小功率变频器系统设计与实现.docx

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小功率变频器系统设计与实现

小功率變頻器系統設計與實現

摘要

隨著工業技術的發展，變頻器的應用越來越廣泛，它的顯著的節能效

果和靈活多變的運行方式，給人們留下了深刻印象，但是由於變頻器價格昂貴，影響了它的普及推廣應用．如何在提高變頻器性能的同時儘量降低其價格，是一個非常值得研究的問題。

本文針對這一情況，並順應當前變頻器集成化、高頻化的發展趨勢，決定採用性能價格比很高的專用積體電路SA4828和智慧功率模組（IPM）開發一台低價格、高性能、具有實用價值的通用變頻調速器。

它採用V/F控制方式，有多種控制運行功能和完善的保護措施，從而使其既有較好的運行性能，又有安全穩定的運行狀態，不會因各種故障而輕易損壞。

同時，先進的人機介面使得參數的輸入和變頻器運行方式的改變極為方便，新型集成元件的採用也使得它的開發週期短，整機結構簡潔，成本較低。

本文詳細地分析、設計了該通用變頻器的硬體電路及控制程式，介紹了兩種最主要的集成元件：

SA4828和IPM模組PM25RSBl20，以及它們在設計中的應用。

最後，本文還分析了硬體電路中產生的干擾問題，並分別從硬體、軟體兩方面提出相應的抗干擾措施。

關鍵字　變頻器；脈寬調製；V/F控制

DesignofSmallFrequencyInverters

Abstract

Duetothedevelopmentofindustrialtechnology,theapplicationofVVVFmotordriveisbroadening,moreandmorepeopleareinterestedinitsstrikingeffectonpower-savingandflexibleoperatingmode.Butitistooexpensivetobepopularized.Forthisreason,itisworthyofresearchthathowtobringdownitspriceatthetimeofenhancingitscapability.

Toresolvethisproblem,anApplicationSpecifiedIntegratedCircuit（ASIC）

SA4828andanIntelligentPowerModule（IPM）PM25RSB120areadoptedinthedesign,ofanlow-cost,high-capabilityVariableVoltageVariableFrequency（VVVF）MotorDriveforgeneralpurpose.ThismotordriveiscontrolledbyV/Fmode,furthermoreithasmanyoperatingandprotectingfunctions.Allthesemakethemotordrivehaveahighcapabilityandareliablerunningstatus.Atthesametime,itisveryconvenienttoinputparametersorchangethedrive'soperatingmodeduetotheadvancedhuman-machineinterface.Moreover,owingtotheadoptionofnewintegratedparts,itcostslesstimetodevelopthismotordrive,andthenthemotordrivehasaverylowcost,simplestructuretogetherwithanappropriatestableoperationalcapability,

Inthispaper,thedrive'shardwareandsoftwareisanalyzedindetail,twomainparts:

SA4828andIPMModulePM25RSBI20andtheirapplicationsareintroducedtoo.Attheend,thispaperanalyzestheproblemofdisturbance,andexpoundssomemethodsofanti-disturbancefromtheaspectofhardwareandsoftware.

Keywords　frequencyinverter,pulsewidemodulate,V/Fcontrol

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摘要

Abstract

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第1章緒論

1.1概述

隨著工業的發展，變頻技術發展越來越廣泛，它的顯著的節能效果和靈活多變的運行方式，給人們留下了深刻印象。

同時本人的工作去向為普傳公司，其主產變頻器，遂欲將變頻器進行深入瞭解和研究。

於是選擇小功率變頻器設計這個課題。

其對步入公司工作有很大的幫助。

1.2通用變頻器技術的發展和展望

1.2.1關於交流傳動

交流傳動與控制技術是目前發展最為迅速的技術之一，這是和電力電子器件製造技術、變流技術控制技術以及微型電腦和大型積體電路的飛速發展密切相關。

通用變頻器作為商品開始在國內上市，是近十年的事，銷首惡逐年增加，於今全年有超過數十億元（RMB）的市場。

其中．各種進口品牌居多，功率小至百瓦大至數千千瓦；功能簡易或複雜；精度低或高；回應慢或快：

有PG（測速機）或無PG;有噪音或無噪音等等。

對於許多用戶來說,這十年中經歷了多次更新，現所使用的變頻器大都屬於目前最為先進的機型如果從應用的角度來說，我們的水準與發達國家沒有什麼兩樣。

作為國內製造商,通過這十年來對國外的先進技術進行銷化，也正在積極地進行國產變頻器的自主開發．努力追趕世界發達國家的水準。

　　回顧近十年來國外通用變頻器技術的發展對於深入瞭解交流傳動與控制技術的走向，以及如何站在高起點上結合我國國情開發我國自己的產品應該說具有十分積極的意義.

