常用变频器介绍

变频器摘要各种类型的变频器因器在交流调速领域广阔的应用前景自从问世以来就一直是各方面研究的重点和方向。本文设计了一种新型全数字化三相SPWM变频器，整流部分采用二极管不可控整流，电路结构比较简单可使功率因数接近1。逆变器采用三菱公司提供的智能功率模块PM25RSB120(Intelligent Power Module)，它包含了IGBT芯片及外围的驱动和保护电 路。在控制部分以英国MITEL公司的专用集成芯片SA866为控制核心，同 时使用外部EEPROM将参数直接写入其中，无需其它处理器配合，充分利用 其外围电路简单、具有多种波形选择的特点。驱动电源采用JS158，它是 专为设计逆变装置而又使用IP M的嵌入式系统级开关电源，具有9路输出， 8路隔离输出，电流强劲，输入电压范围宽，保护全等优点。为了增强抗 干扰能力和保护控制电路，在本篇论文设计中还设置了隔离和过流保护单 元。关键词：SA866,三相变频器，智能功率模块AbstractVarious kinds of frequency changer has become the key point and the direction which various aspects studies since it has been published, because it has broad application prospect in the exchange velocity modulation. This article designed one kind of new entire digitized three-phase SPWM frequency changer, the rectification has used the diode encontrollable rectification, the electric circuit structure is simple and it can enable the power factor to approach 1. The inverter uses intelligent power module PM25RSB120 which the Mitsubishi Corporation provides (Intelligent Power Module), it has contained the IGBT chip and the periphery actuation and the protection circuit. We use English MITEL Corporations special-purpose integrated chip SA866 in control section .We simultaneously uses exterior EEPROM directly to read in the parameter, does not need other processor . We fully use its these characteristics :simple periphery electric circuit , many kinds of versatile choices, Various form choices.The power source we use JS158, It is a specially installment switch power source designed for IPM in the inversion system , it has these merits: 9 groups outputs,8 groups isolation outputs, strongelectric current, the input voltage scope is wide, various protects and so on . In order to strengthen the antijamming ability and protect the control circuit, we has also established the isolation sum and the protection unit in this paper design .Key word: SA866, three-phasefrequencychanger, intelligent powermodule目录1 绪论错误!未定义书签。1.1 变频器的特点和发展概况 错误!未定义书签。1.2 变频器的基本结构 错误!未定义书签。1. 3本论文所做的主要内容错误!未定义书签。2 变频器主电路设计错误!未定义书签。2.1 变频器硬件系统总体框架 错误!未定义书签。2.2 整流环节设计 错误!未定义书签。2.2.1 整流环节概述错误!未定义书签。2. 2. 2整流二极管参数的选择 错误!未定义书签。2.2.3 滤波电容参数错误!未定义书签。2.3 变频器中逆变部分设计 错误!未定义书签。2.3.1 逆变器件的选择错误!未定义书签。2.3.2 IPM的参数选择错误!未定义书签。2.3.3 PM25RSB120功能特点及内部电路.错误!未定义书签。2.4 主电路驱动电源的设计选用 错误!未定义书签。2.4.1驱动电源模块JS158概述错误!未定义书签。2.4.2驱动电源JS158的特点错误!