如何设计一种小功率通用变频器？

　　由于电力电子技术的飞速发展，交流变频调速已上升为电气传动的主流，正在逐步取代传统的直流传动。而从性价比的角度来看，交流变频调速装置已经优于直流调速装置。
　　异步电机的变频调速不仅可以实现平滑调节，还有着许多其他交流调速系统不可比拟的优点：交流变频调速在频率范围、动态响应、调速精度、低频转矩、转差补偿、通信功能、智能控制、功率因数、工作效率、使用方便等方面的优势是其他的交流调速方式难以达到的，并以体积小、重量轻、通用性强、保护功能完善、可靠性高、操作简便等优点，深受钢铁、冶金、矿山、石油、化工、医药、纺织、机械、电力、轻工、造纸、印刷、卷烟、自来水等行业的欢迎，社会效益非常显著。
　　变频调速虽然在各个方面有其优势，但其早期昂贵的造价和可靠性问题使许多用户望而却步。降低造价和提高可靠性一直是交流变频调速的重要课题。
　　本文针对一般小功率交流异步电动机变频调速的要求，采用上世纪90年代末才推出的多功能高集成度专用SPWM控制芯片SA866和智能功率模块PS21255开发了一种新型通用变频器。其整机结构简洁，具有比较完善的功能，满足了空调、洗衣机等家电及小型纺织、塑料加工等工业的自动化生产线对变频器低成本、高可靠性、高性能的要求，并已经在广东、江苏等多家工厂生产中得到应用。
　　1　SA866和PS21255功能介绍
　　1.1　SA866功能简介
　　1.1.1　功能特点
　　SA866是专用于交流异步电机SPWM控制的集成电路。它除了根据设定参数产生合乎要求的SPWM脉冲外，还集成了多种保护功能，并可在紧急情况下，如短路和过载时快速关断SPWM脉冲，保护逆变器和电机。它的最大特点是可以独立运行，无须微处理器控制。它的输出频率以及加速减速频率都可由外接电位器在线连续调节。所有须定义的参数如载波频率、死区时间、最小脉宽、调制波形、V/f曲线等均存储在外接的廉价EEPROM中，上电时自动读入SA866中。SA866有6种工作模式，与微处理器配合使用，基本做到了低价格多功能。
　　1.1.2　管脚说明
　　该芯片采用PLCC封装，共有32个管脚，各管脚排列如图1所示。
　　
　　各管脚功能如下。
　　1）电源　VDDD和VDDA分别为数字电源和模拟电源；VSSADC为A/D转换电源，它们接一个＋5 V的电源；VSSD和VSSA分别为数字电源和模拟电源的地；VREFIN为A/D转换参考电压（＋2.5 V）。
　　2）串行接口　SDA，SCL和CS用于从EEPROM获取数据，分别为数据，时钟和片选信号。
　　3）控制及输出　SETPOINT为频率给定端，该脚的输入电压将决定系统的工作频率；RACC和RDEC分别确定加速和减速的时间；RPHT，YPHT，BPHT，RPHB，YPHB和BPHB为桥臂脉冲信号输出，其中RPHT，YPHT和BPHT分别对应三相输出的上桥臂；RPHB，YPHB和BPHB分别对应三相输出的下桥臂；DIR控制三相顺序，该脚对应高低电平有两个方向的PWM波供用户选择。
　　4）工作状态选择 决定与SA866连接的是EEPROM还是微处理器，高电平表示与EEPROM连接；PAGE0和PAGE1决定采用的是EEPROM的哪一页参数。
　　5）保护　VMON为过电压信号输入端，减速过程中此端电平若大于2.5 V，就启动过电压保护动作，将输出频率固定在当前值；IMON为过电流信号输入端，升速过程中，电平若大于2.5 V，内部过流保护就动作，不再继续升速，直到过流信号消失；SET TRIP为紧急停机信号，可快速禁止PWM脉冲输出；端表示禁止输出状态，低电平有效，该信号只有在复位信号下才能被解除。
　　1.2　PS21255功能简介
　　1.2.1　功能特点
　　与常规的IGBT模块相比，PS21255具有如下特点：
　　1）内含驱动电路　IPM设定了内部IGBT的最佳驱动条件，驱动电路离IGBT较近，可以大大减少信号传输阻抗，且受外界干扰小，因此不需加反向偏压，同时，本模块采用自举电路，从而摆脱了控制电源不共地的限制，使用一个电源，即可实现方便的控制；
　　2）内含各种保护　使内部IGBT因故障损坏的几率大大降低，这些保护包括短路保护（SC），控制电路欠压保护（UV）等；
　　3）内部报警输出（FO）　该信号送到控制PWM产生器，封锁脉冲输出，进而停止系统工作；
　　4）散热效果好　采用陶瓷绝缘结构，扁平封装，可以直接安装在散热器上；
　　5）端子布局合理，便于安装　强弱电的输出输入端分别安排在模块的两侧，做到尽量减少干扰。
　　1.2.2　管脚说明
　　该模块的外形及端子分布如图2所示。
　　
　　IPM（PS21255）模块外部端子在布局上强弱电分开，P 及N为直流输入端，P为正端，N为负端；U，V，W为逆变器三相输出端；UP，VP，WP为上桥臂U，V，W各相脉冲信号输入端；UN，VN，WN为下桥臂U，V，W各相脉冲信号输入端；VP1及VPC为上桥臂工作电源输入端，VP1为正端，VPC为负端；VN1及VNC为下桥臂工作电源输入端，VN1为正端，VNC为负端；CIN为电流检测信号输入端；FO为故障输出端（低电平有效）；CFO为故障输出脉宽控制端；VUFB及VUFS为U相自举电路两端，VUFB为高端，VUFS为低端；VVFB及VVFS为V相自举电路两端，VVFB为高端，VVFS为低端；VWFB及VWFS为W相自举电路两端，VWFB为高端，VWFS为低端。
