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第二章 电力电子变频器及 PWM控制原理 山东大学 2.5 三相SPWM专用集成电路 SPWM专用集成电路芯片用一片集成 电路加上少量的外围器件生成SPWM 波形，大大简化了电路和设计成本。 SA4828 SM2001 一、SA4828及其应用 SA4828是一种新型三相SPWM芯片。 SA系列（如SA8281，SA8282， SA4828等）PWM波形发生器具有精度高、 抗干扰能力强、外围电路简单等优点，其中 SA4828主要用于变频调速、逆变电源及UPS 等工业领域。 SA4828的功能特点 全数字操作 SA4828通过数据总线连接到微处理器/微控制器， SPWM波形生成采用全数字化规则采样方式，避免了模拟 电路中存在的漂移问题，使它的脉冲具有很高的精确性和 稳定性。 工作频率范围宽 三角载波频率最高频率可达24kHz，输出调制波 频率范围可达4kHz，分辨率达到16位。 SA4828的功能特点 工作方式灵活 6路PWM输出管脚均具有12mA的驱动能 力，可直接驱动用于隔离的光电耦合器件。 其工作参数，如载波频率、调制波频率范 围、脉冲延迟时间等，可由微处理器以向其写 入控制字的方式方便地确定或修改，不需外加 任何电路。 SA4828的功能特点 ROM内置波形 调制波形以数字形式存储在片内ROM上，采用异步调 制方式。 三种SPWM波形输出 标准正弦波 增强型波形：通过采用谐波注入技术使逆变器直流 电压得到充分利用； 高效型波形：又称带死区的增强波形，它可以节省 33的开关损耗。 SA4828的内部结构、引脚说明 SA4828主要由三部分构成： 接收并存储微处理器命令（控制字）。主要由 总线控制，总线译码，暂存器R0R5，虚拟寄 存器R14、R15及48位初始化寄存器和48位控制 寄存器组成； 读取波形部分。由地址发生器和片内波形ROM 组成； 三相输出控制电路及输出脉冲锁存电路。每相 输出控制电路又由脉冲删除电路和脉冲延迟电路 组成。 2.5 三相SPWM专用集成电路 v 引脚说明： MUX：总线选择。用来区分多 路和非多路总线。数据总线模 式可以分为两种：多路复用的 地址/数据总线或者分别的地址 和数据总线。 RS：用于在非多路总线模式中 定义输入字节是地址（“0”） 还是数据（“1”），这时它一 般被连接到一条地址线上。 在 多路模式中，它被内置为高电 平。 SA4828的功能特点 v SET TRIP：封锁控制，高有效 。 高电平启动输出封锁锁存，使 输出 和六个PWM输出立即锁定为低。 当不用SET TRIP时，必须将其保持 在低电平，不能悬浮。 SA4828各引脚功能 指示输出封锁锁存器的状态，低电平有效 。 RPHT ：红色相（上功率开关） YPHT：黄色相（上功率开关） BPHT：蓝色相（上功率开关） RPHB：红色相（下功率开关） YPHB：黄色相（下功率开关） BPHB：蓝色相（下功率开关） SA4828的功能特点 v初始化寄存器的设置 在工作之前，首先需要向初始化寄存器写 入命令字，来设定与电机和逆变器有关的基本 参数 。 初始化寄存器是一个48位的寄存器，各命 令字需要先写入6个暂存器（R0R5），然后 再同时传送给初始化寄存器。 初始化寄存器的设置 v（1）载波频率设定（CFS）： 设定字由 CFS0CFS2三位组成。载波频率给出如下： = （2-29） 由上式求出n值，n值的二进制数即为载波 频率设定字。 初始化寄存器的设置 v（2）调制波频率范围（FRS）。 调制波频率范围设定字由FRS0FRS2三位组 成。计算如下： （2-30） 由上式求得m值。m值的二进制数即为电源频 率范围设定字。 v（3）脉冲延迟时间的设定（PDY） v该设定字是由PDY0PDY5六位组成。脉冲延迟时 间给出如下： 由上式求得PDY值。它的二进制数即是脉冲延 迟时间设定字。 v（4）最小脉宽删除时间（PDT）。 最小删除脉宽设定字是由PDT0PDT6七位组成。 最小脉冲删除时间给出如下： 由于脉冲延迟电路跟在脉冲删除电路之后 ，故输出的PWM脉冲的实际最小宽度将比设定 的脉冲取消时间窄。 v （5）波形选择字。 SA4828内部有三种可选的调制 波形。波形选择字由WS0、WS1 两位组成，可以通过表2-12来进 行选择。 