1.2.2關於功率器件

　　變頻技術是建立在電力電子技術基礎之上的。

在低壓交流電動機的傳動控制中，應用最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT以及智慧模組IPM（IntelligentPowerModule），後面二種集GTR的低飽和電壓特性和MOSFET的高頻開關特性於一體是目前通用變頻器中最廣泛使用的主流功率器件。

IGBT集射電壓Vce可＜3V,頻率可達到20KHZ,內含的集射極間超高速二極體Trr可達150ns,1992年前後開始在通用變頻器中得到廣泛應用。

其發展的方向是損耗更低,開關速度更快、電壓更高,容量更（3.3KV、1200A）,目前，採用溝道型柵極技術、非穿通技術等方法大幅度降低了集電極一發射極之間的飽和電壓[VCE（sat）]的第四代IGBT也已問世。

　　第四代IGBT的應用使變頻器的性能有了很大的提高。

其一是ICBT開關器件發熱減少，將曾占主回路發熱50－70％的器件發熱降低了30％。

其二是高載波控制，使輸出電流波形有明顯改善；其三是開關頻率提高，使之超過人耳的感受範圍，即實現了電機運行的靜青化；其四是驅動功率減少，體積趨於更小。

　　而IPM的投入應用比IGBT約晚二年，由於IPM包含了1GBT晶片及週邊的驅動和保護電路．甚至還有的把光耦也集成於一體，因此是種更為好用的集成型功率器件，目前，在模組額定由流10－600A範圍內，通用變頻器均有採用IPM的趨問，其優點是：

l開關速度快，驅動電流小，控制驅動更為簡單。

　　2內含電流感測器，可以高效迅速地檢測出過電流和短路電流，能對功率晶片給予足夠的保護，故障率大大降低。

　　3由於在器件內部電源電路和驅動電路的配線設計上做到優化，所以浪湧電壓，門極振盪，雜訊引起的干擾等問題能有效得到控制。

4保護功能較為豐富，如電流保護、電壓保護、溫度保護一應俱全，隨著技術的進步，保護功能將進一步日臻完善。

　　5IPM的售價已逐漸接近IGBT．而計人採用IPM後的開關電源容量、驅動功率容量的減小和器件的節省以及綜合性能提高等因素後在許多場合其性價比已高過IGBT，有很好的經濟性。

　　為此IPM除了在工業變頻器中被大量採用之後，經濟型的IPM在近年內也開始在一些民用品如家用空調變頻器，冰箱變頻器、洗衣機變頻器中得到應用。

IPM也在向更高的水準發展，日本三菱電機最近開發的專用智慧模組ASIPM將不需要外接光耦，通過內部自舉電路可單電源供電並採用了低電感的封裝技術，在實現系統小型化，專用化，高性能，低成本方面又推進了一步。

1.2.3關於控制方式

　　早期通用變頻器如東芝TOSVERT－130系列、FUJIFVRG5／P5系列，SANKENSVF系列等大多數為開環恒壓比（V／F=常數）的控制方式．其優點是控制結構簡單、成本較低，缺點是系統性能不高，比較適合應用在風機、水泵調這場合。

具體來說，其控制曲線會隨著負載的變化而變化；轉矩回應慢，電視轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降穩定性變差等。

對變頻器U／F控制系統的改造主要經歷了三個階段；

　　第一階段：

　　1.八十年代初日本學者提出了基本磁通軌跡的電壓空間向量（或稱磁通軌跡法）。

該方法以三相波形的整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成二相調製波形。

這種方法被稱為電壓空間向量控制。

典型機種如1989年前後進入中國市場的FUJI（富士）FRN5OOOG5/P5、SANKEN（三墾）MF系列等。

　　2.引人頻率補償控制，以消除速度控制的穩態誤差

　　3.基於電機的穩態模型，用直流電流信號重建相電流，如西門子MicroMaster系列,由此估算出磁鏈幅值，並通過回饋控制來消除低速時定子電阻對性能的影響。

　　4.將輸出電壓、電流進行閉環控制，以提高動態負載下的電壓控制精度和穩定度，同時也一定程度上求得電流波形的改善。

這種控制方法的另一個好處是對再生引起的過電壓、過電流抑制較為明顯，從而可以實現快速的加減速。

　　之後，1991年由富士電機推出大家熟知的FVR與FRNG7／P7系列的設計中，不同程度融入了2、3、4項技術，因此很具有代表性。

三菱日立，東芝也都有類似的產品。

然而，在上述四種方法中，由於未引入轉矩的調節，系統性能沒有得到根本性的改善.

