新型PWM产生器SA866及其在通用变频器上的应用

    摘要：详细介绍了SA866的性能和设计使用方法，以及以它为核心研制的通用变频器。

    关键词：变频器  驱动电路

1 引言

变频器正得到越来越广泛的应用。在变频器技术中最重要的是SPWM脉冲的产生，通常采用的方法有模拟法和数字法，数字法的实现一种是利用微处理器计算查表得到，常需复杂的编程，另一种是利用专用集成电路(ASIC)来产生PWM脉冲，不需或只需少许编程，使用起来极为方便。本文介绍的SA866就是一块90年代末才推出的多功能ASIC。它可以独立运行，功能较强，以它为核心的变频器具有极高的性价比。本文介绍采用SA866研制的一台适用于风机、水泵负载的通用变频器，并可推广应用于对成本敏感的家电领域。

2 SA866功能简介

2.1 功能特点

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廉价EEPROM中，上电时自动读入SA866中。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。

2.2 管脚说明

采用PLCC封装，共有32个管脚，管脚图如图1所示。

(1)对外串行接口SDA、SCL、CS为SA866与

EEPROM或微处理器的串行接口。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为模拟电源，VSSADC为A／D转换电源，均接同一个＋5V电源，VSSD、VSSA分别为数字地及模拟地，VREFIN为A／D转换参考电压，＋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，改变PAGE0、PAGE1两脚的电平就可决定采用哪一页参数，如表1所示。

表1 EEPROM页地址

由于PAGE0、PAGE1均有内部拉高电阻，所以默认情况下SA866将采用第3页的参数。所有可编程参数在各页上的相对位置都一样，这里以第3页为例来说明EEPROM中的参数放置，见表2：

表2 EEPROM参数置图

最高位                                                                          最低位

表中各参数的计算方法如下：

（1）载波频率选择字CFS载波频率fCARR由外部时钟频率fCLK和分频比n决定，fCARR=fCLK/(512×2 n+1)，其中n是选择字CFS的十进制表示，如表3所示。

表3 CFS值

下文中，各参数与选择字之间都是这种对应关系，以后就不再给出详细列表。

（2）调制频率范围选择字FRS调制频率范围是载波频率fCARR和系数m的函数，m是FRS的十进制表示，0≤m≤6；FRS为三位二进制数。调制频率范围由下式给出：fRANGE=(fCARR×2 m)/348。

（3）脉冲延迟(死区)时间选择字PDY脉冲延迟时间是载波频率和参数pdy的函数，如下式所示：tpdy=(63-pdy)/(fCARR×512)，参数pdy是PDY字的十进制形式，pdy在0到63之间，PDY为六位二进制数。

（4）脉冲删除时间选择字PDT因为SA866内部脉冲删除电路在脉冲延迟电路之前，所以实际输出的最小脉宽等于tpd－tpdy。脉冲删除时间tpd由下式给出：tpd=(127-pdt)/(fCARR×512)，参数pdt由选择字PDT确定，pdt在0到127之间，PDT为七位二进制数。

（5）波形选择字WSSA866可以提供三种调制波形：纯正弦波、正弦波加三次谐波，带死区的三次谐波。采用三次谐波型波形可以提高输出功率，而带死区的三次谐波型波形可以降低开关损耗。选择字WS定义所选用的波形，见表4。

表4 波形选择值

（6）波形自动转换字AWS该参数定义了后两种波形之间互相转换的频率点fAWSR=(W/32)×fRANGE，其中W由AWS确定，W在0到15之间，AWS为四位二进制数。若AWS=0000，则一直采用三次谐波型波形。

    （7）V／F曲线控制字(GRAD、KAY、PED、FC)SA866提供了两种V／F曲线，恒转矩型和负补偿型，分别如图2、图3所示。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。转矩提升的补偿电压由PED决定，Pedestal(％)=(PED×100)/255。上升斜率由GRAD确定，GRAD=[(255-PED)×fRANGE]/(16×fBASE，GRAD≤255。由GRAD和PED即可确定任一频率点对应的电压幅值，V％=[(GRAD·F)/16+]×(100/255)。其中F=(f/fRANGE)×255，F≤100。对于风机类负载，电压幅值由下式计算：

    V％=[(GRAD·F 2)/2048+(KAY·F)/512+PED]×100/255    (1)

其中GRAD为8位正数，而KAY为八位有符号数，最高位是符号位。

(8)检查字CHKSUMSA866在从EEPROM中读入数据时会对其中的‘1’计数(不包括CHKSUM中的数据)，计数结果(二进制)的最低三位应等于CHKSUM中的数据，否则将输出TRIP信号，禁止脉冲输出。

4 变频器硬件电路设计

所研制的变频器硬件电路原理框图如图4所示，它主要由以下几部分构成：

（1）主电路采用的电路形式为AC/DC/AC型逆变电路。三相交流电经整流滤波后以直流形式供给逆变桥，主开关器件使用西门子公司的6单元模块BSM100GD120DN2，输出接三相电机。

（2）驱动电路采用三菱公司的M57962L，它内含光耦隔离，能够检测桥臂直通短路，并能通过栅极关闭和降压电路实现开关器件软关断，同时向SA866发故障信号，封锁脉冲输出。

（3）控制及保护电路SA866只需少许外围元件就可构成功能较强的控制电路。开机后SA866首先从EEPROM(这里是HT93LC46)中读取设定参数，完成自身的初始化。三个外接电位器分别控制稳定工作频率、升速斜率和降速斜率。保护电路主要包括过压、欠压、过流、过热等部分，均可通过SETTRIP端实现快速封锁脉冲信号，保护逆变桥不受损害。但对于升降速过程中引起的过压过流则可以分别由VMON、IMON实现保护。

5 参数计算

本系统应用的时钟频率为11059MHz，载波频率11kHz，调制频率范围0～60Hz，最小脉宽3μs，死区时间5μs。计算过程如下所示：

    (1)确定CFS 2 n＋1=fCLK/(512×fCARR)=1.96，所以n=0，CFS=000。实际的fCARR=108kHz。

(2)确定FRS2m=384×fRANGE／fCARR=2.13，所以可取m=1，FRS=001，实际fRANGE=57.6Hz。

    (3)确定PDY死区时间tpdy=(63-pdy)/(512×fCARR)=5μs，所以pdy=35.4，取35，则PDY=100011，实际死区时间为5.1μs。

(4)确定PDT由tpd－tpdy=3μs

得tpd=tpdy＋3=8.1μs又tpd=(127-pdt)/(fCARR×512)故pdt=82.2，则PDT=1010010，实际的最小脉宽为8.1－5.1=3μs。

(5)确定V／F曲线控制字因为是风机类负载，所以FC=1，又低频时不需转矩提升，则PED=0；令fBASE=50Hz，则它对应的F=fBASE＊255/fRANGE=221；在V／F曲线上取两点，分别对应额定频率和1／2额定频率在V／F曲线上映射，以(F，V％)格式表示为(221，100)和(110，25)，根据求幅值公式(1)可列出方程组如下：

    解此方程组可得：GRAD=10.6，取11即GRAD=00001011；KAY=5.3，取5，即KAY=00000101。

（6）确定其余选择字波形采用正弦波加三次谐波型，所以WS=01，AWS=0000；零频阈值电压为0，所以ZTH=00；以上所有选择字中‘1’的个数为14，所以CHKSUM=110。

6 结语

变频器采用SA866后，控制电路大为简化，降低了成本，提高了可靠性，减少了开发周期。通过测试效果令人满意。对于通用变频器，采用SA866应是一个比较理想的选择。