发表于：2012/5/4 11:06:33
#0楼
SA4828及IPM在变频调速装置中的应用
1 引言 目前，变频调速已广泛应用于石油化工、家电等诸多领域，在变频调速的控制理论不断发展的同时，与之相应的控制手段和技术也朝着数字化与软件化方向迅速发展。电力电子技术的发展为交流调速奠定了物质基础，电力电子器件正在向大功率化、高频化、模块化、智能化方向发展。所以变频器在满足各项性能指标的同时，减小体积、简化控制、降低成本是目前面临的问题之一。当前应用比较广泛的控制方法虽然控制效果比较好，但过于复杂。本文设计的变频器专门针对小功率电机，具有体积小，成本低的优点。
2 系统组成 变频器的整体结构如图1所示。
图1 变频器的结构图
整个系统主要有两部分组成，即控制电路和主回路。控制电路是以嵌入式微控制器AT89C51为核心，主回路由整流电路和智能功率模块(IPM)组成。IPM是集门极驱动和短路、过流、欠压、过热保护功能于一体的IGBT功率器件，其结构紧凑、性能稳定、工作可靠。在整个系统中，控制系统给主回路提供控制波形，并担负起全系统的控制和监护。 SA4828发出的6路PWM控制信号，通过IPM电源及光电耦合器进行隔离之后，输出给IPM逆变器，控制IPM直接加在异步电动机上的输出信号，实现对电机的变频调速功能。当IPM检测电路检测到有故障时将一路信号送到SA4828，SA4828的输出PWM波立即变成低电平，从而关断IPM。另一路送给单片机进入中断处理程序。
3 主电路的参数选择 电机参数为额定功率0.75kW，额定电流2.1A，额定电压380V。 整流器的输入电压为单相工频交流电，当没加滤波电容时，单相桥式整流电路输出的平均直流电压为: 由 加上滤波电容后，Udc的最大值可达到交流线电压的峰值:
3.1 整流二极管模块的参数计算 整流二极管的选择应从电机在最大负载电流下仍能可靠工作的情况下考虑。所以流过二极管的电流有效值为:
式中，Im为电机最大负载电流峰值，其值一般取为电机额定电流的5～6倍。故二极管的额定电流为:
二极管的耐压值为: 式中，U21为变压器二次线电压有效值。根据市场供货情况选择二极管整流模块的参数为1000V，30A。
3.2 滤波电容的选择 当输入单相线电压为220V时，整流输出的最大电压是311V，考虑到电压为10％的波动，则最大输出可达342V，因此滤波电容的耐压值应在此电压之上，并有一定的安全裕度，故取滤波电容的耐压值为450V。 理论上，滤波电容的值越大越好，但考虑到体积成本等因素，电容值也不可能选得太大，事实上，中间直流滤波电容的容量是从限制电压波动的角度来选择的，根据经验，可选3个450μF的铝电解电容。
3.3 逆变器功率器件的选择 IGBT是场控型大功率开关元件，它热时间常数小，承受过载能力差，在实际应用时，从负载最严重的情形来选择功率元件。功率元件的电流额定值:
式中，λ—电机的过载系数，一般取1.5～2; In—电机的额定电流。此外，还应保证功率器件IGBT的集电极－发射极额定承受电压Uceo至少应为实际承担的最高峰值1.2倍以上，则功率器件的耐压值:
所以选择IPM为600V/20A的智能功率模块，经比较多种型号的IPM的性能价格指标，最终采用三菱公司的PM20CSJ060。
4 各部分电路功能 4.1 PWM产生器SA4828功能介绍 SA4828是MITEL公司于90年代末推出的专为感应电机的变频驱动而设计的一款集成电路。它采用双缘调制技术，能够产生精确的SPWM脉冲，并且可在紧急情况下快速关断脉冲，保护逆变器和电机。它与单片机配合使用，所有需定义的参数如载波频率、死区对间、最小脉宽、调制波形、V/F曲线等均由单片机通过A/D复用总线传送，输入一次数据后就可让它独立连续运行，直到需要更新控制数据。在使用中，它可以看作是单片机的外部存储器或一个I/O端口。SA4828的工作频率范围很宽，时钟频率为25kHz时，载波频率可达24kHz，输出频率4kHz。它还可以提供三种调制波形供用户选择:增强型,正弦型和高效型。此外，它的频率分辨率很高，可达16位字长。它兼容INTEL和MOTOROLA总线的单片机。该电路通过数据总线和控制线,即可直接与微处理器进行通讯,不需增加外围电路。