　　第二階段：

　　向量控制。

也稱磁場定向控制。

它是七十年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流電動機和交流電動機比較的方法分析闡述了這一原理，由此開創了交流電動機等效直流電動機控制的先河。

它使人們看到交流電動機儘管控制複雜，但同樣可以實現轉矩、磁場獨立控制的內在本質。

向量控制的基本點是控制轉子磁鏈，以轉子磁通定向，然後分解定子電流，使之成為轉矩和磁場兩個分量，經過座標變換實現正交或解耦控制。

但是，由於轉子磁鏈難以準確觀測，以及向量變換的複雜性，使得實際控制效果往往難以達到理論分析的效果，這是向量控制技術在實踐上的不足。

此外．它必須直接或間接地得到轉子磁鏈在空間上的位置才能實現定子電流解耦控制，在這種向量控制系統中需要配留轉子位置或速度感測器，這顯然給許多應用場合帶來不便。

僅管如此，向量控制技術仍然在努力融入通用型變頻器中，1992年開始，德國西門子開發了6SE70通用型系列，通過FC、VC、SC板可以分別實現頻率控制、向量控制、伺服控制。

1994年將該系列擴展至315KW以上。

目前，6SE70系列除了200KW以下價格較高，在200KW以上有很高的性價比。

　　第三階段：

　　1985年德國魯爾大學Depenbrock教授首先提出直接轉矩控制理論（DirectTorqueControl簡稱DTC）。

直接轉矩控制與向量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量來控制。

轉矩控制的優越性在於：

轉矩控制是控制定子磁鏈，在本質上並不需要轉速資訊；控制上對除定子電阻外的所有電機參數變化魯棒性良好；所引入的定子磁鍵觀測器能很容易估算出同步速度資訊。

因而能方便地實現無速度感測器化。

這種控制方法被應用於通用變頻器的設計之中，是很自然的事，這種控制被稱為無速度感測器直接轉矩控制。

然而，這種控制依賴於精確的電機數學模型和對電機參數的自動識別（Identification向你ID）,通過ID運行自動確立電機實際的定子阻抗互感、飽和因素、電動機慣量等重要參數，然後根據精確的電動機模型估算出電動機的實際轉矩、定子碰鏈和轉子速度，並由磁鏈和轉矩的Band－Band控制產生PWM信號對逆變器的開關狀態進行控制。

這種系統可以實現很快的轉矩回應速度和很高的速度、轉矩控制精度。

　　1995年ABB公司首先推出的ACS600直接轉矩控制系列，已達到<2ms的轉矩回應速度在帶PG時的靜態速度精度達

，在不帶PG的情況下即使受到輸入電壓的變化或負載突變的影響，向樣可以達到正負0.1%的速度控制精度。

其他公司也以直接轉矩控制為努力目標，如安川VS－676H5高性能無速度感測器向量控制系列，雖與直接轉矩控制還有差別，但它也已做到了100ms的轉矩回應和正負0.2%（無PG）,正負0.01%（帶PG）的速度控制精度，轉矩控制精度在正負3%左右。

其他公司如日本富士電機推出的FRN5000G9/P9以及最新的FRN5000G11/P11系列出採取了類似無速度感測器控制的設計，性能有了進一步提高，然而變頻器的價格並不比以前的機型昂貴多少。

　　控制技術的發展完全得益於微處理機技術的發展，從1991年INTEL公司推出8X196MC系列以來，專門用於電動機控制的晶片在品種、速度、功能、性價比等方面都有很大的發展。

如日本三菱電機開發用於電動機控制的M37705、M7906單片機和美國德州儀器的TMS320C240DSP等都是頗具代表性的產品。

1.2.4關於PWM技術

　　PWM控制技術一直是變頻技術的核心技術之一。

1964年A.Schonung和H.stemmler首先在<>評論上提出把這項通訊技術應用到交流傳動中，從此為交流傳動的推廣應用開闢了新的局面。

從最初採用類比電路完成三角調製波和參考止弦波比較，產生止弦脈寬調製SPWM信號以控制功率器件的開關開始，到目前採用全數位化方案，完成優化的即時線上的PWM信號輸出，可以說直到目前為止，PWM在各種應用場合仍占主導地位,並一直是人們研究的熱點。

