第七講三相專用集成電路演示文稿

第七講三相專用集成電路演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有63頁\編輯于星期一優(yōu)選第七講三相專用集成電路現(xiàn)在是2頁\一共有63頁\編輯于星期一一、SA4828及其應用SA4828是一種新型三相SPWM芯片。

SA系列（如SA8281，SA8282，SA4828等）PWM波形發(fā)生器具有精度高、抗干擾能力強、外圍電路簡單等優(yōu)點，其中SA4828主要用于變頻調(diào)速、逆變電源及UPS等工業(yè)領(lǐng)域。現(xiàn)在是3頁\一共有63頁\編輯于星期一SA4828的功能特點

全數(shù)字操作

SA4828通過數(shù)據(jù)總線連接到微處理器/微控制器，SPWM波形生成采用全數(shù)字化規(guī)則采樣方式，避免了模擬電路中存在的漂移問題，使它的脈沖具有很高的精確性和穩(wěn)定性。工作頻率范圍寬

三角載波頻率最高頻率可達24kHz，輸出調(diào)制波頻率范圍可達4kHz，分辨率達到16位。

現(xiàn)在是4頁\一共有63頁\編輯于星期一SA4828的功能特點工作方式靈活

6路PWM輸出管腳均具有±12mA的驅(qū)動能力，可直接驅(qū)動用于隔離的光電耦合器件。其工作參數(shù)，如載波頻率、調(diào)制波頻率范圍、脈沖延遲時間等，可由微處理器以向其寫入控制字的方式方便地確定或修改，不需外加任何電路?，F(xiàn)在是5頁\一共有63頁\編輯于星期一SA4828的功能特點ROM內(nèi)置波形調(diào)制波形以數(shù)字形式存儲在片內(nèi)ROM上，采用異步調(diào)制方式。三種SPWM波形輸出標準正弦波增強型波形：通過采用諧波注入技術(shù)使逆變器直流電壓得到充分利用；高效型波形：又稱帶死區(qū)的增強波形，它可以節(jié)省33％的開關(guān)損耗。現(xiàn)在是6頁\一共有63頁\編輯于星期一SA4828的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、引腳說明

SA4828主要由三部分構(gòu)成：①接收并存儲微處理器命令（控制字）。主要由總線控制，總線譯碼，暫存器R0…R5，虛擬寄存器R14、R15及48位初始化寄存器和48位控制寄存器組成；②讀取波形部分。由地址發(fā)生器和片內(nèi)波形ROM組成；③三相輸出控制電路及輸出脈沖鎖存電路。每相輸出控制電路又由脈沖刪除電路和脈沖延遲電路組成?，F(xiàn)在是7頁\一共有63頁\編輯于星期一2.5三相SPWM專用集成電路

引腳說明：MUX：總線選擇。用來區(qū)分多路和非多路總線。數(shù)據(jù)總線模式可以分為兩種：多路復用的地址/數(shù)據(jù)總線或者分別的地址和數(shù)據(jù)總線。

RS：用于在非多路總線模式中定義輸入字節(jié)是地址（“0”）還是數(shù)據(jù)（“1”），這時它一般被連接到一條地址線上。

在多路模式中，它被內(nèi)置為高電平。現(xiàn)在是8頁\一共有63頁\編輯于星期一SA4828的功能特點

SETTRIP：封鎖控制，高有效。高電平啟動輸出封鎖鎖存，使輸出和六個PWM輸出立即鎖定為低。

當不用SETTRIP時，必須將其保持在低電平，不能懸浮。

現(xiàn)在是9頁\一共有63頁\編輯于星期一SA4828各引腳功能

指示輸出封鎖鎖存器的狀態(tài)，低電平有效。

RPHT

：紅色相（上功率開關(guān)）YPHT：黃色相（上功率開關(guān)）

BPHT：藍色相（上功率開關(guān)）RPHB：紅色相（下功率開關(guān)）YPHB：黃色相（下功率開關(guān)）BPHB：藍色相（下功率開關(guān)）現(xiàn)在是10頁\一共有63頁\編輯于星期一SA4828的功能特點初始化寄存器的設置在工作之前，首先需要向初始化寄存器寫入命令字，來設定與電機和逆變器有關(guān)的基本參數(shù)。初始化寄存器是一個48位的寄存器，各命令字需要先寫入6個暫存器（R0…R5），然后再同時傳送給初始化寄存器。

