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1引言
隨著電力電子技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)以及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，基于集成PWM電路構(gòu)成的變頻調(diào)速系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、節(jié)能效果顯著、性價(jià)比高等突出優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。本文介紹的GTRSPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)是以大規(guī)模專用集成電路HEF4752和單片機(jī)（8098）為核心構(gòu)成的控制電路，由HEF4752產(chǎn)生的三相PWM信號(hào)經(jīng)隔離、放大后，驅(qū)動(dòng)由GTR構(gòu)成的三相橋式逆變器，使之輸出三相SPWM的波形，實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)變頻調(diào)速。
2HEF4752簡(jiǎn)介
HEF4752是采用LOCMOS工藝制造的大規(guī)模集成電路，專門用來產(chǎn)生三相PWM信號(hào)。它的驅(qū)動(dòng)輸出經(jīng)隔離放大后，既可驅(qū)動(dòng)GTO逆變器，也可驅(qū)動(dòng)GTR逆變器，在交流變頻調(diào)速和UPS中作中心控制器件。
2.1主要特點(diǎn)
1）能產(chǎn)生三對(duì)相位差120°的互補(bǔ)SPWM主控脈沖，適用于三相橋結(jié)構(gòu)的逆變器；
2）采用數(shù)控方式不僅能提高系統(tǒng)控制精度，也易于與微機(jī)聯(lián)機(jī)；
3）采用多載波比自動(dòng)切換方式，隨著逆變器的輸出頻率降低，有級(jí)地自動(dòng)增加載波比，從而抑制低頻輸出時(shí)因高次諧波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈沖和噪聲等所造成的惡劣影響。調(diào)制頻率的可調(diào)范圍為0～100Hz，且能使逆變器輸出電壓同步調(diào)節(jié)。
4）為防止逆變器上下橋臂器件直通，在每相主控脈沖間插入死區(qū)間隔，間隔時(shí)間連續(xù)可調(diào)。
2.2引腳說明
HEF4752為28腳雙列直插式標(biāo)準(zhǔn)封裝DIP芯片，它有7個(gè)控制輸入，4個(gè)時(shí)鐘輸入，12個(gè)驅(qū)動(dòng)逆變器輸出，3個(gè)控制輸出。其外部管腳排列如圖1所示。各管腳功能描述如表1所列。
2.3HEF4752工作原理
HEF4752是一種基于同步式雙緣調(diào)制原理產(chǎn)生SPWM信號(hào)的專用集成電路,其原理框圖如圖2所示。
2.3.1輸入功能
1）輸入I用來決定逆變器驅(qū)動(dòng)輸出模式的選擇，當(dāng)I為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)模式是晶體管，當(dāng)I為高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)模式是晶閘管；

2）輸入控制信號(hào)K和時(shí)鐘輸入OCT共同決定逆變器每對(duì)輸出信號(hào)的互鎖推遲間隔時(shí)間；
3）相序輸入CW用來控制電機(jī)轉(zhuǎn)向。當(dāng)CW為低電平時(shí)，相序?yàn)镽、B、Y；當(dāng)CW為高電平時(shí)，相序?yàn)镽、Y、B；
4）輸入L用來控制起動(dòng)/停止，L為低電平時(shí)，在晶體管模式下封鎖HEF4752所有的脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)輸出，但產(chǎn)生輸出信號(hào)的內(nèi)部電路仍在繼續(xù)“運(yùn)行”。L為高電平時(shí)解除封鎖。L除起停電路外，還可方便地用于過流保護(hù)；
5）控制輸入A、B、C供制造過程試驗(yàn)用。工作時(shí)必須接到Vss（低電平）。但A還有另外一個(gè)用處，即剛通電時(shí)，A置高電平初始化整個(gè)IC片，被用作復(fù)位信號(hào)；
6）時(shí)鐘輸入
頻率控制時(shí)鐘（FCT）控制輸出PWM信號(hào)的基波頻率，即決定逆變器的輸出頻率f_out，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，f_FCT=3360×f_out。電壓控制時(shí)鐘（VCT）控制PWM信號(hào)的基波電壓幅值，使輸出電壓自動(dòng)地正比于其輸出頻率，在給定的輸出頻率下，平均逆變輸出電壓的幅度由f_VCT控制。參考時(shí)鐘（RCT）是一個(gè)固定時(shí)鐘，它決定逆變器的最高開關(guān)頻率f_s(max)，f_RCT=280×f_s(max)，一旦f_RCT確定，則HEF4752輸出脈沖的調(diào)制頻率就在0.6f_s(max)～f_s(max)之間變化，且逆變器的開關(guān)頻率是輸出頻率的嚴(yán)格整數(shù)倍f_s=N×f_out，N為頻率比，其N值為15，21，30，42，60，84，120，168；
7）輸出推遲時(shí)鐘（OCT）控制HEF4752每對(duì)輸出信號(hào)互鎖推遲間隔時(shí)間τ_d（對(duì)晶體管模式）以防逆變器同一橋臂上、下兩只開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通引起直通，推遲間隔時(shí)間的選擇端（K）一起決定τ_d的長(zhǎng)短，其關(guān)系式為  

