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(hào)，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(lái)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(jiǎn)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(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、節(jié)能效果顯著、性?xún)r(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(zhuān)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(hào)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(hào)供給HEF4752，由HEF4752產(chǎn)生三相6路SPWM波形通過(guò)光電隔離后去控制主電路。

1．3 HEF4752簡(jiǎn)介

HEF4752是采用LOCMOS工藝制造的大規(guī)模集成電路，專(zhuān)門(mén)用來(lái)產(chǎn)生三相SPWM信號(hào)。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(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(shuō)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(hào)輸出，3個(gè)控制輸出。各管腳功能描述如表1所列。

表1 HEF4752管腳功能

引  腳	名  稱(chēng)	功     能
1	OBC1B	相換流開(kāi)關(guān)信號(hào)1
2	OBM2B	相主開(kāi)關(guān)信號(hào)2
3	OBM1B	相主開(kāi)關(guān)信號(hào)1
4	RCT	最高開(kāi)關(guān)頻率基準(zhǔn)時(shí)鐘
5	CW	電機(jī)換相控制信號(hào)
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(kāi)關(guān)信號(hào)1
9	ORM2	R相主開(kāi)關(guān)信號(hào)2
10	ORC1	R相換流開(kāi)關(guān)信號(hào)1
11	ORC2	R相換流開(kāi)關(guān)信號(hào)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(cè)試電路用信號(hào)
16	C	測(cè)試電路用信號(hào)
17	VCT	電壓時(shí)鐘
18	CSP	電流采樣脈沖
19	OYC2	Y相換流開(kāi)關(guān)信號(hào)2
20	OYC1	Y相換流開(kāi)關(guān)信號(hào)1
21	OYM2	Y相主開(kāi)關(guān)信號(hào)2
22	OYM1	Y相主開(kāi)關(guān)信號(hào)1
23	RSYN	R相同步信號(hào)
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(kāi)關(guān)信號(hào)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(lái)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(hào)引腳K和時(shí)鐘輸入引腳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。

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(zhǎng)短和晶閘管模式下觸發(fā)脈沖串的頻率和寬度，見(jiàn)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(lái)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(lái)控制模塊的起動(dòng)/停止。當(dāng)IGBT－IPM模塊PM25RSK120出現(xiàn)過(guò)流、欠壓、短路或過(guò)熱等故障時(shí)，故障信號(hào)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(kāi)關(guān)管的作用。在無(wú)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(guò)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(hào)。

6)時(shí)鐘輸入引腳FCT和VCT用來(lái)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(duì)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(guò)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(lái)設(shè)定最大逆變器開(kāi)關(guān)頻率fs(MAX)，此處選取逆變器開(kāi)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(jiǎn)化線(xiàn)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(jiàn)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(duì)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(lái)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(duì)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(yǔ)

該電路運(yùn)用性能良好的集成電路HEF4752，使外圍控制電路簡(jiǎn)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(hào)（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(lái)非常方便，故具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。