摘? 要: 采用三相SPWM波形發生器SA4828,結合相應的軟件,根據電機的調速要求,對為電機提供頻率0~400Hz、功率為數百千瓦以上的逆變電源系統進行了探索性研究,以實現電機的調速。
關鍵詞: SA4828? 變頻調速? 三相交流電機? IGBT? 單片機
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針對某大功率電機要求調制頻率較高、速度多級可調并且穩定運行條件下產生熱量較小的特點,本文介紹了采用單片機控制的變頻調速系統的設計方案。該系統采用MITEL公司生產的增強型SPWM波形發生器SA4828,利用其SPWM輸出的高效型波形,不但可以使功率半導體開關器件大幅度降低開關損耗,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,系統穩定工作時,SA4828幾乎不占用CPU的運算資源,因而,單片機有能力進行整個系統的檢測、保護、控制、顯示等。系統實時性好,可靠性高。
1?硬件電路方案
系統硬件電路由主電路、控制電路、驅動電路、保護電路以及鍵盤顯示電路組成。系統框圖如圖1所示。
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1.1 主電路
系統主電路采用AC/DC/AC三相逆變橋結構,橋臂上的變流元件由絕緣柵門極雙極性晶體管(IGBT)構成。由電網引出的三相交流電經過整流、濾波變為穩定的直流電,直接提供給逆變器。主開關器件選用日本三菱公司生產的CM400HA-24H IGBT(400A/1200V)模塊,并聯后作為三相橋的一個臂,加上緩沖電路構成本系統三相逆變器。
由于IGBT工作頻率較高,而開關頻率高會增大開關損耗,并在IGBT的集電極產生浪涌電壓,從而造成器件過熱,甚至損壞。為避免這一情況的發生,需對IGBT增設緩沖吸收電路。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的工作點限制在安全區內,以防止因IGBT過電壓、過電流而降低其開關損耗。
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,因為其功耗與阻值無關。如果Rs過小,則吸收回路會出現電流振蕩,IGBT導通時使集電極電流Ic尖峰值也增大。Rs的實際值選取應以試驗為準。
VD的選擇對吸收也有明顯影響,應選擇快速恢復二極管。同時吸收回路的引線電感對吸收也影響很大,應盡量縮短引線(其詳細資料見文獻[1])。
1.2 驅動電路
驅動電路采用日本富士公司生產的EXB841厚膜驅動模塊構成。EXB841可直接驅動300A/1200V的IGBT管,其輸入端接有高隔離電壓光電耦合器,使控制電路與驅動電路隔離。由于EXB841直接驅動400A/1200V的IGBT管驅動能力不足,故需要外接功率晶體管,以提高其驅動能力,去驅動本系統的IGBT模塊。EXB841不但具有隔離性能好、抗干擾能力強,同時還有過流檢測及保護電路等功能。一旦EXB841檢測到過流信號,則快速向SA4828發出保護高電平,以封鎖各路IGBT驅動信號、高速切斷電路和關斷IGBT。
1.3 控制電路
控制電路由AT89C51單片機最小系統及少量的擴展外圍芯片和SA4828三相PWM波形產生器構成。
(1)單片機功能
工作開始時,單片機首先對SA4828進行初始化,定義載波頻率和電源頻率范圍、死區、最小脈沖取消時間等參數;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。正常工作時,單片機根據需要對SA4828的控制數據進行修改,實現系統的反饋與實時控制。調壓時,用戶可通過控制面板調節電壓的給定值來改變輸出電壓。調頻時,單片機根據用戶設定直接修改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的比值應保持常數,二者之間的關系可由u/f曲線來描述。用戶根據具體情況,可設置多根補償程度不同的u/f曲線。為使單片機運行簡化,可將曲線表示的函數關系制成表格預存在存儲器內,再利用單片機特有的地址運算方法逐一調出所需的電壓控制數據。
(2)SA4828簡介
SA4828是由英國MITEL公司專門為電機控制電路設計的三相SPWM波產生器。它是SA8282的增強型產品,其本身的功能要比同系列的其他產品以及英國Mullard公司生產的HEF4752和德國西門子公司生產的SLE4520功能強大得多。其功能比較如表1所示,3種芯片更詳細介紹請參閱文獻[2]。
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SA4828的特點:
?、倬哂腥珨底只僮?輸出波形精度高;工作頻率范圍寬,輸出電源頻率可達4kHz,頻率控制精度達16位;若用于變頻調速,對運行于3000r/min的單相電機,速度分辨率可達到0.05r/min。
?、赟A4828是一種通用可編程的微機外圍芯片,雖然必須和微處理器配合使用,但微機的介入程度很低。
?、鄄捎弥C波抑制技術;提供軟件復位功能;內置“看門狗”定時器以加強監控,從而提高了可靠性。
?、苡?種可供選擇的輸出波形:純正弦波、增強型和高效型波形,如圖3所示。適用于多種應用場合;采用可由用戶選擇的三相幅值獨立控制方式,使得三相逆變器可用于任意不對稱負載。
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?、莨ぷ鲄?載波頻率、電源頻率、輸出幅值、死區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才刷新。因而,工作方式更加靈活。其更詳細介紹請參閱文獻[3]。
就本系統而言,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損耗,大大提高整機利用效率。
?、诖蠓葴p小電機發熱,這對于散熱不良的空間,減少熱量積聚極為有利。
?、凼褂皿w積更小的散熱片,減小了整個系統的體積。
以上3種優點也是目前大功率電機調速系統有待改進的性能之一。
