SA866在VVVF調速系統(tǒng)中的應用

李 瑾

LI Jin

（南昌工程學院 機電學院，南昌 330099）

0 引言

電機交流變頻技術是一種將功率和控制綜合應用的技術。在變頻器技術中最重要的是SPWM脈沖的產生，通常采用的方法有模擬法和數(shù)字法，數(shù)字法的實現(xiàn)一種是利用微處理器計算查表得到，常需復雜的編程，另一種是利用專用集成電路(ASIC)來產生PWM脈沖，不需或只需少許編程，使用起來極為方便。用于產生PWM 波的專用大規(guī)模集成電路芯片主要有 HEF4752，SLE4520，MA818 和 8XC196MC等，但它們都需要比較復雜的外圍控制電路或是需要借助于微處理器才能構成運動控制系統(tǒng)。由M IT EL公司推出的三相PWM運動控制芯片SA866是一種全數(shù)字化高智能的PWM控制器，其接口簡單，工作中無需微處理器，許多重要的運行參數(shù)可在器件初始化時編程設置，非常適于用在通用變頻器及高性能變頻調速系統(tǒng)中。

本文設計了一種以專用集成芯片SA866為控制核心的新型全數(shù)字化三相SPWM變頻器，它采用IGBT作為主功率器件，充分利用其外圍電路簡單、具有多種波形選擇、無需其它處理器配合的特點，采用這種變頻器，可以得到相當接近正弦波的輸出電壓，并能使功率因數(shù)接近于1，同時只要通過對輸出脈沖寬度的控制就可以改變輸出電壓，大大加快了變頻器的動態(tài)響應。

1 SA866AE的特點及原理框圖

SA866是專為感應電機的PWM控制設計的一款集成電路，其內部包含了波形、頻率、幅值等控制信息，控制實行全數(shù)字化，重復性好，無溫漂，無時漂。SA866AE 采用異步不對稱規(guī)則采樣的調制方法，脈沖調制信號是通過比較輸入?yún)⒖疾ㄐ魏透哳l載波得到的。三角波（載波)由 1個上/ 下計數(shù)器合成，并通過數(shù)字比較器和輸入?yún)⒖疾ㄐ芜M行比較。SA866為用戶提供的參考波形以數(shù)字形式存在內部的ROM 中，有3種形式：純正弦波、三次諧波、帶死區(qū)三次諧波。PWM波形最終輸出三對互補信號分別驅動三相逆變橋的上下開關器件。腳SETPIONT給定的電壓決定了電源工作頻率或電壓的幅值，經一快速10位A/D轉換器轉換后的數(shù)字量作為加速/減速單元電路的目標頻率或電壓值。加減速時間分別由外圍RC決定。內部電源頻率是一個十六位數(shù)字量，因此，它比十位的給定頻率更能平滑地加速和減速。輸入端Vmon和Imon也可控制加速/減速，當Vmon或Imon信號有效時，不論正常的頻率如何變化，可以強制使加速率或減速率為O，防止功率開關管被沖擊，實現(xiàn)對開關管的過流和過壓保護。外部中斷輸入腳TRIP允許一有效高電平迅速關斷PWM輸出，當輸入高電平時，PWM輸出被封鎖。只有通過復位輸入才能恢復工作。方向控制DIR端可以使輸出的對稱三相PWM波某兩相轉換相序，實現(xiàn)反轉。

SA866具有調頻調速范圍寬以及無噪。

2 系統(tǒng)工作原理

整個系統(tǒng)采用三相全橋整流，然后通過三相逆變器將整流后的直流電轉換為可進行壓頻協(xié)調控制的交流電壓。圖2所示為采用SA866作控制芯片的變頻調速系統(tǒng)電路圖，實現(xiàn)VVVF開環(huán)控制。系統(tǒng)的控制由SA866獨立實現(xiàn)，無需與微控制器相配合。保護電路主要有：驅動電壓欠壓保護、直流聲運行的特點，當時鐘頻率為25MHz時，載波頻率最高可達24kHz，輸出頻率可達4kHz，其輸出頻率以及加速減速的快慢都可由外接電位器在線連續(xù)調節(jié)。所有需定義的參數(shù)如載波頻率、死區(qū)時間、最小脈寬、調制波形、V/F曲線等均存儲在外接的串行EEPROM中，上電時自動讀入SA866中。SA866有6種工作模式，它可以變頻變幅，也可以定頻變幅；可以獨立運行，也可與微處理器配合使用，基本做到了低價格多功能，在許多逆變領域均可采用。它除了能產生合乎要求的PWM脈沖外，還集成了完備的過流、過壓保護功能，并可在緊急情況如短路、過熱時快速關斷PWM脈沖，保護逆變器和電機。其原理框圖如圖1所示。

側電壓過壓保護、過載保護和短路保護等。在作為三相變頻器使用的時候，SPWM控制電路輸出六路PWM波形，分別控制三相逆變橋的六個IGBT。調節(jié)給定頻率，電機的轉速就會隨之變化。變頻器工作在0～80Hz的范圍內，其中設定50Hz為基頻，即電機從0Hz到50Hz變化時，輸出電壓是遵循壓頻比協(xié)調變換的，此時系統(tǒng)工作在恒轉矩區(qū)；當頻率超過50Hz，輸出電壓不再上升，此時系統(tǒng)工作在恒功率區(qū)。

