變頻器設計

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1SA866和PS21255功能介紹

1.1SA866功能簡介

1.1.1功能特點

SA866是專用于交流異步電機SPWM控制的集成電路。它除了根據設定參數產生合乎要求的SPWM脈沖外，還集成了多種保護功能，并可在緊急情況下，如短路和過載時快速關斷SPWM脈沖，保護逆變器和電機。它的最大特點是可以獨立運行，無須微處理器控制。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調節。所有須定義的參數如載波頻率、死區時間、最小脈寬、調制波形、V/f曲線等均存儲在外接的廉價EEPROM中，上電時自動讀入SA866中。SA866有6種工作模式，與微處理器配合使用，基本做到了低價格多功能。

1.1.2管腳說明

該芯片采用PLCC封裝,共有32個管腳,各管腳排列如圖1所示。

各管腳功能如下。

1）電源VDDD和VDDA分別為數字電源和模擬電源；VSSADC為A/D轉換電源，它們接一個＋5V的電源；VSSD和VSSA分別為數字電源和模擬電源的地；VREFIN為A/D轉換參考電壓（＋2.5V）。

2）串行接口SDA，SCL和CS用于從EEPROM獲取數據，分別為數據，時鐘和片選信號。

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的工作頻率；RACC和RDEC分別確定加速和減速的時間；RPHT，YPHT，BPHT，RPHB，YPHB和BPHB為橋臂脈沖信號輸出，其中RPHT，YPHT和BPHT分別對應三相輸出的上橋臂；RPHB，YPHB和BPHB分別對應三相輸出的下橋臂；DIR控制三相順序，該腳對應高低電平有兩個方向的PWM波供用戶選擇。

4）工作狀態選擇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的哪一頁參數。

5）保護VMON為過電壓信號輸入端，減速過程中此端電平若大于2.5V，就啟動過電壓保護動作，將輸出頻率固定在當前值；IMON為過電流信號輸入端，升速過程中，電平若大于2.5V，內部過流保護就動作，不再繼續升速，直到過流信號消失；SETTRIP為緊急停機信號，可快速禁止PWM脈沖輸出；TRIP端表示禁止輸出狀態，低電平有效，該信號只有在復位信號RESET下才能被解除。

1.2PS21255功能簡介

1.2.1功能特點

與常規的IGBT模塊相比，PS21255具有如下特點：

1）內含驅動電路IPM設定了內部IGBT的最佳驅動條件，驅動電路離IGBT較近，可以大大減少信號傳輸阻抗，且受外界干擾小，因此不需加反向偏壓，同時，本模塊采用自舉電路，從而擺脫了控制電源不共地的限制，使用一個電源，即可實現方便的控制；

2）內含各種保護使內部IGBT因故障損壞的幾率大大降低，這些保護包括短路保護(SC)，控制電路欠壓保護(UV)等；

3）內部報警輸出(FO)該信號送到控制PWM產生器，封鎖脈沖輸出，進而停止系統工作；

4）散熱效果好采用陶瓷絕緣結構，扁平封裝，可以直接安裝在散熱器上；

5）端子布局合理，便于安裝強弱電的輸出輸入端分別安排在模塊的兩側,做到盡量減少干擾。

1.2.2管腳說明

該模塊的外形及端子分布如圖2所示。IPM(PS21255)模塊外部端子在布局上強弱電分開，P及N為直流輸入端，P為正端，N為負端；U，V，W為逆變器三相輸出端；UP，VP，WP為上橋臂U，V，W各相脈沖信號輸入端；UN，VN，WN為下橋臂U，V，W各相脈沖信號輸入端；VP1及VPC為上橋臂工作電源輸入端，VP1為正端，VPC為負端；VN1及VNC為下橋臂工作電源輸入端，VN1為正端，VNC為負端；CIN為電流檢測信號輸入端；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

設計

2.1硬件電路

我們開發的小功率通用變頻器，采用單相交流供電，經整流濾波后送入逆變橋，再由逆變橋將該直流電逆變成三相VVVF（variablevoltagevariablefrequency）電源，以驅動電機。整個系統分為主電路和控制電路兩部分。系統構成框圖如圖3所示。

