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一篇好文章

發布時間:2012-10-31

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SA4828及IPM在變頻調速裝置中的應用

1 引言 目前,變頻調速已廣泛應用于石油化工、家電等諸多領域,在變頻調速的控制理論不斷發展的同時,與之相應的控制手段和技術也朝著數字化與軟件化方向迅速發展。電力電子技術的發展為交流調速奠定了物質基礎,電力電子器件正在向大功率化、高頻化、模塊化、智能化方向發展。所以變頻器在滿足各項性能指標的同時,減小體積、簡化控制、降低成本是目前面臨的問題之一。當前應用比較廣泛的控制方法雖然控制效果比較好,但過于復雜。本文設計的變頻器專門針對小功率電機,具有體積小,成本低的優點。

2 系統組成 變頻器的整體結構如圖1所示。



圖1 變頻器的結構圖

整個系統主要有兩部分組成,即控制電路和主回路。控制電路是以嵌入式微控制器AT89C51為核心,主回路由整流電路和智能功率模塊(IPM)組成。IPM是集門極驅動和短路、過流、欠壓、過熱保護功能于一體的IGBT功率器件,其結構緊湊、性能穩定、工作可靠。在整個系統中,控制系統給主回路提供控制波形,并擔負起全系統的控制和監護。 SA4828發出的6路PWM控制信號,通過IPM電源及光電耦合器進行隔離之后,輸出給IPM逆變器,控制IPM直接加在異步電動機上的輸出信號,實現對電機的變頻調速功能。當IPM檢測電路檢測到有故障時將一路信號送到SA4828,SA4828的輸出PWM波立即變成低電平,從而關斷IPM。另一路送給單片機進入中斷處理程序。

3 主電路的參數選擇 電機參數為額定功率0.75kW,額定電流2.1A,額定電壓380V。 整流器的輸入電壓為單相工頻交流電,當沒加濾波電容時,單相橋式整流電路輸出的平均直流電壓為: 由 加上濾波電容后,Udc的*大值可達到交流線電壓的峰值:

3.1 整流二極管模塊的參數計算 整流二極管的選擇應從電機在*大負載電流下仍能可靠工作的情況下考慮。所以流過二極管的電流有效值為:



式中,Im為電機*大負載電流峰值,其值一般取為電機額定電流的5~6倍。故二極管的額定電流為:

二極管的耐壓值為:  式中,U21為變壓器二次線電壓有效值。根據市場供貨情況選擇二極管整流模塊的參數為1000V,30A。

3.2 濾波電容的選擇 當輸入單相線電壓為220V時,整流輸出的*大電壓是311V,考慮到電壓為10%的波動,則*大輸出可達342V,因此濾波電容的耐壓值應在此電壓之上,并有一定的**裕度,故取濾波電容的耐壓值為450V。 理論上,濾波電容的值越大越好,但考慮到體積成本等因素,電容值也不可能選得太大,事實上,中間直流濾波電容的容量是從限制電壓波動的角度來選擇的,根據經驗,可選3個450μF的鋁電解電容。

3.3 逆變器功率器件的選擇 IGBT是場控型大功率開關元件,它熱時間常數小,承受過載能力差,在實際應用時,從負載*嚴重的情形來選擇功率元件。功率元件的電流額定值:

式中,λ—電機的過載系數,一般取1.5~2; In—電機的額定電流。此外,還應保證功率器件IGBT的集電極-發射極額定承受電壓Uceo至少應為實際承擔的*高峰值1.2倍以上,則功率器件的耐壓值:

所以選擇IPM為600V/20A的智能功率模塊,經比較多種型號的IPM的性能價格指標,*終采用三菱公司的PM20CSJ060。

4 各部分電路功能 4.1 PWM產生器SA4828功能介紹 SA4828是MITEL公司于90年代末推出的專為感應電機的變頻驅動而設計的一款集成電路。它采用雙緣調制技術,能夠產生**的SPWM脈沖,并且可在緊急情況下快速關斷脈沖,保護逆變器和電機。它與單片機配合使用,所有需定義的參數如載波頻率、死區對間、*小脈寬、調制波形、V/F曲線等均由單片機通過A/D復用總線傳送,輸入一次數據后就可讓它獨立連續運行,直到需要更新控制數據。在使用中,它可以看作是單片機的外部存儲器或一個I/O端口。SA4828的工作頻率范圍很寬,時鐘頻率為25kHz時,載波頻率可達24kHz,輸出頻率4kHz。它還可以提供三種調制波形供用戶選擇:增強型,正弦型和高效型。此外,它的頻率分辨率很高,可達16位字長。它兼容INTEL和MOTOROLA總線的單片機。該電路通過數據總線和控制線,即可直接與微處理器進行通訊,不需增加外圍電路。