图2-36 SA4828内部调制波形 正弦波 增强型 高效型 f(t) f(t) f(t) A A 0 180 0 180 360 180 0 360 360 60 120 60120 240 300 240 300 WS1WS0波形 00正弦波（默认） 01增强型 10高效型（减少开关损耗 ） 11保留 v（6）幅值控制位（AC） 当AC0时，控制寄存器中的红相位可控制 所有三相的幅值。 当AC1时，控制寄存器中的红、黄、蓝相 位分别控制各自的幅值。 v（7）看门狗时间常数的设定（WD）。时间 常数由WD0WDl5共十六位组成，定时时间 由如下公式给出： v如果用25MHz主频时，时间常数范围为41s- 268s。控制寄存器的WTE位可以控制看门狗 有效或无效。 SA4828 v控制寄存器编程，包括 调制波频率选择 调制波幅值选择 正反转选择 计数器复位控制 看门狗选择 软复位控制 2.5 三相SPWM专用集成电路 SM2001及其应用 SM2001是国内开发的 可产生三相正弦PWM驱动 波形的大规模集成电路芯片 。 普通正弦波和高效电 机驱动波两种波形可供选择 。 SM2001 RST CS CK DA OE INT WVS VDD VDD UT VT WT UB WB CLK GND VB GND 图2-38 SM2001引脚分布图 SM2001及其应用 vCK：串口时钟，上 升沿锁入数据 vDA：串口数据 vOE：输出控制，为 高允许PWM输出 vINT：异常中断， 下降沿触发 vWVS：内部波形选 择，高效/普通 SM2001 RST CS CK DA OE INT WVS VDD VDD UT VT WT UB WB CLK GND VB GND 图2-38 SM2001引脚分布图 SM2001及其应用 SM2001可广泛用于交流异步 电机的变频驱动，如变频空调、变 频冰箱和变频洗衣机的控制驱动， 各类工业水泵、风机的变频驱动， 各类不间断逆变电源（UPS）等。 2.6 单片机和DSP用于PWM信号生成 v 一般而言，PWM算法占用较多CPU时间 ，若用软件直接生成PWM信号，需要采用多 字长、运算速度高的微处理器来实现高质量的 信号输出。本节介绍两种高性能微处理器的 PWM信号生成方法： 80C196MC单片机 TMS320F2407A 2.6.1 80C196MC单片机生成SPWM波形 80C196MC是Intel公司专为三相电机变频调 速设计的16位单片机。 地址和数据总线都为16位 晶振频率可达16M 有64K字节的程序存贮器和数据存贮器空间 片内包括512字节的RAM，160字节的特殊功 能寄存器组 13路模拟输入通道，2个16位定时器 1个三相波形发生器（WFG） 2.6.1 80C196MC单片机生成SPWM波形 v三相SPWM波形是由U、V、W三个单相SPWM 波形发生器生成。 图2-41 SPWM波形输出示意图 外部中 断 保护请 求外部中断输 入 各载波周 期 中断请求 U + tdtd U - td 三角波发生 U相脉冲 比较及生成 脉宽值设定 死区时间 发生器 死区互锁，脉 冲分配与输出 方式控制 保护电路 三相互补SPWM波发生器可通过P6口直接 输出六路SPWM信号，每路驱动电流可达 20mA。 事件处理阵列EPA有两个16位双向定时/ 计数器T1和T2，其中T1可工作在晶振时钟模式 ，用于直接处理光电码盘输出的两路相位移为 90的脉冲信号，这在速度闭环变频调速系统 中非常有用。 2.6.1 80C196MC单片机生成SPWM波形 2.6.2 TMS320LF2407A DSP实现SVPWM TMS320LF2407A DSP芯片是TI公司推出的16位 定点数字信号处理芯片。 主要特点如下： （1）两个可用于电动机控制的事件管理器，每一个都 包含：2个16位通用定时器；8个16位脉宽调制输出 通道；1个能够快速封锁输出的外部引脚；能防止上 下桥臂直通的可编程死区功能；1个增量式光电位置 编码器接口。 v（2）采用了高性能静态CMOS技术，使供电 电压降为3.3V，减少了控制器功耗；40MIPS 的执行速度使得指令周期缩短到25ns，提高了 控制器的实时控制能力。 v（3）片内有32K字的Flash程序存储器，2.5K 字的数据/程序RAM。 v（4）看门狗定时器（WDT）模块，保证系统 的可靠性。 2.6.2 TMS320LF2407A DSP实现SVPWM v（5）可扩展192K字的外部存储器，分别为64K 字程序存储器，64K字数据存储器和64K字I/O 寻址空间。 