基于SA4828的智能化全数字式专用变频器的硬件设计

基于SA4828的智能化全数字式专用变频器的硬件设计摘要：本文介绍了利用大规模专用集成电路SA4828设计变频器的方法。系统主要包括主电路与控制电路，主电路采用IPM（智能功率模块）作为主功率器件。控制电路由8051单片机最小系统和英国MITE公司的增强型运动控制大规模集成电路SA4828三相SPWM产生器及少量的扩展外围芯片构成，充分发挥其控制电路简单、控制方式灵活、输出波形优点多的特点。主要内容包括：变频系统的主电路、SPWM发生电路、驱动电路、保护电路、速度检测、调速系统，实现了变频调速的全数字化控制，实时性好，可靠性高。关键词：单片机、SA4828、SPWM、变频调速、智能功率模块1.概述交流电动机，尤其是感应异步电动机，具有结构简单、价格低廉、坚固耐用、维护方便，可工作在恶劣的环境中等突出的优点，越来越受到人们的关注。其中，应用最广的变频调速技术，以变频器向交流电动机供电。变频器可以把原先固定电压和频率的交流电源转换为可变电压、可变频率的特殊的交流电源，已经成为交流调速的核心部件。近年来一些厂家研制出了专门用于生成三相SPWM波控制信号的大规模集成电路芯片，如SA4828等。采用这样的集成电路芯片，可以大大地减轻CPU的负担，仅当需要改变频率和电压时，单片机才去干预SA4828，使控制系统可以空出更多的时间用于检测和监控。2.电机变频调速系统2.1系统调速原理变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。同步电动机不消说，即使是异步电动机，其转速也是取决于同步转速(即旋转磁场的转速)的。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系，在电动机磁极对数不变的情况下，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。电机磁通的减小，势必造成电机电磁转矩的减小。由于电动机设计时，电动机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电动机铁心出现饱和，从而导致电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电动机。因此，在改变电动机频率时，应对电动机的电压进行协调控制，以维持电动机磁通的恒定。-1-2.2单片机控制的变频调速系统2.2.1系统框图图12.2.2硬件系统原理图图2该硬件系统主要包括主电路与控制电路两个部分，其中主电路包括交-直-交变频电路（本设计采用IPM集成模块）与电动机；控制电路包括8051主控制模块、SA4825产生SPWM波模块、驱动模块以及外围设备模块（如键盘输入、液晶显示、A/D模数转换以及串口等）。以CPU为核心，配以键盘、显示、通讯等设备，完成对交流电动机的速度控制。3.系统主要模块设计3.1主电路设计电压型变频器主电路的典型结构如下图所示。目前已有许多厂商把该电路与整流电保护电路外围设备（如串口、键盘、显示等）8051SA4828电动机回路A/D检测电路-2-路、控制电路、驱动电路、保护电路及传感电路等集成为一个模块，称为智能功率模块——IPM（IntelligentPowerModule）。这样使主电路结构紧凑，避免了分布参数的影响。IPM的特点①内含驱动电路，设定最佳IGBT驱动条件；②内含过流、过热、欠压、短路保护电路，出现异常时给出报警信号，以控制逆变器停止工作；③内含制动电路，可直接外接制动电阻RB；3.28051主控制模块8051是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。