圖1 SA866標準工作方式的原理框圖

圖2 SA866作控制芯片的變頻調速系統(tǒng)電路圖

3 主電路的設計

主電路由整流，濾波和逆變電路三部分構成。為了減小成本，整流部分采用三相橋式不控整流電路，電路簡單、可靠且無需控制電路驅動，缺點是紋波較大，需采用較大的濾波電容。這里用工頻變壓器將三相交流電降為相電壓127V的交流電送到整流電路，整流后的平均電壓是Ud＝1.35，UL＝ 1.35×1.732×127＝ 297V，再用一1000uF/450V的電容用于濾平整流后的電壓紋波；另外當負載變化時，它可使直流電壓保持平衡。

4 控制部分設計

4.1 加減速控制邏輯的實現(xiàn)

加速/減速單元包括一個17位up/down計數(shù)器，一個16位的幅值比較器。計數(shù)器的時鐘和外接的加速或減速RC振蕩器的時鐘同步，加速/減速速率可分別由外圍的RC振蕩器決定。兩個回路的電阻和電容值可以相同，也可不同，從而可以產生相同或不同的加速/減速時間。

從0Hz加速到由頻率范圍確定的最大頻率的時間，或反之由最大頻率減速到0Hz，所需的時間由下式給定：

加速/減速振蕩器輸出控制著加速/減速信號，遞增或遞減頻率。計算過程流程圖如圖3所示。

圖3 加、減速控制邏輯流程圖

計數(shù)器是一個同步up/down計數(shù)器，復位以后，瞬時方向和頻率分別被迫變?yōu)檎蚝?，只要給定頻率等于0，則瞬時頻率就會變?yōu)?，同時相輸出被禁止（強迫為0）。如從此狀態(tài)開始啟動（同剛上電后的狀態(tài)）上橋臂輸出暫時禁止，而下橋臂在PWM恢復輸出前的整個載波周期成高電平。在此期間完成對自舉驅動電路中上橋臂電容的充電，但不會產生短于脈沖取消時間的脈沖。

4.2 控制軟件的實現(xiàn)

工作于標準方式的SA866AE，軟件設計比較簡單，只要根據(jù)系統(tǒng)指標要求，驅動電路參數(shù)，開關管參數(shù)，就可以確定出設計參數(shù)，進行編程。在這種工作模式下，需要編程的參數(shù)總共有7個，包括載波頻率（CFS）、電源頻率范圍（FRS）、脈沖延遲時間（tPDY）、脈沖取消時間、波形選擇、電壓/頻率控制參數(shù)（GRAD，KAY，PED，F(xiàn)C）、A/D輸入門檻電壓。

系統(tǒng)應用的時鐘頻率8MHz，載波頻率7.8125kHz，調制頻率范圍0～81.4Hz，最小脈寬3μs，死區(qū)時間5.1μs。計算過程如下：

1）確定CFS n＝f，所以由式

確定fCARR＝7812.5Hz，則CFS＝000。

2）確定FRS m＝2，所以由式

確定fRANGE＝81.4Hz，則FRS＝010。

3）確定 PDY tPDY＝ 5μs，由式

所以PDY＝35.4，取35，則PDY＝100011，實際死區(qū)時間為5.1μs。

4）確定 PDT 由于 tPD－tPDY＝ 3μs ,得tPD＝tPDY＋ 3 ＝ 8.1μs,由式

得PDT=1010010。實際的最小脈寬為8.1－5.1＝ 3μs。

5）確定V/F曲線控制字 因為是恒轉矩負載，所以FC＝0。Pedestal取3.1%,則由

得PED＝00001000。令fBASE＝50Hz，則

由

得GRAD＝25.1，取GRAD＝25，即為00011001。

6）確定其余選擇字 波形采用正弦波和三次諧波型，所以WS=00或01，AWS＝0000；零頻閾值電壓為0，所以ZTH＝00；KAY未用，所以取為00H，正弦波時所有選擇字中‘1’的個數(shù)為15，所以CHKSUM＝111。

上面這些參數(shù)以頁為單位存入外接的EEPROM中。SA866的微線型三線串聯(lián)接口可與256位或者1024位的串接微線總線型EEPROM兼容，例如93C06或93C46。所有存在EEPROM的參數(shù)在復位以后通過串聯(lián)接口自動下載。所以采用的EEPORM必須要具有地址自動增量的功能，這樣不需要連續(xù)觸發(fā)CS就可以使初始化參數(shù)一位一位地從EEPROM下載到控制芯片中。本系統(tǒng)中我們采用MICROCHIP公司生產的型號為93LC46B的EEPROM，實際應用中只用了它的低256位，它的存儲地址共分為4頁，每頁為4個16位字，每頁應用中包含一套初始化參數(shù)。通過SA866給EEPROM發(fā)出的起始地址命令及所讀取的位數(shù)選擇，因此可以有4套初始化參數(shù)可供選擇。復位以后通過頁選端來確定選用哪一套參數(shù)。

5 結論

本文給出了一種采用PWM控制器SA866和IGBT組成的變壓變頻（VVVF）調速系統(tǒng)，只要改變參數(shù)設置就可以改變系統(tǒng)性能，具有較高智能的控制保護功能。系統(tǒng)控制電路簡單，使用方便，成本低，可靠性高。由SA866構成的變頻系統(tǒng)輸出電壓頻率穩(wěn)定度高，總諧波含量少，低速運行特性好，因此適用于通用變頻器及高性能變頻調速系統(tǒng)的設計。

[1] 張紅蓮. 基于SA866AE的VVVF調速系統(tǒng)的設計[J]. 變頻器世界,2009,8.

[2] 楊慶江,焦文良. 三相 PWM 波形發(fā)生器 SA866AE在交-交變頻器中的應用[J]. 工礦自動化,2003,2.

[3] 高國興 ,榮聚弟 ,李銀生. 以SA866AE 為核心的變頻裝置[J]. 電氣時代,2006,8.