1  引言
    針對(duì)某大功率電機(jī)要求調(diào)制頻率較高、速度多級(jí)可調(diào)并且穩(wěn)定運(yùn)行條件下熱量產(chǎn)生要小的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套單片機(jī)控制的變頻調(diào)速方案。采用MIbbb公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型SPWM波形發(fā)生器SA4828，利用其SPWM輸出的高效型波形，不但可以使功率半導(dǎo)體開關(guān)器件大幅度降低開關(guān)損耗，而且還可以使用更少、更便宜的功率器件，減小散熱片的體積。此外，系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)，SA4828幾乎不占用CPU的運(yùn)算資源。因而，單片機(jī)有能力進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)、保護(hù)、控制、顯示等。系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，可靠性高。

2  硬件電路方案
    系統(tǒng)硬件電路由主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路以及鍵盤顯示電路組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1   系統(tǒng)框圖

2.1 主電路
系統(tǒng)主電路采用AC/DC/AC三相逆變橋結(jié)構(gòu)，橋臂上的變流元件由絕緣柵門極雙極性晶體管(IGBT)構(gòu)成，由電網(wǎng)引出的三相交流電經(jīng)過整流、濾波，變?yōu)榉€(wěn)定的直流電，直接供給逆變器。主開關(guān)器件選用日本三菱公司生產(chǎn)的CM400HA-24H IGBT(400A/1200V)模塊，并聯(lián)作為三相橋的一個(gè)臂，加上緩沖電路構(gòu)成本系統(tǒng)三相逆變器。
由于IGBT工作頻率較高,開關(guān)頻率高會(huì)增大開關(guān)損耗,并在IGBT的集電極產(chǎn)生浪涌電壓,造成器件過熱,甚至損壞。為避免這中情況的發(fā)生，需對(duì)IGBT增設(shè)緩沖吸收電路。常見用于橋式臂上的緩沖吸收電路如圖2所示。其中圖2(a)適用于50A以下的IGBT，圖2(b)適用于200A以下的IGBT，而圖2(c)則適用于200A以上大容量IGBT。經(jīng)初步考慮，可選擇如圖2(c)所示的RCD箝位式緩沖吸收電路，將IGBT的工作點(diǎn)限制在安全區(qū)內(nèi),防止IGBT過電壓、過電流,降低其開關(guān)損耗。
考慮到緩沖電路的吸收效果、Rs的耗散功率以及反饋能量, 在滿足一定條件的前提下,Rs取大為好,因?yàn)槠涔呐c阻值無關(guān)。如Rs過小,則吸收回路出現(xiàn)電流振蕩,IGBT導(dǎo)通時(shí)使集電極電流Ic尖峰值也增大。實(shí)際Rs值選取應(yīng)以試驗(yàn)為準(zhǔn)。

圖2   IGBT的緩沖電路

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VD的選擇對(duì)吸收也有明顯影響，應(yīng)選擇快速恢復(fù)二極管。同時(shí)吸收回路的引線電感對(duì)吸收影響很大,應(yīng)盡量縮短引線。其詳細(xì)資料見文獻(xiàn)[5]。
2.2 驅(qū)動(dòng)電路
    驅(qū)動(dòng)電路由日本富士公司生產(chǎn)的EXB841厚膜驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成。EXB841可直接驅(qū)動(dòng)300A/1200V的IGBT管。其輸入端接有高隔離電壓光電耦合器,使控制電路與驅(qū)動(dòng)電路隔離。由于EXB841直接驅(qū)動(dòng)400A/1200V的IGBT管驅(qū)動(dòng)能力不足，故通過外接功率晶體管，提高其驅(qū)動(dòng)能力，去驅(qū)動(dòng)本系統(tǒng)的IGBT模塊。EXB841不但具有隔離性能好，抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)還有過流檢測(cè)及保護(hù)電路等功能。一旦EXB841檢測(cè)到過流信號(hào)，則快速向SA4828發(fā)出保護(hù)高電平，封鎖各路IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)，高速切斷電路，關(guān)斷IGBT。
2.3  控制電路
    控制電路由AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)及少量的擴(kuò)展外圍芯片和SA4828三相PWM波形產(chǎn)生器構(gòu)成。
    工作開始時(shí)，單片機(jī)首先對(duì)SA4828進(jìn)行初始化，定義載波頻率，電源頻率范圍、死區(qū)、最小脈沖取消時(shí)間等參數(shù)。然后向SA4828的控制寄存器傳送電源的頻率控制字和幅度控制字等參數(shù)。正常工作時(shí)，根據(jù)需要對(duì)SA4828的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的反饋與實(shí)時(shí)控制。調(diào)壓時(shí)，用戶可通過控制面板調(diào)節(jié)電壓的給定值，來改變輸出電壓。調(diào)頻時(shí)，單片機(jī)根據(jù)用戶設(shè)定直接修改SA4828頻率控制寄存器的控制字，以改變電源輸出頻率。為保持磁通恒定, 輸出的交流電壓v與頻率f的比值應(yīng)保持常數(shù)，它們之間的關(guān)系可由v/f曲線來描述。用戶根據(jù)具體情況，可設(shè)置多根補(bǔ)償程度不同的v/f曲線。為使單片機(jī)運(yùn)行簡(jiǎn)化，可將曲線表示的函數(shù)關(guān)系制成表格預(yù)存于存儲(chǔ)器內(nèi)，再利用單片機(jī)特有的地址運(yùn)算方法逐一調(diào)出所需的電壓控制數(shù)據(jù)。
(1) SA4828 的簡(jiǎn)要介紹
SA4828是由英國(guó)Mibbb公司專門為電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)的三相SPWM波產(chǎn)生器，它是SA8282的增強(qiáng)型。
(2) SA4828的特點(diǎn)

