新型PWM产生器SA866及其在通用变频器上的应用

2006-05-07 15:49:33来源: 电源技术应用

1 引言

变频器正得到越来越广泛的应用。在变频器技术中最重要的是SPWM脉冲的产生,通常采用的方法有模拟法和数字法,数字法的实现一种是利用微处理器计算查表得到,常需复杂的编程,另一种是利用专用集成电路(ASIC)来产生PWM脉冲,不需或只需少许编程,使用起来极为方便。本文介绍的SA866就是一块90年代末才推出的多功能ASIC。它可以独立运行,功能较强,以它为核心的变频器具有极高的性价比。本文介绍采用SA866研制的一台适用于风机、水泵负载的通用变频器,并可推广应用于对成本敏感的家电领域。

2 SA866功能简介

2.1 功能特点

SA866是专为感应电机的PWM控制设计的一款集成电路。它除了能产生合乎要求的PWM脉冲外,还集成了完备的过流、过压保护功能,并可在紧急情况如短路、过热时快速关断PWM脉冲,保护逆变器和电机。它的最大特点是可以独立运行,无需微处理器。它的输出频率以及加速减速的快慢都可由外接电位器在线连续调节。所有需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,它可以变频变幅,也可以定频变幅;可以独立运行,也可与微处理器配合使用,基本做到了低价格多功能,在许多逆变领域均可采用。它采用双缘调制技术,脉冲产生精确,它的工作频率范围很宽,时钟频率为25MHz时,载波频率可达24kHz,输出频率可达4kHz。它还可以提供两种V/F曲线:恒转矩的V/F线和负补偿的V/F线,后者即针对风机类负载而设。

2.2 管脚说明

采用PLCC封装,共有32个管脚,管脚图如图1所示。

(1)对外串行接口SDA、SCL、CS为SA866与

EEPROM或微处理器的串行接口。SDA为数据总线,SCL为时钟信号,CS为片选信号。

(2)工作状态选择SERIAL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、PAGE1决定采用的是EEPROM中的哪一页参数。

(3)控制及输出SETPOINT决定稳定运行频率,RACC、RDEC决定加速减速的快慢,也可用来选择6种工作模式中的一种。RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT、BPHB为三相PWM脉冲输出端,可直接驱动光耦。DIR控制三相顺序,高电平表示正向旋转。

(4)保护VMON为过电压信号输入端,减速过程

中此端电平若大于2.5V,就起动过电压保护动作,将输出频率固定在当前值。IMON为过流信号输入端,升速过程中端电平若大于2.5V,内部过流保护就动作,不再继续升速,直到过流信号消失才继续升速。SETTRIP为紧急停机信号,可快速禁止PWM脉冲输出,TRIP端表示输出禁止状态,低电平有效,该信号只有在复位信号下才能被解除。

(5)电源VDDD为数字电源,VDDA为模拟电源,VSSADC为A/D转换电源,均接同一个+5V电源,VSSD、VSSA分别为数字地及模拟地,VREFIN为A/D转换参考电压,+2.5V。

3 SA866的控制方式

所有可编程参数都存储在EEPROM中,并在RESET信号后自动装入SA866中。一片EEPROM可同时存放四页参数,改变PAGE0、PAGE1两脚的电平就可决定采用哪一页参数,如表1所示。

表1 EEPROM页地址

PAGE1 PAGE0 起始地址 页数
0 0 XX000 0
0 1 XX0100 1
1 0 XX1000 2
1 1 XX1100 3

由于PAGE0、PAGE1均有内部拉高电阻,所以默认情况下SA866将采用第3页的参数。所有可编程参数在各页上的相对位置都一样,这里以第3页为例来说明EEPROM中的参数放置,见表2:

表2 EEPROM参数置图

地址

最高位                                                                          最低位

  15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
(00)1100 GRAD7:0 PED7:0
1101 PDY5:0 ZTH1:0 PDT6:0 FC
1110 CFS2:0 WS1:0 FRS2:0 KAY7:0
1111 AWS3:0 CHKSUM2:0 多余字节

表中各参数的计算方法如下:

(1)载波频率选择字CFS载波频率fCARR由外部时钟频率fCLK和分频比n决定,fCARR=fCLK/(512×2 n+1),其中n是选择字CFS的十进制表示,如表3所示。

表3 CFS值

CFS 111 110 101 100 011 010 001 000
n 7 6 5 4 3 2 1 0

下文中,各参数与选择字之间都是这种对应关系,以后就不再给出详细列表。

(2)调制频率范围选择字FRS调制频率范围是载波频率fCARR和系数m的函数,m是FRS的十进制表示,0≤m≤6;FRS为三位二进制数。调制频率范围由下式给出:fRANGE=(fCARR×2 m)/348。

(3)脉冲延迟(死区)时间选择字PDY脉冲延迟时间是载波频率和参数pdy的函数,如下式所示:tpdy=(63-pdy)/(fCARR×512),参数pdy是PDY字的十进制形式,pdy在0到63之间,PDY为六位二进制数。