v（6）10位ADC转换器最小转换时间为375ns， 可选择由两个事件管理器来触发两个8通道输入 A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器。 v（7）CAN总线控制器可以为控制器、传感器、 激励源以及其它节点提供良好的通讯。 v（8）5个外部中断（两个驱动保护、两个可屏 蔽中断和复位）。 v（9）其它优点：SCI异步串行口提供全双工数 据传输功能；SPI同步串行口提供可变长度和速 率的串行数据输入和输出。一般可用于DSP之 间以及DSP和外设、控制器之间的高速数据传 输 。 v基于TMS320LF2407A实现SVPWM 首先确定参考输出电压矢量所在的扇区以决 定开关时刻和开关顺序。 若参考输出电压矢量以幅值和相角的形式给 出，其所在的扇区可直接由相角求出； 若参考电压输出以矢量形式给出，如输出 电压所在扇区由-坐标中的内部电流控制环得 出，则可以采用下列算法决定电压矢量所在扇区 。 2.6.2 TMS320LF2407A DSP实现SVPWM v第一步，根据以下各式计算参考值Uref1、 Uref2和Uref3： 其中，U和U是三相ABC坐标系中的相电压转换 到平面直角坐标系中的分量。 v第二步，计算N： 式中，sign(x)是符号函数。 第三步，参照表2-15根据N数值可以 得到Uout所在的扇区。 表2-15 由N确定扇区值 N123456 扇 区 IIVIIIVIIIV u3 (010) u4 (011) u6 (101) u1 (100) u5 (001) u0 (000) u7 (111) t1 t2 Uout u2 (110) 2.6.2 TMS320LF2407A DSP实现SVPWM v1采用软件方法实现SVPWM 根据不同的零矢量使用方法，可产生多 种电压空间矢量PWM波形。一般的选择原则 是：尽可能使功率开关管的开关次数最少； 任意一次电压空间矢量的变化只能有一个桥 臂的开关管动作。 v 目前最流行的是对称七段式的电压空间 矢量PWM。 t0/4t1/2t2/2t0/2t2/2t1/2t0/4 (000)(110)(000)(111)(110) u0u1u1u7u2 (100) u0u2 (100) (a) I扇区 U3 (010) U4 (011) U6 (101) U1 (100) U5 (001) u0 (000) u7 (111 ) t1 t2 Uout U2 (110) v对称七段式的电压空间矢量PWM ，它由三段零矢量和四段相邻的两 个非零矢量组成. 2.6.2 TMS320LF2407A DSP实现SVPWM v具体步骤： 1） 初始化比较单元和用作产生对称 PWM的通用定时器：配置各控制寄存 器，确定PWM输出口、PWM输出方式 ；死区时间；PWM周期和波形占空比 等。 v2）根据查表决定触发通道的顺序以及根据 Uout所在扇区配置比较寄存器： v根据电压幅值和相角或U和U计算确定扇区 号；然后配置比较寄存器，将0.25t0写入全比 较寄存器1（CMPR1），将0.25t0+0.5t1写入 全比较寄存器2（CMPR2），将 0.25t0+0.5t1+0.5t2写入全比较寄存器3（ CMPR3）。 v2采用硬件方法实现SVPWM 基于TMS320LF2407A硬件产生 SVPWM时需要首先应用软件产生Uout，并 且确定Uout所在的扇区，然后求解每个 PWM周期中的t1和t2。 v 对于每个PWM周期在软件上需完成如 下步骤： v（1）将基本空间矢量对应的二进制位调入 全比较动作控制寄存器（ACTR）第12- 14位，旋转方向控制位（SVR DIR）为其 第15位，该位中“0”代表逆时针方向； “1”代表顺时针方向。 v（2）将0.5 t1调入全比较寄存器1（CMPR1 ）；将0.5t1+0.5t2调入全比较寄存器2（ CMPR2）。 图2-46给出了采用TMS320LF2407A硬件模块 的两种实现对称开关方式SVPWM的各个扇区的 开关情况。相比软件生成的方法，这种开关方案 具有以下特点： （1）从开关方案示意图上来看，这是一种五 段式的SVPWM波形。在一个完整的PWM周期中 ，总有一个通道的开关状态保持不变，因此在这 种控制方案中功率器件的开关次数少于由软件决 定开关模式的次数，降低了系统的开关损耗。 v（2）为了防止同一个桥臂上功率开关管的直通 问题，通常在同一桥臂上的两只功率开关器件 PWM驱动信号中加入一定的死区。