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三相SPWM發生器HEF4752在變頻調速系統中的應用
摘要：介紹了如何應用CD4046鎖相環為大規模集成電路HEF4752提供時鐘信號，由HEF4752產生三相基波頻率、幅值和死區時間可調的SPWM波形，實現電動機的變頻調速控制。該系統僅用硬件來實現，實驗結果表明，以HEF4752為主要控制芯片的SPWM波形發生器結構簡單、成本低、性能好、調試方便、運行可靠。關鍵詞：正弦波脈寬調制；脈寬調制；交流調速
引言
隨著電力電子技術及大規模集成電路的發展，基于集成SPWM電路構成的變頻調速系統以其結構簡單、運行可靠、節能效果顯著、性價比高等突出優點而得到廣泛應用。本文介紹的變頻調速系統是以大規模專用集成電路HEF4752為核心構成的控制電路，由HEF4752產生的三相SPWM信號經隔離、放大后，驅動由IGBT構成的三相逆變器，使之輸出SPWM的波形，實現異步電動機變頻調速。
1系統硬件電路
整個系統的硬件電路由主電路、控制電路、驅動電路、保護電路等構成，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。三相交流電經橋式整流后，得到脈動的直流電壓經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CD4046產生推遲時鐘（OCT）和參考時鐘（RCT）、頻率控制時鐘（FCT）和電壓控制時鐘（VCT）3路時鐘信號供給HEF4752，由HEF4752產生三相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工藝制造的大規模集成電路，專門用來產生三相SPWM信號。它的驅動輸出經隔離放大后，可驅動GTO和GTR逆變器，在交流變頻調速中作控制器件。其引腳如圖3所示。
圖2
1．3．1主要特點
主要特點如下：
1）能產生三對相位差120°的互補SPWM主控脈沖，適用于三相橋結構的逆變器；
2）采用多載波比自動切換方式，隨著逆變器的輸出頻率降低，有級地自動增加載波比，從而抑制低頻輸出時因高次諧波產生的轉矩脈沖和噪聲等所造成的惡劣影響。調制頻率可調范圍為0～100Hz，且能使逆變器輸出電壓同步調節；
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間隔，間隔時間連續可調。1．3．2引腳說明
HEF4752為28腳雙列直插式標準封裝DIP芯片，它有7個控制輸入，4個時鐘輸入，12個驅動信號輸出，3個控制輸出。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
相換流開關信號1
2
OBM2B
相主開關信號2
3
OBM1B
相主開關信號1
4
RCT
最高開關頻率基準時鐘
5
CW
電機換相控制信號
6
OCT
推遲輸出時鐘
7
K
選擇互鎖推遲間隔
8
ORM1
R相主開關信號1
9
ORM2
R相主開關信號2
10
ORC1
R相換流開關信號1
11
ORC2
R相換流開關信號2
12
FCT
頻率時鐘
13
A
復位輸入控制
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
電壓時鐘
18
CSP
電流采樣脈沖
19
OYC2
Y相換流開關信號2
20
OYC1
Y相換流開關信號1
21
OYM2
Y相主開關信號2
22
OYM1
Y相主開關信號1
23
RSYN
R相同步信號
24
L
停止/啟動系統
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用來決定逆變器驅動輸出模式的選擇，當引腳I為低電平時，驅動模式是晶體管，當引腳I為高電平時，驅動模式是晶閘管。
2)輸入控制信號引腳K和時鐘輸入引腳OCT共同決定逆變器每對輸出信號的互鎖推遲間隔時間。
為防止逆變器同一橋臂的兩只管子同時導通，互鎖推遲間隔的長短和晶閘管模式下觸發脈沖串的頻率和寬度，見表2。
表2互鎖推遲間隔與觸發脈沖的頻率及寬度
K
互鎖推遲間隔/ms
觸發脈沖頻率/kHz
觸發脈沖寬度/ms
0
8/fOCT
fOCT/8
2/fOCT
1
16/fOCT
fOCT/16
4/fOCT
根據主電路的要求，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用來控制電機轉向，當引腳CW為低電平時，相序為R，B，Y；當引腳CW為高電平時，相序為R，Y，B。
4）輸入引腳L用來控制模塊的起動/停止。當IGBT－IPM模塊PM25RSK120出現過流、欠壓、短路或過熱等故障時，故障信號變為低電平。從而使L變為低電平，封鎖HEF4752所有的脈寬調制驅動輸出，起到保護開關管的作用。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供制造過程試驗用，工作時必須接到引腳VSS(低電平)。但引腳A還有另外一個用處，即剛通電時，引腳A置高電平初始化整個IC片，被用做復位信號。
6)時鐘輸入引腳FCT和VCT用來協調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，從而控制了電動機的轉速。在該系統中引腳FCT的時鐘頻率為
fFCT=3360×fout=3360×55=184kHz（2）
100％調制時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為電動機的額定頻率；
Ule為電動機的額定電壓有效值。
電路中fFCT在0～184kHz連續可調，對應fout的可調范圍為0～58Hz。
電壓控制時鐘VCT是為保證在調速過程中電機主磁通為恒值，即電機電壓與頻率比為常數而設置的，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）輸入時鐘RCT是固定時鐘，用來設定最大逆變器開關頻率fs(MAX)，此處選取逆變器開關頻率的最大值為2.8kHz，則時鐘輸入RCT的頻率為
fRCT=280fs(MAX)=280×2.8=780kHz（5）
為了簡化線路，可使fRCT=fOCT=800kHz，從而省掉了一個多諧振蕩器。
值得注意的是：比值fFCT/fVCT(NOM)，低于0.5時調制是正弦的；高于0.5時波形向矩形波轉變，在2.5左右達到全矩形波輸出；高于3時，由于內部同步電路失去作用，波形變得很不穩定，可見3為頻率比的上限。在本系統中，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，減小電機的振動和噪聲，保持好的機械特性。
2實驗結果
以下是對本控制系統，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，對應頻率分別為fVCT=390kHz，fFCT=184kHz，fRCT=fOCT=800kHz。
圖5是HEF4752的腳2、腳3產生的SPWM波形，從圖可以看出它們的波形在相位上是相反的，同時存在死區時間，圖5(b)為圖5(a)放大后的波形，從圖5(b)可以看出死區時間為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結語
該電路運用性能良好的集成電路HEF4752，使外圍控制電路簡單，調試方便，成本低。只須調節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、幅值和死區時間，實現交流電機變頻調速。其輸出波形良好，穩定可靠，實現起來非常方便，故具有廣闊的應用前景和實用價值。
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