD=(127-PDT)/(fCARR×512),可得PDT≈27,所以初始化暫存器R1中的值應(yīng)為x0011011B。
(5)設(shè)定波形選擇,幅值控制
選擇輸出波形為高效型波形(Deadbanding諧波),故WS0=0,WS1=1。
設(shè)定幅值控制位AC=0,選擇統(tǒng)一控制三相幅值方式。因此暫存器R3中的值為xx000x10B。
(6)看門狗定時(shí)器
看門狗定時(shí)器是一個(gè)16位可編程計(jì)數(shù)器,它按照時(shí)鐘頻率進(jìn)行減量計(jì)數(shù),定時(shí)時(shí)間tWD=tim×1024/fCLK。其中tim由初始化寄存器的R4、R5所確定,取值為0～216-1。tWD=1秒,則tim=12288,故R4值為00000000B,R5值為00110000B。
2.2 控制參數(shù)計(jì)算
(1)輸出調(diào)制波頻率
調(diào)制波頻率選擇字由pfs0～pfs1516位組成。由式fPOMER=fRANGE×PFS/65536,可得PFS=51200。則16位(PFS)字的值為1100100000000000B,并分別存放在控制寄存器R0和R1中,即R0應(yīng)賦值為00000000B,R1應(yīng)賦值為11001000B。
(2)調(diào)制波幅值設(shè)定
由于調(diào)制波幅值A(chǔ)POWER=(A/255)×100%,所以可得A=204。
紅色相幅值選擇字RAMP的值為11001100B,它存放于控制寄存器R3中。由于采用三相幅值統(tǒng)一控制,所以YAMP和BAMP的內(nèi)容無效。這時(shí)R3應(yīng)賦值為11001100B。
(3)設(shè)定正/反轉(zhuǎn),輸出禁止
各寄存器參數(shù)值如表2所示。
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3?系統(tǒng)軟件方案
軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的核心工作,它決定逆變電源的輸出特性(如電壓、頻率范圍及穩(wěn)定度),系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,保護(hù)功能的完善,工作可靠性等。系統(tǒng)軟件采用模塊化編程。主程序如圖4所示。
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主程序主要是完成系統(tǒng)初始化、顯示及故障判斷。鍵的操作執(zhí)行中斷方式,即鍵盤中任一鍵被按下時(shí),都自動(dòng)進(jìn)入中斷服務(wù)程序,然后進(jìn)入相應(yīng)的子程序。
4?抗干擾措施
對于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)來說,系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性至關(guān)重要,系統(tǒng)抗干擾措施是否得當(dāng),有可能決定設(shè)計(jì)的成敗。本系統(tǒng)在硬件和軟件上均采用了較強(qiáng)的抗干擾措施。
4.1 硬件抗干擾措施
采用隔離技術(shù),以便更好地解決輸入和輸出帶來的干擾;選用高質(zhì)量的電源,切斷電源耦合產(chǎn)生的干擾;采用硬件看門狗電路,防止程序跑飛;合理制作印制電路板;合理配置去耦電容。
4.2 軟件抗干擾措施
設(shè)計(jì)軟件陷阱,將失控的程序盡快拉到正常運(yùn)行的軌道;采用指令冗余技術(shù),減少程序跑飛的概率;設(shè)計(jì)多個(gè)軟件看門狗,用以監(jiān)視整個(gè)程序和重要模塊的運(yùn)行。
本設(shè)計(jì)中,系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)基本是以硬件為主,軟件為輔。控制電路使用器件少,結(jié)構(gòu)簡單,并且盡量采用功耗低、抗干擾能力強(qiáng)的器件。故該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng),適用于電磁干擾場合。同時(shí)在節(jié)能及在電機(jī)本體散熱不良的場合亦有著廣泛的用途。
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