图2 SA4828的管脚分布图
SA4828的管脚布置如图2所示，它采用双列直插式封装，共28个管脚。介绍如下: (1)与单片机接口的标准总线AD0—AD7为 8位地址与数据复用总线。 (2)控制总线 (3)信号输出及控制 RPHT、 RPHB、 YPHT、 YPHB、 BPHT、 BPHB输出三相PWM脉冲驱动信号，均为标准的TTL电平。端指示输出封锁状态，低电平有效。SETTRIP为关断触发信号输入端，当输入为高电平时，输出脚及6个PWM输出将被迅速地箝位在低电平状态，这种封锁信号只有在信号作用下才能解除。 (4)电源 VDD为＋5V电源端，VSS为芯片接地端。
4.2 SA4828的控制 SA4828通过8位地址数据复用总线与单片机89C51相连，如图3所示。
图3 SA4828与89C51的连接
PWM脉冲的各种必需参数都是通过这条总线传给SA4828的。故障封锁信号直接接在89C51的变小上，一旦SA4828收到来自IPM或故障保护电路的故障信号。 它除了封锁PWM脉冲输出外，还将端箝位在低电平以向89C51发外部中断信号，使单片机转入中断处理子程序，处理故障中断信号。 SA4828芯片是可编程的。通过6只临时寄存器R0～R5、2只虚拟寄存器R14、R15,对48位的初始化寄存器和控制寄存器进行编程,获得PWM波。 SA4828内部有两个48位的寄存器，分别是初始化寄存器和控制寄存器。初始化寄存器存放基本的运行参数，如载波频率、脉冲删除、波形选择等，它只能在变频器开始运行前设定，并且在运行过程中不能修改。控制寄存器用来设定变频器的输出频率、启动停止等。它在整个运行期间可以不断修改，以实时控制电机的运行。 (1)初始化寄存器 初始化寄存器及其功能见表1。实际输出ＰＷＭ波形的最小脉宽为脉冲取消时间减去失去时间。若幅值控制AC=1,则可三相幅值独立控制。选择不同的WS1和WS0,可输出正弦型(00)、增强型(01)和高效型(10)PWM波。通过对虚拟寄存器R14的写操作,就可将R0～R15中设定的初始化数据传送到48位的初始化寄存器中。 (2)控制寄存器控制寄存器及其功能见表2。若初始化寄存器中,幅值控制位AC=0,那么输出幅值选择字只须写入Ｒ相即可。若控制寄存器中,设定看门狗定时器无效,即WTE=0,那么在初始化过程中,不须给出看门狗计数器的值。通过对虚拟寄存器R15的写操作,就可将R0～R5中给定的运行数据传送到48位的控制寄存器中。
(3)初始化参数计算单片机和SA4828的时钟频率均为12MHz，调制波频率范围0～50Hz，载波频率位15kHz，实际脉冲删除时间10μs，死区延迟时间5μｓ。 l 载波频率设定字由载波频率得:
取2n+1=2则，n＝0。载波频设定字为000。反算载波频率:
l 调制波频率范围设定字由得:
取2m=2，则m＝1。调制波频率设定字为001。反算调制波频率:
所以寄存器R0的值为00100000，即20H。 l 脉冲延迟时间设定字由得:
所以寄存器R2中的值为21H。 l 最小删除脉宽设定字最小删除脉宽等于实际最小脉宽加上延迟时间，所以＝10＋5＝15μｓ由得:
所以寄存器R1中的值为25H。 l 波形选择字和AC设定选用高效波形，选择字为10，红相控制幅值AC＝0。所以寄存器R3中的值为02H。 l 看门狗设定不用看门狗，所以寄存器R4，R5的值均为00H。 (4)控制寄存器值的参数 由于控制寄存器中的参数，在整个运行过程中需实时变化以控制电机的运行，因此需要在运行过程中实时计算得到。
