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三相SPWM發(fā)生器HEF4752在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘要：介紹了如何應(yīng)用CD4046鎖相環(huán)為大規(guī)模集成電路HEF4752提供時(shí)鐘信號，由HEF4752產(chǎn)生三相基波頻率、幅值和死區(qū)時(shí)間可調(diào)的SPWM波形，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制。該系統(tǒng)僅用硬件來實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以HEF4752為主要控制芯片的SPWM波形發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡單、成本低、性能好、調(diào)試方便、運(yùn)行可靠。關(guān)鍵詞：正弦波脈寬調(diào)制；脈寬調(diào)制；交流調(diào)速
引言
隨著電力電子技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，基于集成SPWM電路構(gòu)成的變頻調(diào)速系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡單、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。本文介紹的變頻調(diào)速系統(tǒng)是以大規(guī)模專用集成電路HEF4752為核心構(gòu)成的控制電路，由HEF4752產(chǎn)生的三相SPWM信號經(jīng)隔離、放大后，驅(qū)動(dòng)由IGBT構(gòu)成的三相逆變器，使之輸出SPWM的波形，實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速。
1系統(tǒng)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1所示。
1．1主電路
主電路為AC/DC/AC逆變電路，由三相整流橋、濾波器、三相逆變器組成。三相交流電經(jīng)橋式整流后，得到脈動(dòng)的直流電壓經(jīng)電容器濾波后供給逆變器。
1．2控制電路
控制電路框圖如圖2所示。在該控制電路中，分別由三個(gè)CD4046產(chǎn)生推遲時(shí)鐘（OCT）和參考時(shí)鐘（RCT）、頻率控制時(shí)鐘（FCT）和電壓控制時(shí)鐘（VCT）3路時(shí)鐘信號供給HEF4752，由HEF4752產(chǎn)生三相6路SPWM波形通過光電隔離后去控制主電路。
1．3HEF4752簡介
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SPWM信號。它的驅(qū)動(dòng)輸出經(jīng)隔離放大后，可驅(qū)動(dòng)GTO和GTR逆變器，在交流變頻調(diào)速中作控制器件。其引腳如圖3所示。
圖2
1．3．1主要特點(diǎn)
主要特點(diǎn)如下：
1）能產(chǎn)生三對相位差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)制頻率可調(diào)范圍為0～100Hz，且能使逆變器輸出電壓同步調(diào)節(jié)；
3）為防止逆變器上下橋臂直通，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)。1．3．2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)信號輸出，3個(gè)控制輸出。各管腳功能描述如表1所列。
表1HEF4752管腳功能
引腳
名稱
功能
1
OBC1B
相換流開關(guān)信號1
2
OBM2B
相主開關(guān)信號2
3
OBM1B
相主開關(guān)信號1
4
RCT
最高開關(guān)頻率基準(zhǔn)時(shí)鐘
5
CW
電機(jī)換相控制信號
6
OCT
推遲輸出時(shí)鐘
7
K
選擇互鎖推遲間隔
8
ORM1
R相主開關(guān)信號1
9
ORM2
R相主開關(guān)信號2
10
ORC1
R相換流開關(guān)信號1
11
ORC2
R相換流開關(guān)信號2
12
FCT
頻率時(shí)鐘
13
A
復(fù)位輸入控制
14
VSS
接地端
15
B
測試電路用信號
16
C
測試電路用信號
17
VCT
電壓時(shí)鐘
18
CSP
電流采樣脈沖
19
OYC2
Y相換流開關(guān)信號2
20
OYC1
Y相換流開關(guān)信號1
21
OYM2
Y相主開關(guān)信號2
22
OYM1
Y相主開關(guān)信號1
23
RSYN
R相同步信號
24
L
停止/啟動(dòng)系統(tǒng)
25
I
選擇晶體管/晶閘管模式
26
VAV
平均電壓
27
OBC2
B相換流開關(guān)信號2
28
VDD
工作電壓(10V)
1．3．3輸入引腳功能
1)輸入引腳I用來決定逆變器驅(qū)動(dòng)輸出模式的選擇，當(dāng)引腳I為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)模式是晶體管，當(dāng)引腳I為高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)模式是晶閘管。
2)輸入控制信號引腳K和時(shí)鐘輸入引腳OCT共同決定逆變器每對輸出信號的互鎖推遲間隔時(shí)間。
為防止逆變器同一橋臂的兩只管子同時(shí)導(dǎo)通，互鎖推遲間隔的長短和晶閘管模式下觸發(fā)脈沖串的頻率和寬度，見表2。
