單片機的電機變頻調速系統設計

仲崇健

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

?

單片機的電機變頻調速系統設計

仲崇健

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

摘要介紹了一種利用專用集成電路SA4828 設計電機變頻調速的方法。系統主要包括主電路與控制電路，主電路采用IPM智能功率模塊作為電機的控制，所設計的系統實現了變頻調速的全數字化控制，實時性好、可靠性高。

關鍵詞單片機；SA4828；變頻調速；SPWM

0引言

隨著電力電子技術，計算機技術的不斷發展和電力電子器件的更新換代，變頻調速技術得到了飛速的發展。許多傳統的由直流電機調速系統拖動的工業設備改由交流變額調速系統拖動，從而提高了系統的可靠性，減少了系統的維護費用。隨著變頻調速應用的日益廣泛，相關技術的日益成熟，人們不僅對變頻調速系統的精度要求越來越高，而且對控制的功能、系統的智能化、系統抗擾能力的要求越來越高，以滿足生產的需求并適應不同的工作環境。隨著微電子技術的發展，數字式控制處理芯片的運算能力和可靠性得到很大提高，這使得全數字化控制系統取代以前的模擬器件控制系統成為可能。

1電機變頻調速系統

1.1變頻調速原理

變頻調速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉速的調速方法。變頻可以調速這個概念，可以說是交流電動機“與生俱來”的。不但同步電動機，即使是異步電動機，其轉速都是取決于同步轉速(即旋轉磁場的轉速)。電機調速時，通常要考慮的一個重要因素：希望保持電機中每極磁通量為額定值，并保持不變。如果磁通太弱，即電機出現欠勵磁，將會影響電機的輸出轉矩。由于電動機設計時，電動機的磁通常處于接近飽和值，如果進一步增大磁通，將使電動機鐵心出現飽和，從而導致電動機中流過很大的勵磁電流，增加電動機的銅損耗和鐵損耗，嚴重時會因繞組過熱而損壞電動機。因此，在改變電動機頻率時，應對電動機的電壓進行協調控制，以維持電動機磁通的恒定。

1.2單片機控制的變頻調速系統

該硬件系統主要包括主電路與控制電路兩個部分，其中主電路包括交-直-交變頻電路(本設計采用IPM集成模塊)與電動機；控制電路包括89C51主控制模塊、SA4825產生SPWM波模塊、驅動模塊以及外圍設備模塊(如鍵盤輸入、液晶顯示、A/D模數轉換以及串口等)。以CPU為核心，配以鍵盤、顯示、通訊等設備，完成對交流電動機的速度控制。這里選用了ATMEL公司的89C51單片機，它與Intel51系列單片機完全兼容。其內部配置了8kB的FlashMemory，無須擴展外部存貯器。同時這種8位單片機的總線結構與SA4828完全兼容，可以直接相連。給定轉速n0可以用三種方式設定：鍵盤、電位器和上位機。用8位LED分別顯示給定轉速n0和實際轉速n，一目了然。系統對電動機運行狀態的數據監測、調速效果、動態響應的跟蹤情況都可以傳送到上位機，以表格或曲線的形式輸出，以便于觀察分析。

2系統主要模塊設計

2.1IPM模塊

IPM(IntelligentPowerModule)，即智能功率模塊，不僅把功率開關器件和驅動電路集成在一起。而且還內藏有過電壓，過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送到CPU。它由高速低功耗的管芯和優化的門極驅動電路以及快速保護電路構成。即使發生負載事故或使用不當，也可以保證IPM自身不受損壞。IPM一般使用IGBT作為功率開關元件，內藏電流傳感器及驅動電路的集成結構。IPM以其高可靠性，使用方便贏得越來越大的市場，尤其適合于驅動電機的變頻器和各種逆變電源，是變頻調速、冶金機械、電力牽引、伺服驅動、變頻家電的一種非常理想的電力電子器件,其內部結構見圖1。

IPM由高速、低功率的IGBT芯片和優選的門級驅動及保護電路構成，其中，IGBT是GTR和MOSFET的復合，由MOSFET驅動GTR，因而IGBT具有兩者的優點。IPM根據內部功率電路配置的不同可分為四類：H型(內部封裝一個IGBT)、D型(內部封裝兩個IGBT)、C型(內部封裝六個IGBT)和R型(內部封裝七個IGBT)。小功率的IPM使用多層環氧絕緣系統，中大功率的IPM使用陶瓷絕緣。

2.2IPM內部功能機制

IPM內置的驅動和保護電路使系統硬件電路簡單、可靠，縮短了系統開發時間，也提高了故障下的自保護能力。與普通的IGBT模塊相比，PM在系統性能及可靠性方面都有進一步的提高。保護電路可以實現控制電壓欠壓保護、過熱保護、過流保護和短路保護。