由于硬件实 现的SVPWM会有某一桥臂在整个扇区内开关 状态都保持不变，则死区效应在该相不存在， 从而导致三相PWM输出不平衡，造成逆变器的 输出电压中存在一定的谐波。 2.6 单片机和DSP用于PWM信号生成 v小结： 比较软件及硬件实现两种方法，采用硬件 方法所用的CPU开销（执行的指令周期）少 ，占用的内存少，一个PWM周期内开关次数 少，即开关损耗小。但是，硬件法存在死区 不平衡效应，应用时可根据系统要求选择合 适的实现方式。 2. 7 转速开环的U/f控制变频调速系统 直流电机的主磁通和电枢电流分布的空间位 置是确定的，而且可以独立进行控制，交流异步 电机的磁通则由定子与转子电流合成产生，它的 空间位置相对于定子和转子都是运动的，除此以 外，在笼型转子异步电机中，转子电流还是不可 测和不可控的。因此，异步电机的动态数学模型 要比直流电机模型复杂得多。 好在不少机械负载，例如风机和水泵， 并不需要很高的动态性能，只要在一定范 围内能实现高效率的调速就行，因此可以 只用电机的稳态模型来设计其控制系统。 为了实现电压-频率协调控制，可以采 用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控 制方案，这就是常用的通用变频器控制系 统。 2. 7 转速开环的U/f控制变频调速系统 v概述 现代通用变频器大都是采用二极管整 流和由快速全控开关器件 IGBT 或功率模 块IPM 组成的PWM逆变器，构成交-直-交 电压源型变压变频器，已经占领了全世界 0.5600kW 中、小容量变频调速装置的绝 大部分市场。 所谓“通用”，包含着两方面的含义： （1）可以和通用的笼型异步电机配套使用； （2）具有多种可供选择的功能，适用于各种 不同性质的负载。 v系统介绍 下图绘出了一种典型的数字控制通用变 频器-异步电动机调速系统原理图。 1. 系统组成 M 3 电压 检测 泵升 限制 电流 检测 温度 检测 电流 检测 中 央 处 理 器 显示 设定 接口 PWM 发生器 驱动 电路 URUIR0 R1 R2 Rb VTb K R0 R1Rb R2 u限流电阻 为了避免大电容C在通电瞬间产 生过大的充电电流，在整流器和滤波电容 间的直流回路上串入限流电阻（或电抗） ，通上电源时，先限制充电电流，再延时 用开关K将其短路，以免长期接入时影响变 频器的正常工作，并产生附加损耗。 u泵升限制电路由于二极管整流器不能为异 步电机的再生制动提供反向电流的通路，所以 除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻吸收 制动能量。减速制动时，异步电机进入发电状 态，首先通过逆变器的续流二极管向电容C充 电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压） 升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使 开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动 电阻上。 u进线电抗器 二极管整流器虽然是全波整流装置 ，但由于其输出端有滤波电容存在，因此输入电 流呈脉冲波形。 这样的电流波形具有较大的谐波分量 ，使电源受到污染。 为了抑制谐波电流，对于容量较大的 PWM变频器，都应在输入端设有进线电抗 器，有时也可以在整流器和电容器之间串 接直流电抗器。还可用来抑制电源电压不 平衡对变频器的影响。 控制系统构成 l 控制电路现代PWM变频器的控制电路大 都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主 要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的 要求形成驱动逆变器工作的PWM信号。微机 芯片主要采用8位或16位的单片机，或用32位 的DSP。 E2PROM 电源监 控 键盘 显示 信号 输出 时钟电路 检测 信号 信号调 理 充电继电器 模拟 信号 外部 中断 信号 驱动电 路 PWM MCS 87C196MC 图2-50 以MCS87C196MC单片机为核心的开环通用变频器控制电 路框图 2. 7 转速开环的U/f控制变频调速系统 uPWM信号产生可以由微机本身的软件产生， 由PWM端口输出，也可采用专用的PWM生成电 路芯片。 u检测与保护电路各种故障的保护