現(xiàn)在是11頁\一共有63頁\編輯于星期一現(xiàn)在是12頁\一共有63頁\編輯于星期一初始化寄存器的設置（1）載波頻率設定（CFS）：

設定字由CFS0~CFS2三位組成。載波頻率給出如下：

= （2-29）由上式求出n值，n值的二進制數(shù)即為載波頻率設定字?，F(xiàn)在是13頁\一共有63頁\編輯于星期一初始化寄存器的設置（2）調(diào)制波頻率范圍（FRS）。

調(diào)制波頻率范圍設定字由FRS0~FRS2三位組成。計算如下：

（2-30）由上式求得m值。m值的二進制數(shù)即為電源頻率范圍設定字。

現(xiàn)在是14頁\一共有63頁\編輯于星期一（3）脈沖延遲時間的設定（PDY）

該設定字是由PDY0~PDY5六位組成。脈沖延遲時間給出如下：

由上式求得PDY值。它的二進制數(shù)即是脈沖延遲時間設定字。

現(xiàn)在是15頁\一共有63頁\編輯于星期一（4）最小脈寬刪除時間（PDT）。最小刪除脈寬設定字是由PDT0~PDT6七位組成。最小脈沖刪除時間給出如下：由于脈沖延遲電路跟在脈沖刪除電路之后，故輸出的PWM脈沖的實際最小寬度將比設定的脈沖取消時間窄。

現(xiàn)在是16頁\一共有63頁\編輯于星期一（5）波形選擇字。

SA4828內(nèi)部有三種可選的調(diào)制波形。波形選擇字由WS0、WS1兩位組成，可以通過表2-12來進行選擇。

圖2-36SA4828內(nèi)部調(diào)制波形正弦波增強型高效型f(t)f(t)f(t)AA0°180°0°180°360°180°0°360°360°60°120°60°120°240°300°240°300°WS1WS0波形00正弦波（默認）01增強型10高效型（減少開關(guān)損耗）11保留現(xiàn)在是17頁\一共有63頁\編輯于星期一（6）幅值控制位（AC）當AC＝0時，控制寄存器中的紅相位可控制所有三相的幅值。當AC＝1時，控制寄存器中的紅、黃、藍相位分別控制各自的幅值?，F(xiàn)在是18頁\一共有63頁\編輯于星期一（7）看門狗時間常數(shù)的設定（WD）。時間常數(shù)由WD0~WDl5共十六位組成，定時時間由如下公式給出：

如果用25MHz主頻時，時間常數(shù)范圍為41s-268s。控制寄存器的WTE位可以控制看門狗有效或無效。

現(xiàn)在是19頁\一共有63頁\編輯于星期一SA4828控制寄存器編程，包括調(diào)制波頻率選擇調(diào)制波幅值選擇正反轉(zhuǎn)選擇計數(shù)器復位控制看門狗選擇軟復位控制現(xiàn)在是20頁\一共有63頁\編輯于星期一2.5三相SPWM專用集成電路SM2001及其應用

SM2001是國內(nèi)開發(fā)的可產(chǎn)生三相正弦PWM驅(qū)動波形的大規(guī)模集成電路芯片。普通正弦波和高效電機驅(qū)動波兩種波形可供選擇。

SM2001RSTCSCKDAOEINTWVSVDDVDDUTVTWTUBWBCLKGNDVBGND圖2-38SM2001引腳分布圖現(xiàn)在是21頁\一共有63頁\編輯于星期一SM2001及其應用CK：串口時鐘，上升沿鎖入數(shù)據(jù)DA：串口數(shù)據(jù)OE：輸出控制，為高允許PWM輸出INT：異常中斷，下降沿觸發(fā)WVS：內(nèi)部波形選擇，高效/普通SM2001RSTCSCKDAOEINTWVSVDDVDDUTVTWTUBWBCLKGNDVBGND圖2-38SM2001引腳分布圖現(xiàn)在是22頁\一共有63頁\編輯于星期一SM2001及其應用

SM2001可廣泛用于交流異步電機的變頻驅(qū)動，如變頻空調(diào)、變頻冰箱和變頻洗衣機的控制驅(qū)動，各類工業(yè)水泵、風機的變頻驅(qū)動，各類不間斷逆變電源（UPS）等。

現(xiàn)在是23頁\一共有63頁\編輯于星期一2.6單片機和DSP用于PWM信號生成

一般而言，PWM算法占用較多CPU時間，若用軟件直接生成PWM信號，需要采用多字長、運算速度高的微處理器來實現(xiàn)高質(zhì)量的信號輸出。本節(jié)介紹兩種高性能微處理器的PWM信號生成方法：

