1、第二章 电力电子变频器及 PWM控制原理,山东大学,2.5 三相SPWM专用集成电路,SPWM专用集成电路芯片用一片集成电路加上少量的外围器件生成SPWM波形，大大简化了电路和设计成本。SA4828 SM2001,,一、SA4828及其应用,SA4828是一种新型三相SPWM芯片。,SA系列（如SA8281，SA8282，SA4828等）PWM波形发生器具有精度高、抗干扰能力强、外围电路简单等优点，其中SA4828主要用于变频调速、逆变电源及UPS等工业领域。,,SA4828的功能特点,全数字操作SA4828通过数据总线连接到微处理器/微控制器，SPWM波形生成采用全数字化规则采样方式，避免了
2、模拟电路中存在的漂移问题，使它的脉冲具有很高的精确性和稳定性。,工作频率范围宽 三角载波频率最高频率可达24kHz，输出调制波频率范围可达4kHz，分辨率达到16位。,,SA4828的功能特点,工作方式灵活 6路PWM输出管脚均具有12mA的驱动能力，可直接驱动用于隔离的光电耦合器件。其工作参数，如载波频率、调制波频率范围、脉冲延迟时间等，可由微处理器以向其写入控制字的方式方便地确定或修改，不需外加任何电路。,,SA4828的功能特点,ROM内置波形调制波形以数字形式存储在片内ROM上，采用异步调制方式。,三种SPWM波形输出标准正弦波 增强型波形：通过采用谐波注入技术使逆变器直流电压得到充分
3、利用； 高效型波形：又称带死区的增强波形，它可以节省33的开关损耗。,,SA4828的内部结构、引脚说明,SA4828主要由三部分构成：接收并存储微处理器命令（控制字）。主要由总线控制，总线译码，暂存器R0R5，虚拟寄存器R14、R15及48位初始化寄存器和48位控制寄存器组成；读取波形部分。由地址发生器和片内波形ROM组成；三相输出控制电路及输出脉冲锁存电路。每相输出控制电路又由脉冲删除电路和脉冲延迟电路组成。,,2.5 三相SPWM专用集成电路,引脚说明： MUX：总线选择。用来区分多路和非多路总线。数据总线模式可以分为两种：多路复用的地址/数据总线或者分别的地址和数据总线。 RS：用于在
4、非多路总线模式中定义输入字节是地址（“0”）还是数据（“1”），这时它一般被连接到一条地址线上。 在多路模式中，它被内置为高电平。,SET TRIP：封锁控制，高有效。高电平启动输出封锁锁存，使 输出和六个PWM输出立即锁定为低。当不用SET TRIP时，必须将其保持在低电平，不能悬浮。,指示输出封锁锁存器的状态，低电平有效。 RPHT ：红色相（上功率开关）; YPHT：黄色相（上功率开关）BPHT：蓝色相（上功率开关）; RPHB：红色相（下功率开关） YPHB：黄色相（下功率开关）; BPHB：蓝色相（下功率开关）,,初始化寄存器的设置在工作之前，首先需要向初始化寄存器写入命令字，来设定
5、与电机和逆变器有关的基本参数 。初始化寄存器是一个48位的寄存器，各命令字需要先写入6个暂存器（R0R5），然后再同时传送给初始化寄存器。,初始化寄存器的设置,,初始化寄存器的设置,（1）载波频率设定（CFS）： 设定字由CFS0CFS2三位组成。载波频率给出如下：,（2-29）,由上式求出n值，n值的二进制数即为载波频率设定字。,（2）调制波频率范围（FRS）调制波频率范围设定字由FRS0FRS2三位组成。计算如下： （2-30）,由上式求得m值。m值的二进制数即为电源频率范围设定字。,（3）脉冲延迟时间的设定（PDY） 该设定字是由PDY0PDY5六位组成。脉冲延迟时间给出如下：,由上式求
6、得PDY值。它的二进制数即是脉冲延迟时间设定字。,,（4）最小脉宽删除时间（PDT）。 最小删除脉宽设定字是由PDT0PDT6七位组成。最小脉冲删除时间给出如下：,由于脉冲延迟电路跟在脉冲删除电路之后，故输出的PWM脉冲的实际最小宽度将比设定的脉冲取消时间窄。,,（5）波形选择字。SA4828内部有三种可选的调制波形。波形选择字由WS0、WS1两位组成，可以通过表2-12来进行选择。,,（6）幅值控制位（AC） 当AC0时，控制寄存器中的红相位可控制所有三相的幅值。 当AC1时，控制寄存器中的红、黄、蓝相位分别控制各自的幅值。,（7）看门狗时间常数的设定（WD）。时间常数由WD0WDl5共十六
7、位组成，定时时间由如下公式给出： 如果用25MHz主频时，时间常数范围为41s268s。控制寄存器的WTE位可以控制看门狗有效或无效。,控制寄存器编程，包括调制波频率选择; 调制波幅值选择; 正反转选择计数器复位控制; 看门狗选择; 软复位控制,,2.5 三相SPWM专用集成电路,SM2001及其应用 SM2001是国内开发的可产生三相正弦PWM驱动波形的大规模集成电路芯片。普通正弦波和高效电机驱动波两种波形可供选择。,CK：串口时钟，上升沿锁入数据 DA：串口数据 OE：输出控制，为高允许PWM输出 INT：异常中断，下降沿触发 WVS：内部波形选择，高效/普通,SM2001可广泛用于交流异