主要特性：·4K字节可编程闪烁存储器·寿命：1000写/擦循环·数据保留时间：10年·全静态工作：0Hz-24Hz·三级程序存储器锁定·128*8位内部RAM·32可编程I/O线·两个16位定时器/计数器·5个中断源·可编程串行通道·低功耗的闲置和掉电模式·片内振荡器和时钟电路3.3SPWM发生电路SA4828是英国MITEL公司研制出的一种专门用于三相SPWM信号发生和控制的集成电路芯片。它采用28引脚，主要特性是：全数字控制；兼容Intel和Motorola系列的单片机；载波频率最高可达24kHz；输出调制波频率范围为0～4kHz；16位调速分辨率；8位调压分辨率；内部ROM固化3种可选波形；可设定死区时间和删除最小脉宽；可实现正反转控制；可以单独设定各相的输出电压幅值以适应不平衡负载；有看门狗定时器。SPWM信号可由SA4828产生，硬件连接参考图2。首先由键盘输入给定的转速，单片机把它换算成变频器将要输出的频率和电压的控制字，写入到SA4828的控制寄存器，启动SA4828。从RT~BB的6个引脚输出相应频率和电压的SPWM控制信号，经驱动电路隔离后，分别控制IPM的6个IGBT的导通与截止，最后在三个输出端上产生对称的三RSTUVW图3单元IPMRB-3-相SPWM电压，以驱动交流电动机运转。利用转速编码器可以构成闭环调速系统，提高转速控制的精度。IPM的故障检测信号接到SA4828的SETTRIP端，一旦IPM发生过流、过热、短路和欠压等情况，将立即切断SA4828的6路输出信号，使IPM得以保护。3.4其他模块简介通过单片机与外围设备的连接与通信，使得电动机变频控制系统更加完善。其中外围设备包括串口（与PC机等进行通信）、键盘输入以及液晶显示等。3.4.1串口通信单片机与PC机的通信能够让控制系统实现实时监测并进行相应的控制，使控制系统更加智能化、自动化。目前，大部分计算机的串口都采用RS-232C通信接口的DB9连接器。RS-232C的逻辑电平与一般微处理器、单片机的逻辑电平不同，它的逻辑“1”是以-3～-15V来表示的，而单片机的逻辑“1”是以+5V来表示的。因此，单片机系统要和电脑的RS-232接口进行通信，就必须把单片机的信号电平（TTL电平）转换成计算机的RS-232C电平。3.4.2驱动模块SA4828输出的6路控制信号是TTL电平的，它们不能直接驱动IPM中的6个IGBT。原因有两个：①IGBT需要的开关信号幅值约为±10V，TTL电平不能胜任；②逆变桥中三个下桥臂是共地的，而三个上桥臂是悬浮的，SA4828输出的6路信号均是共地的，必须加以隔离。因此驱动电路的任务有两个：电平转换和隔离。1.电平转换IGBT一般用集成电路芯片来驱动，这里使用东芝公司的TLP250，电路非常简单。TLP250采用8脚的DIP封装，引脚如图4。输入端光耦的隔离电压达到3000V，输入电流为5~10mA，可以驱动100A/600V的IGBT。它采用单电源供电，使用时须外接一个电阻和一个10V的稳压管，把25V的隔离电源变为+15V的导通电压和－10V的关断电压。2.隔离电源如前所述，为了驱动主电路逆变桥的三个上桥臂的IGBT，必须给每一路提供一个隔离的25V电源而三个下桥臂可以共用一个电源。此外，SA4828及单片机系统还需要+5VAmp图4TLP250驱动电路1k525V10V86,7352TLP250-4-电源以及异步通讯所需的±12V电源，一共需要7路电源，如图5所示。该电源可以采用线性电源，也可采用开关电源。前者体积大，笨重，但电路简单，各路电源完全独立，调试容易。后者则轻便、小巧，电路相对较复杂。采用单片开关电源芯片可大大简化电路。3.4.3保护电路逆变器中的IGBT模块是变频器的主要部件，也是最昂贵的部件。由于它工作在高频、高压、大电流的状态，所以也是最容易损坏的部件。因此IGBT模块的保护工作显得十分重要。为此应做到以下几点：（1）选用智能型IGBT模块。IPM中一般都有过流、过热、短路、欠压保护电路，当任一情况发生时它能迅速给出报警信号。把该信号接到SA4828的SETTRIP端，可立即切断SA4828的6路控制信号，关闭所有的IGBT。