80C196MC單片機

TMS320F2407A現(xiàn)在是24頁\一共有63頁\編輯于星期一2.6.180C196MC單片機生成SPWM波形

80C196MC是Intel公司專為三相電機變頻調(diào)速設計的16位單片機。地址和數(shù)據(jù)總線都為16位晶振頻率可達16M

有64K字節(jié)的程序存貯器和數(shù)據(jù)存貯器空間片內(nèi)包括512字節(jié)的RAM，160字節(jié)的特殊功能寄存器組

13路模擬輸入通道，2個16位定時器

1個三相波形發(fā)生器（WFG）現(xiàn)在是25頁\一共有63頁\編輯于星期一2.6.180C196MC單片機生成SPWM波形三相SPWM波形是由U、V、W三個單相SPWM波形發(fā)生器生成。

圖2-41SPWM波形輸出示意圖外部中斷保護請求外部中斷輸入各載波周期中斷請求U+tdtdU-td三角波發(fā)生U相脈沖比較及生成脈寬值設定死區(qū)時間發(fā)生器死區(qū)互鎖，脈沖分配與輸出方式控制保護電路現(xiàn)在是26頁\一共有63頁\編輯于星期一三相互補SPWM波發(fā)生器可通過P6口直接輸出六路SPWM信號，每路驅(qū)動電流可達20mA。事件處理陣列EPA有兩個16位雙向定時/計數(shù)器T1和T2，其中T1可工作在晶振時鐘模式，用于直接處理光電碼盤輸出的兩路相位移為90°的脈沖信號，這在速度閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)中非常有用。

2.6.180C196MC單片機生成SPWM波形現(xiàn)在是27頁\一共有63頁\編輯于星期一2.6.2TMS320LF2407ADSP實現(xiàn)SVPWM

TMS320LF2407ADSP芯片是TI公司推出的16位定點數(shù)字信號處理芯片。

主要特點如下：（1）兩個可用于電動機控制的事件管理器，每一個都包含：2個16位通用定時器；8個16位脈寬調(diào)制輸出通道；1個能夠快速封鎖輸出的外部引腳；能防止上下橋臂直通的可編程死區(qū)功能；1個增量式光電位置編碼器接口?，F(xiàn)在是28頁\一共有63頁\編輯于星期一（2）采用了高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使供電電壓降為3.3V，減少了控制器功耗；40MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到25ns，提高了控制器的實時控制能力。（3）片內(nèi)有32K字的Flash程序存儲器，2.5K字的數(shù)據(jù)/程序RAM。（4）看門狗定時器（WDT）模塊，保證系統(tǒng)的可靠性。

現(xiàn)在是29頁\一共有63頁\編輯于星期一2.6.2TMS320LF2407ADSP實現(xiàn)SVPWM（5）可擴展192K字的外部存儲器，分別為64K字程序存儲器，64K字數(shù)據(jù)存儲器和64K字I/O尋址空間。（6）10位ADC轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時間為375ns，可選擇由兩個事件管理器來觸發(fā)兩個8通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器或一個16通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器?，F(xiàn)在是30頁\一共有63頁\編輯于星期一（7）CAN總線控制器可以為控制器、傳感器、激勵源以及其它節(jié)點提供良好的通訊。（8）5個外部中斷（兩個驅(qū)動保護、兩個可屏蔽中斷和復位）。（9）其它優(yōu)點：SCI異步串行口提供全雙工數(shù)據(jù)傳輸功能；SPI同步串行口提供可變長度和速率的串行數(shù)據(jù)輸入和輸出。一般可用于DSP之間以及DSP和外設、控制器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)在是31頁\一共有63頁\編輯于星期一基于TMS320LF2407A實現(xiàn)SVPWM

首先確定參考輸出電壓矢量所在的扇區(qū)以決定開關(guān)時刻和開關(guān)順序。若參考輸出電壓矢量以幅值和相角的形式給出，其所在的扇區(qū)可直接由相角求出；若參考電壓輸出以矢量形式給出，如輸出電壓所在扇區(qū)由-坐標中的內(nèi)部電流控制環(huán)得出，則可以采用下列算法決定電壓矢量所在扇區(qū)。

現(xiàn)在是32頁\一共有63頁\編輯于星期一2.6.2TMS320LF2407ADSP實現(xiàn)SVPWM第一步，根據(jù)以下各式計算參考值Uref1、Uref2和Uref3：

其中，U和U是三相ABC坐標系中的相電壓轉(zhuǎn)換到平面直角坐標系中的分量?，F(xiàn)在是33頁\一共有63頁\編輯于星期一第二步，計算N：式中，sign(x)是符號函數(shù)。第三步，參照表2-15根據(jù)N數(shù)值可以得到Uout所在的扇區(qū)。

