基于SPWM對農(nóng)用小功率單相變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　摘要：針對農(nóng)用小功率三相交流電機(jī)不易獲取三相電源而無法廣泛應(yīng)用的問題，設(shè)計(jì)了一種在農(nóng)用220 V單相交流電源的情況下，可輸出電壓幅值可無級調(diào)控的三相交流變頻系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)小功率三相交流電機(jī)在農(nóng)用單相電源的情況下廣泛地使用。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)輸入220 V交流電源時(shí)，可輸出三相可控的交流電源。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)合理，為農(nóng)用小功率電源的變頻控制的廣泛應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

　　0 引言

　　目前，國內(nèi)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(nóng)用小功率電器研究較少，對農(nóng)用單相變頻系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)較少。而隨著農(nóng)用電器在農(nóng)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)際的問題。為此，本文設(shè)計(jì)了一套基于SPWM 算法單相交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，以單相交流220 V為輸入電源，經(jīng)過單相不可控橋式整流，再經(jīng)過大電容濾波，獲得穩(wěn)定的直流270 V 電壓，再經(jīng)過三相橋式逆變電路，獲得電壓幅值可調(diào)的三相交流電，供給三相交流電機(jī)工作。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　系統(tǒng)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性關(guān)系，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)SPWM控制。

　　1.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)采用交-直-交電力電子變壓變頻的典型結(jié)構(gòu)。單相交流220 V為輸入，經(jīng)過單相不可控橋式整流，再經(jīng)過大電容濾波，獲得穩(wěn)定的直流270 V 電壓，再經(jīng)過三相全波逆變電路輸出。

　　同時(shí)，控制電路根據(jù)SPWM 控制的算法原理，計(jì)算出調(diào)頻和調(diào)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驅(qū)動電路以驅(qū)動開關(guān)器件IGBT的開通與關(guān)斷，從而輸出頻率幅值可調(diào)的三相交流電。系統(tǒng)主要功能有直流電壓檢測、輸出電流采集、溫度采集及保護(hù)、短路保護(hù)、過流保護(hù)。控制系統(tǒng)控制電路選用的是16位單片機(jī)dsPIC30F6010A,以實(shí)現(xiàn)對各個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)和對系統(tǒng)的保護(hù)等功能。

　　1.2 SPWM波形算法原理

　　通過傅里葉分析得知，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(shù)；Um 為輸入電壓的幅值。當(dāng)N>1時(shí)有U1m>Um,因此輸出電壓基波正是調(diào)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(yīng)電機(jī)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(diào)制頻率。相位上互差120°的三相電壓加到感應(yīng)電機(jī)的繞組中，產(chǎn)生三相電流，形成一個(gè)圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，帶動電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。恒定V/F比值控制時(shí)，輸入電壓幅值與頻率成線性關(guān)系，而被控制的電機(jī)一般具有簡單的V/F線性關(guān)系，則可以用計(jì)算方法來代替V/F表[4].圖2描述了V/F控制具體計(jì)算流程。

　　2 系統(tǒng)的SPWM控制電路

　　SPWM 控制電路主要由dsPIC30F6010A 單片機(jī)、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(qiáng)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(dāng)逆變器正常工作時(shí)，電流檢測的值與SPWM計(jì)算給定值進(jìn)行比較，得到高電平，單片機(jī)SPWM 故障引腳FLTA輸入高電平信號，允許SPWM波輸出。同時(shí)，Q1導(dǎo)通，MC54HC244使能端G為低電平，輸出端Y輸出SPWM 信號。當(dāng)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(xiàn)硬件保護(hù)。同時(shí)，單片機(jī)故障引腳FLTA接入低電平，封鎖SPWM波輸出，實(shí)現(xiàn)軟件保護(hù)。

　　3 SPWM系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)是輸出SPWM 波供給驅(qū)動電路，以驅(qū)動IGBT 逆變回路，同時(shí)處理采樣電路反饋信號，實(shí)現(xiàn)電壓及電流的控制。SPWM波主程序的設(shè)計(jì)包括5個(gè)部分，即初始化、邊緣參數(shù)識別、頻率和幅度的計(jì)算、相位增量和幅度調(diào)制系數(shù)的計(jì)算。初始化中又包括I/O口、SPWM時(shí)基寄存器和A/D轉(zhuǎn)換的設(shè)置。設(shè)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(shè)為每個(gè)周期中斷一次，計(jì)數(shù)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(yàn)測試

　　系統(tǒng)運(yùn)用MPLAB軟件集成開發(fā)環(huán)境IDE 8.53中的在線調(diào)試器MPLAB ICD2對本系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。MPLABIDE 軟件是一個(gè)帶有用于編程開發(fā)和調(diào)試微芯單片機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用程序的工具包的桌面開發(fā)環(huán)境。MPLAB IDE可以方便應(yīng)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 在線仿真器、PRO MATE II編程器及在線調(diào)制器ICD2等各種Microchip開發(fā)系統(tǒng)工具共用的用戶界面。

　　如圖5所示為IDE 8.53 操作界面。運(yùn)用MPLAB軟件對所得的單相變頻系統(tǒng)進(jìn)行在線調(diào)試，可測試本系統(tǒng)的性能。

　　5 結(jié)語

　　通過MPLAB 軟件，對農(nóng)用小功率單相變頻調(diào)速系統(tǒng)性能做了測試。

　?。?）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，輸入/輸出過程穩(wěn)定，具備小功率單相交流輸入、系統(tǒng)控制輸出可控的三相交流電機(jī)的調(diào)速功能。

　　（2）單片機(jī)輸出SPWM波形穩(wěn)定、可靠，逆變器能輸出的正弦交流波形能滿足小功率三相交流電機(jī)的使用。