未定义书签。2.4.3驱动电源JS158的各项参数指标：.错误!未定义书签。2.4.4电源模块与控制芯片和智能功率模块IPM的系统连接：错 误!未定义书签。3 变频器控制电路的设计错误!未定义书签。3. 1 SPWM控制的基本原理错误!未定义书签。3.2三相PWM发生器SA 8 6 6功能简介.错误!未定义书签。3.2.1 主要特点错误!未定义书签。3.2.2 SA866各个管脚功能错误!未定义书签。3.3 SA866的控制方式错误!未定义书签。3.4 控制系统硬件电路的实现 错误!未定义书签。3.4.1 SPWM调制波形错误!未定义书签。3.4.2 加减速控制逻辑的实现错误!未定义书签。3.4.3 频率和电压幅值的调节错误!未定义书签。3.5 控制软件的实现 错误!未定义书签。3.6正弦调制波和马鞍调制波的比较错误!未定义书签。4 隔离、超速和过流保护单元的实现错误!未定义书签。4.1 光耦隔离电路 错误!未定义书签。4.2 过流检测 错误!未定义书签。5 总结与展望错误!未定义书签。致 谢错误!未定义书签。参考文献错误!未定义书签。1 绪论1.1 变频器的特点和发展概况在国民经济的各行各业尤其是在工业控制领域，变频器的应用十分广 泛。主要表现在:可以提高工农业生产设备的加工精度；可以减小生产机 械的体积和重量，从而减少金属的耗用量;对于风机和泵类负载，如采用 调速的方法改变其流量，节电率可达20%-60%。基于以上原因，各种类型 的变频器因其在交流调速领域的广阔应用前景从问世以来一直是各方面 关注的焦点也因其在节约能源方面的巨大潜力成为研究的重点。1957年晶闸管的发明使电力电子器件进入了强电的领域，伴随着电力 半导体器件的发展，60年代产生了第一台变频器。进入80年代后电力电子 技术取得了突飞猛进的发展，新的器件和变换技术不断涌现，从早期的SCR 到GTO到近几年出现的IGBT，SITH （静电感应晶体管），MCT（MOS控制晶 体管），器件的功率级别，开关频率都大大提高。同时还出现了半导体器 件配套的功率集成电路（POWER IC）和功能更完善的智能化功率半导体器 件（IPM），现在IPM的发展目标是：高集成度，制成各种特定用户的模块， 降低成本，提高可靠性。在本篇论文设计中采用的便是由日本三菱公司生 产的智能功率模块PM25RSB120。随着微处理器的不断进步，从8-16位的单片机到16-32位的数字信号 处理器，再到32-64位的精简指令集合计算机（RISC），位数增多，执行 速度快，控制能力也越来越强，也导致了变频调速控制技术由模拟控制向 数字化控制的转化，今后变频器的发展方向是进一步缩小元器件的体积， 提高专用集成电路（ASIC）的集成度，使小容量系统的控制器和变换器都 能嵌在电机机壳里面，构成机电一体化。伴随着电子控制芯片和电力电子技术的不断发展，相应的自动控制策 略也取得了长足的进展，在变换器的PWM控制技术方面先后提出了 SPWMC正 弦波PWM）方式，SVPWM （空间电压矢量PWM）方式和各种优化的PWM方式。 先进的PWM方式使输出谐波大大降低。正是在以上几个方面的影响下，通用的变频器开始在国内外得到广泛 的应用，在开发，应用，生产变频器方面以日本，德国最为突出，国内引 进的变频器也以日本和德国的最多。1.2 变频器的基本结构通用变频器装置主要由主电路和控制电路两部分组成，其主电路主要 分为两种，一种是交一交结构(直接变频)，另一种是交一直一交结构形式 (间接变频)。交交变频器可将工频交流直接变换成频率、电压可控制的交 流，而交直交变频器是先将工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把 直流电变换成频率、电压均可调的交流电，所以一般变频器主要采用交直 交结构形式。在本毕业设计论文中采取的就是这种结构。主要包括整流环 节，中间环节和逆变环节，如图2-1所示。其中间整流环节是储能元件， 用于负载和直流电源之间的无功功率交换，根据此储能元件是电容还是电感，将变频器分成电压型和电流型两大类。rfc-N 整流中间直流 环节f逆变图1-1 变频器的结构图1-2绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图。在图l-2a中，直 流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下是一 个内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，是电压源型逆变 器(VSI,Vol tageSource inver ter)，有时简称电压型逆变器。这种逆变器 的主电路中间环节主要采用大电容进行储能、滤波，由于大电容的平波作 用，主电路的直流电压比较平稳，其电压无法迅速反向。因此，电压源型 逆变器无法实现回馈制动。而对于负载而言，电压源型逆变器相当是一个 电压源，电压控制响应慢，不易波动，所以可以同时带多台电机运行。本 文所研究与实现的通用变频器是电压源型变频器。在图1-2b中，自流环节 采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流 电流是矩形波或阶梯波，叫做电流源型(CSI,CurrentSourcelnverter)， 或简称电流型逆变器。这种逆变器的主电路中间环节用大电感作为储能和 滤波时，直流电流波形比较平直，电源内阻较大，对负载来说相当是恒流 源，其显著优点是容易实现回馈制动，便于四象限运行，适合于需要回馈 制动和经常正反转的生产机械。