基于SA868的超小型變頻器研制

作者：空軍工程大學(xué) 電訊工程學(xué)院徐小杰侯振義時間：2002-12-05 來源：電子設(shè)計應(yīng)用

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引言
隨著現(xiàn)代控制技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)已達到了完全可以與直流調(diào)速相媲美的程度，其卓越性能使其應(yīng)用范圍越來越廣。作為變頻調(diào)速系統(tǒng)核心部件的變頻器研制，從功率方面講，正在向兩個方向擴展：一是將功率做的更大，滿足超大功率場合調(diào)速拖動的需求；一是將功率做到更小，滿足小功率、超小型功率場合的需求。二者都是當(dāng)前變頻調(diào)速器研究的熱點。向大功率方向擴展要解決的主要難題是提高可靠性，而向超小功率場合擴展要解決的主要難題是提高性價比。向小功率特別是超小功率擴展其應(yīng)用對象遍布各行各業(yè)，量大面寬。一旦推廣，必將產(chǎn)生客觀的經(jīng)濟效益和社會效率。本文就超小功率變頻器的研制做了一些初步的探討。
研制的變頻調(diào)速器采用英國MITEL公司生產(chǎn)的變頻調(diào)速集成芯片SA868為控制核心，輸出調(diào)速所需的變頻、變壓的同步PWM波形，構(gòu)成了驅(qū)動三相感應(yīng)電動機的最簡便的變頻調(diào)速系統(tǒng)，當(dāng)輸入電壓過高，三相逆變輸出電流過大,該變頻器會立即關(guān)閉PWM波形輸出，可以保護功率級半導(dǎo)體器件。該調(diào)速器輸入為隨處可用的50Hz、220V交流，故特別適用于小功率及超小功率調(diào)速場合。

變頻器框圖及工作原理
由圖１可知，輸入的單向220VAC經(jīng)整流濾波得到光滑的高壓直流，該直流作為輔助電源的原邊電壓和三相逆變器的輸入電壓。過壓、過流檢測單元，將時時檢查整流濾波電容兩端的電壓，及其直流回路的電流，將信號送入專用集成控制芯片，提供相應(yīng)的安全保護。專用集成芯片是該變頻器的控制核心，采用英國MITEL公司SA868，該片功能強，外圍元件少，連接簡單，使用方便。根據(jù)SET1~SET4輸入的調(diào)速指令，輸出六路雙邊沿調(diào)制的PWM波形，該六路輸出經(jīng)隔離，功放后推動三相逆變器，三相逆變器由內(nèi)帶續(xù)流二極管的六單元IGBT模塊組成。從而大大減少了連線，縮小了體積，提高了可靠性，而且安裝方便，調(diào)試容易。三相逆變器輸出可直接驅(qū)動三相小功率電機。

原理電路研制
根據(jù)上述最小系統(tǒng)框圖，設(shè)計、調(diào)試了每個單元具體電路，現(xiàn)分別簡述如下：
整流濾波及過壓、過流檢測電路
電路如圖2所示。
圖2中RT1為熱敏電阻，用來限制和降低啟動瞬間的沖擊電流。經(jīng)D1~D4、C1整流濾波后的高壓直流直接送至6單元IGBT模塊的直流輸入端。C3電容盡可能靠近IGBT模塊，以濾除直流母線上竄入的各種高頻干擾。過壓檢測信號，過流檢測信號與整流濾波的模擬地共同構(gòu)成檢測單元輸出，該兩組輸出送至控制單元。
專用集成控制芯片
專用變頻調(diào)速控制集成芯片SA868為三相脈寬調(diào)制器。
引腳介紹如下：
：復(fù)位端，低電平有效，當(dāng)其輸入為低時，完成下述功能：
● 所有PWM輸出置零；
● 所有內(nèi)部計數(shù)器置零；
● 瞬時頻率置零，方向選擇位置1；
DIR：方向設(shè)置端，該位輸入為高，且內(nèi)部信號允許時，為正方向旋轉(zhuǎn)；該位輸入為此時，反方向旋轉(zhuǎn)。
SET1~SET4：速度設(shè)置端，通過改變這四位數(shù)值可設(shè)置新的目標(biāo)頻率；
VMONITOR：逆變器輸入電壓監(jiān)控端；
IMONITOR：逆變器輸入電流監(jiān)控端；
Raccel：加速速率設(shè)置端，外接電阻電容；
Rdecel：減速速率設(shè)置端，外接電阻電容；
XTAL1：時鐘輸入端；
XTAL2：時鐘輸出端；
UPPER OUTPUT：逆變橋臂高端輸出；
LOWER OUTPUT：逆變橋臂低端輸出；
SET TRIR：輸出關(guān)閉設(shè)置端，當(dāng)其輸入為高時，經(jīng)過３~４個主時鐘頻率周期的延時，仍為高，則PWM輸出信號被禁止，該機制狀態(tài)可通過清除。
：關(guān)閉狀態(tài)指示端，低電平有效，低電平指示已關(guān)閉PWM信號，該端可直接驅(qū)動LED；
芯片特點
專為民用產(chǎn)品設(shè)計的波形產(chǎn)生器，工作溫度為0℃~70℃；內(nèi)設(shè)驅(qū)動器，或直接驅(qū)動光耦，實現(xiàn)隔離；載波頻率選擇可高達24KHz，實現(xiàn)無噪聲運行；調(diào)制頻率范圍寬：0~4000Hz;
由用戶定義的所有參數(shù)，有廠家編程在ROM中；雙極性調(diào)制；最小脈寬，死區(qū)時間可選擇；加速時間、減速時間的選擇由外部電阻設(shè)置；有三種波形可供用戶選擇；SA868為24引腳，有雙列直插式和扁平小外形兩種封裝形式。
芯片連接方法
在超小型變頻器中，SA868具體連接如圖3所示。
圖3中，過流檢測信號經(jīng)運算放大器358組成的同相放大器送入SA868的電流監(jiān)控端，假如發(fā)生過流，SA868會瞬時禁止PWM信號輸出，電壓檢測信號送入電壓監(jiān)控端。R7、R8、C5、C6分別確定加速振蕩器和減速振蕩器的頻率。通過改變R、C值，就可設(shè)置所需的加速和減速頻率。該片的時鐘由20MHz的晶振提供，為確保晶體正常工作，晶振兩引腳到數(shù)字地之間應(yīng)接入10pF~68pF電容。運算放大器358B及其電阻、穩(wěn)壓管構(gòu)成欠壓檢測電路，當(dāng)工作電壓過低時，運放358B輸出高電平，使SET TRIP端置1，瞬時關(guān)斷PWM輸出，保護功率級免受損壞。速度設(shè)置及保護告警均通過P1插座輸入和輸出。
SA868六路輸出的隔離驅(qū)動電路完全相同，下面僅以其中一路為例，如圖4所示。從SA868的XTAL2端輸出的20MHz信號經(jīng)2個74HC74組成的4分頻得到5MHz的方波輸出，該輸出接至74F126，從而使BC337、BC227構(gòu)成的推挽式開關(guān)電路按5MHz頻率工作，即隔離變壓器T2也以5MHz高頻方式工作，該變壓器T2所加的電源電壓為PWM信號RPHT，因而將該控制信號通過高頻斬波傳送到T2副邊，副邊經(jīng)過D6~D9全波整流，又恢復(fù)成原控制信號，加至模塊的G、E之間，該驅(qū)動電路即實現(xiàn)了隔離，而且體積重量非常小。