基于SA4828的变频器设计

1、 基于SA4828的变频器设计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，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

2、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

3、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。2SA4828的特性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R

4、OM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。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SETTRIP关断信号，高电平时可快速关断全部SPWM信号2）输入信号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

5、桥的三个下桥臂的开关管。ADADO7WRRDALEMUXRSCSCLKRESETSETTRIPRTRBYTYBBTBBZPPRWSSTRIP图1SA4828的引脚图它们是标准的TTL信号，有12mA的驱动能力，可直接驱动光耦。ZPPRWSSTRIP输出调制波的频率输出采样波形封锁状态，SETTRIP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njrpm）,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

6、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。上位机串口A/D显示P0WRRDALEINTOP2译码器24.576M键盘89C52隔离驱动电路VddMUXrsO7RSTADWRRDALEZPPRCSCLKTRIPRTRBYTYBBTBBSTTRPSA4828心+5V

7、逆变电路转速编码器一图2SA4828组成的变频器4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，这样使主电路结构紧凑，避免了分布参数的影响。称为智能功率模块PM(IntelligentPowerModule)（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Ip来确定。例如，当电动机的线电

8、压为U=220V,输出功率Po=2.2kW,功率因数Cos=0.75,效率n=0.8时，峰值电压Up=V2U=310V,峰值电流Ip=V2PO/(VTuCosn)=13.8A,可选用东芝、三菱、富士的产品，规格为600V/30A,7单元IPM。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。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土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

9、离。因此驱动电路的任务有两个：电平转换和隔离。TLP250Am6:,7Hx；Q1k25VIK：IGBT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。5图4TLP250驱动电路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。

10、4.4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+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。隔离电源A.C.220V4444444+5V/3A+12V/0.5A12V/01A+25V/50mA+25V/50mA+25V/50mA+25V/150mA数字系统异步通信异步通信上桥臂R相

11、上桥臂Y相上桥臂B相下桥臂R,Y,B相共用图5隔离电源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：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。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

12、少发热。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。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。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Intel51系列单片机完全兼容。其内部配置了8KB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