(4)脉冲删除时间选择字PDT因为SA866内部脉冲删除电路在脉冲延迟电路之前,所以实际输出的最小脉宽等于tpd-tpdy。脉冲删除时间tpd由下式给出:tpd=(127-pdt)/(fCARR×512),参数pdt由选择字PDT确定,pdt在0到127之间,PDT为七位二进制数。

(5)波形选择字WSSA866可以提供三种调制波形:纯正弦波、正弦波加三次谐波,带死区的三次谐波。采用三次谐波型波形可以提高输出功率,而带死区的三次谐波型波形可以降低开关损耗。选择字WS定义所选用的波形,见表4。

表4 波形选择值

WS 00 01 10 11
波形 纯正弦型 正弦波加三次谐波形 带死区的三次谐波形 波形自动转换

(6)波形自动转换字AWS该参数定义了后两种波形之间互相转换的频率点fAWSR=(W/32)×fRANGE,其中W由AWS确定,W在0到15之间,AWS为四位二进制数。若AWS=0000,则一直采用三次谐波型波形。

    (7)V/F曲线控制字(GRAD、KAY、PED、FC)SA866提供了两种V/F曲线,恒转矩型和负补偿型,分别如图2、图3所示。FC用来选择其中之一,FC=0选择恒补偿型,FC=1选择负补偿型。对于恒补偿型,只需确定GRAD和PED。转矩提升的补偿电压由PED决定,Pedestal(%)=(PED×100)/255。上升斜率由GRAD确定,GRAD=[(255-PED)×fRANGE]/(16×fBASE,GRAD≤255。由GRAD和PED即可确定任一频率点对应的电压幅值,V%=[(GRAD·F)/16+]×(100/255)。其中F=(f/fRANGE)×255,F≤100。对于风机类负载,电压幅值由下式计算:

    V%=[(GRAD·F 2)/2048+(KAY·F)/512+PED]×100/255    (1)

其中GRAD为8位正数,而KAY为八位有符号数,最高位是符号位。

(8)检查字CHKSUMSA866在从EEPROM中读入数据时会对其中的‘1’计数(不包括CHKSUM中的数据),计数结果(二进制)的最低三位应等于CHKSUM中的数据,否则将输出TRIP信号,禁止脉冲输出。

4 变频器硬件电路设计

所研制的变频器硬件电路原理框图如图4所示,它主要由以下几部分构成:

(1)主电路采用的电路形式为AC/DC/AC型逆变电路。三相交流电经整流滤波后以直流形式供给逆变桥,主开关器件使用西门子公司的6单元模块BSM100GD120DN2,输出接三相电机。

(2)驱动电路采用三菱公司的M57962L,它内含光耦隔离,能够检测桥臂直通短路,并能通过栅极关闭和降压电路实现开关器件软关断,同时向SA866发故障信号,封锁脉冲输出。

(3)控制及保护电路SA866只需少许外围元件就可构成功能较强的控制电路。开机后SA866首先从EEPROM(这里是HT93LC46)中读取设定参数,完成自身的初始化。三个外接电位器分别控制稳定工作频率、升速斜率和降速斜率。保护电路主要包括过压、欠压、过流、过热等部分,均可通过SETTRIP端实现快速封锁脉冲信号,保护逆变桥不受损害。但对于升降速过程中引起的过压过流则可以分别由VMON、IMON实现保护。

5 参数计算

本系统应用的时钟频率为11059MHz,载波频率11kHz,调制频率范围0~60Hz,最小脉宽3μs,死区时间5μs。计算过程如下所示:

    (1)确定CFS 2 n+1=fCLK/(512×fCARR)=1.96,所以n=0,CFS=000。实际的fCARR=108kHz。

(2)确定FRS2m=384×fRANGE/fCARR=2.13,所以可取m=1,FRS=001,实际fRANGE=57.6Hz。

    (3)确定PDY死区时间tpdy=(63-pdy)/(512×fCARR)=5μs,所以pdy=35.4,取35,则PDY=100011,实际死区时间为5.1μs。

(4)确定PDT由tpd-tpdy=3μs

得tpd=tpdy+3=8.1μs又tpd=(127-pdt)/(fCARR×512)故pdt=82.2,则PDT=1010010,实际的最小脉宽为8.1-5.1=3μs。

(5)确定V/F曲线控制字因为是风机类负载,所以FC=1,又低频时不需转矩提升,则PED=0;令fBASE=50Hz,则它对应的F=fBASE*255/fRANGE=221;在V/F曲线上取两点,分别对应额定频率和1/2额定频率在V/F曲线上映射,以(F,V%)格式表示为(221,100)和(110,25),根据求幅值公式(1)可列出方程组如下:

    解此方程组可得:GRAD=10.6,取11即GRAD=00001011;KAY=5.3,取5,即KAY=00000101。

(6)确定其余选择字波形采用正弦波加三次谐波型,所以WS=01,AWS=0000;零频阈值电压为0,所以ZTH=00;以上所有选择字中‘1’的个数为14,所以CHKSUM=110。

6 结语

变频器采用SA866后,控制电路大为简化,降低了成本,提高了可靠性,减少了开发周期。通过测试效果令人满意。对于通用变频器,采用SA866应是一个比较理想的选择。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/sensor/200605/1460.html
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