仲崇健

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

?

單片機(jī)的電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

仲崇健

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

摘要介紹了一種利用專用集成電路SA4828 設(shè)計(jì)電機(jī)變頻調(diào)速的方法。系統(tǒng)主要包括主電路與控制電路，主電路采用IPM智能功率模塊作為電機(jī)的控制，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速的全數(shù)字化控制，實(shí)時(shí)性好、可靠性高。

關(guān)鍵詞單片機(jī)；SA4828；變頻調(diào)速；SPWM

0引言

隨著電力電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和電力電子器件的更新?lián)Q代，變頻調(diào)速技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。許多傳統(tǒng)的由直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)拖動(dòng)的工業(yè)設(shè)備改由交流變額調(diào)速系統(tǒng)拖動(dòng)，從而提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用。隨著變頻調(diào)速應(yīng)用的日益廣泛，相關(guān)技術(shù)的日益成熟，人們不僅對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的精度要求越來越高，而且對(duì)控制的功能、系統(tǒng)的智能化、系統(tǒng)抗擾能力的要求越來越高，以滿足生產(chǎn)的需求并適應(yīng)不同的工作環(huán)境。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式控制處理芯片的運(yùn)算能力和可靠性得到很大提高，這使得全數(shù)字化控制系統(tǒng)取代以前的模擬器件控制系統(tǒng)成為可能。

1電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

1.1變頻調(diào)速原理

變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻可以調(diào)速這個(gè)概念，可以說是交流電動(dòng)機(jī)“與生俱來”的。不但同步電動(dòng)機(jī)，即使是異步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速都是取決于同步轉(zhuǎn)速(即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速)。電機(jī)調(diào)速時(shí)，通常要考慮的一個(gè)重要因素：希望保持電機(jī)中每極磁通量為額定值，并保持不變。如果磁通太弱，即電機(jī)出現(xiàn)欠勵(lì)磁，將會(huì)影響電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。由于電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的磁通常處于接近飽和值，如果進(jìn)一步增大磁通，將使電動(dòng)機(jī)鐵心出現(xiàn)飽和，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)中流過很大的勵(lì)磁電流，增加電動(dòng)機(jī)的銅損耗和鐵損耗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞電動(dòng)機(jī)。因此，在改變電動(dòng)機(jī)頻率時(shí)，應(yīng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的電壓進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以維持電動(dòng)機(jī)磁通的恒定。

1.2單片機(jī)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)

該硬件系統(tǒng)主要包括主電路與控制電路兩個(gè)部分，其中主電路包括交-直-交變頻電路(本設(shè)計(jì)采用IPM集成模塊)與電動(dòng)機(jī)；控制電路包括89C51主控制模塊、SA4825產(chǎn)生SPWM波模塊、驅(qū)動(dòng)模塊以及外圍設(shè)備模塊(如鍵盤輸入、液晶顯示、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換以及串口等)。以CPU為核心，配以鍵盤、顯示、通訊等設(shè)備，完成對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的速度控制。這里選用了ATMEL公司的89C51單片機(jī)，它與Intel51系列單片機(jī)完全兼容。其內(nèi)部配置了8kB的FlashMemory，無須擴(kuò)展外部存貯器。同時(shí)這種8位單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)與SA4828完全兼容，可以直接相連。給定轉(zhuǎn)速n0可以用三種方式設(shè)定：鍵盤、電位器和上位機(jī)。用8位LED分別顯示給定轉(zhuǎn)速n0和實(shí)際轉(zhuǎn)速n，一目了然。系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)監(jiān)測、調(diào)速效果、動(dòng)態(tài)響應(yīng)的跟蹤情況都可以傳送到上位機(jī)，以表格或曲線的形式輸出，以便于觀察分析。

2系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

2.1IPM模塊

IPM(IntelligentPowerModule)，即智能功率模塊，不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起。而且還內(nèi)藏有過電壓，過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號(hào)送到CPU。它由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)電路以及快速保護(hù)電路構(gòu)成。即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，也可以保證IPM自身不受損壞。IPM一般使用IGBT作為功率開關(guān)元件，內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動(dòng)電路的集成結(jié)構(gòu)。IPM以其高可靠性，使用方便贏得越來越大的市場，尤其適合于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻器和各種逆變電源，是變頻調(diào)速、冶金機(jī)械、電力牽引、伺服驅(qū)動(dòng)、變頻家電的一種非常理想的電力電子器件,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。

IPM由高速、低功率的IGBT芯片和優(yōu)選的門級(jí)驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路構(gòu)成，其中，IGBT是GTR和MOSFET的復(fù)合，由MOSFET驅(qū)動(dòng)GTR，因而IGBT具有兩者的優(yōu)點(diǎn)。IPM根據(jù)內(nèi)部功率電路配置的不同可分為四類：H型(內(nèi)部封裝一個(gè)IGBT)、D型(內(nèi)部封裝兩個(gè)IGBT)、C型(內(nèi)部封裝六個(gè)IGBT)和R型(內(nèi)部封裝七個(gè)IGBT)。小功率的IPM使用多層環(huán)氧絕緣系統(tǒng)，中大功率的IPM使用陶瓷絕緣。

2.2IPM內(nèi)部功能機(jī)制

IPM內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路使系統(tǒng)硬件電路簡單、可靠，縮短了系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，也提高了故障下的自保護(hù)能力。與普通的IGBT模塊相比，PM在系統(tǒng)性能及可靠性方面都有進(jìn)一步的提高。保護(hù)電路可以實(shí)現(xiàn)控制電壓欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)、過流保護(hù)和短路保護(hù)。

