一款低成本小功率變頻器的設(shè)計

蘇家偉

（中山市技師學(xué)院，廣東中山 528400）

0 前言

中山市是我國乃至全球的游戲游藝研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的重要基地。本人曾任職的某游藝機公司三人轉(zhuǎn)馬系列產(chǎn)品是傳統(tǒng)暢銷產(chǎn)品，也是游戲游藝行業(yè)的傳統(tǒng)暢銷產(chǎn)品，這種產(chǎn)品主要是面向兒童游玩者，為了提高游玩者的乘坐舒適性和安全性，通常做法是使用一臺通用的變頻器作啟動、運行和停止的動作?，F(xiàn)在行業(yè)內(nèi)通常的做法是直接購買一臺變頻器，價格在500元到1 000元左右。隨著競爭加劇，公司在開發(fā)和生產(chǎn)產(chǎn)品中想方設(shè)法降低成本，提高競爭力。基于以上情況，筆者設(shè)計開發(fā)了一款低成本小功率變頻器專門用于三人轉(zhuǎn)馬系列產(chǎn)品，成本控制在200元/臺左右，按某公司一年銷售500臺三人轉(zhuǎn)馬估計，直接經(jīng)濟效益就達到15萬到40萬，如果面向全行業(yè)推廣效益非常明顯。

1 設(shè)計過程

三人轉(zhuǎn)馬系列產(chǎn)品應(yīng)用變頻器的目的是讓產(chǎn)品由靜止?fàn)顟B(tài)到運行狀態(tài)有一個緩慢提速的過程，勻速工作運行3～5分鐘后再由運行狀態(tài)到靜止?fàn)顟B(tài)有一個緩慢減速過程。一般加減速時間的設(shè)定是由0～50 Hz 5秒，由50～0 Hz也是5秒。變頻器的主要要求：輸入電壓單相交流220 V，輸出電壓三相220 V，功率400 W，變頻調(diào)速采用VVVF方式，變頻器的運行和停止受三人轉(zhuǎn)馬的控制盒控制，變頻器的參數(shù)設(shè)定就只需設(shè)定加減速時間，運行頻率，變頻器其他功能基本不用。并且注意到許多生產(chǎn)工人和游樂園維修人員對變頻器參數(shù)的設(shè)定覺得有困難。綜合以上信息，結(jié)合行業(yè)的實際，在開發(fā)上思路上，主要是低成本，能滿足三人轉(zhuǎn)馬系列產(chǎn)品應(yīng)用變頻器所用功能和性能要求就足夠了，并簡化變頻器參數(shù)的設(shè)定方法方便生產(chǎn)工人和維修人員，最后就是開發(fā)周期短，方便生產(chǎn)。

綜合各方面因素，筆者選用Freescale公司三相交流電機控制芯片MC3PHAC。該芯片最顯著的特點是將最新的PWM生成和控制技術(shù)集成在一塊DSP中，用戶不用關(guān)心這方面的細(xì)節(jié)，雖然無需編程但保留了設(shè)備的靈活性，用戶可以通過串行口將參數(shù)傳給MC3PHAC。完全滿足我的要求?？紤]到方便生產(chǎn)提高可靠性不采用分立驅(qū)動元件，選用三菱公司的PS21564驅(qū)動模塊。選用常用的單片機STC89C52作為MC3PHAC的主機，單片機同時擔(dān)當(dāng)用戶界面接口芯片。

圖1 原理圖

2 實施方案

總體方案如原理圖1所示，由于本文篇幅所限，原理圖1省略了RUN、STOP、MODE、UP、DOWN、SET 6個按鈕；RUN、STOP、FWD、REV 4個指示燈；4個數(shù)碼管；控制變頻器運行、停止的輸入回路端子；用于斷電記憶設(shè)定參數(shù)的93C46芯片等電路。MC3PHAC有兩種運行模式，第一種孤立模式，第二種模式PC主控軟件模式，由于第二種模式可以將芯片的性能發(fā)揮最佳，本方案選用第二種模式，通過單片機STC89C52實現(xiàn)對MC3PHAC參數(shù)寫入和讀出。MC3PHAC的參數(shù)和功能設(shè)置非常豐富完全可以同市售專業(yè)變頻器的參數(shù)相媲美，但針對本項目我只選取了有用，夠用的參數(shù)，簡化了程式設(shè)計，縮短了開發(fā)周期，在參數(shù)設(shè)定方法上也大大簡化，讓生產(chǎn)工人和游樂園維修人員也容易上手設(shè)定參數(shù)。