2.3IPM驅動電路的設計

驅動電路是IPM主電路和控制電路之間的接口，良好的驅動電路設計對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要意義。IGBT的驅動設計問題亦即MOSFET的驅動設計問題，設計時應注意IGBT柵極耐壓一般在±20V左右，因此驅動電路輸出端要給柵極加電壓保護，通常的做法是在柵極并聯穩壓二極管或者電阻。前者的缺陷是將增加等效輸入電容Cin，從而影響開關速度，后者的缺陷是將減小輸入阻抗，增大驅動電流，使用時應根據需要取舍。為可靠關閉IGBT， 防止擎住現象，要給柵極加一負偏壓，因此最好采用雙電源供電。

2.4IGBT集成式驅動電路

IGBT的分立式驅動電路中分立元件多，結構復雜，保護功能比較完善的分立電路就更加復雜，可靠性和性能都比較差，因此實際應用中大多數采用集成式驅動電路。日本富士公司的EXB系列集成電路、法國湯姆森公司的UA4002集成電路等應用都很廣泛。

2.5IPM驅動電路設計

現以PM100DSA120為例進行介紹。PM100DSA120是一種D型的IPM，內部封裝了兩個IGBT，工作在1200V/100A以下，功率器件的開關頻率最大為20kHz。由于IPM內置了驅動電路，與IGBT驅動電路設計相比，外圍驅動電路的設計比較方便，只要能提供15V直流電壓即可。Rl根據控制電路的輸出電流選取，如用MCU產生PWM，則R1的阻值可為330Ω。

2.6IPM的選用

IPM在選用時，首先是根據變頻裝置的容量與供電電源容量，確定其額定值和最大值，然后選擇具體型號。選型時根據IPM的過流動作數值以確定峰值電流及適當的熱設計，以保證結溫峰值永遠小于最大結溫額定值，使基板的溫度永遠低于過熱動作數值。

2.7驅動模塊

SA4828輸出的6路控制信號是TTL電平的，它們不能直接驅動IPM中的6個IGBT。原因有兩個：(1)IGBT需要的開關信號幅值約為±10V，TTL電平不能勝任；(2)逆變橋中三個下橋臂是共地的，而三個上橋臂是懸浮的，SA4828輸出的6路信號均是共地的，必須加以隔離。因此驅動電路的任務有兩個：電平轉換和隔離。IGBT一般用集成電路芯片來驅動，常用電路有EXB840、841、850、851系列、M5796系列等。為了驅動主電路逆變橋的三個上橋臂的IGBT，必須給每一路提供一個隔離的25V電源而三個下橋臂可以共用一個電源。此外，SA4828及單片機系統還需要+5V電源以及異步通訊所需的±12V電源，一共需要7路電源，如圖2所示。

該電源可以采用線性電源，也可采用開關電源。前者體積大，笨重，但電路簡單，各路電源完全獨立，調試容易。后者則輕便、小巧，電路相對較復雜。

3結語

軟件設計是整個逆變控制的核心，它決定著逆變器的輸出特性。本文的主要創新點在于:利用單片微機和集成芯片配合產生SPWM波形控制逆變開關的通斷，控制算法容易編程實現，實現了全數字化控制，結構簡單，與采用模擬器件相比，減少了生產成本，性能良好；具有易于改變控制算法、程序易于移植、控制精度高、可靠性好等優點，采用變頻技術后，可以節省大量的能源，有良好的經濟價值和環保效果。這種系統在電力電子設備與人們生活日益密切的今天有著廣泛的應用。

參考文獻

[1]王曉明.電動機的單片機控制.北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[2]張立科.單片機典型模塊設計實例導航. 北京：人民郵電出版社，2004.

[3]徐志躍．基于SA4828的變頻器設計[J]．電氣傳動，2006.

[4]王仁祥.通用變頻器選型與維修技術.北京：中國電力出版社，2004.

DesignandAnalysisonMotorVariable-Frequency

Adjustable-SpeedSystemofSingleChipComputer

Zhong Chongjian

(JiamusiElectricMachineCo.,Ltd.,Jiamusi154002,China)

AbstractThis paper introduces a design method for motor variable-frequency adjustable-speed system by specific integrated circuit SA4828. The system mainly includes main circuit and control circuit, the main circuit uses smart power module IPM as the control of motor. The designed system has achieved all-digital control of variable-frequency adjustable-speed and has the advantages of good real-time performance and high reliability.

Key wordsSingle chip computer；SA4828；variable-frequency adjustable-speed；SPWM

收稿日期：2015-9-27

作者簡介：仲崇健男1983年生；畢業于哈爾濱理工大學電氣工程及其自動化，現從事電機設計工作.

中圖分類號：TM301.2

文獻標識碼：A

文章編號：1008-7281(2016)01-0035-003

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.01.10