基于IGBT-PWM变频调速系统的设计

赵瑞林

(陕西工业职业技术学院电气工程学院， 陕西 咸阳 712000)

0 前 言

PWM波形生成是根据三角载波与正弦参考波的相交点来确定逆变器功率器件的开关动作时刻，可用模拟电子电路、数字电子电路、大规模专用集成电路LSI芯片产生PWM波形，但这些方法存在元器件过多、线路复杂、控制精度难以保证，缺乏灵活件、可靠性较差等缺点.随着微电子技术与微机技术的迅速发展和广泛应用，交流电机变频调速系统的控制回路均以微机为基础全面实现了数字化.由于微机的高度集成化和很强的运算功能，用于PWM变频器进行直接数字控制，可得到高稳定性、高可靠性以及小型化和便于维修等应用效果，还可利用微机的故障检测、自询问和诊断能力，把监控的参数在故障出现前存储在存储器中，以用于报警、停机或诊断[1,2].

1 变频调速系统的结构

1.1 IGBT-PWM电动机变频调速系统主电路

如图1所示，系统的主电路由不可控三相桥式整流器UR、三相桥式PWM逆变器和中间直流环节等3部分组成，其中间直流环节采用大电容C进行滤波和中间储能.

图1 PWM变频调速系统

二极管整流虽然是全波整流电路，但由于整流桥输出端接滤波电容，只有当交流电压超过电容电压时整流电路才进行充电.交流电压小于电容电压时，电流为零，这将导致在电网L产生谐波.为了抑制谐波，通常在电网和变频器之间加一个进线电抗器Lm.由于电容量很大，合闸突加电压时，电容器相当于短路，将产生很大的充电电流，损坏整流二极管.为了限制充电电流．采用限流电阻R0和延时开关SA组成的预充电电路对电容C进行充电.电源合闸后，延时数秒，通过R0对电容C进行充电.由于二极管整流的PWM变频调速系统不能再生制动，因此对于小容量的通用变频器一般都用电阻吸收制动容量[3].

1.2 以87C196MC为核心的单片机控制系统

以87C196MC为核心的单片机控制系统组成示意图如图2所示.

图2 87C196MC控制系统

(1)87C196MC单片机.Intel公司推出的87C196MC是专门为变频调速设计的一种16位单片机，由一个C196核心、一个三相波形发生器、一个事件处理器阵列(EPA)、两个定时器和一个脉宽调制单元PWM等组成.

(2)E2PROM.存储系统设定控制参数、鼓掌信息等，选用IC串行总线的E2PROM，容量为1 kbit，使用寿命约为10万次.

(3)键盘和显示.在数字电机控制系统中，变频器参数的设定及操作非常复杂，必须为用户提供一个友好的人机界面.为了减少主控芯片的计算负担，可采用双CPU方案，键盘显示与主控板之间利用串行口进行数据交换[4].

1.3 单片机87C196MC片内波形发生器

片内波形发生器WFG(Wave From Generator)是87C196MC独具的特点之一.这一外设装置大大简化了用于产生同步脉宽调制(PWM)波形的控制软件和外部硬件，特别适用于控制三相异步电动机，也可用于控制直流无刷电机和其他需要多个PWM输出的装置.WFG有3个同步的PWM模块，每个模块包含一个相位比较寄存器、一个无信号时间发生器和一对可编程的输出器.WFG可以产生独立的3对PWM波形，但它们有共同的载波频率、无信号时间和操作方式.三相异步电动机与87C196MC的连接方法如图3所示[5,6].

图3 三相异步电动机与87C196MC的连接

波形发生器的每一对输出WGx和WGx#经功率驱动电路接至逆变器，逆变器每一个桥臂由一对互补的IGBT功率管VT1和VT2组成，VT1对应WGx，VT2对应WGx#.为了避免VT1和VT2同时导通而造成短路，在波形发生器中必须加有无信号时间.

1.4 波形发生器的基本工作原理

1.4.1 基本组成

从功能上可把波形发生器划分为3大部分：时基发生器、相位驱动通道和控制电路.

(1)时基发生器.时基发生器为PWM建立载波周期.该周期取决于WG-RELOAD寄存器的值和操作方式.时基发生器的核心是一个16位双向计数器WG-COUNTER，可工作于4种不同的方式，产生中心对准或边沿对准的PWM.中心对准PWM方式所造成的谐波小，因而在驱动三相异步电动机时采用这种方式，它可以使电源控制电路和电机更有效地工作.