一般情況K保持為高電平，通常可取f_RCT=f_OCT。
2.3.2輸出功能
1）逆變驅(qū)動(dòng)輸出HEF4752有六個(gè)主驅(qū)動(dòng)輸出組成三個(gè)互補(bǔ)對(duì)，還有和每一主輸出相關(guān)聯(lián)的輔助輸出。在驅(qū)動(dòng)GTR逆變器時(shí)，輸出波形是雙邊沿調(diào)制的脈寬調(diào)制波，其調(diào)制原理可由圖3加以說明。圖中假定載波在一個(gè)周期內(nèi)有9個(gè)脈沖（這個(gè)脈沖數(shù)被稱為頻率比），載波脈沖的兩個(gè)邊沿都用一個(gè)可變的時(shí)間間隔量δ加以調(diào)制，而且使δ∝sinθ（θ為未被調(diào)制時(shí)載波脈沖邊沿所處的時(shí)間，或稱角相位）。sinθ>0時(shí)，該處的脈沖變寬；sinθ<0時(shí)，該處的脈沖變窄。三相輸出的調(diào)制脈沖波相位互差120°，如圖3中U_R、U_Y、U_B所示。圖3中的V_RY是R相和Y相間的線電壓波形。這個(gè)脈沖波平均值的波形接近正弦波。顯然，頻率比N的值越大，線電壓平均值的波形就越接近正弦波，而良好的正弦波輸出，正是交流電機(jī)所要求的。

2）控制輸出RSYN是一個(gè)脈沖輸出，其頻率等于f_out，脈寬等于VCT時(shí)鐘的脈寬，主要為觸發(fā)示波器掃描提供一個(gè)穩(wěn)定的參考信號(hào)。
輸出電壓模擬信號(hào)VAV為一數(shù)字信號(hào)，它模擬逆變器輸出線電壓的平均值。它不受互鎖推遲間隔的影響，也不被控制輸入L封鎖，其頻率等于逆變輸出頻率f_out，并為6f_out所調(diào)制，VAV在f_VCT的閉環(huán)控制中非常有用，可用來改善輸出電壓對(duì)輸出頻率關(guān)系的非線性。
逆變器開關(guān)輸出CSP是一脈沖串，不受L狀態(tài)的影響，其頻率為逆變器開關(guān)頻率的2倍，其中每一脈沖的下降沿發(fā)生在主輸出的零調(diào)制點(diǎn)。
3系統(tǒng)的硬件電路
整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路由主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路等構(gòu)成，其電路框圖如圖4所示。

3．1主電路
其形式是AC/DC/AC逆變電路，由三相整流橋、濾波器、三相逆變器及電流互感器LEM組成。三相交流電經(jīng)三相橋式整流后，得到脈動(dòng)直流電壓，再經(jīng)電容器C1、C2和均壓電阻R₁、R₂組成的儲(chǔ)能、濾波后以直流電壓供給逆變器。主開關(guān)器件選用日本富士公司生產(chǎn)的EHR系列的6單元GTR模塊，構(gòu)成本系統(tǒng)三相逆變器。
3.2控制電路
8098單片機(jī)及外圍電路芯片8254，2764、74LS273、74LS139和HEF4752三相PWM產(chǎn)生器構(gòu)成本系統(tǒng)控制電路，其控制框圖如圖5所示。