4.3 IPM20CSJ060智能功率模块 4.3.1 IPM20CSJ060的特性 l 集射极最大压降为600V,最大的集射极电流为20A,浪涌电流为40A,最高开关速度可达20kHz。 l 相互独立和隔离的门极驱动及保护逻辑。 l 内置IGBT的过流、短路、过温、欠压的检测、保护及保护信号的输出电路。
图4 PM20CSJ060的内部结构
图4即为PM20CSJ060的内部结构: 图4中各引脚介绍如下: VUPC，VVPC，VWPC:U,V,W相上桥臂驱动电源的接地端; UFO，VFO，WFU,V,W相上桥臂保护信号输出端; UP，VP，WP:U,V,W相上桥臂控制信号输入端; VUP1，VVP1，VWP1:U,V,W相上桥臂驱动电源正极的输入端; VNC:三相下桥臂公用驱动电源的接地端; VN1:三相下桥臂公用驱动电源正极的输入端; UN，VN，WN:U，V，W下桥臂控制信号输入端; F三相下桥臂公用保护信号输出端; P:电机主回路的直流电源正端; N:电机主回路的直流电源负端; U，V，W:U，V，W相输出端(接异步电机三相定子绕组)。
4.3.2.驱动要求 该模块要求U,V,W三相的上桥臂驱动电源必须由3个相互隔离的独立电源供电，U,V,W三相的下桥臂公用1个驱动电源。驱动电源均为+15V电源。直流母线电压即P,N间的电压推荐不高于450V。在25℃时，功耗不大于56W。工作环境温度范围为-20～+100℃。 由于变频器最终是用来控制高压信号以驱动电机的。因此其中的变频信号都要在主回路与控制回路加入隔离电路。主回路IPM器件一般加光电耦合器较为方便。高速IPM器件的光耦一般接成如图5所示。
图5 控制信号与IPM器件的接口
图5中对驱动隔离光耦本身有一定的要求,一般tplH,tＰＨＬ<0.8μs, CMMR>10kV/μs,同时应在IPM的控制电源上加一个10μF的低感高频退耦电容。而且图5中控制信号输入端的上拉电阻R应该足够小以避免高阻抗IPM输入端拾取噪声,又要足够大使得高速光耦在推荐的最大电压下仍能可靠的控制IPM。本设计中选择的驱动隔离光耦为HCPL4504是美国安捷伦公司专为IPM等功率器件设计的光电隔离接口芯片，其tＰＬＨ,tＰＨＬ<0.3μｓ，内部集成高灵敏度光传感器，极短的寄生延时为IPM应用中的高速开关的死区时间确保了安全，是功率器件接口的完美解决方案。 相对来说对故障输出光耦要求不是很严格，因此本设计中选择价格较低的PC817。 隔离电源是决定变频器可靠性的因素之一。由于变频器的原理决定了IPM器件需要多组互相隔离的控制电压,至少为四组。本设计中选择IPM专用电源DF003。它是600V耐压IPM的专用供电电源，具有耐压范围宽，保护全，输出电流强劲等优点。
4.4 系统保护电路 虽然在IPM模块中它已经设有过流、过热等保护，
但为了提高系统的可靠性及更好的保护IGBT管，仍需设置一套快速而准确的保护环节以防止各种故障，因此本设计中还设计的系统的过压，欠压保护，由于篇幅原因，在此就不给出了。
5 系统软件设计 软件设计是整个逆变控制的核心，它决定着变频器的输出特性，程序流程图如图6: 从程序流程图中可看出:单片机先将SA4828复位,在向其传送初始化参数和控制参数之后SA4828即可输出PWM波形,逆变器随后将处于工作状态,这时单片机应不断查询输出状态,以便随时调整PWM输出特性,以满足系统要求。
6 结束语 实际应用表明，使用SA4828和智能功率模块IPM设计变频调速装置，设计简化，运行可靠，功能完善，调试方便，在控制、保护方面具有较高的智能控制。 选用智能功率模块和SA4828波形发生器，减少了设计时间，简化了硬件电路，减少了安装和布线时间，减小了整个系统的体积，有利于提高系统的稳定性。