8、步电机的变频驱动，如变频空调、变频冰箱和变频洗衣机的控制驱动，各类工业水泵、风机的变频驱动，各类不间断逆变电源（UPS）等。,,2.6 单片机和DSP用于PWM信号生成,一般而言，PWM算法占用较多CPU时间，若用软件直接生成PWM信号，需要采用多字长、运算速度高的微处理器来实现高质量的信号输出。本节介绍两种高性能微处理器的PWM信号生成方法：80C196MC单片机TMS320F2407A,,2.6.1 80C196MC单片机生成SPWM波形,80C196MC是Intel公司专为三相电机变频调速设计的16位单片机。 地址和数据总线都为16位 晶振频率可达16M 有64K字节的程序存贮器和数据存
9、贮器空间 片内包括512字节的RAM，160字节的特殊功能寄存器组 13路模拟输入通道，2个16位定时器 1个三相波形发生器（WFG）,,2.6.1 80C196MC单片机生成SPWM波形,三相SPWM波形是由U、V、W三个单相SPWM波形发生器生成。,,三相互补SPWM波发生器可通过P6口直接输出六路SPWM信号，每路驱动电流可达20mA。事件处理阵列EPA有两个16位双向定时/计数器T1和T2，其中T1可工作在晶振时钟模式，用于直接处理光电码盘输出的两路相位移为90的脉冲信号，这在速度闭环变频调速系统中非常有用。,2.6.1 80C196MC单片机生成SPWM波形,,2.6.2 TMS32
10、0LF2407A DSP实现SVPWM,TMS320LF2407A DSP芯片是TI公司推出的16位定点数字信号处理芯片。主要特点如下： （1）两个可用于电动机控制的事件管理器，每一个都包含：2个16位通用定时器；8个16位脉宽调制输出通道；1个能够快速封锁输出的外部引脚；能防止上下桥臂直通的可编程死区功能；1个增量式光电位置编码器接口。,（2）采用了高性能静态CMOS技术，使供电电压降为3.3V，减少了控制器功耗；40MIPS的执行速度使得指令周期缩短到25ns，提高了控制器的实时控制能力。 （3）片内有32K字的Flash程序存储器，2.5K字的数据/程序RAM。 （4）看门狗定时器（WD
11、T）模块，保证系统的可靠性。,,2.6.2 TMS320LF2407A DSP实现SVPWM,（5）可扩展192K字的外部存储器，分别为64K字程序存储器，64K字数据存储器和64K字I/O寻址空间。 （6）10位ADC转换器最小转换时间为375ns，可选择由两个事件管理器来触发两个8通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器。,（7）CAN总线控制器可以为控制器、传感器、激励源以及其它节点提供良好的通讯。 （8）5个外部中断（两个驱动保护、两个可屏蔽中断和复位）。 （9）其它优点：SCI异步串行口提供全双工数据传输功能；SPI同步串行口提供可变长度和速率的串行数据输入和输出。一般可
12、用于DSP之间以及DSP和外设、控制器之间的高速数据传输 。,,基于TMS320LF2407A实现SVPWM 首先确定参考输出电压矢量所在的扇区以决定开关时刻和开关顺序。若参考输出电压矢量以幅值和相角的形式给出，其所在的扇区可直接由相角求出；若参考电压输出以矢量形式给出，如输出电压所在扇区由-坐标中的内部电流控制环得出，则可以采用下列算法决定电压矢量所在扇区。,,2.6.2 TMS320LF2407A DSP实现SVPWM,第一步，根据以下各式计算参考值Uref1、Uref2和Uref3：,其中，U和U是三相ABC坐标系中的相电压转换到平面直角坐标系中的分量。,,第二步，计算N：,式中，sig
13、n(x)是符号函数。 第三步，参照表2-15根据N数值可以得到Uout所在的扇区。,,2.6.2 TMS320LF2407A DSP实现SVPWM,1采用软件方法实现SVPWM根据不同的零矢量使用方法，可产生多种电压空间矢量PWM波形。一般的选择原则是：尽可能使功率开关管的开关次数最少；任意一次电压空间矢量的变化只能有一个桥臂的开关管动作。目前最流行的是对称七段式的电压空间矢量PWM。,,对称七段式的电压空间矢量PWM，它由三段零矢量和四段相邻的两个非零矢量组成.,,2.6.2 TMS320LF2407A DSP实现SVPWM,,具体步骤： 1）初始化比较单元和用作产生对称PWM的通用定时器：
14、配置各控制寄存器，确定PWM输出口、PWM输出方式；死区时间；PWM周期和波形占空比等。,,2）根据查表决定触发通道的顺序以及根据Uout所在扇区配置比较寄存器： 根据电压幅值和相角或U和U计算确定扇区号；然后配置比较寄存器，将0.25t0写入全比较寄存器1（CMPR1），将0.25t0+0.5t1写入全比较寄存器2（CMPR2），将0.25t0+0.5t1+0.5t2写入全比较寄存器3（CMPR3）。,,,2采用硬件方法实现SVPWM基于TMS320LF2407A硬件产生SVPWM时需要首先应用软件产生Uout，并且确定Uout所在的扇区，然后求解每个PWM周期中的t1和t2。对于每个PWM
15、周期在软件上需完成如下步骤：,（1）将基本空间矢量对应的二进制位调入全比较动作控制寄存器（ACTR）第12-14位，旋转方向控制位（SVR DIR）为其第15位，该位中“0”代表逆时针方向；“1”代表顺时针方向。 （2）将0.5 t1调入全比较寄存器1（CMPR1）；将0.5t1+0.5t2调入全比较寄存器2（CMPR2）。,,,,图2-46给出了采用TMS320LF2407A硬件模块的两种实现对称开关方式SVPWM的各个扇区的开关情况。相比软件生成的方法，这种开关方案具有以下特点：（1）从开关方案示意图上来看，这是一种五段式的SVPWM波形。在一个完整的PWM周期中，总有一个通道的开关状态保
