0　引言

　　由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，交流變頻調(diào)速已上升為電氣傳動(dòng)的主流,，正在逐步取代傳統(tǒng)的直流傳動(dòng),。而從性價(jià)比的角度來看，交流變頻調(diào)速裝置已經(jīng)優(yōu)于直流調(diào)速裝置,?！?/p>

　　異步電機(jī)的變頻調(diào)速不僅可以實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)，還有著許多其他交流調(diào)速系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：交流變頻調(diào)速在頻率范圍,、動(dòng)態(tài)響應(yīng),、調(diào)速精度、低頻轉(zhuǎn)矩,、轉(zhuǎn)差補(bǔ)償,、通信功能、智能控制,、功率因數(shù),、工作效率、使用方便等方面的優(yōu)勢(shì)是其他的交流調(diào)速方式難以達(dá)到的,，并以體積小,、重量輕、通用性強(qiáng),、保護(hù)功能完善,、可靠性高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),，深受鋼鐵,、冶金、礦山,、石油,、化工、醫(yī)藥,、紡織,、機(jī)械、電力,、輕工,、造紙,、印刷、卷煙,、自來水等行業(yè)的歡迎,，社會(huì)效益非常顯著?！　?/p>

　　變頻調(diào)速雖然在各個(gè)方面有其優(yōu)勢(shì),，但其早期昂貴的造價(jià)和可靠性問題使許多用戶望而卻步。降低造價(jià)和提高可靠性一直是交流變頻調(diào)速的重要課題,?！　?/p>

　　本文針對(duì)一般小功率交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的要求，采用上世紀(jì)90年代末才推出的多功能高集成度專用PWM">PWM控制芯片SA866和智能功率模塊PS21255開發(fā)了一種新型通用變頻器,。其整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，具有比較完善的功能,，滿足了空調(diào),、洗衣機(jī)

等家電及小型紡織、塑料加工等工業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)線對(duì)變頻器低成本,、高可靠性,、高性能的要求，并已經(jīng)在廣東,、江蘇等多家工廠生產(chǎn)中得到應(yīng)用,。

1　SA866和PS21255功能介紹

1.1　SA866功能簡(jiǎn)介

1.1.1　功能特點(diǎn)　　

　　SA866是專用于交流異步電機(jī)SPWM控制的集成電路。它除了根據(jù)設(shè)定參數(shù)產(chǎn)生合乎要求的SPWM脈沖外,，還集成了多種保護(hù)功能,，并可在緊急情況下，如短路和過載時(shí)快速關(guān)斷SPWM脈沖,，保護(hù)逆變器和電機(jī),。它的最大特點(diǎn)是可以獨(dú)立運(yùn)行，無須微處理器控制,。它的輸出頻率以及加速減速頻率都可由外接電位器在線連續(xù)調(diào)節(jié),。所有須定義的參數(shù)如載波頻率、死區(qū)時(shí)間,、最小脈寬,、調(diào)制波形、V/f曲線等均存儲(chǔ)在外接的廉價(jià)EEPROM中,，上電時(shí)自動(dòng)讀入SA866中,。SA866有6種工作模式，與微處理器配合使用,，基本做到了低價(jià)格多功能,。

1.1.2　管腳說明　　

　　該芯片采用PLCC封裝,共有32個(gè)管腳,各管腳排列如圖1所示,。

　　各管腳功能如下。

　　1）電源　VDDD和VDDA分別為數(shù)字電源和模擬電源,；VSSADC為A/D轉(zhuǎn)換電源,，它們接一個(gè)＋5 V的電源；VSSD和VSSA分別為數(shù)字電源和模擬電源的地,；VREFIN為A/D轉(zhuǎn)換參考電壓（＋2.5 V）,。

　　2）串行接口　SDA，SCL和CS用于從EEPROM獲取數(shù)據(jù),，分別為數(shù)據(jù),，時(shí)鐘和片選信號(hào)。

　　3）控制及輸出　SETPOINT為頻率給定端,，該腳的輸入電壓將決定系統(tǒng)的工作頻率,；RACC和RDEC分別確定加速和減速的時(shí)間；RPHT,，YPHT,，BPHT，RPHB,，YPHB和BPHB為橋臂脈沖信號(hào)輸出,，其中RPHT，YPHT和BPHT分別對(duì)應(yīng)三相輸出的上橋臂,；RPHB,，YPHB和BPHB分別對(duì)應(yīng)三相輸出的下橋臂；DIR控制三相順序,，該腳對(duì)應(yīng)高低電平有兩個(gè)方向的PWM波供用戶選擇,。

　　4）工作狀態(tài)選擇決定與SA866連接的是EEPROM還是微處理器，高電平表示與EEPROM連接,；PAGE0和PAGE1決定采用的是EEPROM的哪一頁參數(shù),。