　　2　系统设计
　　2.1　硬件电路
　　我们开发的小功率通用变频器，采用单相交流供电，经整流滤波后送入逆变桥，再由逆变桥将该直流电逆变成三相VVVF（variable voltage variable frequency）电源，以驱动电机。整个系统分为主电路和控制电路两部分。系统构成框图如图3所示。
　　
　　主电路采用二极管整流，大容量的电解电容滤波，IPM模块为主电路的核心部分，它包含6个IGBT构成三相逆变桥，且各有自己的驱动电路和保护电路，整个模块还有短路及控制电路欠压保护功能。它的输入可以兼容TTL电平输入。
　　控制电路主要有控制电源和以SA866为核心的SPWM波发生及驱动电路。控制电源采用7805和7815提供直流稳压电源。SA866AE通过10位数模转换器和外接正反向方向脚，可实现转速的连续调节和正反向切换。所有的运行参数，包括载波频率、波形、最小脉冲宽度、死区脉宽和V/f曲线等都是通过外接的EEPROM编程。由于输入电压和反馈能量都将直接反映在直流环节上，所以，整个系统的电压电流检测及保护取样均集中在直流环节。驱动逆变桥所须的PWM信号则由ASIC芯片SA866提供，经反向后送给IPM模块。
　　EEPROM选用93LC46，它只须＋5 V的电压即可工作。可重复地擦写106次。该芯片的封装形式为DIP－8，其中VCC和VSS分别为5 V电源输入的正负端，CLK为时钟信号输入端，DI为数据输入端，DO为数据输出端，ORG为内部数据的存储结构，进行8位或16位的选择。将需要设定的参数写入EEPROM，系统在上电时就自动从EEPROM里面将参数字读入SA866，依据所设定的参数字，系统产生相应的脉冲波形用来控制主电路中模块的开或关。
　　2.2　参数计算与设定
　　1）载波频率（CFS）　载波频率是外接时钟频率和一个倍率系数N的函数，N的十进制值由初始化寄存器中的一个3位的CFS字决定。载波频率fCARR由式（1）决定。
　　
　　式中：fCLK为时钟输入频率，本系统所选用的晶振为20 MHz。取n=1，CFS=001，实际fCARR==、
　　
　　2）输出电源频率范围（FRS）　频率范围给出了输出频率的上限值。频率范围fRANCE=fCARR×2m/384，取m=1，即FRS=（001）B。
　　3）死区时间（tpdy）　tpdy=（63－PDY）/（fCARR×512）；PDY在0～63之间，取PDY=37=（100101）B；则实际的tpdy=（26/26.2144）5 μs=4.959 μs。
　　4）脉冲取消时间（PDT）　经调制后SPWM的脉宽可以很小，但实际上，过小的脉宽没有用，因为时间过短，功率管还没来得及完全打开就关闭了，只增加了功率管的损耗，降低了系统的效率。脉冲取消时间tpd=（127－PDT）/（fCARR×512）；依此公式，若定义最小宽度为3 μs，实际最小脉宽为tpd－tpdy，则tpd=7.959 μs，可得PDT=85.272，取PDT=85=（1010101）B，因此，实际tpd=8.01 μs，脉冲最小宽度为tpd－tpdy=8.01 μs－4.959 μs=3.051 μs。
　　5）波形选择　SA866AE 有三种标准波形供选择，即纯正弦波，正弦波带三次谐波（增强型）和带死区的三次谐波（高效型）。波形采用对称技术保证每个功率管的开通角度相同。本系统选用带三次谐波的正弦波作为调制波，即有：WS=（01）B。
　　6）V/f曲线控制　FC用来确定是线性定律还是风扇定律，本系统设定工作在线性曲线状态，即FC=0。图4为SA866AE/AM所提供的线性特性。PED 是一个8位参数，用来确定在频率为0时电机上的电压。如果设置PED=255，则VVVF线性特性没用。Pedestal（％）=PED×100/255，本系统的初始值设定为10％，可得PED=25.5，取25，实际的Pedestal （％）=9.8。GRAD为一个8位二进制数，决定恒转矩区曲线的斜率，根据基频和PED值计算：GRAD=（255－PED）×fRANGE/（16×fbase）；GRAD≦255，取fbase=50 Hz；则有GRAD=15=（1111）B。
　　
　　7）其他参数　由于线性曲线中不用KAY，在此KAY=（0000000）B；A/D转换的零阈值的控制参数ZTH=（00）B；将上述所有参数字经统计得CHKSUM=（001）B。AWS=（0000）B。
　　由上述计算可得到参数分布表如表1所列。
　　
　　4　试验应用结果及结论
　　根据设计做成的通用变频器，进行了调速、起动、停止、反向、过载调节和加减速时间调节等试验，试验表明，该变频器各项性能良好，符合设计要求，并已先后在广东和江苏等地的空调制冷机、压缩机、纺织生产线和塑料制品生产线上得到应用。该变频器结构简洁、成本低、可靠性高、具有较高的性价比和灵活的适应性，是驱动小功率电机及此类生产线最理想的选择。