基于IGBT-PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

趙瑞林

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院， 陜西 咸陽 712000)

0 前 言

PWM波形生成是根據(jù)三角載波與正弦參考波的相交點(diǎn)來確定逆變器功率器件的開關(guān)動作時刻，可用模擬電子電路、數(shù)字電子電路、大規(guī)模專用集成電路LSI芯片產(chǎn)生PWM波形，但這些方法存在元器件過多、線路復(fù)雜、控制精度難以保證，缺乏靈活件、可靠性較差等缺點(diǎn).隨著微電子技術(shù)與微機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制回路均以微機(jī)為基礎(chǔ)全面實現(xiàn)了數(shù)字化.由于微機(jī)的高度集成化和很強(qiáng)的運(yùn)算功能，用于PWM變頻器進(jìn)行直接數(shù)字控制，可得到高穩(wěn)定性、高可靠性以及小型化和便于維修等應(yīng)用效果，還可利用微機(jī)的故障檢測、自詢問和診斷能力，把監(jiān)控的參數(shù)在故障出現(xiàn)前存儲在存儲器中，以用于報警、停機(jī)或診斷[1,2].

1 變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.1 IGBT-PWM電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路

如圖1所示，系統(tǒng)的主電路由不可控三相橋式整流器UR、三相橋式PWM逆變器和中間直流環(huán)節(jié)等3部分組成，其中間直流環(huán)節(jié)采用大電容C進(jìn)行濾波和中間儲能.

圖1 PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)

二極管整流雖然是全波整流電路，但由于整流橋輸出端接濾波電容，只有當(dāng)交流電壓超過電容電壓時整流電路才進(jìn)行充電.交流電壓小于電容電壓時，電流為零，這將導(dǎo)致在電網(wǎng)L產(chǎn)生諧波.為了抑制諧波，通常在電網(wǎng)和變頻器之間加一個進(jìn)線電抗器Lm.由于電容量很大，合閘突加電壓時，電容器相當(dāng)于短路，將產(chǎn)生很大的充電電流，損壞整流二極管.為了限制充電電流．采用限流電阻R0和延時開關(guān)SA組成的預(yù)充電電路對電容C進(jìn)行充電.電源合閘后，延時數(shù)秒，通過R0對電容C進(jìn)行充電.由于二極管整流的PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)不能再生制動，因此對于小容量的通用變頻器一般都用電阻吸收制動容量[3].

1.2 以87C196MC為核心的單片機(jī)控制系統(tǒng)

以87C196MC為核心的單片機(jī)控制系統(tǒng)組成示意圖如圖2所示.

圖2 87C196MC控制系統(tǒng)

(1)87C196MC單片機(jī).Intel公司推出的87C196MC是專門為變頻調(diào)速設(shè)計的一種16位單片機(jī)，由一個C196核心、一個三相波形發(fā)生器、一個事件處理器陣列(EPA)、兩個定時器和一個脈寬調(diào)制單元PWM等組成.

(2)E2PROM.存儲系統(tǒng)設(shè)定控制參數(shù)、鼓掌信息等，選用IC串行總線的E2PROM，容量為1 kbit，使用壽命約為10萬次.

(3)鍵盤和顯示.在數(shù)字電機(jī)控制系統(tǒng)中，變頻器參數(shù)的設(shè)定及操作非常復(fù)雜，必須為用戶提供一個友好的人機(jī)界面.為了減少主控芯片的計算負(fù)擔(dān)，可采用雙CPU方案，鍵盤顯示與主控板之間利用串行口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[4].

1.3 單片機(jī)87C196MC片內(nèi)波形發(fā)生器

片內(nèi)波形發(fā)生器WFG(Wave From Generator)是87C196MC獨(dú)具的特點(diǎn)之一.這一外設(shè)裝置大大簡化了用于產(chǎn)生同步脈寬調(diào)制(PWM)波形的控制軟件和外部硬件，特別適用于控制三相異步電動機(jī)，也可用于控制直流無刷電機(jī)和其他需要多個PWM輸出的裝置.WFG有3個同步的PWM模塊，每個模塊包含一個相位比較寄存器、一個無信號時間發(fā)生器和一對可編程的輸出器.WFG可以產(chǎn)生獨(dú)立的3對PWM波形，但它們有共同的載波頻率、無信號時間和操作方式.三相異步電動機(jī)與87C196MC的連接方法如圖3所示[5,6].

圖3 三相異步電動機(jī)與87C196MC的連接

波形發(fā)生器的每一對輸出WGx和WGx#經(jīng)功率驅(qū)動電路接至逆變器，逆變器每一個橋臂由一對互補(bǔ)的IGBT功率管VT1和VT2組成，VT1對應(yīng)WGx，VT2對應(yīng)WGx#.為了避免VT1和VT2同時導(dǎo)通而造成短路，在波形發(fā)生器中必須加有無信號時間.

1.4 波形發(fā)生器的基本工作原理

1.4.1 基本組成

從功能上可把波形發(fā)生器劃分為3大部分：時基發(fā)生器、相位驅(qū)動通道和控制電路.

(1)時基發(fā)生器.時基發(fā)生器為PWM建立載波周期.該周期取決于WG-RELOAD寄存器的值和操作方式.時基發(fā)生器的核心是一個16位雙向計數(shù)器WG-COUNTER，可工作于4種不同的方式，產(chǎn)生中心對準(zhǔn)或邊沿對準(zhǔn)的PWM.中心對準(zhǔn)PWM方式所造成的諧波小，因而在驅(qū)動三相異步電動機(jī)時采用這種方式，它可以使電源控制電路和電機(jī)更有效地工作.