圖2 SA4828的管腳分布圖

SA4828的管腳布置如圖2所示,它采用雙列直插式封裝,共28個管腳。介紹如下: (1)與單片機接口的標準總線AD0—AD7為 8位地址與數據復用總線。 (2)控制總線  (3)信號輸出及控制 RPHT、 RPHB、 YPHT、 YPHB、 BPHT、 BPHB輸出三相PWM脈沖驅動信號,均為標準的TTL電平。端指示輸出封鎖狀態,低電平有效。SETTRIP為關斷觸發信號輸入端,當輸入為高電平時,輸出腳及6個PWM輸出將被迅速地箝位在低電平狀態,這種封鎖信號只有在信號作用下才能解除。 (4)電源 VDD為???5V電源端,VSS為芯片接地端。

4.2 SA4828的控制 SA4828通過8位地址數據復用總線與單片機89C51相連,如圖3所示。



圖3 SA4828與89C51的連接

PWM脈沖的各種必需參數都是通過這條總線傳給SA4828的。故障封鎖信號直接接在89C51的變小上,一旦SA4828收到來自IPM或故障保護電路的故障信號。 它除了封鎖PWM脈沖輸出外,還將端箝位在低電平以向89C51發外部中斷信號,使單片機轉入中斷處理子程序,處理故障中斷信號。 SA4828芯片是可編程的。通過6只臨時寄存器R0~R5、2只虛擬寄存器R14、R15,對48位的初始化寄存器和控制寄存器進行編程,獲得PWM波。 SA4828內部有兩個48位的寄存器,分別是初始化寄存器和控制寄存器。初始化寄存器存放基本的運行參數,如載波頻率、脈沖刪除、波形選擇等,它只能在變頻器開始運行前設定,并且在運行過程中不能修改。控制寄存器用來設定變頻器的輸出頻率、啟動停止等。它在整個運行期間可以不斷修改,以實時控制電機的運行。 (1)初始化寄存器 初始化寄存器及其功能見表1。實際輸出PWM波形的*小脈寬為脈沖取消時間減去失去時間。若幅值控制AC=1,則可三相幅值獨立控制。選擇不同的WS1和WS0,可輸出正弦型(00)、增強型(01)和高效型(10)PWM波。通過對虛擬寄存器R14的寫操作,就可將R0~R15中設定的初始化數據傳送到48位的初始化寄存器中。 (2)控制寄存器控制寄存器及其功能見表2。若初始化寄存器中,幅值控制位AC=0,那么輸出幅值選擇字只須寫入R相即可。若控制寄存器中,設定看門狗定時器無效,即WTE=0,那么在初始化過程中,不須給出看門狗計數器的值。通過對虛擬寄存器R15的寫操作,就可將R0~R5中給定的運行數據傳送到48位的控制寄存器中。






(3)初始化參數計算單片機和SA4828的時鐘頻率均為12MHz,調制波頻率范圍0~50Hz,載波頻率位15kHz,實際脈沖刪除時間10μs,死區延遲時間5μs。 l 載波頻率設定字由載波頻率得:



取2n+1=2則,n=0。載波頻設定字為000。反算載波頻率:



l 調制波頻率范圍設定字由得:

取2m=2,則m=1。調制波頻率設定字為001。反算調制波頻率:

所以寄存器R0的值為00100000,即20H。 l 脈沖延遲時間設定字由得:



所以寄存器R2中的值為21H。 l *小刪除脈寬設定字*小刪除脈寬等于實際*小脈寬加上延遲時間,所以=10+5=15μs由得:



所以寄存器R1中的值為25H。 l 波形選擇字和AC設定選用高效波形,選擇字為10,紅相控制幅值AC=0。所以寄存器R3中的值為02H。 l 看門狗設定不用看門狗,所以寄存器R4,R5的值均為00H。 (4)控制寄存器值的參數 由于控制寄存器中的參數,在整個運行過程中需實時變化以控制電機的運行,因此需要在運行過程中實時計算得到。

