用SA4828做的变频器.doc

基于SA4828的变频器设计徐 志 跃（北京航空航天大学 电工电子中心， 北京100083）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。内容包括：SA4828的特性介绍及变频器的主电路、驱动电路、隔离电源、保护电路、速度检测、调速系统等部件的设计方法。关键词：变频调速、正弦脉宽调制、智能功率模块Design of Inverter Based on SA4828 for AC MotorXu Zhiyue(Electrical & Electronic Center, Beihang University, Beijing 100083)Abstract: A method how to make use of the special LSIC SA4828 to design an inverter for AC motor driver is raised in this paper. The contents including the characteristics of SA4828, the main circuit for the inverter, drive circuit, insulated power supply, protection circuit, speed detection as well as speed adjusting system are discussed.Key words: Variable frequency speed adjustment，SPWM，IPM1 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，在伺服驱动系统中越来越受到人们的关注。其中，应用最广的当属变频调速技术，它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。因此，变频器已经成为交流调速的核心部件。要想做到改变交流电源频率的同时改变其电压的幅值，实现恒转矩调速，可以采用一种叫做SPWM的方法。即用一个低频的正弦波去调制一个高频的三角形的载波，得到一串等幅不等宽的脉冲。它里面包含有一个基波分量和极少的谐波。改变调制波的频率和幅值，就可以改变脉冲串里的基波分量的频率和幅值，也就实现了异步电动机的VVVF（可变压可变频）调速。按照上述SPWM的工作原理，逆变器中开关管的开关时间要由调制波与载波的交点来确定。在调制波的频率、幅值和载波的频率这三个参数中，不论哪一个发生变化，都将使得载波与调制波的交点发生变化。因此，在每一次变频调整时，都要重新计算交点的坐标。这是一组超越方程，单片机的计算能力和速度显然难以胜任。过去最常用的办法是，把各种频率和电压对应的交点坐标事先计算好，用表格的形式存放起来，使用时通过查表来调用。这样将占用大量的存储器和CPU的资源，使其无法发挥更好的作用。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 SA4828的特性2.1 SA4828的性能特点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，分DIP和SOIC两种封装。它可以和大部分的单片机连接，也可以单独使用。芯片的主要特性是：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04kHz；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。2.2 SA4828的引脚功能SA4828的引脚如图1所示，大体可以分为三类信号：（1）与单片机的接口信号ADOAD7 、WR、RD、ALE可直接与地址/数据复用的单片机相连。此时，总线选择信号MUX接+5V，地址/数据引脚RS不用RTRBYTYBBTBBZPPRWSSTRIPADOAD7WRRDALEMUXRSCSCLKRESETSET TRIPSA4828图1 SA4828的引脚图（2）输入信号CS 片选信号CLK 时钟信号，最高频率为24.576MHzRESET 复位信号，禁止输出SET TRIP 关断信号，高电平时可快速关断全部SPWM信号（3）输出信号RT、YT、BY 控制三相逆变桥的三个上桥臂的开关管RB、YB、BB 控制三相逆变桥的三个下桥臂的开关管。它们是标准的TTL信号，有12mA的驱动能力，可直接驱动光耦。ZPPR 输出调制波的频率WSS 输出采样波形TRIP 封锁状态，SET TRIP有效时，该引脚为低电平表明输出已被封锁，可接LED指示灯。3 由SA4828组成的变频器由SA4828构成的变频调速系统如图2所示。首先由键盘输入给定的转速nO(rpm)，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RTBB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，分别控制智能功率模块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SET TRIP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。转速编码器图2 SA4828组成的变频器译码器24.576MVDD MUX RS电动机键盘SA4828+5V显示串口A/D上位机隔离驱动电路逆变电路IPM89C52P0WRRDALEINT0P2RSTADO7WRRDALEZPPRCSCLKVSSTRIPRTRBYTYBBTBBSTTRPUVW4 变频器的硬件设计4.1 主电路的设计电压型变频器主电路的典型结构如图3所示。