　　5）保護(hù)　VMON為過電壓信號(hào)輸入端，減速過程中此端電平若大于2.5 V,，就啟動(dòng)過電壓保護(hù)動(dòng)作,，將輸出頻率固定在當(dāng)前值；IMON為過電流信號(hào)輸入端,，升速過程中,，電平若大于2.5 V，內(nèi)部過流保護(hù)就動(dòng)作,，不再繼續(xù)升速,，直到過流信號(hào)消失；SET TRIP為緊急停機(jī)信號(hào)，可快速禁止PWM脈沖輸出,；端表示禁止輸出狀態(tài),，低電平有效，該信號(hào)只有在復(fù)位信號(hào)下才能被解除,。

1.2　PS21255功能簡(jiǎn)介

1.2.1　功能特點(diǎn)　　

　　與常規(guī)的IGBT模塊相比,，PS21255具有如下特點(diǎn)：

　　1）內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電路　IPM設(shè)定了內(nèi)部IGBT的最佳驅(qū)動(dòng)條件，驅(qū)動(dòng)電路離IGBT較近,，可以大大減少信號(hào)傳輸阻抗,，且受外界干擾小，因此不需加反向偏壓,，同時(shí),，本模塊采用自舉電路，從而擺脫了控制電源不共地的限制,，使用一個(gè)電源,，即可實(shí)現(xiàn)方便的控制；

　　2）內(nèi)含各種保護(hù)　使內(nèi)部IGBT因故障損壞的幾率大大降低,，這些保護(hù)包括短路保護(hù)(SC),，控制電路欠壓保護(hù)(UV)等；

　　3）內(nèi)部報(bào)警輸出(FO)　該信號(hào)送到控制PWM產(chǎn)生器,，封鎖脈沖輸出，進(jìn)而停止系統(tǒng)工作,；

　　4）散熱效果好　采用陶瓷絕緣結(jié)構(gòu),，扁平封裝，可以直接安裝在散熱器上,；

　　5）端子布局合理,，便于安裝　強(qiáng)弱電的輸出輸入端分別安排在模塊的兩側(cè),做到盡量減少干擾。

1.2.2　管腳說明

　　該模塊的外形及端子分布如圖2所示,。

　　IPM(PS21255)模塊外部端子在布局上強(qiáng)弱電分開,，P 及N為直流輸入端，P為正端,，N為負(fù)端,；U，V,，W為逆變器三相輸出端,；UP，VP,，WP為上橋臂U,，V，W各相脈沖信號(hào)輸入端,；UN,，VN,，WN為下橋臂U，V,，W各相脈沖信號(hào)輸入端,；VP1及VPC為上橋臂工作電源輸入端，VP1為正端,，VPC為負(fù)端,；VN1及VNC為下橋臂工作電源輸入端，VN1為正端,，VNC為負(fù)端,；CIN為電流檢測(cè)信號(hào)輸入端；FO為故障輸出端（低電平有效）,；CFO為故障輸出脈寬控制端,；VUFB及VUFS為U相自舉電路兩端，VUFB為高端,，VUFS為低端,；VVFB及VVFS為V相自舉電路兩端，VVFB為高端,，VVFS為低端,；VWFB及VWFS為W相自舉電路兩端，VWFB為高端,，VWFS為低端,。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　硬件電路　　

　　我們開發(fā)的小功率通用變頻器，采用單相交流供電,，經(jīng)整流濾波后送入逆變橋,，再由逆變橋?qū)⒃撝绷麟娔孀兂扇?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/VVVF" title="VVVF" target="_blank">VVVF（variable voltage variable frequency）電源，以驅(qū)動(dòng)電機(jī),。整個(gè)系統(tǒng)分為主電路和控制電路兩部分,。系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖3所示。

　　主電路采用二

極管整流,，大容量的電解電容濾波,，IPM模塊為主電路的核心部分，它包含6個(gè)IGBT構(gòu)成三相逆變橋,，且各有自己的驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路,，整個(gè)模塊還有短路及控制電路欠壓保護(hù)功能。它的輸入可以兼容TTL電平輸入,?！　?/p>

　　控制電路主要有控制電源和以SA866為核心的SPWM波發(fā)生及驅(qū)動(dòng)電路。控制電源采用7805和7815提供直流穩(wěn)壓電源,。SA866AE通過10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器和外接正反向方向腳,可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)和正反向切換,。所有的運(yùn)行參數(shù)，包括載波頻率,、波形,、最小脈沖寬度、死區(qū)脈寬和V/f曲線等都是通過外接的EEPROM編程,。由于輸入電壓和反饋能量都將直接反映在直流環(huán)節(jié)上,，所以，整個(gè)系統(tǒng)的電壓電流檢測(cè)及保護(hù)取樣均集中在直流環(huán)節(jié),。驅(qū)動(dòng)逆變橋所須的PWM信號(hào)則由ASIC芯片SA866提供,，經(jīng)反向后送給IPM模塊?！　?/p>