此外,本方案還考慮讓SA4828和單片機共用一個晶體振蕩器,以增強其同步性能、減小漂移。由于時鐘輸入(CLK)采用CMOS輸入時其負載電流非常小,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,由于穩定運行時幾乎不用鍵盤,所以鍵盤連接采用中斷方式。顯示電路采用Motorola公司生產的5位7段LED譯碼/驅動芯片MC14489,直接驅動4位共陰極LED數碼管和5個LED指示燈。各種參數的設置及頻率、電流、電壓和故障代碼的顯示,都可通過鍵盤進行操作,并由4位數碼管實時顯示出來。詳細資料參閱文獻[1]。
1.5 保護電路
本系統保護功能包括直流過壓保護、欠壓保護、短路保護、過熱保護及交流過流保護。直流過壓、欠壓及過流保護信號經比較器判斷,由快速光耦隔離后直接輸出;交流過流保護信號由霍爾傳感器取樣輸出電流得到;過熱保護信號由溫度傳感器獲取(限于篇幅,未給出保護電路)。
此外,SA4828的SETTRIP端在緊急情況下可以越過單片機直接關斷輸出信號。為了排除任何可能疊加到該端的干擾源引起的誤動作,應考慮在該輸入端加1個合適的去耦電容。
2?SA4828編程計算
對SA4828的控制是通過微處理器接口將數據送入芯片和2個寄存器(初始化寄存器和控制寄存器)來實現的。各種參數通過8個暫存器R0、R1、R2、R3、R4、R5、R14、R15來傳送。初始化參數先被寫入R0～R5,然后通過對R14的寫操作將參數送入初始化寄存器,最后再將控制參數寫入R0~R5,并通過對R15的寫操作將參數送入控制寄存器,控制輸出脈寬調制波的狀態,從而進一步控制逆變器的運行狀態。編程計算如下(具體寄存器內容請參閱文獻[1])。
假設:時鐘頻率12MHz,調制波頻率范圍0～400Hz,載波頻率12kHz,脈沖刪除時間10μs,延遲時間5μs,采用高效型波形,使用紅相控制幅值,相序正轉,“看門狗”喚醒時間為1秒,輸出禁止無效,三相波形的幅值均為內部ROM取樣值的80%。
2.1 初始化參數計算
(1)載波頻率設定
因為脈沖取消時間以及脈寬延時時間的設定均與載波頻率有關,因此首先必須設定載波頻率。要獲得所需的載波頻率只需計算出相應的N值:
根據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)調制波頻率范圍設定
要設定400Hz的調制波頻率需要計算出相應的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應賦值為100xx010B。
(3)脈寬延遲時間設定
計算出PDY值就可獲得所需的脈寬延時(死區)時間。由tPDY=(63-PDY)/(fCARR×512),可得PDY=31.5。
PDY的值必須為整數。由于脈寬延時時間的作用是防止逆變器直通故障(即某相橋臂上、下開關管同時導通),因此脈寬延時時間tPDY在PDY取整時應保證其取較大值。
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應賦值為xx100000B。
(4)脈沖取消時間設定
由于實際輸出PWM脈沖的最小脈寬為tPD-tPDY,所以在設定脈寬取消時間(最小脈寬)時,必須考慮脈寬延遲時間。
在本例中,脈寬取消時間的具體值應比所需的最小脈寬(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中的值應為x0011011B。
(5)設定波形選擇,幅值控制
選擇輸出波形為高效型波形(Deadbanding諧波),故WS0=0,WS1=1。
設定幅值控制位AC=0,選擇統一控制三相幅值方式。因此暫存器R3中的值為xx000x10B。
(6)看門狗定時器
看門狗定時器是一個16位可編程計數器,它按照時鐘頻率進行減量計數,定時時間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 控制參數計算
(1)輸出調制波頻率
調制波頻率選擇字由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應賦值為00000000B,R1應賦值為11001000B。
(2)調制波幅值設定
由于調制波幅值APOWER=(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一控制,所以YAMP和BAMP的內容無效。這時R3應賦值為11001100B。
(3)設定正/反轉,輸出禁止
各寄存器參數值如表2所示。
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3?系統軟件方案
軟件設計是系統的核心工作,它決定逆變電源的輸出特性(如電壓、頻率范圍及穩定度),系統的動態響應速度,保護功能的完善,工作可靠性等。系統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初始化、顯示及故障判斷。鍵的操作執行中斷方式,即鍵盤中任一鍵被按下時,都自動進入中斷服務程序,然后進入相應的子程序。
4?抗干擾措施
對于單片機應用系統來說,系統的可靠性和穩定性至關重要,系統抗干擾措施是否得當,有可能決定設計的成敗。本系統在硬件和軟件上均采用了較強的抗干擾措施。
4.1 硬件抗干擾措施
采用隔離技術,以便更好地解決輸入和輸出帶來的干擾;選用高質量的電源,切斷電源耦合產生的干擾;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
設計軟件陷阱,將失控的程序盡快拉到正常運行的軌道;采用指令冗余技術,減少程序跑飛的概率;設計多個軟件看門狗,用以監視整個程序和重要模塊的運行。
本設計中,系統功能實現基本是以硬件為主,軟件為輔?？刂齐娐肥褂闷骷?結構簡單,并且盡量采用功耗低、抗干擾能力強的器件。故該系統抗干擾能力強,適用于電磁干擾場合。同時在節能及在電機本體散熱不良的場合亦有著廣泛的用途。
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參考文獻
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