1 引言 目前，变频调速已广泛应用于石油化工、家电等诸多领域，在变频调速的控制理论不断发展的同时，与之相应的控制手段和技术也朝着数字化与软件化方向迅速发展。电力电子技术的发展为交流调速奠定了物质基础，电力电子器件正在向大功率化、高频化、模块化、智能化方向发展。所以变频器在满足各项性能指标的同时，减小体积、简化控制、降低成本是目前面临的问题之一。当前应用比较广泛的控制方法虽然控制效果比较好，但过于复杂。本文设计的变频器专门针对小功率电机，具有体积小，成本低的优点。
2 系统组成 变频器的整体结构如图1所示。
图1 变频器的结构图
整个系统主要有两部分组成，即控制电路和主回路。控制电路是以嵌入式微控制器AT89C51为核心，主回路由整流电路和智能功率模块(IPM)组成。IPM是集门极驱动和短路、过流、欠压、过热保护功能于一体的IGBT功率器件，其结构紧凑、性能稳定、工作可靠。在整个系统中，控制系统给主回路提供控制波形，并担负起全系统的控制和监护。 SA4828发出的6路PWM控制信号，通过IPM电源及光电耦合器进行隔离之后，输出给IPM逆变器，控制IPM直接加在异步电动机上的输出信号，实现对电机的变频调速功能。当IPM检测电路检测到有故障时将一路信号送到SA4828，SA4828的输出PWM波立即变成低电平，从而关断IPM。另一路送给单片机进入中断处理程序。
3 主电路的参数选择 电机参数为额定功率0.75kW，额定电流2.1A，额定电压380V。 整流器的输入电压为单相工频交流电，当没加滤波电容时，单相桥式整流电路输出的平均直流电压为: 由 加上滤波电容后，Udc的最大值可达到交流线电压的峰值:
3.1 整流二极管模块的参数计算 整流二极管的选择应从电机在最大负载电流下仍能可靠工作的情况下考虑。所以流过二极管的电流有效值为:
式中，Im为电机最大负载电流峰值，其值一般取为电机额定电流的5～6倍。故二极管的额定电流为:
二极管的耐压值为: 式中，U21为变压器二次线电压有效值。根据市场供货情况选择二极管整流模块的参数为1000V，30A。
3.2 滤波电容的选择 当输入单相线电压为220V时，整流输出的最大电压是311V，考虑到电压为10％的波动，则最大输出可达342V，因此滤波电容的耐压值应在此电压之上，并有一定的安全裕度，故取滤波电容的耐压值为450V。 理论上，滤波电容的值越大越好，但考虑到体积成本等因素，电容值也不可能选得太大，事实上，中间直流滤波电容的容量是从限制电压波动的角度来选择的，根据经验，可选3个450μF的铝电解电容。
3.3 逆变器功率器件的选择 IGBT是场控型大功率开关元件，它热时间常数小，承受过载能力差，在实际应用时，从负载最严重的情形来选择功率元件。功率元件的电流额定值:
式中，λ—电机的过载系数，一般取1.5～2; In—电机的额定电流。此外，还应保证功率器件IGBT的集电极－发射极额定承受电压Uceo至少应为实际承担的最高峰值1.2倍以上，则功率器件的耐压值:
所以选择IPM为600V/20A的智能功率模块，经比较多种型号的IPM的性能价格指标，最终采用三菱公司的PM20CSJ060。
4 各部分电路功能 4.1 PWM产生器SA4828功能介绍 SA4828是MITEL公司于90年代末推出的专为感应电机的变频驱动而设计的一款集成电路。它采用双缘调制技术，能够产生精确的SPWM脉冲，并且可在紧急情况下快速关断脉冲，保护逆变器和电机。它与单片机配合使用，所有需定义的参数如载波频率、死区对间、最小脉宽、调制波形、V/F曲线等均由单片机通过A/D复用总线传送，输入一次数据后就可让它独立连续运行，直到需要更新控制数据。在使用中，它可以看作是单片机的外部存储器或一个I/O端口。SA4828的工作频率范围很宽，时钟频率为25kHz时，载波频率可达24kHz，输出频率4kHz。它还可以提供三种调制波形供用户选择:增强型,正弦型和高效型。此外，它的频率分辨率很高，可达16位字长。它兼容INTEL和MOTOROLA总线的单片机。该电路通过数据总线和控制线,即可直接与微处理器进行通讯,不需增加外围电路。