（2）对SA4828编程时，设置合理的“死区”时间和欲删除的“窄脉冲”的宽度，前者可有效防止同一桥臂上、下开关元件的共态导通；后者可降低开关损耗，减少发热。（3）在单片机的调速过程中始终监视变频器输出端的电压和电流，一旦超限将停止SA4828的工作并发出报警指示。在IPM应用中，由于高频开关过程和功率回路寄生电感等叠加产生的di／dt、dv／dt和瞬时功耗会对器件产生较大的冲击，易损坏器件．因此需设置缓冲电路(即吸收电路)，目的是改变器件的开关轨迹，控制各种瞬态过压，降低器件开关损耗．保护器件安全运行。该模块主要是将对主电路实时检测的模拟信号转换为数字信号，而后传送给单片机控制系统，实现系统的实时监测。常见的A/D转换器有计数式A/D转换器，双积分式A/D转换器，逐次逼近式A/D转换器，并行直接比较式A/D转换器，V/F式A/D转换器等。3.4.4A/D模数转换模块本系统需处理多路模拟信号，故采用ADC0809转换模块，采用逐次逼近的方法完成A/D转换；片内带有锁存功能的8路模拟开关，可对8路0～5V的输入模拟电压信号进行转换,完成一次转换约需100μs。其输出具有TTL三态锁存缓冲器,可直接与单片机通信。隔离电源+5V/3A数字系统+12V/0.5A异步通信－12V/01A异步通信+25V/50mA上桥臂R相+25V/50mA上桥臂Y相+25V/50mA上桥臂B相+25V/150mA下桥臂R,Y,B相共用图5隔离电源A.C.220V-5-3.4.5速度反馈采用转速编码器对电动机进行测速，可以构成闭环调速系统。转速编码器主要有增量型和绝对型两种。增量型只有在旋转期间会输出对应旋转角度脉冲，停止时不会输出。它利用计数来测量旋转角度，价格比较便宜。绝对型是不论是否旋转，都可以将对应旋转角度进行平行输出的类型，不需要计数器可确认旋转位置；它还有不受机械的晃动或震动以及开关等电器干扰的功能，价格贵。在选择使用时，可参考以下几点：包括成本、分辨率、外形尺寸、轴负荷及机械寿命、输出频率、环境、轴旋转力矩、输出回路等等。3.4.6数控系统数控系统以CPU为核心，配以键盘、显示、通讯等设备，完成对交流电动机的速度控制，结构框图如图2所示。这里选用了MSC-51系列单片机，其内部配置了4KB的FlashMemory，无须扩展外部存贮器。同时这种8位单片机的总线结构与SA4828可以直接相连。给定转速可以用三种方式设定：键盘、电位器和上位机。用8位LED分别显示给定转速和实际转速。系统板上提供了4路12位A/D通道，转速、变频器输出端的电压、电流监测各占一路，最后一路备用。系统对电动机运行状态的数据监测、调速效果、动态响应的跟踪情况都可以传送到上位机，以表格或曲线的形式输出，以便于观察分析。4.结论按照上述方法设计的变频器，电路简单，运行稳定、可靠，大大地简化了硬件电路的设计。电动机可以从1~50Hz范围连续调速，闭环调速精度达到0.1%，动态响应时间小于1秒。实践表明，利用SA4828这类专用三相SPWM芯片来设计中小功率的变频器，是切实可行的简便方法。本论文利用单片微机和集成芯片配合产生SPWM波形控制逆变开关的通断，实现了全数字化控制，结构简单，与采用模拟器件相比，减少了生产成本，性能良好。采用变频技术后，可以节省大量的能源，有良好的经济价值和环保效果。这种系统在电力电子设备与人们生活日益密切的今天有着广泛的应用。通过这次设计，使我对专用集成电路设计有了更深入的了解，同时也认识到了自身的不足，对于创新能力的培养和加强必须引起高度的重视，光课堂的学习是不够的，需要通过自学和实践，将所学到的知识和自学的新知识融合在一起，通过实践加深理解。参考文献[1]冯垛生，张淼，《变频器的应用与维护》，广州，华南理工大学出版社，2001[2].张立科.单片机典型模块设计实例导航.北京人民邮电出版社，2004.[3]王晓明，《电动机的单片机控制》，北京，北京航空航天大学出版社，2002-6-[4]王君艳，《交流调速》，北京，高等教育出版社，2003[5]王成元等，