但由于电流源型逆变器属于恒流源，对系 统负载电流的变化反映慢，不宜带多台电动机同步运行，只能带单台电机 运行。呂b图1-2电压源型和电流源型逆变器示意图1-3本论文所做的主要内容1：系统的阐述的变频器的基本组成原理2：详细分析了智能功率模块PM25RSB120的基本组成原理和功能,应用它 作为变频器的逆变部分.3：对SPWM正弦波调制的方法进行了深入分析，并且在变频器控制电 路中应用了能进行SPWM控制的专用芯片SA866,并且给出了变频器控制系 统的详细硬件电路图.4:设计了SPWM最小系统控制电路并详细分析了外部EEPROM的功能，参数 选择，数据写入，波形选择以及与SA866芯片的连接配合。5:设计了光耦隔离和过流保护单元2 变频器主电路设计2.1 变频器硬件系统总体框架图2-1 变频器系统框图2.2 整流环节设计2.2.1 整流环节概述常整流电路可分为可控整流和不可控整流。可控整流可以使系统的功 率因数接近1，并且具有较小的纹波，频率高，可降低较小幅值的滤波电 容。但是采用可控整流电路会使得系统成本上升，并且控制电路复杂。 在本系统中，我们采用了三相二极管不可控整流，采用它无需控制电路驱 动，电路简单、可靠，成本低，缺点就是纹波较大，需采用较大幅值的滤 波电容.2.2.2 整流二极管参数的选择AC/DC整流电路由不可控整流环节、中间滤波环节构成。假如电动机参数如下n 二 2810r/minm 二77.5%;I 二 1.84A;COS0二0.85;K (启动转矩倍数)=1. 8；e e e QU二380V K(启动电流倍数)二7；(过载能力倍数)=2.2；e , 1 M整流二极管参数:A:通过二极管的峰值电流：=巨X 1.84 二 2.6 AI =迈1e112t)= = I m3 m0DmiB:流过二极管的电流有效值：C：二极管电流额定值:e =侖=善仃1.15 A考虑滤波电容充电电流的影响,须留较大的电流余量，选用Ie=10A, D:整流二极管电压定额：U =(2 - 3)U 二 1200Vdm2.2.3 滤波电容参数当没有滤波电容时，三相整流输出平均直流电压为：V 二空 U 二 1.35 X 380 二 513( V)DC 兀线加上滤波电容后,Vdc的最大电压可达到交流线电压的峰值V =U 二迈X 380 二 537( V)DCP线滤波电容值理论上越大越好，考虑到价格和体积，选用耐压为80OV,电容 量为llOOuf的电容。在整流电路后面，我们并一个大电容的作用主要有两 个:l) 滤平全桥整流后的电压纹波;(2) 当负载变化时，使直流电压保持平衡。为此我们在实际应用中采用的电容值是1100uF/800v,在变频器停止工作 后由于电容容量较大，如果没有泄放回路的话，储存的能量释放很慢，往 往达数分钟之久。为此我们在电容两端并联了一个200K/6W的电阻，构成一条泄放回路，使得电荷能较快泄放。图2-2整流滤波部分电路23变频器中逆变部分设计 231逆变器件的选择逆变电路中，我们选用的是三相全桥逆变电路，在逆变器中，我们选 择的开关器件为IGBT。绝缘栅双极型晶体管IGBT是由MOSFET和双极型晶体 管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，因此， 可以把其看作是MOS输入的达林顿管。它融和了这两种器件的优点，既具 有MOSFET器件驱动简单和快速的优点，又具有双极型器件容量大的优点， 因而，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。IGBT的等效电路 如图2一3所示。由图2一3可知，若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正 电压，贝0MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而 使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为OV,贝UMOSFET截止， 切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。图2-3 IGBT的等效电路图但是在实际电路中，大功率、高频率的开关操作动态条件非常苛刻，功率 电路，缓冲电路还有门极驱动电路必须合理设计，使IGBT能够承受di/dt 和dv/d t的极限值。如果功率电路漏感不够小、缓冲电路吸收不充分，瞬 态过电压就会发生.合理的布局对于IGBT的可靠性和工作效率是非常重要 的。哪一个环节没有设计好都会影响这个电路的正常工作，甚至将器件损 坏。智能功率模块IPM则大大降低了以上问题影响系统正常工作的可能性。 IPM是一种将高速、低损耗IGBT及其最佳门极驱动和保护电路集于一体的 功率模块。在本篇毕业论文设计中所采用的就是日本三菱公司生产的 IPM(PM25RSB120)2.3.2 IPM的参数选择为了选用合适的IP M用于变频器，要根据电动机的功率计算其最大峰 值电流Ic再参考该型号元件和过流保护(OC)的动作数值来选用。电动机最 大峰值电流可由下式计算：耳2 KKP二2C3U 耳 COS 0C在上公式中,P电动机功率(w)K2K1变频器电流最大过载倍数电流纹波系数变频器的效率COS 0功率因数U C 交流电电压在本处，电源为380V交流，电动机功率为2.2KW,Kl=150%,K2=120%,n=0.9,cosp=0.76.