基于FPGA的交流異步電動機變頻調速系統

摘 要：隨著電力電子技術的發展，用交流異步電動機來調速的愿望已經實現。其中尤以變頻調速收到關注。設計引入先進的FPGA，作為其核心控制芯片。系統同時采用SPWM專用芯片SA4828。SA4828是大規模集成電路，專門用來產生三相SPWM波形。本文用FPGA控制SA4828產生三相SPWM波來控制逆變電路，從而實現對三相交流異步電動機的調速。

關鍵詞：FPGA SA4828波形發生器 三相交流異步電動機 變頻調速 SPWM

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（c）-0127-02

所謂變頻就是利用電力電子器件（如功率晶體管GTR、絕緣柵雙極型晶體管IGBT）將50 Hz的市電變換為用戶所要求的交流電或其他電源。它分為直接變頻（又稱交-交變頻）和間接變頻（又稱交-直-交變頻），后者又分為諧振變頻和方波變頻。方波變頻又分為等幅等寬和SPWM變頻。常用的方法有正弦波（調制波）與三角波（載波）比較的SPWM法、磁場跟蹤式SPWM法和等面積SPWM法等[3]。

本設計所設計的題目屬于間接變頻調速技術。它主要包括整流部分、逆變部分、控制部分及保護部分等。逆變環節為三相SPWM逆變方式。

1 系統簡介

1.1 交流異步電動機

三相異步電動機主要由定子和轉子兩大部分構成，定子是靜止不動的部分，轉子是旋轉部分，在定子與轉子之間有一定的氣隙，以保證轉子的自由轉動。異步電動機結構如圖1所示。

1.2 SPWM技術

SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）技術，即在PWM的基礎之上，改變調制脈沖的方式。脈沖寬度和時間占空比按正弦規率變化，這樣輸出波形經過適當的濾波就可以做到輸出正弦波。

產生SPWM信號的方法是用一組等腰三角波（稱為載波）與一個正弦波（稱為調制波）進行比較，如圖2所示，兩波形的交點作為逆變開關管的開通與關斷時刻。當調制波的幅值大于載波的幅值時，開關器件導通，當調制波的幅值小于載波的幅值時，開關器件關斷。

2 系統的硬件實現

基于FPGA的交流異步電動機的變頻調速系統，以FPGA為核心控制芯片，利用SA4828芯片產生SPWM波，再通過驅動電路驅動逆變開關。再加上外圍電路，保護電路等，構成整個完整系統。

本設計為交流異步電動機的變頻調速，主要涉及主電路和控制電路兩大部分（如圖3）。

系統各組成部分簡介。

供電電源：電源部分因變頻器輸出功率的大小不同而異，小功率的多用單相220 V，中大功率的采用三相380 V電源。

整流電路：整流部分將交流電變為脈動的直流電，必須加以濾波。此處采用三相不可控整流，用不可控的二極管組成三相橋式整流電路。它可以使電網的功率因數接近1。

濾波電路：此處采用電壓型變頻器，所以采用電容濾波，中間的電容除了起濾波作用外，還在整流電路與逆變電路間起到去耦作用，消除干擾。

逆變電路：逆變部分將直流電逆變成我們需要的交流電。在設計中采用三相橋式逆變，開關器件選用全控型開關管IGBT。

以上四個部分組成主電路，其余部分為控制電路。

電流電壓檢測：一般在中間直流端采集信號，作為過壓，欠壓，過流保護信號。

控制電路：采用FPGA和SPWM波生成芯片SA4828，FPGA芯片選ALTER公司Cyclone Ⅱ系列芯片。控制電路的主要功能是接受各種設定信息和指令，根據這些指令和設定信息形成驅動逆變器工作的信號。這些信號經過光電隔離后去驅動開關管的關斷。從而得到與信號電路對稱的SPWM波。

此處選用電動機原始參數如下：

額定功率PN：7.5 kW；

額定電壓UN：380 V；

額定電流IN：15.6 A；

效率：86%；

功率因數：0.85；

過載系數：=2.2；

極對數：p=2。

3 系統軟件實現的實驗結果

電壓頻率曲線可以分為兩段，在額定電壓一下，電壓頻率成正比。當電壓上升到額定頻率后，不在上升。

對于恒負載時，由前面章節分析可知，電動機的轉速會與其電源頻率成正比。轉速與頻率的關系曲線如圖4所示。

4 結論

本文采用FPGA控制三相PWM波專用芯片SA4828。具有電源頻率可調，刪除窄脈沖，響應速度快，可現場編程等特點。最終驗證了系統的可行性和有效性。系統中還有過流保護和過壓保護等。還可以通過FPGA監視系統的其他故障，SA4828芯片還提供在緊急情況下急停的功能。在這種內部控制保護與外圍電路保護相結合的方式，保證了電機的安全運行。

但系統也存在許多不足之處，如控制方案的實現不夠精確，FPGA芯片選擇上不夠經濟，檢測保護電路不夠完善，這些問題有待進一步研究解決。

參考文獻

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