中频大功率电机变频调速系统的设计

中频大功率电机变频调速系统的设计脉宽控制寄存器保护电路开关损耗驱动电路采用三相SPWM波形发生器SA4828,结合相应的软件,根据电机的调速要求,对为电机提供频率0~400Hz、功率为数百千瓦以上的逆变电源系统进行了探索性研究,以实现电机的调速。针对某大功率电机要求调制频率较高、速度多级可调并且稳定运行条件下产生热量较小的特点,本文介绍了采用单片机控制的变频调速系统的设计方案。该系统采用MITEL公司生产的增强型SPWM波形发生器SA4828,利用其SPWM输出的高效型波形,不但可以使功率半导体开关器件大幅度降低开关损耗,而且还可以使用更少、更便宜的功率器件,减小散热片的体积。此外,系统稳定工作时,SA4828几乎不占用CPU的运算资源,因而,单片机有能力进行整个系统的检测、保护、控制、显示等。系统实时性好,可靠性高。1硬件电路方案系统硬件电路由主电路、控制电路、驱动电路、保护电路以及键盘显示电路组成。系统框图如图1所示。1.1主电路系统主电路采用AC/DC/AC三相逆变桥结构,桥臂上的变流元件由绝缘栅门极双极性晶体管(IGBT)构成。由电网引出的三相交流电经过整流、滤波变为稳定的直流电,直接提供给逆变器。主开关器件选用日本三菱公司生产的CM400HA-24HIGBT(400A/1200V)模块,并联后作为三相桥的一个臂,加上缓冲电路构成本系统三相逆变器。由于IGBT工作频率较高,而开关频率高会增大开关损耗,并在IGBT的集电极产生浪涌电压,从而造成器件过热,甚至损坏。为避免这一情况的发生,需对IGBT增设缓冲吸收电路。用于桥式臂上常见的缓冲吸收电路如图2所示。其中图2(a)适用于50A以下的IGBT,图2(b)适用于200A以下的IGBT,图2(c)则适用于200A以上大容量的IGBT。经初步考虑,可选择如图2(c)所示的RCD钳位式缓冲吸收电路,将IGBT的工作点限制在安全区内,以防止因IGBT过电压、过电流而降低其开关损耗。考虑到缓冲电路的吸收效果和Rs的耗散功率以及反馈能量,在满足一定条件的前提下,Rs取大些为好,因为其功耗与阻值无关。如果Rs过小,则吸收回路会出现电流振荡,IGBT导通时使集电极电流Ic尖峰值也增大。Rs的实际值选取应以试验为准。VD的选择对吸收也有明显影响,应选择快速恢复二极管。同时吸收回路的引线电感对吸收也影响很大,应尽量缩短引线(其详细资料见文献[1])。1.2驱动电路驱动电路采用日本富士公司生产的EXB841厚膜驱动模块构成。EXB841可直接驱动300A/1200V的IGBT管,其输入端接有高隔离电压光电耦合器,使控制电路与驱动电路隔离。由于EXB841直接驱动400A/1200V的IGBT管驱动能力不足,故需要外接功率晶体管,以提高其驱动能力,去驱动本系统的IGBT模块。EXB841不但具有隔离性能好、抗干扰能力强,同时还有过流检测及保护电路等功能。一旦EXB841检测到过流信号,则快速向SA4828发出保护高电平,以封锁各路IGBT驱动信号、高速切断电路和关断IGBT。1.3控制电路控制电路由AT89C51单片机最小系统及少量的扩展外围芯片和SA4828三相PWM波形产生器构成。(1)单片机功能工作开始时,单片机首先对SA4828进行初始化,定义载波频率和电源频率范围、死区、最小脉冲取消时间等参数;然后向SA4828的控制寄存器传送电源的频率控制字和幅度控制字等参数。正常工作时,单片机根据需要对SA4828的控制数据进行修改,实现系统的反馈与实时控制。调压时,用户可通过控制面板调节电压的给定值来改变输出电压。调频时,单片机根据用户设定直接修改SA4828频率控制寄存器的控制字,以改变电源输出频率。为保持磁通恒定,输出的交流电压u与频率f的比值应保持常数,二者之间的关系可由u/f曲线来描述。用户根据具体情况,可设置多根补偿程度不同的u/f曲线。