圖3     PWM三種輸出波形

a) 具有全數(shù)字化操作，輸出波形精度高;工作頻率范圍寬，輸出電源頻率可達(dá)4kHz，頻率控制精度達(dá)16位。
b)采用諧波抑制技術(shù);提供軟件復(fù)位功能;內(nèi)置“看門狗”定時(shí)器以加強(qiáng)監(jiān)控,從而提高了可靠性。
c) 有3種可供選擇的輸出波形,如圖3所示。
d) 其工作參數(shù):載波頻率、電源頻率、輸出幅值、死區(qū)等都可以通過微處理器很方便地寫入，并且只需在改變工作方式時(shí)才刷新。

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(3) 采用SA4828時(shí)輸出的高效型波形
a) 可以降低功率器件的開關(guān)損耗，大大提高整機(jī)利用效率;
b) 可以大幅度減小電機(jī)發(fā)熱，這對(duì)于散熱不良的空間，減少熱量積聚極為有利;
c) 可以使用體積更小的散熱片，減小整個(gè)系統(tǒng)的體積。
以上幾種優(yōu)點(diǎn)也是現(xiàn)行大功率電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)有待改進(jìn)的地方之一。
此外，方案還考慮SA4828和單片機(jī)共用1個(gè)晶體振蕩器，增強(qiáng)其同步性能，減小漂移。由于時(shí)鐘輸入(CLK)采用CMOS輸入，負(fù)載電流非常小。因而考慮在SA4828的CLK輸入和晶體振蕩器信號(hào)之間加一級(jí)CMOS施密特緩沖電路，并且盡可能靠近晶體振蕩信號(hào)。
2.4 鍵盤及顯示電路
    鍵盤由AT89C51的P2口引出，由于穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)幾乎不用鍵盤，所以鍵盤連接采用中斷方式。顯示電路采用Motorola公司生產(chǎn)的5位7段LED譯碼/驅(qū)動(dòng)芯片MC14489，直接驅(qū)動(dòng)4位共陰極LED數(shù)碼管和5個(gè)LED指示燈。各種參數(shù)的設(shè)置，頻率、電流、電壓及故障代碼的顯示，都可通過鍵盤進(jìn)行操作，并由4位數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示出來。詳細(xì)資料參閱文獻(xiàn)[5]。
2.5 保護(hù)電路
    本系統(tǒng)保護(hù)功能包括直流過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、短路保護(hù)，過熱保護(hù)及交流過流保護(hù)。直流過壓、欠壓、過流保護(hù)信號(hào)經(jīng)比較器判斷，由快速光耦隔離后直接輸出;交流過流保護(hù)信號(hào)由霍爾傳感器取樣輸出電流得到;過熱保護(hù)信號(hào)由溫度傳感器獲取。限于篇幅問題，保護(hù)電路未給出。
另外，SA4828的SETTRIP端在緊急情況下可以越過單片機(jī)直接關(guān)斷輸出信號(hào)，為了排除任何可能疊加到該端的干擾源引起的誤動(dòng)作，應(yīng)考慮在該輸入端加一個(gè)合適的去耦電容。

3  SA4828編程計(jì)算
    設(shè)時(shí)鐘頻率12MHz，調(diào)制波頻率范圍0～400Hz，載波頻率12kHz，脈沖刪除時(shí)間10μs，延時(shí)時(shí)間5μs，采用高效型波形,使用紅相控制幅值，相序正轉(zhuǎn),"看門狗"喚醒時(shí)間為1s，輸出禁止無效，三相波形的幅值均為內(nèi)部ROM取樣值的80%。

4  系統(tǒng)軟件方案
    軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的一項(xiàng)核心工作，它決定逆變電源的輸出特性，如電壓、頻率范圍及穩(wěn)定度，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，保護(hù)功能的完善，工作可靠性等。系統(tǒng)軟件采用模塊化編程法。主程序如圖4所示。

圖4   主程序流程圖

主程序主要是完成系統(tǒng)初始化,顯示及故障判斷。鍵的操作執(zhí)行中斷方式,鍵盤中任一鍵被按下時(shí),都自動(dòng)進(jìn)入中斷服務(wù)程序,然后進(jìn)入相應(yīng)的子程序。

5  抗干擾措施
    對(duì)于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性至關(guān)重要，系統(tǒng)抗干擾措施是否得當(dāng)，有可能決定設(shè)計(jì)的成敗。本系統(tǒng)在硬件和軟件上均采用了較強(qiáng)的抗干擾措施。
5.1 硬件抗干擾措施
    采用隔離技術(shù)，更好的解決輸入和輸出帶來的干擾;選用高質(zhì)量的電源，切斷電源耦合產(chǎn)生的干擾;采用硬件看門狗電路，防止程序跑飛;合理制作印制電路板;合理配置去耦電容。
5.2 軟件抗干擾措施
    設(shè)計(jì)軟件陷阱，將控制失靈的程序盡快拉到正常運(yùn)行的軌道;采用指令冗余技術(shù)，減少程序跑飛的概率;設(shè)計(jì)多個(gè)軟件看門狗，用以監(jiān)視整個(gè)程序和重要模塊的運(yùn)行。

6  結(jié)束語(yǔ)
    本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)基本是以硬件為主,軟件為輔?？刂齐娐肥褂闷骷?，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;并且盡量采用功耗低,抗干擾能力強(qiáng)的器件,故該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng),適用于電磁干擾場(chǎng)合。同時(shí)在節(jié)能方面、在電機(jī)本體散熱不良的場(chǎng)合亦有著廣泛應(yīng)用。