由于MC3PHAC采用了多種優(yōu)化技術(shù)[6]，在三相波形產(chǎn)生器里面產(chǎn)生可變頻變壓的六路輸出，而且為了提高直流電壓利用率，在基頻中注入了一個三次諧波，可使最大輸出提高15%的幅度。實際應(yīng)用表明低速力矩提升明顯，可以同市售臺達變頻器的參數(shù)相媲美，比售價500～600元/臺的變頻器低速力矩高出許多。

三菱公司的PS21564驅(qū)動模塊[8]采用三菱第五代IG?BT，死區(qū)時間達到了2μs，可有效提升輸出力矩；載波頻率最大可以是20 kHz，讓變頻器運行噪聲減??；可以單電源驅(qū)動；內(nèi)置專用HVIC，無需絕緣電路，可從MC3PHAC直接接收控制信號；三人轉(zhuǎn)馬的電機功率是370 W，筆者選PS21564驅(qū)動模塊功率為750 W，讓變頻器有足夠的功率剩余，進一步提高變頻器的可靠性。

單片機選用STC89C52RC主要是價格合適，IO口驅(qū)動能力強，穩(wěn)定性好，開發(fā)工具便宜，編寫程序方便。

這款低成本小功率變頻器的工作原理：單片機STC89C52RC通過串口（RXD、TXD）和MC3PHAC串口（RXD、TXD）實現(xiàn)參數(shù)的寫入和讀出，數(shù)據(jù)格式要符合相應(yīng)協(xié)議。單片機負(fù)責(zé)接收用戶的設(shè)定信息，并將這些信息轉(zhuǎn)為相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式發(fā)給MC3PHAC，比如啟動變頻器、設(shè)定加減速時間等等；同時如果有需要也可以從MC3PHAC讀入想要了解的信息，比如變頻器當(dāng)前運行的頻率等。MC3PHAC會根據(jù)單片機發(fā)給的指令或信息執(zhí)行相應(yīng)的動作。只需設(shè)好參數(shù)發(fā)給MC3PHAC，MC3PHAC內(nèi)部的DSP已經(jīng)有編好的程序產(chǎn)生先進的6路PWM信號，這6路信號直接連到PS21564的輸入端，經(jīng)PS21564的驅(qū)動放大就可以直接驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)了。由于篇幅所限單片機上的程序就不提供了。

圖2 萬用板制作完成的樣板

3 結(jié)束語

制作完成的樣板如圖2，在實際的樣板電路開發(fā)中，加入了過熱保護電路，防止開機電壓浪涌電路，故障停機延時自動復(fù)位等功能，制作完成的三塊樣板裝在不同的三臺三人轉(zhuǎn)馬上滿負(fù)荷反復(fù)對比測試，都能滿足各項要求，最終成本、性能都達到了當(dāng)初的設(shè)計要求。這款低成本變頻器設(shè)計取得了初步的成功。經(jīng)過進一步完善電路，和產(chǎn)品工藝化等工作后，進行了小批量試產(chǎn)，試投入運營，初步運營結(jié)果顯示該變頻器性能穩(wěn)定、降低了產(chǎn)品成本，提高了產(chǎn)品的競爭力，取得了較好的經(jīng)濟效益。

［1］郭志勇.單片機應(yīng)用技術(shù)項目教程［M］.北京：中國水利水電出版社，2011.

［2］周航慈.單片機應(yīng)用程序設(shè)計技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［3］馬忠梅.單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［4］葛中海.ProtelDxp2004簡明教程與考證指南［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

［5］宋峰青.變頻技術(shù)［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2013.

［6］郭軍朝，王森.三相交流電機控制芯片MC3PHAC及應(yīng)用［J］.電子技術(shù)，2004（1）：40-42.

［7］Motorola.3-phase AC Motor Controller［EB/OL］.http：//www.motorola.com，Mototola Inc，2002-04-01.

［8］ 三 菱電機.DIP-IPM應(yīng)用技 術(shù)資料 ［Z］.2003-09-16.