表2-15由N確定扇區(qū)值N123456扇區(qū)IIVIIIVIIIVu3(010)u4(011)u6(101)u1(100)u5(001)u0(000)u7(111)t1t2Uoutu2(110)現(xiàn)在是34頁\一共有63頁\編輯于星期一2.6.2TMS320LF2407ADSP實現(xiàn)SVPWM1．采用軟件方法實現(xiàn)SVPWM

根據(jù)不同的零矢量使用方法，可產(chǎn)生多種電壓空間矢量PWM波形。一般的選擇原則是：盡可能使功率開關(guān)管的開關(guān)次數(shù)最少；任意一次電壓空間矢量的變化只能有一個橋臂的開關(guān)管動作。目前最流行的是對稱七段式的電壓空間矢量PWM?，F(xiàn)在是35頁\一共有63頁\編輯于星期一t0/4t1/2t2/2t0/2t2/2t1/2t0/4(000)(110)(000)(111)(110)u0u1u1u7u2(100)u0u2(100)(a)I扇區(qū)U3(010)U4(011)U6(101)U1(100)U5(001)u0(000)u7(111)t1t2UoutU2(110)對稱七段式的電壓空間矢量PWM，它由三段零矢量和四段相鄰的兩個非零矢量組成.現(xiàn)在是36頁\一共有63頁\編輯于星期一2.6.2TMS320LF2407ADSP實現(xiàn)SVPWM現(xiàn)在是37頁\一共有63頁\編輯于星期一具體步驟：

1）

初始化比較單元和用作產(chǎn)生對稱PWM的通用定時器：配置各控制寄存器，確定PWM輸出口、PWM輸出方式；死區(qū)時間；PWM周期和波形占空比等。

現(xiàn)在是38頁\一共有63頁\編輯于星期一2）根據(jù)查表決定觸發(fā)通道的順序以及根據(jù)Uout所在扇區(qū)配置比較寄存器：根據(jù)電壓幅值和相角或U和U計算確定扇區(qū)號；然后配置比較寄存器，將0.25t0寫入全比較寄存器1（CMPR1），將0.25t0+0.5t1寫入全比較寄存器2（CMPR2），將0.25t0+0.5t1+0.5t2寫入全比較寄存器3（CMPR3）。

現(xiàn)在是39頁\一共有63頁\編輯于星期一現(xiàn)在是40頁\一共有63頁\編輯于星期一2．采用硬件方法實現(xiàn)SVPWM

基于TMS320LF2407A硬件產(chǎn)生SVPWM時需要首先應用軟件產(chǎn)生Uout，并且確定Uout所在的扇區(qū)，然后求解每個PWM周期中的t1和t2。對于每個PWM周期在軟件上需完成如下步驟：

現(xiàn)在是41頁\一共有63頁\編輯于星期一（1）將基本空間矢量對應的二進制位調(diào)入全比較動作控制寄存器（ACTR）第[12-14]位，旋轉(zhuǎn)方向控制位（SVRDIR）為其第15位，該位中“0”代表逆時針方向；“1”代表順時針方向。

（2）將0.5t1調(diào)入全比較寄存器1（CMPR1）；將0.5t1+0.5t2調(diào)入全比較寄存器2（CMPR2）。

現(xiàn)在是42頁\一共有63頁\編輯于星期一圖2-46給出了采用TMS320LF2407A硬件模塊的兩種實現(xiàn)對稱開關(guān)方式SVPWM的各個扇區(qū)的開關(guān)情況。相比軟件生成的方法，這種開關(guān)方案具有以下特點：（1）從開關(guān)方案示意圖上來看，這是一種五段式的SVPWM波形。在一個完整的PWM周期中，總有一個通道的開關(guān)狀態(tài)保持不變，因此在這種控制方案中功率器件的開關(guān)次數(shù)少于由軟件決定開關(guān)模式的次數(shù)，降低了系統(tǒng)的開關(guān)損耗?，F(xiàn)在是43頁\一共有63頁\編輯于星期一現(xiàn)在是44頁\一共有63頁\編輯于星期一現(xiàn)在是45頁\一共有63頁\編輯于星期一（2）為了防止同一個橋臂上功率開關(guān)管的直通問題，通常在同一橋臂上的兩只功率開關(guān)器件PWM驅(qū)動信號中加入一定的死區(qū)。由于硬件實現(xiàn)的SVPWM會有某一橋臂在整個扇區(qū)內(nèi)開關(guān)狀態(tài)都保持不變，則死區(qū)效應在該相不存在，從而導致三相PWM輸出不平衡，造成逆變器的輸出電壓中存在一定的諧波。