單片機(jī)除完成對(duì)HEF4752的初始化、輸出脈寬控制、頻率控制外，還同時(shí)完成數(shù)據(jù)處理、模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的檢測(cè)、保護(hù)功能的邏輯判斷。在系統(tǒng)通電時(shí)，HEF4752必須有初始化過程。在初始化的前半段，內(nèi)部電路應(yīng)被清零，要求至少送3360個(gè)脈沖進(jìn)入FCT端。在初始化的后半段，輸入腳的所有輸入狀態(tài)都必須建立起來。如果FCT從零開始起動(dòng)，最好以0.04f_RCT的頻率送3360個(gè)脈沖給FCT端，否則，HEF4752的前幾個(gè)輸出脈沖將是以頻率比N=15而不是168送到逆變器，這有可能對(duì)逆變器造成損害。
3.3驅(qū)動(dòng)電路
GTR基極驅(qū)動(dòng)電路的性能直接影響著GTR的工作狀況，因此在設(shè)計(jì)和選擇基極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，應(yīng)考慮最優(yōu)化驅(qū)動(dòng)和自動(dòng)快速保護(hù)的特點(diǎn)。本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路由UAA4002構(gòu)成。HEF4752輸出PWM信號(hào)經(jīng)脈沖變壓器或光電耦合器，通過驅(qū)動(dòng)模塊UAA4002對(duì)工作于開關(guān)狀態(tài)的GTR模塊實(shí)現(xiàn)最優(yōu)基極驅(qū)動(dòng)。其正向驅(qū)動(dòng)能力為0.5A，反向驅(qū)動(dòng)能力為－3A，如果需要增加驅(qū)動(dòng)能力，可外接功放晶體管加以擴(kuò)展。
3.4保護(hù)電路
為使GTR逆變器安全工作，控制電路中必須有保護(hù)電路。保護(hù)電路的功能包括過壓保護(hù)、過流保護(hù)、過載保護(hù)。采用電流傳感器模塊（LEM）測(cè)三相逆變器的輸出電流，電流檢測(cè)信號(hào)經(jīng)測(cè)量電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。過壓保護(hù)信號(hào)取自主電路濾波電容器端，經(jīng)電阻分壓后獲得。為防止高壓信號(hào)進(jìn)入控制電路，而采用光電隔離。一旦檢測(cè)值超過給定值，保護(hù)電路發(fā)出的信號(hào)和來自單片機(jī)的控制信號(hào)一起封鎖了HEF4752三相PWM脈沖輸出，使GTR關(guān)斷。
4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件程序設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)的核心，它控制逆變器的輸出特性，如電壓、頻率范圍、穩(wěn)定度、可靠性等，圖6為系統(tǒng)的程序框圖。

本系統(tǒng)的控制程序功能如下：
1）8098單片機(jī)、外圍芯片及HEF4752的初始化，滿足系統(tǒng)的通電條件，確保逆變器的安全運(yùn)行。在系統(tǒng)通電時(shí)，需對(duì)HEF4752進(jìn)行初始化，此時(shí)其輸出被封鎖，以建立起正確的時(shí)鐘和輸入條件，使逆變器的功率器件不致因HEF4752的誤輸出而損壞。
2）合理選用逆變器的輸出控制方式。逆變器輸出頻率為0～60Hz，輸出頻率小于50Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩特性段；輸出大于50Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在恒功率特性階段。為了補(bǔ)償?shù)皖l段定子繞組壓降，在低頻段適當(dāng)?shù)馗淖僨_VCT值。圖7為逆變器實(shí)際的電壓頻率運(yùn)行曲線。
3）逆變器輸出頻率由面板的電位器給定。在初始化完成后，由軟件改寫中斷掛號(hào)寄存器INT－PENDING，以期產(chǎn)生A/D完成中斷，讀入初始給定的頻率值，隨后的設(shè)定值由A/D完成中斷，每隔100ms定時(shí)讀入，并經(jīng)中值濾波，以消除干擾的影響，用軟件控制HEF4752輸出的PWM脈沖。

4）根據(jù)給定的變化，控制電機(jī)平滑、快速地跟蹤給定轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)有積分軟起動(dòng)功能，用戶可突給頻率，使輸出平滑地跟隨給定的變化。系統(tǒng)還設(shè)有快/慢啟動(dòng)及正/反轉(zhuǎn)開關(guān)供用戶選擇。
5）在程序中還安排了故障及顯示程序。一旦出現(xiàn)故障，可自動(dòng)切斷主電路電源、封鎖PWM信號(hào)輸出，判別故障類型并顯示出來。
5結(jié)語
本系統(tǒng)采用8098單片機(jī)和三相PWM產(chǎn)生器HEF4752后，使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，元器件減少，結(jié)構(gòu)緊湊，成本降低，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在中小型異步電機(jī)調(diào)速與不間斷電源應(yīng)用方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值。