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变频器控制电路的设计基本原理，详细干货来了
在国民经济的各行各业尤其是在工业控制领域，变频器的应用十分广泛。主要表现在:可以提高工农业生产设备的加工精度；可以减小生产机械的体积和重量，从而减少金属的耗用量;对于风机和泵类负载，如采用调速的方法改变其流量，节电率可达20%-60%。基于以上原因，各种类型的变频器因其在交流调速领域的广阔应用前景从问世以来一直是各方面关注的焦点也因其在节约能源方面的巨大潜力成为研究的重点。
变频器控制电路的设计1、SPWM控制的基本原理在采样控制理论中有一个结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。
上图3-1便是形状不同但冲量相同的脉冲，那么如何用一系列的等幅而不等宽的脉冲代替一个正弦波呢?把下图3-2所示的正弦半波分成N等份，就可把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。
如果把上述脉冲序用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列来代替，矩形脉冲的中点和对应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积(冲量)相等，就得到上图所示的脉冲序列,这就是PWM波形。可以看出各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也成为SPWM波形。
获得 PW M波形的方法主要有两种:计算法和调制法。计算法指的是通过软件按照一定的算法编制程序来产生SPWM波形，采用的方法主要有自然采样法、规则采样法、不规则采样法等等。调制法是把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角形波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。
因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合P粗控制的要求。在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。下图3-3就是PWM控制方式的原理。
除了上述的两种方法产生SPWM的方法外，专门用来产生SPWM波形的大规模集成电路芯片也得到了较多的应用。较早推出的这类专用芯片时HEF4752这种芯片可以输出三对互补的SPWM信号用来驱动三相桥式逆变电路,从而实现交流电机的变频调速。芯片的输入控制信号全为数字量，适合于微机控制。SLE4520是另一种专用SPWM芯片，其开关频率和输出频率分别可达20kHz和2.6kHz，有二个输出通道提供三相逆变桥六个20mA电流的驱动信号,可用来驱动IGBT逆变电路。采用专用芯片可简化硬件电路和软件设计，降低成本，提高可靠性，本系统采用的90年代末推出的变频调速专用芯片SA866AE。
2、三相ＰＷＭ发生器ＳＡ８６６功能简介1）主要特点三相SPWM发生器是变频器的核心部分，它的性能好坏，直接关系到整个变频器的工作状况。在本系统中，我们选用了英国MITEL公司的SA866芯片作为波形发生器，SA866是专为感应电机的PWM控制设计的一款集成电路。它除了能产生合乎要求的PWM脉冲外，还集成了完备的过流、过压保护功能，并可在紧急情况如短路、过热时快速关断PWM脉冲，保护逆变器和电机。它的最大特点是可以独立运行，无需微处理器。它的输出频率以及加速减速的快慢都可由外接电位器在线连续调节。所有需定义的参数如载波频率、死区时间、最小脉宽、调制波形、V/F曲线等均存储在外接的串行EEPROM中，上电时自动读入SA866
SA866有6种工作模式，它可以变频变幅，也可以定频变幅;可以独立运行，也可与微处理器配合使用，基本做到了低价格多功能，在许多逆变领域均可采用。它采用双缘调制技术，脉冲产生精确，它的工作频率范围很宽，时钟频率为25MHz时，载波频率可达24kHz，输出频率可达4kHz。它还可以提供两种v/F曲线:恒转矩的v/F线和负补偿的v/F线，后者即针对风机类负载而设。其内部功能框图上图所示。
2）SA866各个管脚功能SA866采用PLCC封装，共有32个管脚，管脚图如下图
（1) 对外串行接口
SDA、SCL、CS,SDA为数据总线，SCL为时钟信号，CS为片选信号。
(2) 工作状态选择
SERIAL决定与SA866连接的是EEPROM还是微处理器，高电平表示与EEPROM连接，PAGE0、PAGE1决定采用的是EEPROM中的哪一页参数。
(3) 控制及输出
SETPOINT决定稳定运行频率，RACC、RDEC决定加速减速的快慢，也可用来选择6种工作模式中的一种。RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT、BPHB为三相PWM脉冲输出端，可直接驱动光耦。DIR控制三相顺序，高电平表示正向旋转。
(4) 保护VMON、IMON
VMON为过电压信号输入端，减速过程中此端电平若大于2.5v，就起动过电压保护动作，将输出频率固定在当前值。IMON为过流信号输入端，升速过程中端电平若大于2.5v，内部过流保护就动作，不再继续升速，直到过流信号消失才继续升速。SETTRIP为紧急停机信号，可快速禁止PWM脉冲输出，TRIP端表示输出禁止状态，低电平有效，该信号只有在复位信号下才能被解除。
(5)电源