图2 SA4828的管脚分布图
SA4828的管脚布置如图2所示，它采用双列直插式封装，共28个管脚。介绍如下: (1)与单片机接口的标准总线AD0—AD7为 8位地址与数据复用总线。 (2)控制总线 (3)信号输出及控制 RPHT、 RPHB、 YPHT、 YPHB、 BPHT、 BPHB输出三相PWM脉冲驱动信号，均为标准的TTL电平。端指示输出封锁状态，低电平有效。SETTRIP为关断触发信号输入端，当输入为高电平时，输出脚及6个PWM输出将被迅速地箝位在低电平状态，这种封锁信号只有在信号作用下才能解除。 (4)电源 VDD为＋5V电源端，VSS为芯片接地端。
4.2 SA4828的控制 SA4828通过8位地址数据复用总线与单片机89C51相连，如图3所示。
图3 SA4828与89C51的连接
PWM脉冲的各种必需参数都是通过这条总线传给SA4828的。故障封锁信号直接接在89C51的变小上，一旦SA4828收到来自IPM或故障保护电路的故障信号。 它除了封锁PWM脉冲输出外，还将端箝位在低电平以向89C51发外部中断信号，使单片机转入中断处理子程序，处理故障中断信号。 SA4828芯片是可编程的。通过6只临时寄存器R0～R5、2只虚拟寄存器R14、R15,对48位的初始化寄存器和控制寄存器进行编程,获得PWM波。 SA4828内部有两个48位的寄存器，分别是初始化寄存器和控制寄存器。初始化寄存器存放基本的运行参数，如载波频率、脉冲删除、波形选择等，它只能在变频器开始运行前设定，并且在运行过程中不能修改。控制寄存器用来设定变频器的输出频率、启动停止等。它在整个运行期间可以不断修改，以实时控制电机的运行。 (1)初始化寄存器 初始化寄存器及其功能见表1。实际输出ＰＷＭ波形的最小脉宽为脉冲取消时间减去失去时间。若幅值控制AC=1,则可三相幅值独立控制。选择不同的WS1和WS0,可输出正弦型(00)、增强型(01)和高效型(10)PWM波。通过对虚拟寄存器R14的写操作,就可将R0～R15中设定的初始化数据传送到48位的初始化寄存器中。 (2)控制寄存器控制寄存器及其功能见表2。若初始化寄存器中,幅值控制位AC=0,那么输出幅值选择字只须写入Ｒ相即可。若控制寄存器中,设定看门狗定时器无效,即WTE=0,那么在初始化过程中,不须给出看门狗计数器的值。通过对虚拟寄存器R15的写操作,就可将R0～R5中给定的运行数据传送到48位的控制寄存器中。
(3)初始化参数计算单片机和SA4828的时钟频率均为12MHz，调制波频率范围0～50Hz，载波频率位15kHz，实际脉冲删除时间10μs，死区延迟时间5μｓ。 l 载波频率设定字由载波频率得:
取2n+1=2则，n＝0。载波频设定字为000。反算载波频率:
l 调制波频率范围设定字由得:
取2m=2，则m＝1。调制波频率设定字为001。反算调制波频率:
所以寄存器R0的值为00100000，即20H。 l 脉冲延迟时间设定字由得:
所以寄存器R2中的值为21H。 l 最小删除脉宽设定字最小删除脉宽等于实际最小脉宽加上延迟时间，所以＝10＋5＝15μｓ由得:
所以寄存器R1中的值为25H。 l 波形选择字和AC设定选用高效波形，选择字为10，红相控制幅值AC＝0。所以寄存器R3中的值为02H。 l 看门狗设定不用看门狗，所以寄存器R4，R5的值均为00H。 (4)控制寄存器值的参数 由于控制寄存器中的参数，在整个运行过程中需实时变化以控制电机的运行，因此需要在运行过程中实时计算得到。