表2互鎖推遲間隔與觸發(fā)脈沖的頻率及寬度
K
互鎖推遲間隔/ms
觸發(fā)脈沖頻率/kHz
觸發(fā)脈沖寬度/ms
0
8/fOCT
fOCT/8
2/fOCT
1
16/fOCT
fOCT/16
4/fOCT
根據(jù)主電路的要求，選取互鎖推遲間隔為td=10μs，這里把K置為低電平，則聯(lián)鎖延遲周期td=8/fOCT，即0.01ms=8/fOCT，故
fOCT=800kHz（1）
3)相序輸入引腳CW用來控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，當(dāng)引腳CW為低電平時(shí)，相序?yàn)镽，B，Y；當(dāng)引腳CW為高電平時(shí)，相序?yàn)镽，Y，B。
4）輸入引腳L用來控制模塊的起動(dòng)/停止。當(dāng)IGBT－IPM模塊PM25RSK120出現(xiàn)過流、欠壓、短路或過熱等故障時(shí)，故障信號變?yōu)榈碗娖健亩筁變?yōu)榈碗娖�，封鎖HEF4752所有的脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)輸出，起到保護(hù)開關(guān)管的作用。在無故障的情況下，L為高電平，解除封鎖。
5)控制輸入引腳A，B，C供制造過程試驗(yàn)用，工作時(shí)必須接到引腳VSS(低電平)。但引腳A還有另外一個(gè)用處，即剛通電時(shí)，引腳A置高電平初始化整個(gè)IC片，被用做復(fù)位信號。
6)時(shí)鐘輸入引腳FCT和VCT用來協(xié)調(diào)控制逆變器的輸出頻率與電壓。引腳FCT控制著逆變器的輸出頻率fout，從而控制了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。在該系統(tǒng)中引腳FCT的時(shí)鐘頻率為
fFCT=3360×fout=3360×55=184kHz（2）
100％調(diào)制時(shí)的輸出頻率的最大值fout(M)為
fout(M)=fle(0.624Ud)/Ule=66×(0.624×530)/380=58Hz（3）
式中：fle為電動(dòng)機(jī)的額定頻率；
Ule為電動(dòng)機(jī)的額定電壓有效值。
電路中fFCT在0～184kHz連續(xù)可調(diào)，對應(yīng)fout的可調(diào)范圍為0～58Hz。
電壓控制時(shí)鐘VCT是為保證在調(diào)速過程中電機(jī)主磁通為恒值，即電機(jī)電壓與頻率比為常數(shù)而設(shè)置的，頻率fVCT由式（4）確定，由fVCT決定輸出波形的幅值。
fVCT(NOM)=6720fout(M)=6720×58=390kHz（4）
7）輸入時(shí)鐘RCT是固定時(shí)鐘，用來設(shè)定最大逆變器開關(guān)頻率fs(MAX)，此處選取逆變器開關(guān)頻率的最大值為2.8kHz，則時(shí)鐘輸入RCT的頻率為
fRCT=280fs(MAX)=280×2.8=780kHz（5）
為了簡化線路，可使fRCT=fOCT=800kHz，從而省掉了一個(gè)多諧振蕩器。
值得注意的是：比值fFCT/fVCT(NOM)，低于0.5時(shí)調(diào)制是正弦的；高于0.5時(shí)波形向矩形波轉(zhuǎn)變，在2.5左右達(dá)到全矩形波輸出；高于3時(shí)，由于內(nèi)部同步電路失去作用，波形變得很不穩(wěn)定，可見3為頻率比的上限。在本系統(tǒng)中，fFCT取184Hz，fVCT(NOM)取390Hz，比值為184/390=0.47<0.5，輸出波形為正弦波，能夠有效地減小諧波，減小電機(jī)的振動(dòng)和噪聲，保持好的機(jī)械特性。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果
以下是對本控制系統(tǒng)，即圖2的波形的采樣和分析，由于供電電源采用＋12V，所以輸出電平都為＋12V。
圖4的三個(gè)波形分別是從CD4046的腳3、腳4出來的分別送到管腳VCT、FCT、OCT和RCT的方波波形，其周期分別為2.6μs，5.4μs，1.3μs，對應(yīng)頻率分別為fVCT=390kHz，fFCT=184kHz，fRCT=fOCT=800kHz。
圖5是HEF4752的腳2、腳3產(chǎn)生的SPWM波形，從圖可以看出它們的波形在相位上是相反的，同時(shí)存在死區(qū)時(shí)間，圖5(b)為圖5(a)放大后的波形，從圖5(b)可以看出死區(qū)時(shí)間為td=10μs。從腳8、腳9和腳21、腳22輸出的波形與此相似。
圖6是從HEF4752的腳2、腳9輸出的SPWM波形，圖6(a)橫軸為2.5ms/格，圖6(b)為1ms/格。周期都為18ms，輸出基波頻率fout=55Hz。從圖可看出腳2波形落后腳9波形120°。同樣腳3、腳8；腳9、腳21；腳8、腳22輸出波形與此相似。
3結(jié)語
該電路運(yùn)用性能良好的集成電路HEF4752，使外圍控制電路簡單，調(diào)試方便，成本低。只須調(diào)節(jié)CD4046腳9的電位器，就可以在其腳3、腳4獲得所需頻率的方波，控制方波的頻率就可以控制HEF4752輸出SPWM信號（基波）的頻率、幅值和死區(qū)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)變頻調(diào)速。其輸出波形良好，穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)起來非常方便，故具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。
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