目前已有许多厂商把该电路与整流电路、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（Intelligent Power Module）这样使主电路结构紧凑，避免了分布参数的影响。RSTUVW图3 7单元IPMRB（1）IPM的特点 内含驱动电路，设定最佳IGBT驱动条件； 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； 内含制动电路，可直接外接制动电阻RB；（2）IPM的选用IPM的参数由电动机的额定功率PO及峰值电流I P来确定。例如，当电动机的线电压为U = 220V，输出功率PO=2.2kW，功率因数Cos=0.75，效率=0.8时，峰值电压UP=2 U =310V，峰值电流I P=2PO / (3 UCos) = 13.8A，可选用东芝、三菱、富士的产品，规格为600V/30A，7单元IPM。4.2 SPWM发生电路SPWM信号可由SA4828产生，硬件连接如图2所示，软件编程详见有关资料。4.3 驱动电路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：IGBT需要的开关信号幅值约为10V，TTL电平不能胜任；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。Amp图4 TLP250驱动电路1k5 25V10V86 ,7352TLP250IGBT一般用集成电路芯片来驱动，常用电路有富士公司的EXB840、841、850、851系列；三菱公司的M5796系列，以上各电路在很多书籍中都有介绍，不再赘述。这里介绍一种东芝公司的产品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510mA，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。4.4 隔离电源隔离电源+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+5V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。4.5 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SET TRIP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。4.6 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。选用的编码器为每转600个脉冲，使得即便是在电动机低速运转时，也有足够的测速精度。4.7 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ATMEL公司的89C52单片机，它与Intel 51系列单片机完全兼容。其内部配置了8KB的Flash Memory ，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完全兼容，可以直接相连。给定转速nO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nO和实际转速n，一目了然。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。5 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和软件编程工作。该调速系统经过实际测试，取得了很好的效果。电动机可以从150Hz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。附：个人资料1引言脉宽调制(PWM)控制技术在逆变电路中得到广泛的应用，其波形产生方法有两种：一是模拟方法，二是数字方法。模拟方法电路结构复杂，有温漂现象，难以实现精确控制。数字方法则克服了上述缺点。MITEL公司生产的SA系列PWM波形产生器具有精度高、抗干扰能力强、外围电路简单等优点，其中 SA4828是主要用于变频调速、逆变电源及UPS等工业领域的高精度PWM波形产生器。2SA4828的主要特点及控制方法2.1 SA4828的主要特点和Mitel公司的先前产品SA828相比，SA4828主要具有以下特点：具有增强型微处理器接口，可与更多的单片机兼容；将调制波频率的分辨率提高到16位；由于采用了可由用户选择的三相幅值独立控制方式，因而使得三相逆变器可用于任意不对称负载；有三种可供选择的输出波形，适用于多种应用场合；可提供软件复位功能；内置“看门狗”定时器以加强监控，从而提高了可靠性。2.2 SA4828芯片的控制方法对SA4828的控制是通过微处理器接口将数据送入芯片和两个寄存器(初始化寄存器和控制寄存器)来实现的。初始化寄存器用于设定与逆变器有关的一些基本参数，这些参数在PWM输出端允许输出前初始化，逆变器工作以后不允许改变。控制寄存器在工作过程中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。通常在工作时该寄存器内容常被改写以实现实时控制。参数是通过8个暂存器R0、R1、R2、R3、R4、R5、R14、R15来传送的，初始化参数先被写入R0、R1R5，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、R1R5，并通过对R15的写操作将参数送入控制寄存器。各控制寄存器的地址如表1所列。