专用脉宽调制集成电路实现高速电机变频调速

哈尔滨理工大学学报

JOURNALHARBINUNIV.SCI.&TECH.

Vol.2No.6

Dec.,1997

专用脉宽调制集成电路实现

高速电机变频调速

张春喜　　崔兴艳　　王福军　　袁敬安

(哈尔滨理工大学)　(哈尔滨电缆厂)　　　(哈尔滨理工大学)　　　　

摘　要　研制了一种由8098单片机和新型专用脉宽调制集成电路MA818组成的变频调速系统1该系统最大输出频率为2kHz,载波频率固定为15.6kHz,输出频率分辨率为12位1论述了系统的工作原理、控制方法及调试经验,给出了带载实验波形1

关键词　脉宽调制;单片机;变频调速分类号　TM921.510　引　言

正弦脉宽调制技术(SPWM)在变频调速系统中得到了广泛的应用,使得变频器具有优良的调压和调频性能1实现脉宽调制有三种方法,一种是由时序电路和逻辑电路构成三角波和正弦波发生器,并实现三角波和正弦波之间的调制,由得到的调制波去驱动开关元件;这种方法由于电路复杂,控制不灵活,因此只在单相电源电路中使用1第二种是用单片机软件算法实现脉宽调制输出;由于单片机有限的运算速度与生成SPWM信号实时性之间的矛盾,为了实现高精度的脉宽调制波形输出,其实际结构为CPU加DSP形式,因此需要较高级的开发工具来完成调试1第三种方法是由单片机与专用PWM集成电路相结合构成脉宽调制控制系统;PWM集成电路负责实时产生脉宽调制波,单片机负责命令控制和系统监测1这种方法控制较灵活,开发又比较容易1本文就是按第三种方法来实现高速电机的变频调速1

三相专用PWM集成电路有三种流行的芯片,分别是HEF4752(英国Mrllard公司研制),SLE4520(德国Siemens公司研制)和MA818(英国Marconi公司研制).其中MA818功能最强,使用最方便1HEF4752属于模拟控制,与单片机的接口较复杂,且其输出的调制频率最大为70Hz1SLE4520虽属于数字控制,输出调制频率能达到2600Hz,但每个调制脉冲的形成都需要单片

机参与,占用CPU时间较长,且输出波形为单边沿调制,谐波含量大1MA818则依靠与其相接的波形存储器,按照外部给定的输出频率和输出电压幅值的数字命令,自动循环产生三相脉宽调制驱动信号,稳定运行时不需要单片机参与1其输出的调制波频率最高可达4kHz.具有全数字操作、工作频率范围宽和工作方式灵活等特点1

1　系统组成

由单片机8098和脉宽调制集成电路MA818实现的变频调速系统框图如图1所示1主电路由三

收稿日期:1997-01-13

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相全波整流器、储能电容器、充电电阻和IGBT功率模块组成1控制电路由8098和MA818组成1接口电路有程序存储器、波形存储器、键盘显示器、驱动电路和保持电路1

图1　变频调速系统框图2　工作原理

2.1　MA818的控制方式MA818在工作之前,首先要由单片机向其两个24位寄存器输入命令字1这两个寄存器分别被

称为初始化寄存器和控制寄存器1由于MOTEL总线接口的数据宽度被在8位字长,因此数据被送到任一个24位寄存器之前,先要分3次送到3个暂存器R0,R1,R2中,然后通过向虚拟寄存器R3,R4中写指令实现数据从寄存器R0,R1,R2送到初始化寄存器或控制寄存器中1向R3送任意数的写指令将使数据从R0,R1,R2中传送到控制寄存器,而向R4送任意数的写指令将使数据从R0,R1,R2中传送到初始化寄存器1R0到R4这5个寄存器的地址由单片机接口地址总线的低3位和MA818的片选端CS共同决定1

初始化寄存器将确定如下参数:载波频率、最大输出频率、脉冲延迟时间和最小脉冲间隔,计算公式如下

(512×2p)Fc=K󰃗

Fr=Fc×2󰃗384

q

(512Fc)Tp=(-X)󰃗

Td=(128-

(1)