为使单片机运行简化,可将曲线表示的函数关系制成表格预存在存储器内,再利用单片机特有的地址运算方法逐一调出所需的电压控制数据。(2)SA4828简介SA4828是由英国MITEL公司专门为电机控制电路设计的三相SPWM波产生器。它是SA8282的增强型产品,其本身的功能要比同系列的其他产品以及英国Mullard公司生产的HEF4752和德国西门子公司生产的SLE4520功能强大得多。其功能比较如表1所示,3种芯片更详细介绍请参阅文献[2]。SA4828的特点:①具有全数字化操作,输出波形精度高;工作频率范围宽,输出电源频率可达4kHz,频率控制精度达16位;若用于变频调速,对运行于3000r/min的单相电机,速度分辨率可达到0.05r/min。②SA4828是一种通用可编程的微机外围芯片,虽然必须和微处理器配合使用,但微机的介入程度很低。③采用谐波抑制技术;提供软件复位功能;内置“看门狗”定时器以加强监控,从而提高了可靠性。④有3种可供选择的输出波形:纯正弦波、增强型和高效型波形,如图3所示。适用于多种应用场合;采用可由用户选择的三相幅值独立控制方式,使得三相逆变器可用于任意不对称负载。⑤工作参数:载波频率、电源频率、输出幅值、死区等都可以通过微处理器很方便地写入,并且只需在改变工作方式时才刷新。因而,工作方式更加灵活。其更详细介绍请参阅文献[3]。就本系统而言,采用SA4828输出的高效型波形的功能如下:①降低功率器件的开关损耗,大大提高整机利用效率。②大幅度减小电机发热,这对于散热不良的空间,减少热量积聚极为有利。③使用体积更小的散热片,减小了整个系统的体积。以上3种优点也是目前大功率电机调速系统有待改进的性能之一。此外,本方案还考虑让SA4828和单片机共用一个晶体振荡器,以增强其同步性能、减小漂移。由于时钟输入(CLK)采用CMOS输入时其负载电流非常小,因而可考虑在SA4828的CLK输入和晶体振荡器之间加一级CMOS施密特缓冲电路,并且尽可能靠近晶体振荡器。1.4键盘及显示电路键盘由AT89C51的P2口引出,由于稳定运行时几乎不用键盘,所以键盘连接采用中断方式。显示电路采用Motorola公司生产的5位7段LED译码/驱动芯片MC14489,直接驱动4位共阴极LED数码管和5个LED指示灯。各种参数的设置及频率、电流、电压和故障代码的显示,都可通过键盘进行操作,并由4位数码管实时显示出来。详细资料参阅文献[1]。1.5保护电路本系统保护功能包括直流过压保护、欠压保护、短路保护、过热保护及交流过流保护。直流过压、欠压及过流保护信号经比较器判断,由快速光耦隔离后直接输出;交流过流保护信号由霍尔传感器取样输出电流得到;过热保护信号由温度传感器获取(限于篇幅,未给出保护电路)。此外,SA4828的SETTRIP端在紧急情况下可以越过单片机直接关断输出信号。为了排除任何可能叠加到该端的干扰源引起的误动作,应考虑在该输入端加1个合适的去耦电容。2SA4828编程计算对SA4828的控制是通过微处理器接口将数据送入芯片和2个寄存器(初始化寄存器和控制寄存器)来实现的。各种参数通过8个暂存器R0、R1、R2、R3、R4、R5、R14、R15来传送。初始化参数先被写入R0～R5,然后通过对R14的写操作将参数送入初始化寄存器,最后再将控制参数写入R0~R5,并通过对R15的写操作将参数送入控制寄存器,控制输出脉宽调制波的状态,从而进一步控制逆变器的运行状态。编程计算如下(具体寄存器内容请参阅文献[1])。假设:时钟频率12MHz,调制波频率范围0～400Hz,载波频率12kHz,脉冲删除时间10μs,延迟时间5μs,采用高效型波形,使用红相控制幅值,相序正转,“看门狗”唤醒时间为1秒,输出禁止无效,三相波形的幅值均为内部ROM取样值的80%。2.1初始化参数计算(1)载波频率设定因为脉冲取消时间以及脉宽延时时间的设定均与载波频率有关,因此首先必须设定载波频率。