一款低成本小功率變頻器的設計

蘇家偉

（中山市技師學院，廣東中山 528400）

0 前言

中山市是我國乃至全球的游戲游藝研發、生產和銷售的重要基地。本人曾任職的某游藝機公司三人轉馬系列產品是傳統暢銷產品，也是游戲游藝行業的傳統暢銷產品，這種產品主要是面向兒童游玩者，為了提高游玩者的乘坐舒適性和安全性，通常做法是使用一臺通用的變頻器作啟動、運行和停止的動作?，F在行業內通常的做法是直接購買一臺變頻器，價格在500元到1 000元左右。隨著競爭加劇，公司在開發和生產產品中想方設法降低成本，提高競爭力。基于以上情況，筆者設計開發了一款低成本小功率變頻器專門用于三人轉馬系列產品，成本控制在200元/臺左右，按某公司一年銷售500臺三人轉馬估計，直接經濟效益就達到15萬到40萬，如果面向全行業推廣效益非常明顯。

1 設計過程

三人轉馬系列產品應用變頻器的目的是讓產品由靜止狀態到運行狀態有一個緩慢提速的過程，勻速工作運行3～5分鐘后再由運行狀態到靜止狀態有一個緩慢減速過程。一般加減速時間的設定是由0～50 Hz 5秒，由50～0 Hz也是5秒。變頻器的主要要求：輸入電壓單相交流220 V，輸出電壓三相220 V，功率400 W，變頻調速采用VVVF方式，變頻器的運行和停止受三人轉馬的控制盒控制，變頻器的參數設定就只需設定加減速時間，運行頻率，變頻器其他功能基本不用。并且注意到許多生產工人和游樂園維修人員對變頻器參數的設定覺得有困難。綜合以上信息，結合行業的實際，在開發上思路上，主要是低成本，能滿足三人轉馬系列產品應用變頻器所用功能和性能要求就足夠了，并簡化變頻器參數的設定方法方便生產工人和維修人員，最后就是開發周期短，方便生產。

綜合各方面因素，筆者選用Freescale公司三相交流電機控制芯片MC3PHAC。該芯片最顯著的特點是將最新的PWM生成和控制技術集成在一塊DSP中，用戶不用關心這方面的細節，雖然無需編程但保留了設備的靈活性，用戶可以通過串行口將參數傳給MC3PHAC。完全滿足我的要求。考慮到方便生產提高可靠性不采用分立驅動元件，選用三菱公司的PS21564驅動模塊。選用常用的單片機STC89C52作為MC3PHAC的主機，單片機同時擔當用戶界面接口芯片。

圖1 原理圖

2 實施方案

總體方案如原理圖1所示，由于本文篇幅所限，原理圖1省略了RUN、STOP、MODE、UP、DOWN、SET 6個按鈕；RUN、STOP、FWD、REV 4個指示燈；4個數碼管；控制變頻器運行、停止的輸入回路端子；用于斷電記憶設定參數的93C46芯片等電路。MC3PHAC有兩種運行模式，第一種孤立模式，第二種模式PC主控軟件模式，由于第二種模式可以將芯片的性能發揮最佳，本方案選用第二種模式，通過單片機STC89C52實現對MC3PHAC參數寫入和讀出。MC3PHAC的參數和功能設置非常豐富完全可以同市售專業變頻器的參數相媲美，但針對本項目我只選取了有用，夠用的參數，簡化了程式設計，縮短了開發周期，在參數設定方法上也大大簡化，讓生產工人和游樂園維修人員也容易上手設定參數。

由于MC3PHAC采用了多種優化技術[6]，在三相波形產生器里面產生可變頻變壓的六路輸出，而且為了提高直流電壓利用率，在基頻中注入了一個三次諧波，可使最大輸出提高15%的幅度。實際應用表明低速力矩提升明顯，可以同市售臺達變頻器的參數相媲美，比售價500～600元/臺的變頻器低速力矩高出許多。

三菱公司的PS21564驅動模塊[8]采用三菱第五代IG?BT，死區時間達到了2μs，可有效提升輸出力矩；載波頻率最大可以是20 kHz，讓變頻器運行噪聲減??；可以單電源驅動；內置專用HVIC，無需絕緣電路，可從MC3PHAC直接接收控制信號；三人轉馬的電機功率是370 W，筆者選PS21564驅動模塊功率為750 W，讓變頻器有足夠的功率剩余，進一步提高變頻器的可靠性。

單片機選用STC89C52RC主要是價格合適，IO口驅動能力強，穩定性好，開發工具便宜，編寫程序方便。

這款低成本小功率變頻器的工作原理：單片機STC89C52RC通過串口（RXD、TXD）和MC3PHAC串口（RXD、TXD）實現參數的寫入和讀出，數據格式要符合相應協議。單片機負責接收用戶的設定信息，并將這些信息轉為相應的數據格式發給MC3PHAC，比如啟動變頻器、設定加減速時間等等；同時如果有需要也可以從MC3PHAC讀入想要了解的信息，比如變頻器當前運行的頻率等。MC3PHAC會根據單片機發給的指令或信息執行相應的動作。只需設好參數發給MC3PHAC，MC3PHAC內部的DSP已經有編好的程序產生先進的6路PWM信號，這6路信號直接連到PS21564的輸入端，經PS21564的驅動放大就可以直接驅動電機運轉了。由于篇幅所限單片機上的程序就不提供了。

圖2 萬用板制作完成的樣板

3 結束語

制作完成的樣板如圖2，在實際的樣板電路開發中，加入了過熱保護電路，防止開機電壓浪涌電路，故障停機延時自動復位等功能，制作完成的三塊樣板裝在不同的三臺三人轉馬上滿負荷反復對比測試，都能滿足各項要求，最終成本、性能都達到了當初的設計要求。這款低成本變頻器設計取得了初步的成功。經過進一步完善電路，和產品工藝化等工作后，進行了小批量試產，試投入運營，初步運營結果顯示該變頻器性能穩定、降低了產品成本，提高了產品的競爭力，取得了較好的經濟效益。

［1］郭志勇.單片機應用技術項目教程［M］.北京：中國水利水電出版社，2011.

［2］周航慈.單片機應用程序設計技術［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2002.

［3］馬忠梅.單片機的C語言應用程序設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008.

［4］葛中海.ProtelDxp2004簡明教程與考證指南［M］.北京：電子工業出版社，2012.

［5］宋峰青.變頻技術［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2013.

［6］郭軍朝，王森.三相交流電機控制芯片MC3PHAC及應用［J］.電子技術，2004（1）：40-42.

［7］Motorola.3-phase AC Motor Controller［EB/OL］.http：//www.motorola.com，Mototola Inc，2002-04-01.

［8］ 三 菱電機.DIP-IPM應用技 術資料 ［Z］.2003-09-16.