则电动机的峰值电流:二 12.45 A2 x1.5 x1.2 x 22003 x 380 x 0.9 x 0.76为此我们选用三菱公司的IP M器件PM25RSB120，其过载电流为(0C)为 62A,该模块内部有7只IGBT单元，每只IGBT的额定集电极电流是25A,额定 集电极一射极电压是1200V,完全可以满足我们的要求.2.3.3 PM25RSB120功能特点及内部电路亠二M LAA0CHD-Q-O(HHX)uyl-nO1L欝 z-oza门7岀口zu asMFE-CL Ms zo 口7占u 一r+ QL 切zDzoA7EJ-CC nLifl z Zu 020.CL mz-LJEe C7E1 图2-4 PM25RSB120的内部原理图A:下面结合PM25RSB12 0的内部结构图来说明其原理和保护功能。如下图所 示其中六只IGBT反并联续流二极管后连接成三相全桥电路。每一只IGBT 都有相应的隔离驱动电路，所有驱动信号必须隔离再进入模块，并且要 给上桥臂每一个驱动模块提供单独的隔离直流电源，下桥臂共地，可共享 一个直流电源。每一驱动电路都有完善的自动保护功能。为避免过压损坏 或欠压保护触发，控制电源应调整在15V 土10%范围内。这些保护是：1低电压闭锁IPM的内部控制电路需要15V直流电源。当这个电某种原因 低于电压阀值13.5V时，驱动电路自动闭锁，并且发出故障信号Fo通知主 控电路。一些短时间的电压毛刺将被保护电路忽略，因为它们并不影响驱 动电路的运行。控制电压直到上升至复归阀值13.5 V时，驱动电路才又开 始工作。2.温度保护IPM内部有一个固定在底盘IGBT器件附近的温度传感器。当模 块温度超过阀值125C时，无论输入信号是什么，驱动电路将自动闭锁同 时发出故障信号Fo。直到模块温度下降到复归阀值100C并且控制信号为 高电平（IGBT关断）时IPM才重新开始工作3过流保护IPM使用电流传感型IGBT对模块进行在线监测。如果通过IPM 的电流超过过电流阀值62A且持续时间为1 Ous以上，保护电路将闭锁门极 驱动并产生故障信号Fo。这段持续时间是为了避免通过IP M的瞬时电流尖 峰造成保护误动。4.短路保护 如果发生短路，电流超过短路电流阀值101A，保护将立即 动作并发信号FoB: PM25RSB120引脚功能及隔离电路PM25RSB120有19个控制引脚（有一个空脚），可分为相互隔离的四组： u相上桥臂:vup/vupc一电源输入，UP控制信号输入，UFO故障信 号输出。V相上桥臂：Vvpi/VvPc 电源输入，Vp控制信号输入，VFO故障信号输 出。W相上桥臂：Vwpi/Vwpc一电源输入，Wp控制信号输入，WFO故障 信号输出。三相上桥臂：Vni/Vnc一电源输入，UN,VN,WN一控制信号输入，FO故障信号输出。以上电源输入中：三个上桥臂各需要一路隔离15土 1.5V / 34mA直流电 源，下桥臂共需要一路隔离15土 1.5V/100mA直流电源。输入控制信号是反 向的，即给输入引脚P加0-0.8V以下的电压时，对应的IGBT导通:给输入引 脚P加4.OV-15V的电压时，对应的IGBT关断。故障输出为I OmA下拉电流信 号，最小持续时间为1.8ms上面讲到了PWM信号进入IPM之前必须要进行隔 离，同理故障输出信号Fo也必须要隔离后才能送到主控板。图2-5为IPM 上桥臂接口电路图，V3十4IO1 ICM与TT組一样1 11Vi：o111Vp11VVR.；VvriVAT1WfoIO1I图2-5 IPM上桥臂接口电路图下桥臂接口电路大致相同。PWM信号隔离光耦采用东芝公司的高速光耦 6N136,速度可达1Mb/s，在共模电压为1500V时，其共模抗扰度(Common Mode Noise Im munity)可达15kV/us。为了保证IGBT功率电路的可靠运行. 光耦的共模抗扰度至少要在IOkV/us以上。要注意IPM模块的输入逻辑是反 向的，所以光耦OPT1应接上拉电阻到15V使输出反向。而且这样接线时， 如果主控板过来的信号线由于某种原因断线，对应IGBT将截至。控制输入端的上拉电阻应该足够小已避免输入端高阻抗拾取噪声，又要足够大，以 保证高速光晶体管在最大Vin（on）时仍能靠的控制IPM.故障输出信号和制 动输入信号采用普通的低速光耦PC817就可以了。IPM故障输出为大约lOmA 左右的下拉电流信号。因此OPT2的初级不需要串接电阻，直接并在15V和 故障输出端Fo两端。同时IPM的控制电源端子应接一个至少10uF的退耦电 容，这个电容帮助滤掉控制电源的共模噪声并提供IPM驱动电路的所需的 大电流脉冲。为了减小接口电路板的尺寸，提高接口电路的可靠性，电源 采用专门定做的DC/DC模块（JA158）。该模块的隔离绝缘电压可达2500V, 有9路输出电压，8路隔离输出，足够IPM驱动电路和控制芯片所需了。IPM 接口电路较简单，但一定要注意其PCB的布局。尽量不要让光藕的初级和 次级布线靠得太近或者在上下两层间交叉。各桥臂DC/DC模块的电源布线 要尽量靠近IPM控制引脚，不要互相靠近。PCB布线要尽可能短，多地 方要布屏蔽地层。2.4主电路驱动电源的设计选用2.4.1驱动电源模块JS158概述变频驱动器的电源是整个系统的心脏，提供稳定，可靠，纯净，足够 的电能给系统工作。其中若有丝毫的差错可能会直接影响到元器件的好坏 以及周边电路的稳定。JS158是专为设计逆变装置而又使用IPM的嵌入式系统级开关电源。