16、持不变，因此在这种控制方案中功率器件的开关次数少于由软件决定开关模式的次数，降低了系统的开关损耗。,,（2）为了防止同一个桥臂上功率开关管的直通问题，通常在同一桥臂上的两只功率开关器件PWM驱动信号中加入一定的死区。由于硬件实现的SVPWM会有某一桥臂在整个扇区内开关状态都保持不变，则死区效应在该相不存在，从而导致三相PWM输出不平衡，造成逆变器的输出电压中存在一定的谐波。,,,2.6 单片机和DSP用于PWM信号生成,小结：比较软件及硬件实现两种方法，采用硬件方法所用的CPU开销（执行的指令周期）少，占用的内存少，一个PWM周期内开关次数少，即开关损耗小。但是，硬件法存在死区不平衡效应，应用
17、时可根据系统要求选择合适的实现方式。,,2. 7 转速开环的U/f控制变频调速系统,直流电机的主磁通和电枢电流分布的空间位置是确定的，而且可以独立进行控制，交流异步电机的磁通则由定子与转子电流合成产生，它的空间位置相对于定子和转子都是运动的，除此以外，在笼型转子异步电机中，转子电流还是不可测和不可控的。因此，异步电机的动态数学模型要比直流电机模型复杂得多。,,好在不少机械负载，例如风机和水泵，并不需要很高的动态性能，只要在一定范围内能实现高效率的调速就行，因此可以只用电机的稳态模型来设计其控制系统。为了实现电压-频率协调控制，可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，这就是常用的通用变
18、频器控制系统。,,2. 7 转速开环的U/f控制变频调速系统,概述现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速全控开关器件 IGBT 或功率模块IPM 组成的PWM逆变器，构成交-直-交电压源型变压变频器，已经占领了全世界0.5600kW 中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。,,所谓“通用”，包含着两方面的含义： （1）可以和通用的笼型异步电机配套使用； （2）具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。 系统介绍下图绘出了一种典型的数字控制通用变频器-异步电动机调速系统原理图。,,1. 系统组成,,限流电阻 为了避免大电容C在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上
19、串入限流电阻（或电抗），通上电源时，先限制充电电流，再延时用开关K将其短路，以免长期接入时影响变频器的正常工作，并产生附加损耗。,,泵升限制电路由于二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流的通路，所以除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时，异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容C充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压）升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。,,进线电抗器 二极管整流器虽然是全波整流装置，但由于其输出端有滤波电容存在，因此输入电流呈脉冲波形。,,这样的电流波形具有较大的谐波分量，使电
20、源受到污染。为了抑制谐波电流，对于容量较大的PWM变频器，都应在输入端设有进线电抗器，有时也可以在整流器和电容器之间串接直流电抗器。还可用来抑制电源电压不平衡对变频器的影响。,,控制系统构成,控制电路现代PWM变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的PWM信号。微机芯片主要采用8位或16位的单片机，或用32位的DSP。,,,PWM信号产生可以由微机本身的软件产生，由PWM端口输出，也可采用专用的PWM生成电路芯片。检测与保护电路各种故障的保护由电压、电流、温度等检测信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大等综合处理，再进入A/D转换器，输入给CPU作为控制算法的依据，或者作为开关电平产生保护信号和显示信号。,,信号设定需要设定的控制信息主要有：U/f 特性、工作频率、频率升高时间、频率下降时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。由于通用变频器-异步电动机系统是转速或频率开环、恒压频比控制系统，低频时，或负载的性质和大小不同时，都得靠改变 U / f 函数发生器的特性来补偿，在通用产品中称作“电压补偿”或“转矩补偿”。,,
