中频大功率电机变频调速系统的设计文档格式.docx

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主开关器件选用日本三菱公司生产的CM400HA-24HIGBT（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