基于SPWM對農用小功率單相變頻控制系統的設計

　摘要：針對農用小功率三相交流電機不易獲取三相電源而無(wú)法廣泛應用的問(wèn)題，設計了一種在農用220 V單相交流電源的情況下，可輸出電壓幅值可無(wú)級調控的三相交流變頻系統，能夠實(shí)現小功率三相交流電機在農用單相電源的情況下廣泛地使用。

　　實(shí)驗結果表明：當輸入220 V交流電源時(shí)，可輸出三相可控的交流電源。系統硬件設計合理，為農用小功率電源的變頻控制的廣泛應用提供了技術(shù)支持。

　　0 引言

　　目前，國內外關(guān)于交流變頻技術(shù)的研究很多，但大多是對針對中、高等級功率的三相交流變頻技術(shù)的研究，對于農用小功率電器研究較少，對農用單相變頻系統的具體設計較少。而隨著(zhù)農用電器在農業(yè)、家電上的廣泛使用，小功率的單相輸入、三相交流輸出變頻技術(shù)可解決這一實(shí)際的問(wèn)題。為此，本文設計了一套基于SPWM 算法單相交流變頻調速系統，以單相交流220 V為輸入電源，經(jīng)過(guò)單相不可控橋式整流，再經(jīng)過(guò)大電容濾波，獲得穩定的直流270 V 電壓，再經(jīng)過(guò)三相橋式逆變電路，獲得電壓幅值可調的三相交流電，供給三相交流電機工作。

　　1 系統總體設計方案

　　系統基于變頻控制的基本原理，采用恒定V/F比值控制，保持輸入電壓幅值與頻率成線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)單片機實(shí)現SPWM控制。

　　1.1 系統功能結構

　　系統的結構框圖如圖1所示，系統采用交-直-交電力電子變壓變頻的典型結構。單相交流220 V為輸入，經(jīng)過(guò)單相不可控橋式整流，再經(jīng)過(guò)大電容濾波，獲得穩定的直流270 V 電壓，再經(jīng)過(guò)三相全波逆變電路輸出。

　　同時(shí)，控制電路根據SPWM 控制的算法原理，計算出調頻和調幅的大小，并與變頻器反饋的輸出電流進(jìn)行比較分析，得出理想的控制波形通過(guò)驅動(dòng)電路以驅動(dòng)開(kāi)關(guān)器件IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷，從而輸出頻率幅值可調的三相交流電。系統主要功能有直流電壓檢測、輸出電流采集、溫度采集及保護、短路保護、過(guò)流保護?？刂葡到y控制電路選用的是16位單片機dsPIC30F6010A,以實(shí)現對各個(gè)參數的調節和對系統的保護等功能。

　　1.2 SPWM波形算法原理

　　通過(guò)傅里葉分析得知，SPWM波形輸出的基頻幅度為：

　　式中：N 為半個(gè)波形中的脈寬個(gè)數；Um 為輸入電壓的幅值。當N>1時(shí)有U1m>Um,因此輸出電壓基波正是調制時(shí)所要求的正弦波，同時(shí)還可知這種SPWM發(fā)生方法可以有效抑制k=2N-1次以下的低次諧波，存在高次諧波。

　　加在交流感應電機的三相繞組上的電壓分別為：

　　式中：Em 為電壓幅值；ω 為輸出電壓的角頻率；ω = 2πf ,f 為輸出電壓的頻率，也就是波形發(fā)生器的調制頻率。相位上互差120°的三相電壓加到感應電機的繞組中，產(chǎn)生三相電流，形成一個(gè)圓形的旋轉磁場(chǎng)，帶動(dòng)電機轉子轉動(dòng)。恒定V/F比值控制時(shí)，輸入電壓幅值與頻率成線(xiàn)性關(guān)系，而被控制的電機一般具有簡(jiǎn)單的V/F線(xiàn)性關(guān)系，則可以用計算方法來(lái)代替V/F表[4].圖2描述了V/F控制具體計算流程。

　　2 系統的SPWM控制電路

　　SPWM 控制電路主要由dsPIC30F6010A 單片機、MC54HC244、PNP 三極管Q1、供電電源、電容和電阻等組成，如圖3 所示。R1 為Q1 的集電極電阻和MC54HC244 的上拉電阻，使信號箝位在高電平，從而提高芯片輸入信號的噪音容限，以增強抗干擾能力，同時(shí)，也起到限流作用。R2 為Q1 的基極電阻，起限流作用。C1 并接在5 V 電源和地之間，作為支撐電容、蓄電池作用。當逆變器正常工作時(shí)，電流檢測的值與SPWM計算給定值進(jìn)行比較，得到高電平，單片機SPWM 故障引腳FLTA輸入高電平信號，允許SPWM波輸出。同時(shí)，Q1導通，MC54HC244使能端G為低電平，輸出端Y輸出SPWM 信號。當逆變器發(fā)生短路等故障時(shí)，Q1 截止，MC54HC244使能端G為高電平，封鎖SPWM信號輸出，實(shí)現硬件保護。同時(shí)，單片機故障引腳FLTA接入低電平，封鎖SPWM波輸出，實(shí)現軟件保護。

　　3 SPWM系統的軟件實(shí)現

　　系統軟件的主要任務(wù)是輸出SPWM 波供給驅動(dòng)電路，以驅動(dòng)IGBT 逆變回路，同時(shí)處理采樣電路反饋信號，實(shí)現電壓及電流的控制。SPWM波主程序的設計包括5個(gè)部分，即初始化、邊緣參數識別、頻率和幅度的計算、相位增量和幅度調制系數的計算。初始化中又包括I/O口、SPWM時(shí)基寄存器和A/D轉換的設置。設置SP-WM的控制寄存器，使SPWM定時(shí)器工作在SPWM發(fā)生方式，定時(shí)器清除時(shí)鐘使用周期匹配，周期中斷設為每個(gè)周期中斷一次，計數邊沿使用時(shí)鐘的上升沿。主程序流程圖如圖4所示。

　　4 實(shí)驗測試

　　系統運用MPLAB軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE 8.53中的在線(xiàn)調試器MPLAB ICD2對本系統進(jìn)行調試。MPLABIDE 軟件是一個(gè)帶有用于編程開(kāi)發(fā)和調試微芯單片機設計應用程序的工具包的桌面開(kāi)發(fā)環(huán)境。MPLAB IDE可以方便應用于Windows XP、Windows 2000 和Win-dows NT 操作環(huán)境。MPLAB IDE 是MPLAB 編輯器、MPLAB ASM30 匯編器、MPLAB SIM 軟件模擬器、MPLAB LIB30 庫、MPLAB LINK30 鏈接器、MPLAB ICE4000 在線(xiàn)仿真器、PRO MATE II編程器及在線(xiàn)調制器ICD2等各種Microchip開(kāi)發(fā)系統工具共用的用戶(hù)界面。

　　如圖5所示為IDE 8.53 操作界面。運用MPLAB軟件對所得的單相變頻系統進(jìn)行在線(xiàn)調試，可測試本系統的性能。

　　5 結語(yǔ)

　　通過(guò)MPLAB 軟件，對農用小功率單相變頻調速系統性能做了測試。

　?。?）系統結構合理，輸入/輸出過(guò)程穩定，具備小功率單相交流輸入、系統控制輸出可控的三相交流電機的調速功能。

　?。?）單片機輸出SPWM波形穩定、可靠，逆變器能輸出的正弦交流波形能滿(mǎn)足小功率三相交流電機的使用。