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杜尚豐

1  引言
單相變頻器市場潛力很大，特別是在輕工業(yè)、農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域（有大量的泵機(jī)、風(fēng)機(jī)）能源緊張的情況下，其國內(nèi)市場看好。作者提出雙CPU協(xié)作控制方案，采用低成本的器件設(shè)計(jì)了單相變頻器。本變頻器功率375W~5KW，能滿足輕工、農(nóng)業(yè)工程中的風(fēng)機(jī)、泵機(jī)控制的一般要求。
2  系統(tǒng)框圖及工作原理
系統(tǒng)由控制電路和整流逆變器主電路組成，如圖1所示。控制電路由兩個控制板組成，分別稱主控CPU板，副控CPU板。主副控板通過串口通訊協(xié)同工作，產(chǎn)生變頻SPWM信號，通過驅(qū)動電路供給逆變電路門控極。采用兩片CPU協(xié)同作業(yè)目的就是提高運(yùn)算及操作速度，以滿足調(diào)速系統(tǒng)實(shí)時性要求。考慮t00時間約束問題，主控CPU板產(chǎn)生調(diào)頻信號嚴(yán)格遵循互鎖規(guī)則，變頻器主電路由整流、濾波、過壓保護(hù)和逆變電路單元組成。
 

圖1  系統(tǒng)原理框圖

220VAC經(jīng)過整流電路后提供給變頻器。如果門極信號G1、G4邏輯電平為0，G2、G3的邏輯電平為1，IGBT2、IGBT3導(dǎo)通，IGBT1、IGBT4截止，Vab>0；如果門極信號G1、G4邏輯電平1，G2、G3的邏輯電平為0，IGBT1、IGBT4導(dǎo)通，IGBT2、IGBT3截止，則Vab<0。如此進(jìn)行邏輯切換，Vab生成交變電壓。整體邏輯切換由主控CPU板完成。
3  調(diào)頻信號生成
調(diào)頻信號由主CPU生成，定時器T0設(shè)定為定時中斷方式，定時中斷頻率為調(diào)頻信號的頻率，改變定時器T0定時時間常數(shù)就等于改變了調(diào)頻信號的頻率。調(diào)頻信號波形如圖2所示。
 

圖2  調(diào)頻信號波形

圖2中t00是為保證一對IGBT可靠關(guān)斷后再開通另一對IGBT而設(shè)置的，這樣就避免同一橋臂兩個IGBT同時導(dǎo)通。這是一種軟件保護(hù)法。
4  變頻方式
按其工作原理，變頻方式有三種：V/f控制變頻器；轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器；矢量控制變頻器。其中V/f方式是一種簡便易行的控制方式，盡管精度有限，但在輕工、農(nóng)業(yè)工程中可得到廣泛應(yīng)用。V/f=常數(shù)是V/f控制的一般性規(guī)則，就是在整個調(diào)整范圍內(nèi)異步電動機(jī)的磁通保持不變。在調(diào)速過程中就需要調(diào)整f的同時，還要調(diào)速V，這是一個問題；另一個問題是異步機(jī)在低頻區(qū)運(yùn)行時，電動機(jī)繞組中的電阻壓降不可忽略，為了保證電動機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩特性，必須對電壓進(jìn)行補(bǔ)償；第三個問題是調(diào)速系統(tǒng)的載波比N的選擇要合適，盡可能地滿足沖量原理，以保證電動機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。在本設(shè)計(jì)中，對這三個問題進(jìn)行了平衡考慮。主控CPU板給定調(diào)頻信號，并把調(diào)頻信號的周期通過串口傳給副控CPU板。副控CPU板根據(jù)調(diào)頻信號周期綜合考慮以上三個問題后生成SPWM信號，通過I/O傳給主控CPU板。
5  SPWM信號的生成
主CPU板把調(diào)頻信號周期送給副CPU板，副CPU板據(jù)此由定時器T0生成PWM信號并由副CPU板的I/O口輸出，PWM信號送給主控CPU板與調(diào)頻信號合成SPWM信號如圖3所示。 

圖3  SPWM 波形

6  制動功能
如果被控電機(jī)需緊急制動，可以通過主控板上的按鍵來實(shí)現(xiàn)，工作過程是先封鎖IGBT門極信號，然后開通一對IGBT把直流電供給單相電動機(jī)。當(dāng)速度傳感器的輸出電壓為零時，說明電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為零，這時封鎖開通的IGBT門極信號從而實(shí)現(xiàn)了緊急制動。
7  系統(tǒng)保護(hù)及抗干擾方法
抗干擾技術(shù)是單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵性問題之一，本系統(tǒng)采用開關(guān)電源供電，外加特制濾波器，使各路電源互不干擾。在設(shè)計(jì)電路板時也進(jìn)行了優(yōu)化，高頻與低頻信號線分開。強(qiáng)弱電實(shí)現(xiàn)光電隔離，使整機(jī)抗干擾性能大為提高。Watch-dog在惡劣的環(huán)境下很少被激活。系統(tǒng)有過流過壓保護(hù)，使用高靈敏度霍爾元件檢測電流，通過檢測電流及電流的變化率的大小確定一般過流還是短路（一橋臂兩功率管同時導(dǎo)通），進(jìn)而做出封鎖IGBT門極信號的決策。如果頻繁發(fā)生過流，系統(tǒng)會自動報警停機(jī)，并提示需要維修；過壓保護(hù)在變頻器直流側(cè)加電阻――功率三極管保護(hù)，過壓時功率管導(dǎo)通，過壓產(chǎn)生的能量迅速消失在電阻上。

8  實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
實(shí)驗(yàn)設(shè)備有：測轉(zhuǎn)速的光電傳感器（輸出脈沖）；霍爾電流傳感器，檢測電流0～50A，輸出電壓0～5VDC；單相異步電動機(jī)，額定電壓220VAC，額定電流0.14A，功率35W；及一些輔助設(shè)備等。調(diào)速實(shí)驗(yàn)：變化頻率10～20Hz、21～70Hz、71～500Hz。在低頻段電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩減小，主要是電動機(jī)繞組中的電阻上的電壓與電抗上的電壓相對比增大，此時需電壓補(bǔ)償才能獲得較大的轉(zhuǎn)矩；在中頻段，基本維持恒轉(zhuǎn)矩，調(diào)整平穩(wěn)；在高頻段，由于額定電壓受限，V/f比隨頻率增大而變小，電動機(jī)的磁通也隨之變小，轉(zhuǎn)矩也逐步減小。限定功率實(shí)驗(yàn)：盡管同一橋臂的兩只IGBT導(dǎo)通，也不會損壞IGBT。順利通過了制動、過電流和過電壓實(shí)驗(yàn)。當(dāng)不加任何約束進(jìn)行人為短路破壞性實(shí)驗(yàn)時，IGBT中的電流變化率急劇上升，瞬間能量不能通過散熱器件釋放，造成IGBT爆炸。由于經(jīng)費(fèi)有限，沒有進(jìn)行其他極限參數(shù)實(shí)驗(yàn)。這類變頻器成本低，精度有限，適用于調(diào)速范圍不太寬的輕工、農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域。