三相PWM产生器HEF4752在变频调速系统中的应用

电气自动化技术网1三相PWM产生器HEF4752在变频调速系统中的应用11引言随着电力电子技术、微机控制技术以及大规模集成电路的发展，基于集成PWM电路构成的变频调速系统以其结构简单、运行可靠、节能效果显著、性价比高等突出优点而得到广泛应用。本文介绍的GTRSPWM变频调速系统是以大规模专用集成电路HEF4752和单片机（8098）为核心构成的控制电路，由HEF4752产生的三相PWM信号经隔离、放大后，驱动由GTR构成的三相桥式逆变器，使之输出三相SPWM的波形，实现异步电机变频调速。2HEF4752简介HEF4752是采用LOCMOS工艺制造的大规模集成电路，专门用来产生三相PWM信号。它的驱动输出经隔离放大后，既可驱动GTO逆变器，也可驱动GTR逆变器，在交流变频调速和UPS中作中心控制器件。2.1主要特点1）能产生三对相位差120°的互补SPWM主控脉冲，适用于三相桥结构的逆变器；2）采用数控方式不仅能提高系统控制精度，也易于与微机联机；3）采用多载波比自动切换方式，随着逆变器的输出频率降低，有级地自动增加载波比，从而抑制低频输出时因高次谐波产生的转矩脉冲和噪声等所造成的恶劣影响。调制频率的可调范围为0～100Hz，且能使逆变器输出电压同步调节。4）为防止逆变器上下桥臂器件直通，在每相主控脉冲间插入死区间隔，间隔时间连续可调。2.2引脚说明HEF4752为28脚双列直插式标准封装DIP芯片，它有7个控制输入，4个时钟输入，12个驱动逆变器输出，3个控制输出。其外部管脚排列如图1所示。各管脚功能描述如表1所列。2.3HEF4752工作原理HEF4752是一种基于同步式双缘调制原理产生SPWM信号的专用集成电路,其原理框图如图2所示。2.3.1输入功能1）输入I用来决定逆变器驱动输出模式的选择，当I为低电平时，驱动模式是晶体管，当I为高电平时，驱动模式是晶闸管；电气自动化技术网22）输入控制信号K和时钟输入OCT共同决定逆变器每对输出信号的互锁推迟间隔时间；3）相序输入CW用来控制电机转向。当CW为低电平时，相序为R、B、Y；当CW为高电平时，相序为R、Y、B；电气自动化技术网34）输入L用来控制起动/停止，L为低电平时，在晶体管模式下封锁HEF4752所有的脉宽调制驱动输出，但产生输出信号的内部电路仍在继续“运行”。L为高电平时解除封锁。L除起停电路外，还可方便地用于过流保护；5）控制输入A、B、C供制造过程试验用。工作时必须接到Vss（低电平）。但A还有另外一个用处，即刚通电时，A置高电平初始化整个IC片，被用作复位信号；6）时钟输入频率控制时钟（FCT）控制输出PWM信号的基波频率，即决定逆变器的输出频率fout，从而控制电机转速，fFCT=3360×fout。电压控制时钟（VCT）控制PWM信号的基波电压幅值，使输出电压自动地正比于其输出频率，在给定的输出频率下，平均逆变输出电压的幅度由fVCT控制。参考时钟（RCT）是一个固定时钟，它决定逆变器的最高开关频率fs(max)，fRCT=280×fs(max)，一旦fRCT确定，则HEF4752输出脉冲的调制频率就在0.6fs(max)～fs(max)之间变化，且逆变器的开关频率是输出频率的严格整数倍fs=N×fout，N为频率比，其N值为15，21，30，42，60，84，120，168；7）输出推迟时钟（OCT）控制HEF4752每对输出信号互锁推迟间隔时间τd（对晶体管模式）以防逆变器同一桥臂上、下两只开关器件同时导通引起直通，推迟间隔时间的选择端（K）一起决定τd的长短，其关系式为一般情况K保持为高电平，通常可取fRCT=fOCT。2.3.2输出功能1）逆变驱动输出HEF4752有六个主驱动输出组成三个互补对，还有和每一主输出相关联的辅助输出。在驱动GTR逆变器时，输出波形是双边沿调制的脉宽调制波，其调制原理可由图3加以说明。图中假定载波在一个周期内有9个脉冲（这个脉冲数被称为频率比），载波脉冲的两个边沿都用一个可变的时间间隔量δ加以调制，而且使δ∝sinθ（θ为未被调制时载波脉冲边沿所处的时间，或称角相位）。sinθ0时，该处的脉冲变宽；sinθ0时，该处的脉冲变窄。三相输出的调制脉冲波相位互差120°，如图3中UR、UY、UB所示。图3中的VRY是R相和Y相间的线电压波形。这个脉冲波平均值的波形接近正弦波。显然，频率比N的值越大，线电压平均值的波形就越接近正弦波，而良好的正弦波输出，正是交流电机所要求的。