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。