单片机控制的PWM变频调速系统优化方案

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：控制电路采用脉宽调制技术和单片微机控制技术，大规模集成电路SPWM芯片内由硬件产生按正弦分布的PWM脉冲，改变输入脉冲的频率即可有效控制逆变器输出交流电压的频率和有效值。频率控制时钟FCT控制逆变器的输出频率fout，从而控制电动机转速，其关系为fFCT=3360fout。电压控制时钟VCT控制逆变器的输出电压的大小，对于给定的输出频率，输出电压Vout由fVCT决定，当频率比fFCT/fVCT≤0.5时，u1/f1将自动维持不变，满足异步电动机变频调速恒压频比控制要求。

1.变频调速系统组成

变频调速系统主电路采用交-直-交电压型大功率全控型电力电子器件绝缘门极双极性晶体管（IGBT）桥式逆变电路，如图8-19所示。

控制电路采用脉宽调制（PWM）技术和单片微机控制技术，大规模集成电路SPWM芯片内由硬件产生按正弦分布的PWM脉冲，改变输入脉冲的频率即可有效控制逆变器输出交流电压的频率和有效值。SPWM芯片集成度高、功能全、可靠性高，其性能优于使用计算机查表法或实时计算法。采用的单片机为准16位机，由于采用8位总线结构，对外围电路要求低。单片机有232个可作累加器的片内寄存器、硬件乘法器和除法器，4路带采样保持的10位A/D通道和1路D/A通道，2个16位的硬件定时器和4个16位的软件定时器，可编程的8级优先权中断系统，8位高速输入输出口（I/O）和全双工串行口及8位、16位和32位内容丰富的指令系统。由于片内集中了一般控制所需基本电路，在相同功能要求下，可使外围电路减少。单片机芯片的16位运算指令既加快了运算速度，又提高了运算的精度，其8级优先权中断结构以及丰富的指令使软件编程较为容易，因而该单片机适用于变频调速的实时控制系统，整个系统结构框图如图8-20所示。

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图8-19　交-直-交变频调速系统主电路

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图8-20　单片机控制系统结构框图

2.系统主电路

系统主电路中三相交流电源经全波整流（UR）、滤波，为逆变器（UI）提供一个稳定、可靠的大容量直流电源，然后由IGBT按脉宽调制方式，将直流电逆变成可变频率和电压的交流电，供电动机变速用。由于IGBT集GTR和MOSFET的优点于一体，可用电平信号直接驱动控制，并具有输入阻抗高、开关速度快、损耗小、极限工作温度高、电流容量大、耐压等级高、工作稳定性强、噪声低等特点，正日益广泛应用于变频电源、斩波器及交、直流调速系统中。IGBT模块主要参数要求如下。

（1）额定电压Vce。

在感性负载下，器件高速通断时将在电路中产生尖峰电压L d i/d t，该电压可达数倍的额定值，会造成电压击穿损坏，因而在大电感负载下，不宜使器件开关速度过快，且应配吸收电路，通常在选用额定值时要有数倍安全裕量，一般取2到3倍。

（2）额定电流Ic。

器件标定的额定电流是在模块壳温度为25℃、结温为150℃时的设定值。在实际环境温度升高时，允许通过模块的直流电流ID=kT·Ic，kT为温度变化修正系数，可参查曲线球求得。同时模块应配散热器，以保持温度的稳定。

（3）散热器的热阻Rs。

功率器件是一种受热限制器件，必须安装在散热器上工作。散热器的设计依据是：在一定温度下，耗散功率使模块结温Tj小于其允许值Tjm。散热器热阻Rs=RJA-（RJC+RCS），通常对一确定器件而言，壳内热阻RJC、壳到散热器的热阻RCS是固定的，因而对于给定的结温升，可求得热阻Rs，作为选择散热器的依据。

3.脉宽调制电路

现代交流调速系统中，已广泛采用脉宽调制技术，如HEF4752为专用SPWM大规模集成电路芯片，该芯片有7个控制输入端、4个时钟输出端（FCT、VCT、RCT和OCT）、12个逆变输出端和3个控制输出端。

频率控制时钟FCT控制逆变器的输出频率fout，从而控制电动机转速，其关系为fFCT=3360fout。

电压控制时钟VCT控制逆变器的输出电压的大小，对于给定的输出频率，输出电压Vout由fVCT决定，当频率比fFCT/fVCT≤0.5时，u1/f1将自动维持不变，满足异步电动机变频调速恒压频比控制要求。

频率基准时钟RCT主要用于控制逆变器功率器件的最高开关频率fs（max），其关系为fRCT=280fs（max），只要确定fRCT就可以控制fs（max），同时由内部电路确定fs=0.6fs（max）。为获取良好的输出波形，减少电动机损耗，内部器件自动将PWM信号的开关频率设置为输出频率的整数倍，即fs=N·fout，N为分频数。

输出延迟时钟OCT用于防止逆变器上下两功率元件同时导通，控制互锁推迟间隔时间Δt，Δt=8/fOCT或16/fOCT，选择取决于K的逻辑电平，通常为简化电路，取fOCT=fRCT。

4.门极驱动电路

驱动电路性能不良会直接造成IGBT的损坏，为抑制由输入电容耦合产生的噪声信号的影响，进一步提高IGBT关断性能，可采用正负电极驱动。

门极驱动电路参数的变化会引起IGBT各种特性的变化，门极正偏压的变化对IGBT的开通特性、负载短路能力和d VCE/d t电流有较大影响；而门极负偏压则对关断特性影响较小。驱动电路选择时应注意误触发问题，同时为提高门极抗干扰能力，采用光电耦合器件使信号电路与驱动电路隔离。

门极驱动正偏压VGE高使开通速度快、损耗小，但VGE高，负载短路时流过器件的电流IO也大，同时门极驱动电流IG也增大，实际应用时要折中考虑，不能超过20 V。门极所加反向负偏压VGE有利于快速关断，但反向电压不能超过门极最大耐压（击穿电压），一般取-2 V至-10 V为宜。

5.保护电路

1）过压保护

主电路中存在着电感，当IGBT在高速开关状态工作时，将在电路中产生过电压，危及元件的安全，为此主电路中应尽量减少杂散电感，同时在主电路中应设置吸收电路来抑制过电压的产生。

2）过流保护

IGBT的误开通、主电路短路、电动机过载均会产生过电流，甚至引起IGBT损坏，为有效快速切除过电流，要求电流检测信号快速传递到驱动单元，立即切断IGBT。电路设置直流侧电流采样，模拟信号经A/D转换后，送至SPWM芯片L端，使系统停止工作，从而切除过电流。

6.应用说明

交流变频调速主电路分为直接变频（交-交变频）和间接变频（交-直-交变频），直接变频电路结构相对简单，但是频率调节范围小，应用有局限性。间接变频中间增加了一个直流环节，电路结构相对复杂，由于直流逆变成交流的频率由器件的控制电路决定，因此频率调节范围大。

交流变频调速因具有调速范围广、稳定性好、效率高等特点，日益广泛地应用于现代制造、交通、物流、建筑、新能源及家用电器中。

单片机控制的PWM变频调速系统优化方案

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