3参数设置3.1 初始化参数的设置 表2为初始化参数在各个寄存器中的空间分配表。现将各参数作一说明。a. 载波频率(CFS)载波频率fcarr的值由下式给出：fcarr=fclk/(5122n1)式中；fclk是输入的时钟频率。n的值为对应于二进制CFS值的十进制自然数07。b.电源频率范围(FRS)电源频率范围frange的值由下式给出：frange=2mfcarr/384式中：m的值为与二进制的FRS值对应的十进制自然数06。c.脉冲延迟时间(PDY)脉冲延迟时间tpdy的值由下式给出：tpdy=(63k)/512fcarr式中，k的值为与二进制的PDY值对应的十进制自然数063。d. 脉冲取消时间(PDT)脉冲取消时间tpd由下式给出：tpdy=(127L)/512fcarr式中，L的值为与二进制的PDT值对应的十进制自然数0127。e. 波形选择(WS)输出波形选择控制字如表3所列。f.幅值控制(AC)当AC=0时，三相幅值均由R相幅值暂存器R3控制。而B相幅值暂存器R4和Y相幅值暂存器R5内容无效。当AC=1时，三个幅值暂存器独立控制各自的幅值，该方式适用于三相不平衡负载。g.看门狗定时器时间设置(WD)看门狗定时器的时间twd由下式给出：tWD=1024TIM/fclk式中，fclk是输入的时钟频率，TIM是16位二进制数WD(WD15、WD14WD0)对应的十进制数。如果在tWD时间内未对定时器中的数据更新(表明程序执行不正常)，则定时器溢出，系统关断PWM输出。3.2 控制参数的设置各控制参数在暂存器R0R5的空间分配如表4所列。其参数说明如下：a.电源频率(PFS)电源频率fpower的值由下式给出：fpower=frangePFS/65535式中，frange为电源频率范围。PFS是16位与二进制(PFS15、PFS14PFS0)对应的十进制数的值。b.电源幅值(RAMP、YAMP、BAMP)各项幅值的百分比计算公式如下：Apower=A100/255式中，A是8位幅值选择字(AMP7、AMP6AMP0)对应的十进制的值。c.相序选择(F/R)三相PWM输出的相序受控于正/反转选择位F/R，该位为0时，相序为红黄蓝；反之，相序为蓝黄红。d.输出禁止位(INH)该位有效时(为“0”)，所有的PWM输出变为低电平，但不影响其它操作。一旦设置无效，输出立即恢复。e.计数器复位(CR)当计数器复位位(CR)为“0”时，红相相位计数器设置为“0”。f.软件复位(RST)当该位有效时(为“1”)，芯片复原为初始时的默认状态，它的效果与硬件复位脚相同。g.看门狗定时器选择(WTE)当该位有效时(为“1”)，看门狗定时器被启用；反之，看门狗定时器被禁止。4系统软、硬件的设计与实现4.1 系统硬件连接方案SA4828用在逆变器上的连接电路如图1所示。图中，AC交流信号经整流、逆变、隔离(对于UPS和逆变器而言，若用于变频调速，则不需要隔离电路) 后输出，在控制电路中，单片机不但用来完成对SA4828的初始化、输出脉宽和频率的控制，还要处理采样数据以形成闭环控制，完成对保护信号的逻辑检测。由于51系列单片机都是地址、数据复用总线模式，故将MUX、RS引线连到高电平。SETTRIP用来快速关断PWM输出，当其有效时，TRIP端输出高电平，指示灯亮。4.2 系统软件设计软件设计是整个逆变控制的核心，它决定着逆变器的输出特性。图2给出了本系统的程序流程图。从程序流程图中可看出：单片机先将SA4828复位，在向其传送初始化参数和控制参数之后SA4828即可输出PWM波形，逆变器随后将处于工作状态，这时单片机应不断查询输出状态，以便随时调整PWM输出特性，以满足系统要求；只要系统工作正常，看门狗定时器就不断被更新，以防止其溢出而中断PWM输出。SA4828芯片的输出包含了波形、频率、幅值、旋转方向及许多重要的运行参数（如载波频率、最小脉宽、脉冲延迟时间、脉冲取消时间等），这些参数可在器件初始化时设置。使用中，若需要改变运行工况，只需改变软件即可。这样可使用户方便地在电路不便的情况下，通过设置改变波形参数，就可改变逆变器的性能指标，因而具有使用灵活方便，又可大大节约成本费用。SA4828调制波形依据关系式：SA4828的工作原理主要包括3个部分：（l）接收并存储微处理器的初始化命令和控制命令。由控制总线、地址数据总线、暂存器R1R5、虚拟寄存器R14R15构成，并以控制字的方式来实现。在系统工作之前，先进行初始化，即从微处理器向初始化寄存器和控制寄存器输人控制字，进行系统参数设置；（2）从内部ROM读取并产生PWM调制波形。由地址发生器、波形ROM及相位和控制逻辑构成；（3）三相输出控制电路。由脉冲取消和脉冲延时电路构成，脉冲取消电路用来将脉冲宽度小干取消时间的脉冲去掉，脉冲延时电路用来保证死区间隔，防止在转化瞬间桥路开关器件出现共同导通现象。1 逆变器的硬件电路设计应用SA4828设计的逆变器硬件电路原理框图见图1，静止逆变器的硬件电路主要由控制电路、驱动电路和主电路三部分构成。控制电路由89C51单片机最小系统、少量的扩展外围芯片和 SA4828PWM产生器构成，由SA4828与单片机AT89C51组成的硬件控制电路如图2所示。单片机除完成对SA4828的初始化、输出脉宽控制、频率控制外，还完成开环、闭环控制算法的运算及数据处理，模拟信号与数字信号的检测、保护功能的逻辑判断等。由图2可见，SA4828的外围电路非常简单，基本不需增加外围电路，只需与AT89C51对应直接相连，通过软件编程，就能输出幅值、频率可调的SPWM波。在图中，RTHT、YTHT、BTHT、RTHB、YTHB、BTHB六路信号是由SA4828产生的PWM信号，这些信号经过光电耦合器隔离驱动放大后输入大功率集成开关管模块（IGBT）单元，驱动开关管的开关动