(2)相位驱动通道.相位驱动通道决定PWM波形的占空比.共有3个独立的相位驱动通道，它们的电路是一样的.每个通道有一对可编程输出.每个相位驱动器包含一个可编程无信号时间(Dead-time)发生器，用来防止一对互补输出在同一时刻发生.

(3)控制部分.控制部分包含一些用来确定工作模式和其他配置信息的寄存器.一个可编程的保护电路可监视EXTINT输入脚，若检测到一次有效的事件，就产生一次中断，禁止波形输出.

1.4.2 时基发生器WG-COUNTER的工作方式

时基计数器WG-COUNTER是一个多工作方式的16位计数器，它的计数时钟频率是振荡器频率的1/2，当选通波形发生器工作时，根据所选择的工作方式，作为时基发生器WG-COUNTER连续地向上计数或向下计数.每次计数时，WG-COUNTER的内容与计数比较寄存器的值作比较，当两者相匹配时，按照所选择的工作方式进行相应的操作.

1.4.3 波形发生器的PWM方式

波形发生器共有3个在电路上相同的相位驱动通道，每个通道产生一对互补的PWM波形.描述中心对准PWM波形的生成，为简化起见，先不考虑无信号时间发生器的作用.中心对准PWM，是计数器工作于向上/向下的计数方式，产生的PWM波形则为中心对准.

2 IGBT-PWM电机变频调速系统软件设计

2.1 数字控制系统软件程序框图

系统软件由初始化子程序、预充电子程序、给定积分子程序、键盘处理于程序、电流电压检测子程序、故障处理子程序和PWM输出子程序构成.程序框图如图4所示.下面给出几个主要的子程序框图及算法：

(1)给定积分G1.给定积分器G1，设置目的是将阶跃给定信号转变为斜坡信号.

(2)键盘与显示.设置目的：开、停机操作，U/f曲线设定：显示、电流、电压、温度、运行频率、故障信息等.

图5 PWM程序框图

2.2 PWM程序设计

(1)正弦函数数据表.正弦电压是靠控制波形发生器产生的PWM波形的占空比而形成的，为此建立了一个弦函数数据表.正弦函数具有反对称性，即 sina=-sin(-a),因此只要建立0°～180°的正弦函数数据便足够使用.

(2)调制深度及频率、电压数据表.在电机控制中，为了不降低电机的功率因素和效率，在改变变频器频率时，需同时改变它的输出电压幅值.三相异步电动机常采用恒定U/f比值控制.在额定频率前，电机输入电压幅值应与频率(电机转速)成线性关系.超过额定频率时，电机输入电压幅值保持常值.这里所说的变频器控制回路就是由87196MC中的波形发生器及驱动电路组成.波形发生器输出的电压幅值取决于PWM占空比变化的百分比，即调制深度.当占空比为50%时，经低通滤波后所得的平均电压为0 V，称为相中间点.当占空比变为100%时，平均电压增至+Ud/2;当占空比降到0%时，平均电压降至-Ud/2.

(3)PWM程序框图.本控制系统的软件包括程序和数据表格两大部分.程序有初始化主程序和中断服务子程序等，程序框图如图5所示.数据表格是根据各频率计算出的相应脉宽数据，并将这些数据存入单片机.控制系统通过程序查表获取SPWM的脉宽数据，当需要变频时，单片机在软件的控制下读取相应频率的表格数据，然后传送给SLE4520专用芯片，产生SPWM波控制控制电动机.

3 结束语

在PWM型逆变器中，微机最初只用来产生阶梯式正弦控制信号，三角形载波信号仍用硬件产生，后来用存储最佳开关点的查表法进行实时控制或用边查表边作简单计算的控制方式.但在高性能的矢量控制系统中，既要求逆变器输出频率在宽范围可调，又要求基波幅值高分辨率可控，这些用查表方法是难以实现的，因此，又相继推出了DMA传送的微机控制PWM逆变器和规则采样PWM技术.近年来的一个发展动向是从单一研究PWM型逆变器控制技术向包括电机在内的整个调速系统进行一体化研究.

参考文献

[1] 陈国呈编著.PWM变频调速及软开关电力变换技术[M]. 北京：机械工业出版社，2001.

[2] 孙牺芳，徐著卿. Mcs-51/96系列单片机原理及应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，1998.

[3] 王秩泉.8XC196MX单片机内波形发生器功能剖析[J].电气传动自动化，1998，(5)：49-51.

[4] 程善美，袁尚志.8XC196MC在三相PWM逆变器中的应用[J].电气自动化，2002，(2)：66-68.

[5] 李自成．87C196MC在交流变频调速中的应用研究[J]．电工技术杂志，2003，(10)：52-55.