具 有9路输出，8路隔离输出，电流强劲，输入电压范围宽，保护全等优点。 以下是其实物图片：图2-6驱动电源模块JS158实物图2.4.2驱动电源JS158的特点1:1500V耐压的MOS管作为动力源，保持功率强劲。2:金属屏蔽大功率高频变压器。3:超宽耐压范围，额定直流电压为：170V-700V。4:适合几乎所有IPM的应用场合：如伺服控制，变频驱动，逆变电源 等。5 : 9路输出电压， 8路隔离输出。6:可为系统中提供电源的有：IPM，CPU/DSP，光耦，运放，继电器，霍 尔电，传感器，光编码器，散热风扇等。7:有VDC Detect功能，实时监控直流母线电压。8 :严格的绝缘隔离高达25 0 0V 。2.4.3驱动电源JS158的各项参数指标：输入直流：170-700V；额定功率：60W；输出电流：5V： 300mA（最大 1A）;24V：2A；15V：200mA;15VX3: 150mA（IPM 上三桥每路用）15VX1： 300mA（IPM 下三桥共用）30-50V直流母线电压取样：100mA;（与15V共地）使用方式：（1）上电之前请先检查各部件有无损坏，避免其他原因造成的短路等事故。（2）请认准输入电压是否是直流以及电压大小是否为允许范围。上电无 误后，发光LED灯被点亮以随时待机。2.4.4该电源模块与控制芯片和智能功率模块IPM的系统连接：图2-7电源模块与控制芯片和智能功率模块IPM的系统连接3 变频器控制电路的设计31 SPWM控制的基本原理在采样控制理论中有一个结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具 有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说 的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。图3-1 形状不同但冲量相同的脉冲 上图3-1便是形状不同但冲量相同的脉冲，那么如何用一系列的等幅而不 等宽的脉冲代替一个正弦波呢?把下图3-2所示的正弦半波分成N等份，就 可把正弦半波看成是由N个彼此图3-2 PWM波形相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列来代替，矩形脉冲的中点 和对应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（冲量） 相等，就得到上图所示的脉冲序列，这就是PWM波形。可以看出各脉冲的宽 度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦 半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。 像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也成为 SPWM波形。获得PW M波形的方法主要有两种:计算法和调制法。计算法指的是通 过软件按照一定的算法编制程序来产生SPWM波形，采用的方法主要有自然 采样法、规则采样法、不规则采样法等等。调制法是把希望输出的波形作 为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望 的PWM波形。通常采用等腰三角形波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波 应用最多。因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右 对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对 电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉 冲，这正好符合P粗控制的要求。在调制信号波为正弦波时，所得到的就 是SPWM波形。下图3-3就是PWM控制方式的原理。3-3 PWM控制原理图除了上述的两种方法产生SPWM的方法外，专门用来产生SPWM波形的大规模 集成电路芯片也得到了较多的应用。较早推出的这类专用芯片时HEF4752 这种芯片可以输出三对互补的SPWM信号用来驱动三相桥式逆变电路，从而 实现交流电机的变频调速。芯片的输入控制信号全为数字量，适合于微机控制。SLE4520是另一种专用SPWM芯片，其开关频率和输出频率分别可达 20kHz和2.6kHz，有二个输出通道提供三相逆变桥六个20mA电流的驱动信 号,可用来驱动IGBT逆变电路。采用专用芯片可简化硬件电路和软件设计, 降低成本，提高可靠性，本系统采用的90年代末推出的变频调速专用芯片 SA866AE。3.2三相PWM发生器SA 8 6 6功能简介3.2.1主要特点三相SPWM发生器是变频器的核心部分，它的性能好坏，直接关系到整 个变频器的工作状况。在本系统中，我们选用了英国MITEL公司的SA866 芯片作为波形发生器，SA866是专为感应电机的PWM控制设计的一款集成电 路。它除了能产生合乎要求的PWM脉冲外，还集成了完备的过流、过压保 护功能，并可在紧急情况如短路、过热时快速关断PWM脉冲，保护逆变器 和电机。它的最大特点是可以独立运行，无需微处理器。它的输出频率以 及加速减速的快慢都可由外接电位器在线连续调节。