(512Fc)Y)󰃗

其中　Fc——载波频率　　　　　K——外部时钟频率　　　　　Fr——最大输出频率

　Tp——脉冲延迟时间　Td——最小脉冲删除间隔

　X——R2中低6位对应的值(0～)

～7)P——R1中的低3位对应的值(0～7)q——R1中的高3位对应的值(0～128)Y——R0中低7位对应的值(0

R0中剩下的最高位是软件复位CR,R1中剩下的中间两位和R2中剩下的最高两位未用1

控制寄存器确定如下参数:输出频率、输出幅值、过调制和正反转控制,计算公式如下:

Fp=FrZ󰃗4096A

p

=[(A󰃗255)+OM]×100%

(2)

其中　Fp——实际输出频率

　Ap——输出电压调制系数(百分比)　A——R2中的8位数(0～255)　OM——R1中次高位的值(0～1)

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　Z——R1中的低4位和R0中的8位组成的12位数(0～4096)

R1中还剩3位,最高位是正反转控制位F󰃗R,第3高位是输出禁止位INH,第4高位未用12.2　波形存储器

MA818采用SPWM的规则采样法产生实际的PWM输出脉冲1调制波形应预先存储在一片2K×8位的EPROM中,MA818靠11根地址线和4根数据线从EPROM中自动读取调制波10～180°正半周调制波形分成768个8位采样值存储,幅值范围为0～2551768个采样值从0～180°线性

增长,故角度分辨率大约为0123°1M18自动认为负半周与正半周是对称的1768个波形采样值应分成1546个4位值存储,其中低4位部分存储在0～300H单元,而高4位部分存储在400H～700H单元1MA818自动读取这两个部分,并在内部拼成一个8位值1

3　保护电路

为了保证变频系统中功率无件的安全,采取了如下几种保护:

1)触发过流保护　驱动电路EXB841能够通过外接的快速二极管检测IGBT的通态压降1如果通态压降过高,EXB841会对IGBT实行软关断,并送出低电平的保护状态指示1

2)过热保护　在IGBT的散热器上安装温度继电器,动作点选为80℃1

3)过载保护　由霍尔传感器检测直流回路电流,电流超过所设定额定值后开始积分,积分达到满程时产生过载保护信号输出1

4)过压保护　用电阻分压器对直流电压取样与设定值比较后输出过压动作信号15)欠压保护　由信号变压器对交流电压取样,与设定值比较后输出欠压动作信号1

上述所有保护动作信号都由锁存器锁存,合并后用来封锁MA818的输出1锁存器的状态由单片机查询,并显示保护类型1

4　几点经验

4.1　关于MA818的RST引脚

MA818的RST引脚虽称为复位端,但实际上MA818并不需要上电复位1RST引脚的作用是解

除由SETTRIP脚触发的输出封锁1虽然RST引脚的低电平也封锁MA818的输出,但其主要作用是与SETTRIP引脚构成保护与恢复的入口1系统中RST引脚由单片机的I󰃗O口控制1由于RST引脚的状态对初始化寄存器和控制寄存器没有任何影响,因此即使在RST引脚为低电平时,单片机照样可以操作或修改初始化寄存器和控制寄存器14.2　封锁MA818的其它方式

MA818的SETTRIP引脚和RST引脚是构成硬件封锁和解锁的手段1除此之外,还有两个软件

封锁手段:一是初始化寄存器中的软件复位CR位;二是控制寄存器中的输出禁止位INH位1二者的差别是INH只禁止脉冲输出,不停止脉冲的产生,而CR位则完全停止脉冲的产生1系统运行时应该将CR位和INH位置为1.由于掉电后,CR位和INH位都回到零状态,因此上电后在写入运行命令之前,CR和INH位的零状态可确保MA818不会出现随机输出14.3　关于脉冲延迟时间和最小脉冲删除问题