VDDD为数字电源，VDDA模拟电源， VSSADC是A/D转换电源，均接同一个+5伏电源，VSSD、VSSA分别是数字地及模拟地，VREFIN是A/D转换参考电压，为+2.5V。
3、SA866的控制方式所有可编程参数都存储在EEPROM中，并在RESET信号后自动装入SA866中。一片EEPROM可同时存放四页参数(接线方式如下图)，改变PAGEO、PAGEI两脚的电平就可决定采用哪一页参数，如下表所示
PAGE0和PAGE1内部都有上拉电阻，如果两个都悬空，则选定第3页存储RESET 上升沿到来之后，CS信号为高，选定EEPROM，SA866驱动时钟信号(SCL) 控制其与EEPROM的输入输出时钟字。在SCL的下降沿到来后，SA866输出EEPROM的控制字(在随后的上升锁存入EEPROM)，再次SCL的上升沿到来后，EEPROM同步输出参数的真位，下降沿锁存入SA866。复位以后 ，SDA空闲为低电平，在CS为高后的第一个对全体下降沿来临时，SDA输出一个高位的二进制数。
随后SA866A给EEPROM发出读指令，继续输出两“0’这两个数据被EEPROM译作地址“MSB”(高位二进制数)或被忽略不计。然后是4位由PGEO和PAGEI选定的地址位(如下表)。在同一上升沿时刻，最后一个地址锁存入EEPROM，同时EEPROM输出一个虚拟数据其值为0。在随后时钟的上升沿，EPROM开始给SA86传输数据，数据是以16位的格式传输，第一位是MSB。
注意:16位字之间没有隔离(此后不再需要虚位或片选信号)。当55个二进制数全部镇存入SA866，CS被强迫为低电平，中断传输数据。在读 操 作 期间，累加器不断计数输入数据“1”的个数，检验和本身的“1”除外〔CHECKSUM）。读操作完成后，将这个和的最后三位同检验和(CHECKSUM)比较，检验和(2:0)是EEPROM下载的数据中的最后三位二进制数。如果比较值不同，则中断输出。只有复位以后消除原来的状态，重新开始一个读周期。(当串行EEPROM数据下载时，PWM输出禁止).通过 EEPROM下载的可编程参数如下表3-2：
(1)载波频率
载波频率是指外接的时钟频率和一个倍率系数N的函数:N的十进制值由初始化寄存器的一个3位CFS字决定，N对应的二进制值见下表
载波频率如下公式所示:
(2）电源频率范围
为了使SA866有最佳的解决方案，用这个参数选择所需要的电源频率，在所选择的范围内，频率采用16位。但选择的频率范围时要高于电机要求的频率，频率范围给出频率的上限值，频率的变化由加速/减速的16位频率字逻辑控制。
频率值是载波频率fCARR和比例系数M的函数，M的值由一个3位的FRS字决定，对应的二进制值如上表，频率范围如下公式所示:
(3)脉冲延迟时间
相邻的两个PWM输出信号控制着逆变器的高端和低端的功率管，理论上这两个控制信号是互补的。但是由于功率管的开通和关断时间都不相等，有必要提供一个短暂的延时使两个输出都关断，这样做为了避免上下桥臂直通损坏功率管，这段时间称作“死区”。脉冲延迟延迟了每个输出的上升沿，因此将会同时影响六个PWM输出，延迟时间为载波频率和PDY的函数。由6位脉冲延迟时间字决定，如下表所示。
计算公式如下:
由于脉冲延迟电路是跟随脉冲取消电路的，所以PWM输出的最小脉冲宽度要比设置的脉冲取消时间（PDT)短,实际最小脉宽是tpd-tpdy。
(4)脉冲取消时间
纯正弦波的脉宽从0%--100%变化，因此脉宽可以很小，但实际上过小的脉宽没有用。因为时间过短，功率半导体管还没有来得及打开就关闭，只是增加了功率管的损耗。因此必须定义最小脉冲宽度。不论是高电平或低电平，只要比要求的宽度短都将被取消。为了 取 消 短脉冲，真正的PWM可以通过脉冲取消电路，脉冲取消电路把脉冲宽度与设定在寄存器里的脉冲取消时间相比较。如果脉冲（无论是正的还是负的)比脉冲取消时间大得多时，它可以无变化地通过，否则，脉冲被取消。脉冲取消时间tpt是载波频率和PDT的函数，定义为7位脉冲取消字，PDT值的选取如下表所示：
脉冲取消时间如公式所示：
(5)波形选择
SA866AE有三种标准波形供选择:纯正弦波适用于静止逆变器、UPS这些对波形的纯度要求高的波形发生器。对三相感应电机而言，三次谐波波形可最大限度地利用逆变器直流电压中的谐波分量。同样，对电机控制而言，带死区的三次谐波减少了功率管的开关次数，减少了损耗。波形采用对称技术保证每一个功率管的开通角度相同。在采用带死区的三次谐波时，在低频时，下臂开关管连续关断的时间太长，以致影响到了自举驱动电路的工作。因此还有一个选择，它在可编程频率(AWS )之下，可以自动地切换到不带死区的三次谐波。这种特征叫做AWS。用WS0,WS1定义电源波形，如下表：
(6)自动波形开关(AWS )
这个参数定义的是在三次谐波和带死区的三次谐波之间的电源波形切换时的频率，由于噪音的影响，切换会有一个小的延迟；
随着电源频率的上升，波形从三次谐波转变成带死区的三次谐波。频率如下公式:
(7) V/F曲线控制字(GRAD,KAY,PED, FC)
SA866提供了两种V/F曲线，恒转矩型和负载补偿型。FC用来选择其中之一。FC=0选择恒补偿型，FC=1，选择负补偿型。对于恒补偿型，只需确定GRAD和PED。转矩提升的补偿电的补偿电压由PED决定：
上升斜率由GRAD确定，如下公式所示：
(8)校验和(Checksum)
校验和(Checksum)是EEPROM下载数据的最后3位，它等于其上的所有“1”的二进制和的最后三位，不包括检验和本身，用与检验每一页的EEPROM中的数据。
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