所有需定义的参数如 载波频率、死区时间、最小脉宽、调制波形、V/F曲线等均存储在外接的 串行EEPROM中，上电时自动读入SA866RESETrD1R|A/D单元丽冲取消r-iRPHTiiJrphbI YPHTYPHBXTALIHSA866有种工作模式，它可以变也可与微处理器配合使用,基本地址产生器波形ROM输茁开关TRIP:SET TRIP可采用。它采用双缘调制技术，脉冲产生精确，它的工作频率范围很宽， 时钟频率为25MHz时，载波频率可达24kHz，输出频率可达4kHz。它还可以 提供两种v/F曲线:恒转矩的v/F线和负补偿的v/F线，后者即针对风机类负 载而设。其内部功能框图上图所示。3.2.2 SA866各个管脚功能SA866采用PLCC封装，共有32个管脚，管脚图如下图YPHTRPHBRPHTVDDDVSSDXTAL 1XTAL 2N/CSET TRIPBPHTN/CBPHBYPHBTRIPSDADIRSCLCSSE RIALRDECOSC/CLKRACCIMONSA8 66VMONVSSAVDDAPAG1SE TPOINTRESETVSSADCPAGOVREFIN图3-5 SA866的引脚图(1)对外串行接口SDA、SCL、CS,SDA为数据总线，SCL为时钟信号，CS为片选信号。(2) 工作状态选择SERIAL决定与SA866连接的是EEPROM还是微处理器，高电平表示与EEPROM连接，PAGEO、PAGE1决定采用的是EEPROM中的哪一页参数。(3) 控制及输出SETPOINT决定稳定运行频率，Racc、Rdec决定加速减速的快慢，也可用来选择6种工作模式中的一种。RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT、BPHBTitl e为三相PWM脉冲输出端，可直接驱动光耦DIR控制三相顺序，高电平表示SizeNu mb正向旋转。BDat e:File:D0-我我 的保护Vmon、 IMONVmon为过电压信号输入端，减速过程中此端电平若大于2.5v，就起动 过电压保护动作，将输出频率固定在当前值。Imon为过流信号输入端，升 速过程中端电平若大于2.5v，内部过流保护就动作，不再继续升速，直到 过流信号消失才继续升速。SETTRIP为紧急停机信号，可快速禁止PWM脉冲 1 2输出，trip端表示输出禁止状态，低电平有效，该信号只有在复位信号下 才能被解除。(5)电源Vddd为数字电源，Vdda模拟电源，Vssadc是A/D转换电源，均接同个 D+5伏电源，Vssd、Vssa分别是数字地及模拟地，VREFIN是A/D转换参考电压， 为+2.5V。33 SA866的控制方式所有可编程参数都存储在EEPROM中，并在RESET信号后自动装入SA866 中。一片EEPROM可同时存放四页参数(接线方式如下图)，改变PAGEO、PAGEI 两脚的电平就可决定采用哪一页参数，如下表所示V DDVDDCLKSCKDISDA9 3LC4 6 DOSA86 6CSCSVSS图3-6 SA866与EEPRO M的系统连接B表3-1 EEPROM的页地址PAGE1PAGE0起始地址页数00xx0000001xx0100110xx1000211xx11003PAGE 0和PAGE 1内部都有上拉电阻，如果两个都悬空，则选定第3页存储 RESET上升沿到来之后，CS信号为高，选定EEPROM，SA866驱动时钟信号 （SCL）控制其与EEPROM的输入输出时钟字。在SCL的下降沿到来后，SA866 输出EEPROM的控制字（在随后的上升锁存入EEPROM），再次SCL的上升沿到 来后，EEPROM同步输出参数的真位，下降沿锁存入SA866。复位以后，SDA 空闲为低电平，在CS为高后的第一个对全体下降沿来临时，SDA输出一个 高位的二进制数。随后SA866A给EEPROM发出读指令，继续输出两“0这两个 数据被EEPROM译作地址“MSB” （高位二进制数）或被忽略不计。然后是4位由 PGEO和PAGEI选定的地址位（如下表）。在同一上升沿时刻，最后一个地址 锁存入EEPROM，同时EEPROM输出一个虚拟数据其值为0。在随后时钟的上 升沿，EPROM开始给SA86传输数据，数据是以16位的格式传输，第一位是 MSB。注意：16位字之间没有隔离（此后不再需要虚位或片选信号）。当55 个二进制数全部镇存入SA866,CS被强迫为低电平，中断传输数据。在读 操 作 期间，累加器不断计数输入数据“1”的个数，检验和本身的“1”除外CHECKSUM）。读操作完成后，将这个和的最后三位同检验和（CHECKSUM） 比较，检验和（2:0）是EEPROM下载的数据中的最后三位二进制数。如果比 较值不同，则中断输出。只有复位以后消除原来的状态，重新开始一个读 周期。（当串行EEPROM数据下载时，PWM输出禁止）通过EEPROM下载的可 编程参数如下表3-2：表3-2 EEPRO M的可编程参数地址最高位 最低位151413121110 9 87654 321 01100GRADPED1101PDYZTHPDTFC1110CFSWSFRSKAY1111AWSCHKSUM多余字节( 1)载波频率载波频率是指外接的时钟频率和一个倍率系数N的函数:N的十进制值由初始化寄存器的一个3位CFS字决定，N对应的二进制值见下表表3-3 3位CFS与N值的对应关系CFS 111 110 101 100 011 010 001 000N的值 76543210载波频率如下公式所示:f f f = Ck CARR(2) 电源频率范围为了使SA866有最佳的解决方案，用这个参数选择所需要的电源频率,在所表3-4 FRS与N值的对应关系FRS110101100011010001000N的值6543210选择的范围内，频率采用16位。