2.3IPM驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路是IPM主電路和控制電路之間的接口，良好的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要意義。IGBT的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)問題亦即MOSFET的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)問題，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意IGBT柵極耐壓一般在±20V左右，因此驅(qū)動(dòng)電路輸出端要給柵極加電壓保護(hù)，通常的做法是在柵極并聯(lián)穩(wěn)壓二極管或者電阻。前者的缺陷是將增加等效輸入電容Cin，從而影響開關(guān)速度，后者的缺陷是將減小輸入阻抗，增大驅(qū)動(dòng)電流，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)需要取舍。為可靠關(guān)閉IGBT， 防止擎住現(xiàn)象，要給柵極加一負(fù)偏壓，因此最好采用雙電源供電。

2.4IGBT集成式驅(qū)動(dòng)電路

IGBT的分立式驅(qū)動(dòng)電路中分立元件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，保護(hù)功能比較完善的分立電路就更加復(fù)雜，可靠性和性能都比較差，因此實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)采用集成式驅(qū)動(dòng)電路。日本富士公司的EXB系列集成電路、法國湯姆森公司的UA4002集成電路等應(yīng)用都很廣泛。

2.5IPM驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

現(xiàn)以PM100DSA120為例進(jìn)行介紹。PM100DSA120是一種D型的IPM，內(nèi)部封裝了兩個(gè)IGBT，工作在1200V/100A以下，功率器件的開關(guān)頻率最大為20kHz。由于IPM內(nèi)置了驅(qū)動(dòng)電路，與IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)相比，外圍驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)比較方便，只要能提供15V直流電壓即可。Rl根據(jù)控制電路的輸出電流選取，如用MCU產(chǎn)生PWM，則R1的阻值可為330Ω。

2.6IPM的選用

IPM在選用時(shí)，首先是根據(jù)變頻裝置的容量與供電電源容量，確定其額定值和最大值，然后選擇具體型號(hào)。選型時(shí)根據(jù)IPM的過流動(dòng)作數(shù)值以確定峰值電流及適當(dāng)?shù)臒嵩O(shè)計(jì)，以保證結(jié)溫峰值永遠(yuǎn)小于最大結(jié)溫額定值，使基板的溫度永遠(yuǎn)低于過熱動(dòng)作數(shù)值。

2.7驅(qū)動(dòng)模塊

SA4828輸出的6路控制信號(hào)是TTL電平的，它們不能直接驅(qū)動(dòng)IPM中的6個(gè)IGBT。原因有兩個(gè)：(1)IGBT需要的開關(guān)信號(hào)幅值約為±10V，TTL電平不能勝任；(2)逆變橋中三個(gè)下橋臂是共地的，而三個(gè)上橋臂是懸浮的，SA4828輸出的6路信號(hào)均是共地的，必須加以隔離。因此驅(qū)動(dòng)電路的任務(wù)有兩個(gè)：電平轉(zhuǎn)換和隔離。IGBT一般用集成電路芯片來驅(qū)動(dòng)，常用電路有EXB840、841、850、851系列、M5796系列等。為了驅(qū)動(dòng)主電路逆變橋的三個(gè)上橋臂的IGBT，必須給每一路提供一個(gè)隔離的25V電源而三個(gè)下橋臂可以共用一個(gè)電源。此外，SA4828及單片機(jī)系統(tǒng)還需要+5V電源以及異步通訊所需的±12V電源，一共需要7路電源，如圖2所示。

該電源可以采用線性電源，也可采用開關(guān)電源。前者體積大，笨重，但電路簡單，各路電源完全獨(dú)立，調(diào)試容易。后者則輕便、小巧，電路相對(duì)較復(fù)雜。

3結(jié)語

軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)逆變控制的核心，它決定著逆變器的輸出特性。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于:利用單片微機(jī)和集成芯片配合產(chǎn)生SPWM波形控制逆變開關(guān)的通斷，控制算法容易編程實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化控制，結(jié)構(gòu)簡單，與采用模擬器件相比，減少了生產(chǎn)成本，性能良好；具有易于改變控制算法、程序易于移植、控制精度高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，采用變頻技術(shù)后，可以節(jié)省大量的能源，有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)保效果。這種系統(tǒng)在電力電子設(shè)備與人們生活日益密切的今天有著廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[2]張立科.單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)實(shí)例導(dǎo)航. 北京：人民郵電出版社，2004.

[3]徐志躍．基于SA4828的變頻器設(shè)計(jì)[J]．電氣傳動(dòng)，2006.

[4]王仁祥.通用變頻器選型與維修技術(shù).北京：中國電力出版社，2004.

DesignandAnalysisonMotorVariable-Frequency

Adjustable-SpeedSystemofSingleChipComputer

Zhong Chongjian

(JiamusiElectricMachineCo.,Ltd.,Jiamusi154002,China)

AbstractThis paper introduces a design method for motor variable-frequency adjustable-speed system by specific integrated circuit SA4828. The system mainly includes main circuit and control circuit, the main circuit uses smart power module IPM as the control of motor. The designed system has achieved all-digital control of variable-frequency adjustable-speed and has the advantages of good real-time performance and high reliability.

Key wordsSingle chip computer；SA4828；variable-frequency adjustable-speed；SPWM

收稿日期：2015-9-27

作者簡介：仲崇健男1983年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化，現(xiàn)從事電機(jī)設(shè)計(jì)工作.

中圖分類號(hào)：TM301.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-7281(2016)01-0035-003

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.01.10