电气自动化技术网42）控制输出RSYN是一个脉冲输出，其频率等于fout，脉宽等于VCT时钟的脉宽，主要为触发示波器扫描提供一个稳定的参考信号。输出电压模拟信号VAV为一数字信号，它模拟逆变器输出线电压的平均值。它不受互锁推迟间隔的影响，也不被控制输入L封锁，其频率等于逆变输出频率fout，并为6fout所调制，VAV在fVCT的闭环控制中非常有用，可用来改善输出电压对输出频率关系的非线性。逆变器开关输出CSP是一脉冲串，不受L状态的影响，其频率为逆变器开关频率的2倍，其中每一脉冲的下降沿发生在主输出的零调制点。3系统的硬件电路整个系统的硬件电路由主电路、控制电路、驱动电路、保护电路等构成，其电路框图如图4所示。3．1主电路其形式是AC/DC/AC逆变电路，由三相整流桥、滤波器、三相逆变器及电流互感器LEM组成。三相交流电经三相桥式整流后，得到脉动直流电压，再经电容器C1、C2和均压电阻R1、R2组成的储能、滤波后以直流电压供给逆变器。主开关器件选用日本富士公司生产的EHR系列的6单元GTR模块，构成本系统三相逆变器。3.2控制电路8098单片机及外围电路芯片8254，2764、74LS273、74LS139和HEF4752三相PWM产生器构成本系统控制电路，其控制框图如图5所示。电气自动化技术网5单片机除完成对HEF4752的初始化、输出脉宽控制、频率控制外，还同时完成数据处理、模拟信号与数字信号的检测、保护功能的逻辑判断。在系统通电时，HEF4752必须有初始化过程。在初始化的前半段，内部电路应被清零，要求至少送3360个脉冲进入FCT端。在初始化的后半段，输入脚的所有输入状态都必须建立起来。如果FCT从零开始起动，最好以0.04fRCT的频率送3360个脉冲给FCT端，否则，HEF4752的前几个输出脉冲将是以频率比N=15而不是168送到逆变器，这有可能对逆变器造成损害。3.3驱动电路GTR基极驱动电路的性能直接影响着GTR的工作状况，因此在设计和选择基极驱动电路时，应考虑最优化驱动和自动快速保护的特点。本系统驱动电路由UAA4002构成。HEF4752输出PWM信号经脉冲变压器或光电耦合器，通过驱动模块UAA4002对工作于开关状态的GTR模块实现最优基极驱动。其正向驱动能力为0.5A，反向驱动能力为－3A，如果需要增加驱动能力，可外接功放晶体管加以扩展。3.4保护电路为使GTR逆变器安全工作，控制电路中必须有保护电路。保护电路的功能包括过压保护、过流保护、过载保护。采用电流传感器模块（LEM）测三相逆变器的输出电流，电流检测信号经测量电阻转换成电压信号。过压保护信号取自主电路滤波电容器端，经电阻分压后获得。为防止高压信号进入控制电路，而采用光电隔离。一旦检测值超过给定值，保护电路发出的信号和来自单片机的控制信号一起封锁了HEF4752三相PWM脉冲输出，使GTR关断。电气自动化技术网64系统软件设计软件程序设计是整个系统控制设计的核心，它控制逆变器的输出特性，如电压、频率范围、稳定度、可靠性等，图6为系统的程序框图。本系统的控制程序功能如下：1）8098单片机、外围芯片及HEF4752的初始化，满足系统的通电条件，确保逆变器的安全运行。在系统通电时，需对HEF4752进行初始化，此时其输出被封锁，以建立起正确的时钟和输入条件，使逆变器的功率器件不致因HEF4752的误输出而损坏。2）合理选用逆变器的输出控制方式。逆变器输出频率为0～60Hz，输出频率小于50Hz时，电动机运行在恒转矩特性段；输出大于50Hz时，电动机运行在恒功率特性阶段。为了补偿低频段定子绕组压降，在低频段适当地改变fVCT值。图7为逆变器实际的电压频率运行曲线。3）逆变器输出频率由面板的电位器给定。在初始化完成后，由软件改写中断挂号寄存器INT－PENDING，以期产生A/D完成中断，读入初始给定的频率值，随后的设定值由A/D完成中断，每隔100ms定时读入，并经中值滤波，以消除干扰的影响，用软件控制HEF4752输出的PWM脉冲。电气自动化技术网74）根据给定的变化，控制电机平滑、快速地跟踪给定转速。系统有积分软起动功能，用户可突给频率，使输出平滑地跟随给定的变化。系统还设有快/慢启动及正/反转开关供用户选择。5）在程序中还安排了故障及显示程序。一旦出现故障，可自动切断主电路电源、封锁PWM信号输出，判别故障类型并显示出来。5结语本系统采用8098单片机和三相PWM产生器HEF4752后，使系统硬件结构大为简化，元器件减少，结构紧凑，成本降低，提高了系统的稳定性，在中小型异步电机调速与不间断电源应用方面具有一定的应用价值。