一種小功率通用變頻器的設(shè)計(jì)??

摘要：采用高集成度的專用芯片SA866和智能功率模塊PS21255開(kāi)發(fā)了一種小功率通用變頻器。試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用表明，該變頻器性能好、價(jià)格低、可靠性較高。

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

0??? 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(lái)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(shì)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(jiǎn)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(lái)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(shì)，但其早期昂貴的造價(jià)和可靠性問(wèn)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(duì)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(kāi)發(fā)了一種新型通用變頻器。其整?結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)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(jiǎn)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(guò)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(wú)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(shuō)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。

圖1??? SA866管腳圖

??? 各管腳功能如下。

??? 1）電源??? V_DDD和V_DDA分別為數(shù)字電源和模擬電源；V_SSADC為A/D轉(zhuǎn)換電源，它們接一個(gè)＋5V的電源；V_SSD和V_SSA分別為數(shù)字電源和模擬電源的地；V_REFIN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；R_ACC和R_DEC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(duì)應(yīng)三相輸出的上橋臂；RPHB，YPHB和BPHB分別對(duì)應(yīng)三相輸出的下橋臂；DIR控制三相順序，該腳對(duì)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(yè)參數(shù)。

??? 5）保護(hù)??? V_MON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，就啟動(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)電流信號(hào)輸入端，升速過(guò)程中，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；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(jiǎn)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(shuō)明

??? 該模塊的外形及端子分布如圖2所示。

圖2??? IPM(PS21255)模塊外形及端子分布情況

??? IPM(PS21255)模塊外部端子在布局上強(qiáng)弱電分開(kāi)，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(cè)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(kāi)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（variable voltage variable frequency）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。

圖3??? 變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

??? 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?？刂齐娫床捎?805和7815提供直流穩(wěn)壓電源。SA866AE通過(guò)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(guò)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(cè)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V_CC和V_SS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(lái)控制主電路中模塊的開(kāi)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f_CARR由式（1）決定。

??? f_CARR=f_CLK/(512×2^n＋1)??? （1）

式中：fC_LK為時(shí)鐘輸入頻率，本系統(tǒng)所選用的晶振為20MHz。n=1，CFS=001，實(shí)際f_CARR==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f_RANCE=f_CARR×2^m/384，取m=1，即FRS=(001)B。

??? 3）死區(qū)時(shí)間（t_pdy）??? t_pdy=（63－PDY）/（f_CARR×512）；PDY在0～63之間，取PDY=37=（100101）B；則實(shí)際的t_pdy=(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(guò)小的脈寬沒(méi)有用，因?yàn)闀r(shí)間過(guò)短，功率管還沒(méi)來(lái)得及完全打開(kāi)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t_pd=(127－PDT)/(f_CARR×512)；依此公式，若定義最小寬度為3μs，實(shí)際最小脈寬為t_pd－t_pdy，則t_pd=7.959μs，可得PDT=85.272，取PDT=85=（1010101）B，因此，實(shí)際t_pd=8.01μs，脈沖最小寬度為t_pd－t_pdy=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(duì)稱技術(shù)保證每個(gè)功率管的開(kāi)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(lái)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(lái)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(méi)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)×f_RANGE/（16×f_base）；GRAD255，取f_base=50Hz；則有GRAD=15=（1111）B。

圖4??? 線性VVVF曲線

??? 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

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(guò)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(jiǎn)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。