由SPWM的基本原理得知,同一相的上下两个桥臂的驱动波形是互为反向的1由于功率开关元件需要一定的关断时间,如果在上(下)桥臂没有完全关断时下(上)桥臂就开通,则会出现直通短路1因此,上下桥臂的驱动波形不允许为严格的反向关系,而是要使每个开关元件的开通沿向后延迟一段时间1MA818能自动实现对脉冲前沿的延迟,并且通过编程可修改延迟大小1对于IGBT来说,最小延迟时间应为2Λs1

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最小脉冲删除间隔的设置是考虑功率开关元件响应时间的作用1当脉冲过窄时,开关元件不能完全导通或完全关断,主电路也就不能输出满幅电压1但若删除这种脉冲,会使输出电压变化不均匀,特别是当最小脉冲删除间隔取较大值时,输出电压变化的不均匀性表现得更加明显1经验表明,在载波频率为1516kHz的条件下,如果选择最小脉冲删除间隔为16Λs,则当输出电压调制系数上长升到78%以后,输出电压出现跃变1若选择最小脉冲删除间隔为6Λs,则当输出电压调制系数上升到93%以后,输出电压出现跃变1通过示波器观察驱动波形,发现在输出电压跃变点处开始出现脉冲合

并,相当于出现过调制1这种脉冲合并正是由于删除了最小脉冲引起的1为保证输出电压调节的均匀性,应尽量减小最小脉冲删除间隔,甚至不删除1在高速电机变频调速系统中,电机的额定电压一般为220V,达不到输出电压跃变点,因而输出电压表现还是均匀的1这时最小脉冲删除间隔取为6Λs1

5　实验结果

采用上述设计方案,研制出一台基于专用PWM芯片的高频变频调速器1样机用于驱动高速磨床的电机主轴1考虑到开关损耗的影响,样机中采用的载波频率为1516kHz1运行表时,电机只有机械噪音,载波电磁噪音几乎听不到,实现了电机的静噪运行1当电机运行在1kHz时,载波比约为161由于载波频率恒定,因此当输出频率进一步降低时,载波比会变得更大1电压和电流波形具有较好的正弦性1图2示出了不同输出频率下的线电压和线电流波形1由于负载条件的1电流波形只做到1kHz1

从线电压的波形中看出,载波比随输出频率的减小而增大1从线电流的波形中看出,谐波频率与载波频率相同,低频输出时电流正弦性更好一些1

图2　不同输出频率下线电压和线电流波形

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6　结　论

　　由单片机加专用PWM集成电路MA818的变频器不必象由单片机加DSP组成的变频器那样需

要两套开发设备1由于MA818能输出较高的载波频率和调制频率,如果加上电压反馈,可实现标量控制,不过由于脉冲的生成方式固定,不能实时改变,因此该方案无法实现矢量控制1

参考文献

1　王　聪1新型的三相PWM集成电路MA818及其应用1电子技术应用,1993,(4):28～322　张宏宇1一种高速电机SPWM变频调速系统1哈尔滨电工学院学报,1994,17(1):23～29

3　李　宏1三相高频脉宽调制器SLE4520及在电力电子技术中的应用1电力电子技术,1992,(2):52～5　杨　耕1用于电动机控制的几种新型单片微处理器1电气传动11995,(1):46～49HighFrequencyConverterAccomplished

byUseofSpecialPWMIC

ZhangChunxi,CuiXingyan,WangFujun,YuanJing’an

Abstract　AVVVFsystemaccomplishedbyusingasingle-chipmicro-controller8098andnewspecialpurposePWMICMA818isproposed.Thehighestoutputfrequencyis2kHzandthe.Theresolutionoffrequencyis12bitsinwholescale.Theoperatingcarrierfrequencyis15.6kHz

principleandcontrolmethodareintroduced.Thevoltageandcurrentwaveformsondrivingahigh2speedmotoraregivenlastly.

Keywords　PWM;single-chipmicro-computer;VVVF

(审稿:徐松源教授,范　瑜教授;编辑:王剑波)