一款低成本小功率变频器的设计

苏家伟

（中山市技师学院，广东中山 528400）

0 前言

中山市是我国乃至全球的游戏游艺研发、生产和销售的重要基地。本人曾任职的某游艺机公司三人转马系列产品是传统畅销产品，也是游戏游艺行业的传统畅销产品，这种产品主要是面向儿童游玩者，为了提高游玩者的乘坐舒适性和安全性，通常做法是使用一台通用的变频器作启动、运行和停止的动作。现在行业内通常的做法是直接购买一台变频器，价格在500元到1 000元左右。随着竞争加剧，公司在开发和生产产品中想方设法降低成本，提高竞争力。基于以上情况，笔者设计开发了一款低成本小功率变频器专门用于三人转马系列产品，成本控制在200元/台左右，按某公司一年销售500台三人转马估计，直接经济效益就达到15万到40万，如果面向全行业推广效益非常明显。

1 设计过程

三人转马系列产品应用变频器的目的是让产品由静止状态到运行状态有一个缓慢提速的过程，匀速工作运行3～5分钟后再由运行状态到静止状态有一个缓慢减速过程。一般加减速时间的设定是由0～50 Hz 5秒，由50～0 Hz也是5秒。变频器的主要要求：输入电压单相交流220 V，输出电压三相220 V，功率400 W，变频调速采用VVVF方式，变频器的运行和停止受三人转马的控制盒控制，变频器的参数设定就只需设定加减速时间，运行频率，变频器其他功能基本不用。并且注意到许多生产工人和游乐园维修人员对变频器参数的设定觉得有困难。综合以上信息，结合行业的实际，在开发上思路上，主要是低成本，能满足三人转马系列产品应用变频器所用功能和性能要求就足够了，并简化变频器参数的设定方法方便生产工人和维修人员，最后就是开发周期短，方便生产。

综合各方面因素，笔者选用Freescale公司三相交流电机控制芯片MC3PHAC。该芯片最显著的特点是将最新的PWM生成和控制技术集成在一块DSP中，用户不用关心这方面的细节，虽然无需编程但保留了设备的灵活性，用户可以通过串行口将参数传给MC3PHAC。完全满足我的要求。考虑到方便生产提高可靠性不采用分立驱动元件，选用三菱公司的PS21564驱动模块。选用常用的单片机STC89C52作为MC3PHAC的主机，单片机同时担当用户界面接口芯片。

图1 原理图

2 实施方案

总体方案如原理图1所示，由于本文篇幅所限，原理图1省略了RUN、STOP、MODE、UP、DOWN、SET 6个按钮；RUN、STOP、FWD、REV 4个指示灯；4个数码管；控制变频器运行、停止的输入回路端子；用于断电记忆设定参数的93C46芯片等电路。MC3PHAC有两种运行模式，第一种孤立模式，第二种模式PC主控软件模式，由于第二种模式可以将芯片的性能发挥最佳，本方案选用第二种模式，通过单片机STC89C52实现对MC3PHAC参数写入和读出。MC3PHAC的参数和功能设置非常丰富完全可以同市售专业变频器的参数相媲美，但针对本项目我只选取了有用，够用的参数，简化了程式设计，缩短了开发周期，在参数设定方法上也大大简化，让生产工人和游乐园维修人员也容易上手设定参数。

由于MC3PHAC采用了多种优化技术[6]，在三相波形产生器里面产生可变频变压的六路输出，而且为了提高直流电压利用率，在基频中注入了一个三次谐波，可使最大输出提高15%的幅度。实际应用表明低速力矩提升明显，可以同市售台达变频器的参数相媲美，比售价500～600元/台的变频器低速力矩高出许多。

三菱公司的PS21564驱动模块[8]采用三菱第五代IG⁃BT，死区时间达到了2μs，可有效提升输出力矩；载波频率最大可以是20 kHz，让变频器运行噪声减小；可以单电源驱动；内置专用HVIC，无需绝缘电路，可从MC3PHAC直接接收控制信号；三人转马的电机功率是370 W，笔者选PS21564驱动模块功率为750 W，让变频器有足够的功率剩余，进一步提高变频器的可靠性。

单片机选用STC89C52RC主要是价格合适，IO口驱动能力强，稳定性好，开发工具便宜，编写程序方便。

这款低成本小功率变频器的工作原理：单片机STC89C52RC通过串口（RXD、TXD）和MC3PHAC串口（RXD、TXD）实现参数的写入和读出，数据格式要符合相应协议。单片机负责接收用户的设定信息，并将这些信息转为相应的数据格式发给MC3PHAC，比如启动变频器、设定加减速时间等等；同时如果有需要也可以从MC3PHAC读入想要了解的信息，比如变频器当前运行的频率等。MC3PHAC会根据单片机发给的指令或信息执行相应的动作。只需设好参数发给MC3PHAC，MC3PHAC内部的DSP已经有编好的程序产生先进的6路PWM信号，这6路信号直接连到PS21564的输入端，经PS21564的驱动放大就可以直接驱动电机运转了。由于篇幅所限单片机上的程序就不提供了。

图2 万用板制作完成的样板

3 结束语

制作完成的样板如图2，在实际的样板电路开发中，加入了过热保护电路，防止开机电压浪涌电路，故障停机延时自动复位等功能，制作完成的三块样板装在不同的三台三人转马上满负荷反复对比测试，都能满足各项要求，最终成本、性能都达到了当初的设计要求。这款低成本变频器设计取得了初步的成功。经过进一步完善电路，和产品工艺化等工作后，进行了小批量试产，试投入运营，初步运营结果显示该变频器性能稳定、降低了产品成本，提高了产品的竞争力，取得了较好的经济效益。

［1］郭志勇.单片机应用技术项目教程［M］.北京：中国水利水电出版社，2011.

［2］周航慈.单片机应用程序设计技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2002.

［3］马忠梅.单片机的C语言应用程序设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008.

［4］葛中海.ProtelDxp2004简明教程与考证指南［M］.北京：电子工业出版社，2012.

［5］宋峰青.变频技术［M］.北京：中国劳动社会保障出版社，2013.

［6］郭军朝，王森.三相交流电机控制芯片MC3PHAC及应用［J］.电子技术，2004（1）：40-42.

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

［8］ 三 菱电机.DIP-IPM应用技 术资料 ［Z］.2003-09-16.