要获得所需的载波频率只需计算出相应的N值:根据fCARR=fCLK/(512×2N+1),可得N=0,所以初始化寄存器R0中CFS字的值为000B。(2)调制波频率范围设定要设定400Hz的调制波频率需要计算出相应的M值。由fRANGE=fCARR×2M/384,可得2M=12.5,取M=4,fRANGE=512,则初始化寄存器R0中FRS字的值为100B,R0应赋值为100xx010B。(3)脉宽延迟时间设定计算出PDY值就可获得所需的脉宽延时(死区)时间。由tPDY=(63-PDY)/(fCARR×512),可得PDY=31.5。PDY的值必须为整数。由于脉宽延时时间的作用是防止逆变器直通故障(即某相桥臂上、下开关管同时导通),因此脉宽延时时间tPDY在PDY取整时应保证其取较大值。取PDY=32,则tPDY=5.9μs,初始化寄存器R2中6位的PDY字值为100000B,故R2应赋值为xx100000B。(4)脉冲取消时间设定由于实际输出PWM脉冲的最小脉宽为tPD-tPDY,所以在设定脉宽取消时间(最小脉宽)时,必须考虑脉宽延迟时间。在本例中,脉宽取消时间的具体值应比所需的最小脉宽(10μs)宽5.9μs,所以tPD的值为10μs+5.9μs=15.9μs。由tPD=(127-PDT)/(fCARR×512),可得PDT≈27,所以初始化暂存器R1中的值应为x0011011B。(5)设定波形选择,幅值控制选择输出波形为高效型波形(Deadbanding谐波),故WS0=0,WS1=1。设定幅值控制位AC=0,选择统一控制三相幅值方式。因此暂存器R3中的值为xx000x10B。(6)看门狗定时器看门狗定时器是一个16位可编程计数器,它按照时钟频率进行减量计数,定时时间tWD=tim×1024/fCLK。其中tim由初始化寄存器的R4、R5所确定,取值为0～216-1。tWD=1秒,则tim=12288,故R4值为00000000B,R5值为00110000B。2.2控制参数计算(1)输出调制波频率调制波频率选择字由pfs0～pfs1516位组成。由式fPOMER=fRANGE×PFS/65536,可得PFS=51200。则16位(PFS)字的值为1100100000000000B,并分别存放在控制寄存器R0和R1中,即R0应赋值为00000000B,R1应赋值为11001000B。(2)调制波幅值设定由于调制波幅值APOWER=(A/255)×100%,所以可得A=204。红色相幅值选择字RAMP的值为11001100B,它存放于控制寄存器R3中。由于采用三相幅值统一控制,所以YAMP和BAMP的内容无效。这时R3应赋值为11001100B。(3)设定正/反转,输出禁止各寄存器参数值如表2所示。3系统软件方案软件设计是系统的核心工作,它决定逆变电源的输出特性(如电压、频率范围及稳定度),系统的动态响应速度,保护功能的完善,工作可靠性等。系统软件采用模块化编程。主程序如图4所示。主程序主要是完成系统初始化、显示及故障判断。键的操作执行中断方式,即键盘中任一键被按下时,都自动进入中断服务程序,然后进入相应的子程序。4抗干扰措施对于单片机应用系统来说,系统的可靠性和稳定性至关重要,系统抗干扰措施是否得当,有可能决定设计的成败。本系统在硬件和软件上均采用了较强的抗干扰措施。4.1硬件抗干扰措施采用隔离技术,以便更好地解决输入和输出带来的干扰;选用高质量的电源,切断电源耦合产生的干扰;采用硬件看门狗电路,防止程序跑飞;合理制作印制电路板;合理配置去耦电容。4.2软件抗干扰措施设计软件陷阱,将失控的程序尽快拉到正常运行的轨道;采用指令冗余技术,减少程序跑飞的概率;设计多个软件看门狗,用以监视整个程序和重要模块的运行。本设计中,系统功能实现基本是以硬件为主,软件为辅。控制电路使用器件少,结构简单,并且尽量采用功耗低、抗干扰能力强的器件。故该系统抗干扰能力强,适用于电磁干扰场合。同时在节能及在电机本体散热不良的场合亦有着广泛的用途。