4.3 IPM20CSJ060智能功率模塊 4.3.1 IPM20CSJ060的特性 l 集射極*大壓降為600V,*大的集射極電流為20A,浪涌電流為40A,*高開關速度可達20kHz。 l 相互獨立和隔離的門極驅動及保護邏輯。 l 內置IGBT的過流、短路、過溫、欠壓的檢測、保護及保護信號的輸出電路。



圖4 PM20CSJ060的內部結構

圖4即為PM20CSJ060的內部結構: 圖4中各引腳介紹如下: VUPC,VVPC,VWPC:U,V,W相上橋臂驅動電源的接地端; UFO,VFO,WFU,V,W相上橋臂保護信號輸出端; UP,VP,WP:U,V,W相上橋臂控制信號輸入端; VUP1,VVP1,VWP1:U,V,W相上橋臂驅動電源正極的輸入端; VNC:三相下橋臂公用驅動電源的接地端; VN1:三相下橋臂公用驅動電源正極的輸入端; UN,VN,WN:U,V,W下橋臂控制信號輸入端; F三相下橋臂公用保護信號輸出端; P:電機主回路的直流電源正端; N:電機主回路的直流電源負端; U,V,W:U,V,W相輸出端(接異步電機三相定子繞組)。

4.3.2.驅動要求 該模塊要求U,V,W三相的上橋臂驅動電源必須由3個相互隔離的獨立電源供電,U,V,W三相的下橋臂公用1個驅動電源。驅動電源均為+15V電源。直流母線電壓即P,N間的電壓推薦不高于450V。在25℃時,功耗不大于56W。工作環境溫度范圍為-20~+100℃。 由于變頻器*終是用來控制高壓信號以驅動電機的。因此其中的變頻信號都要在主回路與控制回路加入隔離電路。主回路IPM器件一般加光電耦合器較為方便。高速IPM器件的光耦一般接成如圖5所示。



圖5 控制信號與IPM器件的接口

圖5中對驅動隔離光耦本身有一定的要求,一般tplH,tPHL<0.8μs, CMMR>10kV/μs,同時應在IPM的控制電源上加一個10μF的低感高頻退耦電容。而且圖5中控制信號輸入端的上拉電阻R應該足夠小以避免高阻抗IPM輸入端拾取噪聲,又要足夠大使得高速光耦在推薦的*大電壓下仍能可靠的控制IPM。本設計中選擇的驅動隔離光耦為HCPL4504是美國安捷倫公司專為IPM等功率器件設計的光電隔離接口芯片,其tPLH,tPHL<0.3μs,內部集成高靈敏度光傳感器,極短的寄生延時為IPM應用中的高速開關的死區時間確保了**,是功率器件接口的**解決方案。 相對來說對故障輸出光耦要求不是很嚴格,因此本設計中選擇價格較低的PC817。 隔離電源是決定變頻器可靠性的因素之一。由于變頻器的原理決定了IPM器件需要多組互相隔離的控制電壓,至少為四組。本設計中選擇IPM專用電源DF003。它是600V耐壓IPM的專用供電電源,具有耐壓范圍寬,保護全,輸出電流強勁等優點。

4.4 系統保護電路 雖然在IPM模塊中它已經設有過流、過熱等保護,



但為了提高系統的可靠性及更好的保護IGBT管,仍需設置一套快速而準確的保護環節以防止各種故障,因此本設計中還設計的系統的過壓,欠壓保護,由于篇幅原因,在此就不給出了。

5 系統軟件設計 軟件設計是整個逆變控制的核心,它決定著變頻器的輸出特性,程序流程圖如圖6: 從程序流程圖中可看出:單片機先將SA4828復位,在向其傳送初始化參數和控制參數之后SA4828即可輸出PWM波形,逆變器隨后將處于工作狀態,這時單片機應不斷查詢輸出狀態,以便隨時調整PWM輸出特性,以滿足系統要求。

6 結束語 實際應用表明,使用SA4828和智能功率模塊IPM設計變頻調速裝置,設計簡化,運行可靠,功能完善,調試方便,在控制、保護方面具有較高的智能控制。 選用智能功率模塊和SA4828波形發生器,減少了設計時間,簡化了硬件電路,減少了安裝和布線時間,減小了整個系統的體積,有利于提高系統的穩定性。
 
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