　　EEPROM選用93LC46,，它只須＋5 V的電壓即可工作?？芍貜?fù)地擦寫106次,。該芯片的封裝形式為DIP－8，其中VCC和VSS分別為5 V電源輸入的正負(fù)端,，CLK為時(shí)鐘信號(hào)輸入端,，DI為數(shù)據(jù)輸入端，DO為數(shù)據(jù)輸出端,，ORG為內(nèi)部數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu),，進(jìn)行8位或16位的選擇。將需要設(shè)定的參數(shù)寫入EEPROM,，系統(tǒng)在上電時(shí)就自動(dòng)從EEPROM里面將參數(shù)字讀入SA866，依據(jù)所設(shè)定的參數(shù)字,，系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖波形用來控制主電路中模塊的開或關(guān),。

2.2　參數(shù)計(jì)算與設(shè)定　　

　　1）載波頻率(CFS)　載波頻率是外接時(shí)鐘頻率和一個(gè)倍率系數(shù)N的函數(shù)，N的十進(jìn)制值由初始化寄存器中的一個(gè)3位的CFS字決定,。載波頻率fCARR由式（1）決定,。

　　式中：fCLK為時(shí)鐘輸入頻率，本系統(tǒng)所選用的晶振為20 MHz,。取n=1,，CFS=001，實(shí)際fCARR==

　　2）輸出電源頻率范圍(FRS)　頻率范圍給出了輸出頻率的上限值,。頻率范圍fRANCE=fCARR×2m/384,，取m=1，即FRS=(001)B。

　　3）死區(qū)時(shí)間（tpdy）　tpdy=（63－PDY）/（fCARR×512）,；PDY在0～63之間,，取PDY=37=（100101）B；則實(shí)際的tpdy=(26/26.2144)5 μs=4.959 μs,。

　　4）脈沖取消時(shí)間(PDT)　經(jīng)調(diào)制后SPWM的脈寬可以很小,，但實(shí)際上，過小的脈寬沒有用,，因?yàn)闀r(shí)間過短,，功率管還沒來得及完全打開就關(guān)閉了，只增加了功率管的損耗,，降低了系統(tǒng)的效率,。脈沖取消時(shí)間tpd=(127－PDT)/(fCARR×512)；依此公式,，若定義最小寬度為3 μs,，實(shí)際最小脈寬為tpd－tpdy，則tpd=7.959 μs,，可得PDT=85.272,，取PDT=85=（1010101）B，因此,，實(shí)際tpd=8.01 μs,，脈沖最小寬度為tpd－tpdy=8.01 μs－4.959 μs=3.051 μs。

　　5）波形選擇　SA866AE 有三種標(biāo)準(zhǔn)波形供選擇,，即純正弦波,，正弦波帶三次諧波（增強(qiáng)型）和帶死區(qū)的三次諧波（高效型）。波形采用對(duì)稱技術(shù)保證每個(gè)功率管的開通角度相同,。本系統(tǒng)選用帶三次諧波的正弦波作為調(diào)制波,，即有：WS=（01）B。

　　6）V/f曲線控制　FC用來確定是線性定律還是風(fēng)扇定律,，本系統(tǒng)設(shè)定工作在線性曲線狀態(tài),，即FC=0。圖4為SA866AE/AM所提供的線性特性,。PED 是一個(gè)8位參數(shù),，用來確定在頻率為0時(shí)電機(jī)上的電壓。如果設(shè)置PED=255,，則VVVF線性特性沒用,。Pedestal(％)=PED×100/255，本系統(tǒng)的初始值設(shè)定為10％,，可得PED=25.5,，取25,，實(shí)際的Pedestal (％)=9.8。GRAD為一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù),，決定恒轉(zhuǎn)矩區(qū)曲線的斜率,，根據(jù)基頻和PED值計(jì)算：GRAD=(255－PED)×fRANGE/（16×fbase）；GRAD≦255,，取fbase=50 Hz,；則有GRAD=15=（1111）B。

　　7）其他參數(shù)　由于線性曲線中不用KAY,，在此KAY=（0000000）B,；A/D轉(zhuǎn)換的零閾值的控制參數(shù)ZTH=（00）B；將上述所有參數(shù)字經(jīng)統(tǒng)計(jì)得CHKSUM=（001）B,。AWS=（0000）B,。

　　由上述計(jì)算可得到參數(shù)分布表如表1所列。

4　試驗(yàn)應(yīng)用結(jié)果及結(jié)論　　

　　根據(jù)設(shè)計(jì)做成的通用變頻器,進(jìn)行了調(diào)速,、起動(dòng),、停止、反向,、過載調(diào)節(jié)和加減速時(shí)間調(diào)節(jié)等試驗(yàn),，試驗(yàn)表明，該變頻器各項(xiàng)性能良好,，符合設(shè)計(jì)要求,，并已先后在廣東和江蘇等地的空調(diào)制冷機(jī)、壓縮機(jī),、紡織生產(chǎn)線和塑料制品生產(chǎn)線上得到應(yīng)用,。該變頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、成本低,、可靠性高,、具有較高的性價(jià)比和靈活的適應(yīng)性，是驅(qū)動(dòng)小功率電機(jī)及此類生產(chǎn)線最理想的選擇,。