但选择的频率范围时要高于电机要求的频 率，频率范围给出频率的上限值，频率的变化由加速/减速的16位频率字 逻辑控制。频率值是载波频率fcARR和比例系数M的函数，M的值由一个3位 的FRS字决定，对应的二进制值如上表，频率范围如下公式所示：f x 2m/二 CARRRANGE384(3) 脉冲延迟时间相邻的两个PWM输出信号控制着逆变器的高端和低端的功率管，理论 上这两个控制信号是互补的。但是由于功率管的开通和关断时间都不相 等，有必要提供一个短暂的延时使两个输出都关断，这样做为了避免上下 桥臂直通损坏功率管，这段时间称作“死区”。脉冲延迟延迟了每个输出的 上升沿，因此将会同时影响六个PWM输出，延迟时间为载波频率和PDY的函 数。由6位脉冲延迟时间字决定，如下表所示。表3-5 PDY与其值的对应关系PDYPDY的值6362计算公式如下：63 - PDYt = pdy f x 512 CARR由于脉冲延迟电路是跟随脉冲取消电路的，所以PWM输出的最小脉冲宽度 要比设置的脉冲取消时间(PDT )短，实际最小脉宽是tpd-t pdy。(4) 脉冲取消时间纯正弦波的脉宽从0%-100%变化，因此脉宽可以很小，但实际上过小 的脉宽没有用。因为时间过短，功率半导体管还没有来得及打开就关闭， 只是增加了功率管的损耗。因此必须定义最小脉冲宽度。不论是高电平或 低电平，只要比要求的宽度短都将被取消。为了 取 消短脉冲，真正的 PWM可以通过脉冲取消电路，脉冲取消电路把脉冲宽度与设定在寄存器里 的脉冲取消时间相比较。如果脉冲(无论是正的还是负的)比脉冲取消时 间大得多时，它可以无变化地通过，否则，脉冲被取消。脉冲取消时间tpt 是载波频率和PDT的函数，定义为7位脉冲取消字，PDT值的选取如下表所 示：表3-6 PDT与其值的对应关系PDT 字PDT 的值1271260脉冲取消时间如公式所示：127- PDTt = pd f x 512CADR(5) 波形选择SA866AE有三种标准波形供选择:纯正弦波适用于静止逆变器、UPS这 些对波形的纯度要求高的波形发生器。对三相感应电机而言，三次谐波波 形可最大限度地利用逆变器直流电压中的谐波分量。同样，对电机控制而 言，带死区的三次谐波减少了功率管的开关次数，减少了损耗。波形采用对称技术保证每一个功率管的开通角度相同。在采用带死区的三次谐波 时，在低频时，下臂开关管连续关断的时间太长，以致影响到了自举驱动 电路的工作。因此还有一个选择，它在可编程频率（AWS）之下，可以自动 地切换到不带死区的三次谐波。这种特征叫做AWS。用WS0,WS1定义电源波 形，如下表：（3）（C）（a）标准型（b）增强型（c）高效型图3-7 SPWM调制波形表3-7 WS0, WS1与波形的对应关系WS1WS0波形00正弦波（默认）01三次谐波10带死区的三次谐波11自动波形切换（6）自动波形开关（AWS ）这个参数定义的是在三次谐波和带死区的三次谐波之间的电源波形切换时的频率，由于噪音的影响，切换会有一个小的延迟AWS字11111110 0000W的值1514 0 随着电源频率的上升，波形从三次谐波转变成带死区的三次谐波。频率如下公式:Wf = 32 x fAWS 32 RABGE(7) V/F曲线控制字(GRAD,KAY,PED, FC)SA866提供了两种V/F曲线，恒转矩型和负载补偿型。FC用来选择其中 之一。FC=0选择恒补偿型，FC=1,选择负补偿型。对于恒补偿型，只需确 定GRAD和PED。转矩提升的补偿电的补偿电压由PED决定：pedestal (%)=PED xlOO255上升斜率由GRAD确定，如下公式所示:GRAD = (255 -卩已。)x Grange , GRAD 25516 x fbase(8) 校验和(Checksum)校验和(Checksum)是EEPROM下载数据的最后3位，它等于其上的所有 “1”的二进制和的最后三位，不包括检验和本身，用与检验每一页的EEPROM 中的数据。3.4 控制系统硬件电路的实现3.4.1 SPWM 调制波形如图是SA866最小系统原理图，可以看出SA86外围电路非常简单，整 个电路可以用极小尺寸的PCB来实现。SA866将大部分外围电路都集成在芯 片内部，这样做从另一方面来讲对芯片工作的稳定性有很大帮助。SA866 与串行EPROM通过Microwire总线协议进行数据交换。并配有手动复位开 关，用于在切换状态后重新载入参数。开关S1用来切换正反转，开关S2 用来切换正弦波和马鞍波。晶振采用普通无源晶振，用于加速、减速和给 定频率的电位器均采用了多圈精密电位器。3.4.2 加减速控制逻辑的实现加速/减速单元包括一个17位的uP/dow n计数器，一个16位的幅值比 较器。计数器的时钟和外接的加速或减速Rc振荡器的时钟同步，加速/减 速速率可分别由外围的RC振荡器决定，具体连接方法见上面系统图。两个 回路的电阻和电容值可以相同，也可不同，从而可以产生相同或不同的加 速/减速时间。从OHz加速到由频率范围确定的最大频率的时间，或反之 由最大频率减速到OHz，所需的时间由下式给定：t二 65536xRCxln3 二 72x 103RC,5K R 100K，uf c 25ufACC / DEC如果RACC脚接的电平小于0 .125Vdd，则加速/减速功能被取消，工作频率 瞬时变化，此功能适用于静止逆变器如UPS等;也可直接通过外部的时钟信 号驱动RACC和RDEC的输入，不用Rc振荡电路。