4.3 IPM20CSJ060智能功率模块 4.3.1 IPM20CSJ060的特性 l 集射极最大压降为600V,最大的集射极电流为20A,浪涌电流为40A,最高开关速度可达20kHz。 l 相互独立和隔离的门极驱动及保护逻辑。 l 内置IGBT的过流、短路、过温、欠压的检测、保护及保护信号的输出电路。
图4 PM20CSJ060的内部结构
图4即为PM20CSJ060的内部结构: 图4中各引脚介绍如下: VUPC，VVPC，VWPC:U,V,W相上桥臂驱动电源的接地端; UFO，VFO，WFU,V,W相上桥臂保护信号输出端; UP，VP，WP:U,V,W相上桥臂控制信号输入端; VUP1，VVP1，VWP1:U,V,W相上桥臂驱动电源正极的输入端; VNC:三相下桥臂公用驱动电源的接地端; VN1:三相下桥臂公用驱动电源正极的输入端; UN，VN，WN:U，V，W下桥臂控制信号输入端; F三相下桥臂公用保护信号输出端; P:电机主回路的直流电源正端; N:电机主回路的直流电源负端; U，V，W:U，V，W相输出端(接异步电机三相定子绕组)。
4.3.2.驱动要求 该模块要求U,V,W三相的上桥臂驱动电源必须由3个相互隔离的独立电源供电，U,V,W三相的下桥臂公用1个驱动电源。驱动电源均为+15V电源。直流母线电压即P,N间的电压推荐不高于450V。在25℃时，功耗不大于56W。工作环境温度范围为-20～+100℃。 由于变频器最终是用来控制高压信号以驱动电机的。因此其中的变频信号都要在主回路与控制回路加入隔离电路。主回路IPM器件一般加光电耦合器较为方便。高速IPM器件的光耦一般接成如图5所示。
图5 控制信号与IPM器件的接口
图5中对驱动隔离光耦本身有一定的要求,一般tplH,tＰＨＬ<0.8μs, CMMR>10kV/μs,同时应在IPM的控制电源上加一个10μF的低感高频退耦电容。而且图5中控制信号输入端的上拉电阻R应该足够小以避免高阻抗IPM输入端拾取噪声,又要足够大使得高速光耦在推荐的最大电压下仍能可靠的控制IPM。本设计中选择的驱动隔离光耦为HCPL4504是美国安捷伦公司专为IPM等功率器件设计的光电隔离接口芯片，其tＰＬＨ,tＰＨＬ<0.3μｓ，内部集成高灵敏度光传感器，极短的寄生延时为IPM应用中的高速开关的死区时间确保了安全，是功率器件接口的完美解决方案。 相对来说对故障输出光耦要求不是很严格，因此本设计中选择价格较低的PC817。 隔离电源是决定变频器可靠性的因素之一。由于变频器的原理决定了IPM器件需要多组互相隔离的控制电压,至少为四组。本设计中选择IPM专用电源DF003。它是600V耐压IPM的专用供电电源，具有耐压范围宽，保护全，输出电流强劲等优点。
4.4 系统保护电路 虽然在IPM模块中它已经设有过流、过热等保护，
但为了提高系统的可靠性及更好的保护IGBT管，仍需设置一套快速而准确的保护环节以防止各种故障，因此本设计中还设计的系统的过压，欠压保护，由于篇幅原因，在此就不给出了。
5 系统软件设计 软件设计是整个逆变控制的核心，它决定着变频器的输出特性，程序流程图如图6: 从程序流程图中可看出:单片机先将SA4828复位,在向其传送初始化参数和控制参数之后SA4828即可输出PWM波形,逆变器随后将处于工作状态,这时单片机应不断查询输出状态,以便随时调整PWM输出特性,以满足系统要求。
6 结束语 实际应用表明，使用SA4828和智能功率模块IPM设计变频调速装置，设计简化，运行可靠，功能完善，调试方便，在控制、保护方面具有较高的智能控制。 选用智能功率模块和SA4828波形发生器，减少了设计时间，简化了硬件电路，减少了安装和布线时间，减小了整个系统的体积，有利于提高系统的稳定性。
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