单片机的电机变频调速系统设计
2016-02-26仲崇健
仲崇健
(佳木斯电机股份有限公司,黑龙江佳木斯154002)
单片机的电机变频调速系统设计
仲崇健
(佳木斯电机股份有限公司,黑龙江佳木斯154002)
摘要介绍了一种利用专用集成电路SA4828 设计电机变频调速的方法。系统主要包括主电路与控制电路,主电路采用IPM智能功率模块作为电机的控制,所设计的系统实现了变频调速的全数字化控制,实时性好、可靠性高。
关键词单片机;SA4828;变频调速;SPWM
0引言
随着电力电子技术,计算机技术的不断发展和电力电子器件的更新换代,变频调速技术得到了飞速的发展。许多传统的由直流电机调速系统拖动的工业设备改由交流变额调速系统拖动,从而提高了系统的可靠性,减少了系统的维护费用。随着变频调速应用的日益广泛,相关技术的日益成熟,人们不仅对变频调速系统的精度要求越来越高,而且对控制的功能、系统的智能化、系统抗扰能力的要求越来越高,以满足生产的需求并适应不同的工作环境。随着微电子技术的发展,数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高,这使得全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。
1电机变频调速系统
1.1变频调速原理
变频调速是改变电动机定子电源的频率,从而改变其同步转速的调速方法。变频可以调速这个概念,可以说是交流电动机“与生俱来”的。不但同步电动机,即使是异步电动机,其转速都是取决于同步转速(即旋转磁场的转速)。电机调速时,通常要考虑的一个重要因素:希望保持电机中每极磁通量为额定值,并保持不变。如果磁通太弱,即电机出现欠励磁,将会影响电机的输出转矩。由于电动机设计时,电动机的磁通常处于接近饱和值,如果进一步增大磁通,将使电动机铁心出现饱和,从而导致电动机中流过很大的励磁电流,增加电动机的铜损耗和铁损耗,严重时会因绕组过热而损坏电动机。因此,在改变电动机频率时,应对电动机的电压进行协调控制,以维持电动机磁通的恒定。
1.2单片机控制的变频调速系统
该硬件系统主要包括主电路与控制电路两个部分,其中主电路包括交-直-交变频电路(本设计采用IPM集成模块)与电动机;控制电路包括89C51主控制模块、SA4825产生SPWM波模块、驱动模块以及外围设备模块(如键盘输入、液晶显示、A/D模数转换以及串口等)。以CPU为核心,配以键盘、显示、通讯等设备,完成对交流电动机的速度控制。这里选用了ATMEL公司的89C51单片机,它与Intel51系列单片机完全兼容。其内部配置了8kB的FlashMemory,无须扩展外部存贮器。同时这种8位单片机的总线结构与SA4828完全兼容,可以直接相连。给定转速n0可以用三种方式设定:键盘、电位器和上位机。用8位LED分别显示给定转速n0和实际转速n,一目了然。系统对电动机运行状态的数据监测、调速效果、动态响应的跟踪情况都可以传送到上位机,以表格或曲线的形式输出,以便于观察分析。
2系统主要模块设计
2.1IPM模块
IPM(IntelligentPowerModule),即智能功率模块,不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起。而且还内藏有过电压,过电流和过热等故障检测电路,并可将检测信号送到CPU。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当,也可以保证IPM自身不受损坏。IPM一般使用IGBT作为功率开关元件,内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。IPM以其高可靠性,使用方便赢得越来越大的市场,尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源,是变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服驱动、变频家电的一种非常理想的电力电子器件,其内部结构见图1。
IPM由高速、低功率的IGBT芯片和优选的门级驱动及保护电路构成,其中,IGBT是GTR和MOSFET的复合,由MOSFET驱动GTR,因而IGBT具有两者的优点。IPM根据内部功率电路配置的不同可分为四类:H型(内部封装一个IGBT)、D型(内部封装两个IGBT)、C型(内部封装六个IGBT)和R型(内部封装七个IGBT)。小功率的IPM使用多层环氧绝缘系统,中大功率的IPM使用陶瓷绝缘。
