基于SPWM對農用小功率單相變頻控制系統的設計

摘 要： 針對農用小功率三相交流電機不易獲取三相電源而無法廣泛應用的問題，設計了一種在農用220 V單相交流電源的情況下，可輸出電壓幅值可無級調控的三相交流變頻系統，能夠實現小功率三相交流電機在農用單相電源的情況下廣泛地使用。實驗結果表明：當輸入220 V交流電源時，可輸出三相可控的交流電源。系統硬件設計合理，為農用小功率電源的變頻控制的廣泛應用提供了技術支持。

關鍵詞： SPWM； 小功率電機； 單相交流變頻； 變頻控制

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）16?0161?03

0 引 言

目前，國內外關于交流變頻技術的研究很多，但大多是對針對中、高等級功率的三相交流變頻技術的研究，對于農用小功率電器研究較少，對農用單相變頻系統的具體設計較少[1]。而隨著農用電器在農業、家電上的廣泛使用，小功率的單相輸入、三相交流輸出變頻技術可解決這一實際的問題。為此，本文設計了一套基于SPWM算法單相交流變頻調速系統，以單相交流220 V為輸入電源，經過單相不可控橋式整流，再經過大電容濾波，獲得穩定的直流270 V電壓，再經過三相橋式逆變電路，獲得電壓幅值可調的三相交流電，供給三相交流電機工作。

1 系統總體設計方案

系統基于變頻控制的基本原理，采用恒定V/F比值控制，保持輸入電壓幅值與頻率成線性關系，通過單片機實現SPWM控制。

1.1 系統功能結構

系統的結構框圖如圖1所示，系統采用交?直?交電力電子變壓變頻的典型結構。單相交流220 V為輸入，經過單相不可控橋式整流，再經過大電容濾波，獲得穩定的直流270 V電壓，再經過三相全波逆變電路輸出。同時，控制電路根據SPWM控制的算法原理，計算出調頻和調幅的大小，并與變頻器反饋的輸出電流進行比較分析，得出理想的控制波形通過驅動電路以驅動開關器件IGBT的開通與關斷，從而輸出頻率幅值可調的三相交流電。系統主要功能有直流電壓檢測、輸出電流采集、溫度采集及保護、短路保護、過流保護。控制系統控制電路選用的是16位單片機dsPIC30F6010A[2]，以實現對各個參數的調節和對系統的保護等功能。

1.2 SPWM波形算法原理

通過傅里葉分析得知，SPWM波形輸出的基頻幅度為：

[U1m=Um1-1Ni=1Ncos2i-1πN] （1）

式中：N為半個波形中的脈寬個數；Um為輸入電壓的幅值。當N>1時有U1m>Um，因此輸出電壓基波正是調制時所要求的正弦波，同時還可知這種SPWM發生方法可以有效抑制k=2N-1次以下的低次諧波，存在高次諧波[3]。加在交流感應電機的三相繞組上的電壓分別為：

[eu1=Emsin ωt] （2）

[eu2=Emsin（ωt+180°）] （3）

式中：[Em]為電壓幅值；[ω]為輸出電壓的角頻率；[ω=2πf]，f為輸出電壓的頻率，也就是波形發生器的調制頻率。相位上互差120°的三相電壓加到感應電機的繞組中，產生三相電流，形成一個圓形的旋轉磁場，帶動電機轉子轉動。恒定V/F比值控制時，輸入電壓幅值與頻率成線性關系，而被控制的電機一般具有簡單的V/F線性關系，則可以用計算方法來代替V/F表[4]。圖2描述了V/F控制具體計算流程。

2 系統的SPWM控制電路

SPWM控制電路主要由dsPIC30F6010A單片機、MC54HC244、PNP三極管Q1、供電電源、電容和電阻等組成，如圖3所示。R1為Q1的集電極電阻和MC54HC244的上拉電阻，使信號箝位在高電平[5]，從而提高芯片輸入信號的噪音容限，以增強抗干擾能力，同時，也起到限流作用。R2為Q1的基極電阻，起限流作用。C1并接在5 V電源和地之間，作為支撐電容、蓄電池作用。當逆變器正常工作時，電流檢測的值與SPWM計算給定值進行比較，得到高電平，單片機SPWM故障引腳FLTA輸入高電平信號，允許SPWM波輸出。同時，Q1導通，MC54HC244使能端G為低電平，輸出端Y輸出SPWM信號。當逆變器發生短路等故障時， Q1截止，MC54HC244使能端G為高電平，封鎖SPWM信號輸出，實現硬件保護。同時，單片機故障引腳FLTA接入低電平，封鎖SPWM波輸出，實現軟件保護。

3 SPWM系統的軟件實現

系統軟件的主要任務是輸出SPWM波供給驅動電路，以驅動IGBT逆變回路，同時處理采樣電路反饋信號，實現電壓及電流的控制。SPWM波主程序的設計包括5個部分，即初始化、邊緣參數識別、頻率和幅度的計算、相位增量和幅度調制系數的計算。初始化中又包括I/O口、SPWM時基寄存器和A/D轉換的設置。設置SPWM的控制寄存器，使SPWM定時器工作在SPWM發生方式，定時器清除時鐘使用周期匹配，周期中斷設為每個周期中斷一次，計數邊沿使用時鐘的上升沿。主程序流程圖如圖4所示。

4 實驗測試

系統運用MPLAB軟件集成開發環境IDE 8.53中的在線調試器MPLAB ICD2對本系統進行調試。MPLAB IDE軟件是一個帶有用于編程開發和調試微芯單片機設計應用程序的工具包的桌面開發環境。MPLAB IDE可以方便應用于Windows XP、Windows 2000和Windows NT操作環境。MPLAB IDE是MPLAB編輯器、MPLAB ASM30匯編器、MPLAB SIM軟件模擬器、MPLAB LIB30庫、MPLAB LINK30鏈接器、MPLAB ICE 4000在線仿真器、PRO MATE II編程器及在線調制器ICD2等各種Microchip開發系統工具共用的用戶界面。如圖5所示為IDE 8.53 操作界面。運用MPLAB軟件對所得的單相變頻系統進行在線調試，可測試本系統的性能。

5 結 語

通過MPLAB軟件，對農用小功率單相變頻調速系統性能做了測試。

（1）系統結構合理，輸入/輸出過程穩定，具備小功率單相交流輸入、系統控制輸出可控的三相交流電機的調速功能。

（2）單片機輸出SPWM波形穩定、可靠，逆變器能輸出的正弦交流波形能滿足小功率三相交流電機的使用。

參考文獻

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