(2)相位驅(qū)動通道.相位驅(qū)動通道決定PWM波形的占空比.共有3個獨(dú)立的相位驅(qū)動通道，它們的電路是一樣的.每個通道有一對可編程輸出.每個相位驅(qū)動器包含一個可編程無信號時間(Dead-time)發(fā)生器，用來防止一對互補(bǔ)輸出在同一時刻發(fā)生.

(3)控制部分.控制部分包含一些用來確定工作模式和其他配置信息的寄存器.一個可編程的保護(hù)電路可監(jiān)視EXTINT輸入腳，若檢測到一次有效的事件，就產(chǎn)生一次中斷，禁止波形輸出.

1.4.2 時基發(fā)生器WG-COUNTER的工作方式

時基計數(shù)器WG-COUNTER是一個多工作方式的16位計數(shù)器，它的計數(shù)時鐘頻率是振蕩器頻率的1/2，當(dāng)選通波形發(fā)生器工作時，根據(jù)所選擇的工作方式，作為時基發(fā)生器WG-COUNTER連續(xù)地向上計數(shù)或向下計數(shù).每次計數(shù)時，WG-COUNTER的內(nèi)容與計數(shù)比較寄存器的值作比較，當(dāng)兩者相匹配時，按照所選擇的工作方式進(jìn)行相應(yīng)的操作.

1.4.3 波形發(fā)生器的PWM方式

波形發(fā)生器共有3個在電路上相同的相位驅(qū)動通道，每個通道產(chǎn)生一對互補(bǔ)的PWM波形.描述中心對準(zhǔn)PWM波形的生成，為簡化起見，先不考慮無信號時間發(fā)生器的作用.中心對準(zhǔn)PWM，是計數(shù)器工作于向上/向下的計數(shù)方式，產(chǎn)生的PWM波形則為中心對準(zhǔn).

2 IGBT-PWM電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 數(shù)字控制系統(tǒng)軟件程序框圖

系統(tǒng)軟件由初始化子程序、預(yù)充電子程序、給定積分子程序、鍵盤處理于程序、電流電壓檢測子程序、故障處理子程序和PWM輸出子程序構(gòu)成.程序框圖如圖4所示.下面給出幾個主要的子程序框圖及算法：

(1)給定積分G1.給定積分器G1，設(shè)置目的是將階躍給定信號轉(zhuǎn)變?yōu)樾逼滦盘?

(2)鍵盤與顯示.設(shè)置目的：開、停機(jī)操作，U/f曲線設(shè)定：顯示、電流、電壓、溫度、運(yùn)行頻率、故障信息等.

圖5 PWM程序框圖

2.2 PWM程序設(shè)計

(1)正弦函數(shù)數(shù)據(jù)表.正弦電壓是靠控制波形發(fā)生器產(chǎn)生的PWM波形的占空比而形成的，為此建立了一個弦函數(shù)數(shù)據(jù)表.正弦函數(shù)具有反對稱性，即 sina=-sin(-a),因此只要建立0°～180°的正弦函數(shù)數(shù)據(jù)便足夠使用.

(2)調(diào)制深度及頻率、電壓數(shù)據(jù)表.在電機(jī)控制中，為了不降低電機(jī)的功率因素和效率，在改變變頻器頻率時，需同時改變它的輸出電壓幅值.三相異步電動機(jī)常采用恒定U/f比值控制.在額定頻率前，電機(jī)輸入電壓幅值應(yīng)與頻率(電機(jī)轉(zhuǎn)速)成線性關(guān)系.超過額定頻率時，電機(jī)輸入電壓幅值保持常值.這里所說的變頻器控制回路就是由87196MC中的波形發(fā)生器及驅(qū)動電路組成.波形發(fā)生器輸出的電壓幅值取決于PWM占空比變化的百分比，即調(diào)制深度.當(dāng)占空比為50%時，經(jīng)低通濾波后所得的平均電壓為0 V，稱為相中間點(diǎn).當(dāng)占空比變?yōu)?00%時，平均電壓增至+Ud/2;當(dāng)占空比降到0%時，平均電壓降至-Ud/2.

(3)PWM程序框圖.本控制系統(tǒng)的軟件包括程序和數(shù)據(jù)表格兩大部分.程序有初始化主程序和中斷服務(wù)子程序等，程序框圖如圖5所示.數(shù)據(jù)表格是根據(jù)各頻率計算出的相應(yīng)脈寬數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存入單片機(jī).控制系統(tǒng)通過程序查表獲取SPWM的脈寬數(shù)據(jù)，當(dāng)需要變頻時，單片機(jī)在軟件的控制下讀取相應(yīng)頻率的表格數(shù)據(jù)，然后傳送給SLE4520專用芯片，產(chǎn)生SPWM波控制控制電動機(jī).

3 結(jié)束語

在PWM型逆變器中，微機(jī)最初只用來產(chǎn)生階梯式正弦控制信號，三角形載波信號仍用硬件產(chǎn)生，后來用存儲最佳開關(guān)點(diǎn)的查表法進(jìn)行實時控制或用邊查表邊作簡單計算的控制方式.但在高性能的矢量控制系統(tǒng)中，既要求逆變器輸出頻率在寬范圍可調(diào)，又要求基波幅值高分辨率可控，這些用查表方法是難以實現(xiàn)的，因此，又相繼推出了DMA傳送的微機(jī)控制PWM逆變器和規(guī)則采樣PWM技術(shù).近年來的一個發(fā)展動向是從單一研究PWM型逆變器控制技術(shù)向包括電機(jī)在內(nèi)的整個調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行一體化研究.

參考文獻(xiàn)

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