2.2IPM内部功能机制
IPM内置的驱动和保护电路使系统硬件电路简单、可靠,缩短了系统开发时间,也提高了故障下的自保护能力。与普通的IGBT模块相比,PM在系统性能及可靠性方面都有进一步的提高。保护电路可以实现控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护。
2.3IPM驱动电路的设计
驱动电路是IPM主电路和控制电路之间的接口,良好的驱动电路设计对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。IGBT的驱动设计问题亦即MOSFET的驱动设计问题,设计时应注意IGBT栅极耐压一般在±20V左右,因此驱动电路输出端要给栅极加电压保护,通常的做法是在栅极并联稳压二极管或者电阻。前者的缺陷是将增加等效输入电容Cin,从而影响开关速度,后者的缺陷是将减小输入阻抗,增大驱动电流,使用时应根据需要取舍。为可靠关闭IGBT, 防止擎住现象,要给栅极加一负偏压,因此最好采用双电源供电。
2.4IGBT集成式驱动电路
IGBT的分立式驱动电路中分立元件多,结构复杂,保护功能比较完善的分立电路就更加复杂,可靠性和性能都比较差,因此实际应用中大多数采用集成式驱动电路。日本富士公司的EXB系列集成电路、法国汤姆森公司的UA4002集成电路等应用都很广泛。
2.5IPM驱动电路设计
现以PM100DSA120为例进行介绍。PM100DSA120是一种D型的IPM,内部封装了两个IGBT,工作在1200V/100A以下,功率器件的开关频率最大为20kHz。由于IPM内置了驱动电路,与IGBT驱动电路设计相比,外围驱动电路的设计比较方便,只要能提供15V直流电压即可。Rl根据控制电路的输出电流选取,如用MCU产生PWM,则R1的阻值可为330Ω。
2.6IPM的选用
IPM在选用时,首先是根据变频装置的容量与供电电源容量,确定其额定值和最大值,然后选择具体型号。选型时根据IPM的过流动作数值以确定峰值电流及适当的热设计,以保证结温峰值永远小于最大结温额定值,使基板的温度永远低于过热动作数值。
2.7驱动模块
SA4828输出的6路控制信号是TTL电平的,它们不能直接驱动IPM中的6个IGBT。原因有两个:(1)IGBT需要的开关信号幅值约为±10V,TTL电平不能胜任;(2)逆变桥中三个下桥臂是共地的,而三个上桥臂是悬浮的,SA4828输出的6路信号均是共地的,必须加以隔离。因此驱动电路的任务有两个:电平转换和隔离。IGBT一般用集成电路芯片来驱动,常用电路有EXB840、841、850、851系列、M5796系列等。为了驱动主电路逆变桥的三个上桥臂的IGBT,必须给每一路提供一个隔离的25V电源而三个下桥臂可以共用一个电源。此外,SA4828及单片机系统还需要+5V电源以及异步通讯所需的±12V电源,一共需要7路电源,如图2所示。
该电源可以采用线性电源,也可采用开关电源。前者体积大,笨重,但电路简单,各路电源完全独立,调试容易。后者则轻便、小巧,电路相对较复杂。
3结语
软件设计是整个逆变控制的核心,它决定着逆变器的输出特性。本文的主要创新点在于:利用单片微机和集成芯片配合产生SPWM波形控制逆变开关的通断,控制算法容易编程实现,实现了全数字化控制,结构简单,与采用模拟器件相比,减少了生产成本,性能良好;具有易于改变控制算法、程序易于移植、控制精度高、可靠性好等优点,采用变频技术后,可以节省大量的能源,有良好的经济价值和环保效果。这种系统在电力电子设备与人们生活日益密切的今天有着广泛的应用。
参考文献
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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
作者简介:仲崇健男1983年生;毕业于哈尔滨理工大学电气工程及其自动化,现从事电机设计工作.
中图分类号:TM301.2
文献标识码:A
文章编号:1008-7281(2016)01-0035-003
DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.01.10