　　由於PWM可以同時實現變頻變壓反抑制諧波的特點，由此在交流傳動乃至其它能量變換系統中得到廣泛應用。

PWM控制技術大致可以分為三類，正弦PWM（包括電壓，電流或磁通的正弦為目標的各種PWM方案，多重PWM也應歸於此類），優化PWM及隨機PWM。

正弦PWM已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統諧波的多重PWM技術在大功率變頻器中有其獨特的優勢（如ABBACS1000系列和美國ROBICON公司的完美無諧波系列等）；而優化PWM所追求的則是實現電流諧波畸變率（THD）最小，電壓利用率最高，效率最優，及轉矩脈動最小以及其它特定優化目標。

　　在70年代開始至80年代初，由於當時大功率電晶體主要為雙極性達林頓三極管，載波頻率一般最高不超過5KHZ，電機繞組的電磁噪音及諧波引起的振動引起人們的關注。

為求得改善，隨機PwM方法應運而生。

其原理是隨機改變開關頻率使電機電磁噪音近似為限帶白色雜訊（在線性頻率坐標系中，各頻率能量分佈是均勻的），儘管噪音的總分貝數未變，但以固定開關頻率為特徵的有色噪音強度大大削弱。

正因為如此，即使在IGBT已被廣泛應用的今天，對於載波頻率必須限制在較低頻率的場合，隨機PWM仍然有其特殊的價值（DTC控制即為一例）；另一方面則告訴人們消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，因為隨機PWM技術提供了一個分析、解決問題的全新思路。

1.2.5展望

　通用變頻器的發展是世界高速經濟發展的產物。

其發展趨勢大致為：

1.主控一體化

　日本三菱公司將功率晶片和控制電路集成在一快晶片上的DIPIPM（即雙列直插式封裝）的研製已經完成並推向市場。

一種使逆變功率和控制電路達到一體化，智慧化和高性能化的HVIC（高耐壓IC）SOC（SystemonChip）的概念已被用戶接受，首先滿足了家電市場低成本、小型化、高可靠性和易使用等的要求。

因此葉以展望，隨著功率做大，此產品在市場上極具競爭力。

2.小型化

　用日本富士（FUJI）電機的三添勝先生的話說，變頻器的小型化就是向發熱挑戰。

這就是說變頻器的小型化除了出自支撐部件的實裝技術和系統設計的大規模集成化，功率器件發熱的改善和冷卻技術的發展已成為小型化的重要原因。

ABB公司將小型變頻器定型為Comp－ACTM他向全球發佈的全新概念是，小功率變頻器應當象接觸器、軟起動器等電器元件一樣使用簡單，安裝方便，安全可靠。

3.低電磁噪音化

　今後的變頻器都要求在抗干擾和抑制高次諧波方面符合EMC國際標準，主要做法足在變頻器輸入側加交流電抗器或有源功率因數校正（ActivePowerFactorCorrection．APFC）電路，改善輸入電流波形降低電網諧波以及逆變橋採取電流過零的開關技術。

而控制電源用的開關電源將推崇半諧振方式，這種開關控制方式在30－50

時的雜訊可降低15－20

。

4.專用化

　　通用變頻器中出現專用型家族是近年來的事。

其目的是更好發揮變頻器的獨特功能並盡可能地方便用戶。

如用於起重稅負載的ARBACC系列，用廣交流電梯的SiemensMICO340系列和FUJIFRN5000G11UD系列，其他還有用於恒壓供水、上作機械主軸傳動、電源再生、紡織、機車牽引等專用系列。

5.系統化

　作為發展趨勢，通用變頻器從類比式、數位式、智慧化、多功能向集中型發展。

最近，日本安川由機提出了以變頻器，伺服裝置，控制器及通訊裝置為中心的”D&M&C”概念，並制定了相應的標準。

目的是為使用者提供最佳的系統。

因此可以預見在今後．變頻器的高速回應件和高性能什將是基本條件。

1.3國外變頻驅動產品的發展動向

目前變頻驅動的應用已經非常廣泛，隨著終端使用者及OEM（原始設備製造商）廠商對其產品品質及製造成本日益關注，生產自動化過程對變頻驅動的要求也愈來愈高，促使新一代的變頻驅動產品在設計上不斷完善。

總體上講，變頻器已經從簡單的整流逆變裝置進化為集驅動控制、I/O邏輯現場程式設計、通訊組網聯接等為一體，適應不同應用場合的程序控制單元。

美國Baldor電氣公司的驅動產品經理RoddyYates認為，“當前變頻驅動技術雖然在不斷發展，但革命性的進步卻不多。

驅動產品的小型化、強大的應用包及配置工具仍是市場的需求;另外值得關注的趨勢就是提供驅動產品內部I/O的現場可程式設計能力以適應不同的應用場合。

”同時他認為，“用於驅動及監控的匯流排通訊需求在不斷增長。

一些現有的通信匯流排正嘗試進入乙太網（Ethernet）聯接。

而對乙太網的明確性及安全性的顧慮現在正隨著其在工廠的應用逐步減小。

”