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IGBT構成三相逆變橋，且各有自己的驅動電路和保護電路，整個模塊還有短路及控制電路欠壓保護功能。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波發生及驅動電路?？刂齐娫床捎?805和7815提供直流穩壓電源。SA866AE通過10位數模轉換器和外接正反向方向腳,可實現轉速的連續調節和正反向切換。所有的運行參數，包括載波頻率、波形、最小脈沖寬度、死區脈寬和V/f曲線等都是通過外接的EEPROM編程。由于輸入電壓和反饋能量都將直接反映在直流環節上，所以，整個系統的電壓電流檢測及保護取樣均集中在直流環節。驅動逆變橋所須的PWM信號則由ASIC芯片SA866提供，經反向后送給IPM模塊。

EEPROM選用93LC46，它只須＋5V的電壓即可工作?？芍貜偷夭翆?06次。該芯片的封裝形式為DIP－8，其中VCC和VSS分別為5V電源輸入的正負端，CLK為時鐘信號輸入端，DI為數據輸入端，DO為數據輸出端，ORG為內部數據的存儲結構，進行8位或16位的選擇。將需要設定的參數寫入EEPROM，系統在上電時就自動從EEPROM里面將參數字讀入SA866，依據所設定的參數字，系統產生相應的脈沖波形用來控制主電路中模塊的開或關。

2.2參數計算與設定

1）載波頻率(CFS)載波頻率是外接時鐘頻率和一個倍率系數N的函數，N的十進制值由初始化寄存器中的一個3位的CFS字決定。載波頻率fCARR由式（1）決定。

fCARR=fCLK/(512×2n＋1)（1）

式中：fCLK為時鐘輸入頻率，本系統所選用的晶振為20MHz。取n=1，CFS=001，實際fCARR==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fRANCE=fCARR×2m/384，取m=1，即FRS=(001)B。

3）死區時間（tpdy）tpdy=（63－PDY）/（fCARR×512）；PDY在0～63之間，取PDY=37=（100101）B；則實際的tpdy=(26/26.2144)5μs=4.959μs。

4）脈沖取消時間(PDT)經調制后SPWM的脈寬可以很小，但實際上，過小的脈寬沒有用，因為時間過短，功率管還沒來得及完全打開就關閉了，只增加了功率管的損耗，降低了系統的效率。脈沖取消時間tpd=(127－PDT)/(fCARR×512)；依此公式，若定義最小寬度為3μs，實際最小脈寬為tpd－tpdy，則tpd=7.959μs，可得PDT=85.272，取PDT=85=（1010101）B，因此，實際tpd=8.01μs，脈沖最小寬度為tpd－tpdy=8.01μs－4.959μs=3.051μs。

5）波形選擇SA866AE有三種標準波形供選擇，即純正弦波，正弦波帶三次諧波（增強型）和帶死區的三次諧波（高效型）。波形采用對稱技術保證每個功率管的開通角度相同。本系統選用帶三次諧波的正弦波作為調制波，即有：WS=（01）B。

6）V/f曲線控制FC用來確定是線性定律還是風扇定律，本系統設定工作在線性曲線狀態，即FC=0。圖4為SA866AE/AM所提供的線性特性。PED是一個8位參數，用來確定在頻率為0時電機上的電壓。如果設置PED=255，則VVVF線性特性沒用。Pedestal(％)=PED×100/255，本系統的初始值設定為10％，可得PED=25.5，取25，實際的Pedestal(％)=9.8。GRAD為一個8位二進制數，決定恒轉矩區曲線的斜率，根據基頻和PED值計算：GRAD=(255－PED)×fRANGE/（16×fbase）；GRAD255，取fbase=50Hz；則有GRAD=15=（1111）B。

7）其他參數由于線性曲線中不用KAY，在此KAY=（0000000）B；A/D轉換的零閾值的控制參數ZTH=（00）B；將上述所有參數字經統計得CHKSUM=（001）B。AWS=（0000）B。

由上述計算可得到參數分布表如表1所列。

表1參數分布表

ADDRESS

MSB(15～8)

LSB(7～0)

001100

00001111

00011001

001101

10010100

10101010

001110

00101001

00000000

001111

11111110

＊＊＊＊＊＊＊＊

表中“＊”表示任意項，在寫入時寫成01010101

4試驗應用結果及結論

根據設計做成的通用變頻器,進行了調速、起動、停止、反向、過載調節和加減速時間調節等試驗，試驗表明，該變頻器各項性

能良好，符合設計要求，并已先后在廣東和江蘇等地的空調制冷機、壓縮機、紡織生產線和塑料制品生產線上得到應用。該變頻器結構簡潔、成本低、可靠性高、具有較高的性價比和靈活的適應性，是驅動小功率電機及此類生產線最理想的選擇。