現(xiàn)在是46頁\一共有63頁\編輯于星期一現(xiàn)在是47頁\一共有63頁\編輯于星期一2.6單片機和DSP用于PWM信號生成

小結(jié)：比較軟件及硬件實現(xiàn)兩種方法，采用硬件方法所用的CPU開銷（執(zhí)行的指令周期）少，占用的內(nèi)存少，一個PWM周期內(nèi)開關(guān)次數(shù)少，即開關(guān)損耗小。但是，硬件法存在死區(qū)不平衡效應，應用時可根據(jù)系統(tǒng)要求選擇合適的實現(xiàn)方式。

現(xiàn)在是48頁\一共有63頁\編輯于星期一2.7轉(zhuǎn)速開環(huán)的U/f控制變頻調(diào)速系統(tǒng)

直流電機的主磁通和電樞電流分布的空間位置是確定的，而且可以獨立進行控制，交流異步電機的磁通則由定子與轉(zhuǎn)子電流合成產(chǎn)生，它的空間位置相對于定子和轉(zhuǎn)子都是運動的，除此以外，在籠型轉(zhuǎn)子異步電機中，轉(zhuǎn)子電流還是不可測和不可控的。因此，異步電機的動態(tài)數(shù)學模型要比直流電機模型復雜得多?，F(xiàn)在是49頁\一共有63頁\編輯于星期一好在不少機械負載，例如風機和水泵，并不需要很高的動態(tài)性能，只要在一定范圍內(nèi)能實現(xiàn)高效率的調(diào)速就行，因此可以只用電機的穩(wěn)態(tài)模型來設計其控制系統(tǒng)。為了實現(xiàn)電壓-頻率協(xié)調(diào)控制，可以采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比帶低頻電壓補償?shù)目刂品桨福@就是常用的通用變頻器控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在是50頁\一共有63頁\編輯于星期一2.7轉(zhuǎn)速開環(huán)的U/f控制變頻調(diào)速系統(tǒng)

概述

現(xiàn)代通用變頻器大都是采用二極管整流和由快速全控開關(guān)器件IGBT或功率模塊IPM組成的PWM逆變器，構(gòu)成交-直-交電壓源型變壓變頻器，已經(jīng)占領(lǐng)了全世界0.5~600kW中、小容量變頻調(diào)速裝置的絕大部分市場?，F(xiàn)在是51頁\一共有63頁\編輯于星期一所謂“通用”，包含著兩方面的含義：（1）可以和通用的籠型異步電機配套使用；（2）具有多種可供選擇的功能，適用于各種不同性質(zhì)的負載。系統(tǒng)介紹下圖繪出了一種典型的數(shù)字控制通用變頻器-異步電動機調(diào)速系統(tǒng)原理圖?，F(xiàn)在是52頁\一共有63頁\編輯于星期一1.系統(tǒng)組成M3~電壓檢測泵升限制電流檢測溫度檢測電流檢測中央處理器顯示設定接口PWM發(fā)生器驅(qū)動電路~URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2現(xiàn)在是53頁\一共有63頁\編輯于星期一限流電阻為了避免大電容C在通電瞬間產(chǎn)生過大的充電電流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限流電阻（或電抗），通上電源時，先限制充電電流，再延時用開關(guān)K將其短路，以免長期接入時影響變頻器的正常工作，并產(chǎn)生附加損耗?，F(xiàn)在是54頁\一共有63頁\編輯于星期一泵升限制電路——由于二極管整流器不能為異步電機的再生制動提供反向電流的通路，所以除特殊情況外，通用變頻器一般都用電阻吸收制動能量。減速制動時，異步電機進入發(fā)電狀態(tài)，首先通過逆變器的續(xù)流二極管向電容C充電，當中間直流回路的電壓（通稱泵升電壓）升高到一定的限制值時，通過泵升限制電路使開關(guān)器件導通，將電機釋放的動能消耗在制動電阻上?，F(xiàn)在是55頁\一共有63頁\編輯于星期一進線電抗器二極管整流器雖然是全波整流裝置，但由于其輸出端有濾波電容存在，因此輸入電流呈脈沖波形?，F(xiàn)在是56頁\一共有63頁\編輯于星期一這樣的電流波形具有較大的諧波分量，使電源受到污染。為了抑制諧波電流，對于容量較大的PWM變頻器，都應在輸入端設有進線電抗器，有時也可以在整流器和電容器之間串接直流電抗器。還可用來抑制電源電壓不平衡對變頻器的影響?，F(xiàn)在是57頁\一共有63頁\編輯于星期一控制系統(tǒng)構(gòu)成

控制電路——現(xiàn)代PWM變頻器的控制電路大都是以微處理器為核心的數(shù)