中频大功率电机变频调速系统的设计
2009-08-24
作者:胡钦龙 王志强 陈 钢
摘 要: 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。
关键词: SA4828 变频调速 三相交流电机 IGBT 单片机
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-24H IGBT(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。
2 SA4828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。
参考文献
1 MITEL SEMICONDUCTOR.SA4828 3-Phase Width Modulation Engine.1999
2 李宏.电力电子设备用器件与集成电路.北京:机械工业出版社,2001
3 张燕宾.SPWM变频调速应用技术.北京:机械工业出版社,2002
4 余永权.ATMEL89系列单片机应用技术.北京:北京航空航天大学出版社,2002
5 林辉,王辉.电力电子技术.武汉:武汉理工大学出版社,2002
6 MOTOROLA SEMICONDUCTOR.TECHNICAL DATA MC14489 Mult-Character LED Display/Lamp Driver. 1995
7 谭建成.电机控制专用集成电路.北京:机械工业出版社,2001
8 胡崇岳.现代交流调速技术.北京:机械工业出版社,1998
9 何立民.单片机应用系统设计.北京:北京航空航天大学出版社,1990