典型输入VIL=0.3 Vdd和 VIH=0.6 Vdd，必须注意不能超出以下范围：0.125 Vdd V0.5VDD )，则停止加速/减速直到Vmon 低于0.5 Vdd，该条件具有最高优先权，但通常当Vmon0.5 VDD)，则瞬时频率的标量值按照预先 选定的速率减小，而与uP/down的状态无关。如果瞬时值频率减为0,而 Imon0.5 VDD，贝UPWM输出关断(防止电机在停止时过热)一旦频率减为 零，就不允许加速/减速。而当Imon重新释放，则又恢复正常的加速减速， 重新输出PWM波形。此功能的优先权低于Vmon，此功能用来防止过高的加 速导致功率管的过流或过流。(3) 如果Imon和Vmon都无效，则加法器综合数值比较器的uP/down输出 信号，给 定方向信号，计数器输出的瞬时方向信号进行计算决定是否需 要加速/减 速 。(a) 如果要求的和瞬时方向不同。减速直至停止，只有这样才能改 变方向.因此只 要这 种情 况不变，则一直减速。(b) 如果要求的和瞬时一致，且UP和down都是，则目标频率和瞬时 频率的方向，幅度一样，无需加速/减速。(C)如果要求和瞬时方向一致，但up和down为高电平，则不需要改 变相序，但幅度要变，假如up是高电平，则加速。如果down是高电 平则减速。(d) up和down同时为高是非法状态，不可能出现。加速/减速 振 荡器输出控制着加速/减速信号，递增或递减频率。计算过程流程图如上 图所示。计数器是一个同步up/down计数器，复位以后，瞬时方向和频率 分别被迫变为正向和0，只要给定频率等于0，则瞬时频率就会变为0，同 时输出被禁止(强迫为0)。从此状态开始启动(同刚上电后的状态)上桥臂 输出暂时禁止，而下桥臂在PWM恢复输出前的整个载波周期成高电平。在 此期间完成对自举驱动电路中上桥臂电容的充电，但不会产生短于脉冲取 消时间的脉冲。3.4.3频率和电压幅值的调节SPWM发生器是SA866AE的核心，通过输入参考波形“纯正弦波”和高频 载波的比较，采用异步不对称规则采样法形成脉冲调制信号。SA866AE工 作电路如最小系统原理图所示，工作电源为+5V直流电，参考电压VREFIN 为+2.5V，RACC，RDEC分别为频率加速时间，减速时间控制端，SETP01NT为 输出电压频率给定信号端。RACC，RDEC及SETPOINT输入均为0-2.5V的模拟 电压量oSA866AE的初始化参数均存放在片外串行EEPR0M（93LC46），93LC46 是1024位的串行存储器（一般只用前256位即可），它通过微线型总线与 SA66AE接口。根据要求，初始化参数主要包括载波频率（2KHz）,波形种类 （纯正弦波），输出波形频率范围（0.255Hz）及零频补偿电压PED（全压）。 PAGE0、PAGEI是页面选择端，用于指定初始化参数的地址范围。DIR端是 控制输出三相电压信号相序的，当DIR接高电平时，相序为R一Y-B（正向）， 当DIR接低电平时，相序为RBY（反向）。当SA866AE上电清零复位后， 就会从RPHT，YPHT，BPHT输出我们所要求的三相SPWM波。3.5 控制软件的实现工作于标准方式的SA866AE，软件设计比较简单，只要根据系统指标 要求，驱动电路参数，开关管参数，就可以确定出设计参数，进行编程在 这种工作模式下，需要编程的参数总共有7个，包括载波频率（CFS）、电源 频率范围（FRS）、脉冲延迟时间（tPDY）、脉冲取消时间、波形选择、电压 /频率控制参数（GRAD，KAY，PED，FC）,A/D输入门槛电压假如系统应用 的时钟频率为8MHz，载波频率7812.5Hz，调制频率范围0-81.4Hz，最小脉 宽3us，死区时间5.1us。计算过程如加速减速频率输出I图3-9 加，减速控制逻辑流程图如下所示: 确定 CFS : n=0,所以由公式 fcARR = 51212n+1 确定fCARR= 7812.5Hz, 则确定CFS=000.f x 2mf =(2) 确定 FRS： m=2,所以由公式 RANGE 384确定fRAYGR = 81.4Hz,则确定FRS=010.63 _ pdy(3) 确定 PDY：tpDY=5us ,由公式t =所以PDY=35.4,取pdy f x 512CARR35，PDY=,实际死区时间为5.1us(4) 确定PDT：由于tPD-tPDY二 3us，得tPD=tPDY+3=8.1us, 由公式127 - PDTt =pd fADR x512得PDT二。实际的最小脉宽为8.1 5.1=3us(5) 确定V/F曲线控制字因为是恒转矩负载，所以FC=O令Pedestal取pedestal (%) =3.1%，则由公式PED x100255得 PED=。令fBASE=50Hz，则由公GRAD = (255 -卩已。)x Grange , GRAD 255式得16xfbase,GRAD=25.1,取GRAD =25,即为(6) 确定其余选择字波形：采用正弦波和三次谐波型，所以Ws=00或01,AWS=000零频阈值电压为0,所以ZTH=00;KAY未用，所以取为00H,正弦波 时所有选择字中1的个数为15,所以CHKSUM=111，马鞍波时所有选择字中1的个数为16,所以CHKSUM=000。上面 这 些 参数以页为单位存入外接的E