Mitsubishi（日本三菱）負責全球變頻器開發協調的ScottWhitsitt則認為:

“目前變頻器的令人最為吃驚的變化可能就是對驅動器的操作已變得如此簡單,這些工程化傾向十分強的驅動產品在當今業界已是十分普遍;而另外一個十分重要的變化就是變頻驅動性能的長足進步使得變頻器與其它運動控制產品的界限變得模糊，變頻器已經進入那些曾經只考慮DC驅動及運動控制產品的應用領域，給用戶帶來巨大的利益。

”

Rockwell自動化的產品經理CoreyMorton強調了對模組化設計及多產品之間高度一致性的要求，而高性能驅動技術能夠提供以上特性，在競爭中占得先機。

他認為:

“OEM以及終端使用者需要的是能減少安裝、庫存、維護以及培訓費用的產品。

”

ABB產品市場總監MarkKenyon認為:

在考慮將驅動開發與客戶需求緊密聯繫的時候，主要考慮5個方面的因素:

（1）簡單的控制及設置;

（2）可程式設計能力;（3）方便的使用者操作介面;（4）EMI、RFI及諧波;（5）現場匯流排聯結。

通過軟體設計有意識地引導客戶在龐大的功能參數中選擇需要的參數進行設置;調試工具在開機時引導用戶設置並在必要的情況下提供線上說明。

這些都使得變頻器的使用者操作介面方便，控制及設置變得簡單。

可程式設計能力意味著變頻器的靈活性，在同一硬體平臺上滿足多樣化客戶需求，在一些較為簡單的場合將PLC的功能集成進來。

Siemens（西門子）通用驅動（GPDrive）產品經理RudyHauser同樣注意到開機調試的簡單化趨勢，他認為目前通過提供一些可程式設計巨集來引導使用者產品調試的思路已在許多產品中得到應用。

同時，變頻器增加可程式設計能力，對內部信號邏輯重組來適應多樣化用戶現場需求，Hauser認為:

目前的一個重要趨勢在於技術的升級，閉環向量控制及轉矩控制已成為變頻驅動產品的標準，產品向高性能領域發展，這同時體現在系統驅動器（systemdrives）將一些運動控制性能納入其產品標準。

 總體上講，國外變頻驅動的發展趨勢主要表現在以下幾個方面:

（1）高性能化;

（2）易用性加強，安裝及初始設置進一步簡單化;（3）功率結構的模組化;（4）智慧化，通訊選件豐富，並提供開放的現場可程式設計結構;（5）高功率密度，體積更為緊湊，推出微小型驅動產品（所謂的“迷你”型）;（6）小EMI/RFI/諧波影響。

1.3.1國外變頻驅動發展趨勢

1.高性能化

目前基本上所有的驅動器生產商都提供向量控制方式，並出現大量不同層次的控制結構及演算法，適應不同的市場定位與需求。

值得關注的是無速度感測器向量控制（SVC）在近幾年發展較快，由於SVC能夠提供低成本、高性能的解決方案，已經成為通用變頻器中的事實標準和發展方向。

特別是一些廠家提供的SVC控制已經具備高低速轉矩控制的能力，可以預見SVC與FVC（磁通向量控制）的性能差距將逐步減小，並向伺服領域發展，滿足高性能應用場合的要求。

目前變頻驅動與運動控制的界限有逐步模糊的趨勢。

表1列出了三種典型控制方式的性能指標對比。

  根據國外專業顧問公司對279家工廠及OEM客戶的調查，使用者最關心的多項性能排序如表2所示。

   這裡需要提一下Yaskawa（日本安川）的G7系列，該產品被稱為世界上首次應用三電平功率拓撲技術的通用變頻驅動產品。

該產品通過三電平技術有效降低了IGBT開關時的dv/dt水準。

Yaskawa聲稱，由於dv/dt水準僅為常規PWM驅動器的一半，這一技術解決了工業現場安裝及可靠性的問題，這包括驅動器與電機間的長距離電纜連線，感應軸承電流，EMI/RFI輻射，共模電壓，噪音及電壓尖峰等。

由於以上問題的影響減弱，週邊的濾波器可以省去。

G7系列也被Yaskawa稱為所製造的最昂貴的變頻器;但是如果從產品生命週期的總成本角度來看，這一產品還是有很有競爭力的。

2.易用性不斷提高

   多家廠商提供的變頻器在結構設計上都考慮到現場安裝的要求，同時在軟體設計上加入初始起動設置工具，通過引導客戶簡化調試過程。

例如，ABB推出