CN102891651A - 一种基于可编程计数阵列的三相逆变器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于可编程计数阵列的三相逆变器，包括控制芯片和电源模块，所述的电源模块的输入端连接控制芯片的输出端；所述的控制芯片的输出端还另外通过一个反相电路连接到电源模块的输入端；所述的电源模块通过整流装置为其提供工作电压；电源模块的输出端连接三相电机。本发明采用了集成电源模块和STC12C5608AD的单片机，仅需加载SPWM控制信号和电源，它就能输出变频三相交流电源，因此大大降低了成本，减少了运算时间，可以适用于一些调速要求不是很高的场合。
Description
技术领域
本发明涉及电子电力技术领域，尤其是一种基于可编程计数阵列的三相逆变器。
背景技术
随着电力电子技术的发展，交流电机的变频调速技术在工业生产中使用越来越广泛。目前，市场上常见的变频调速设备大都采用各大自动化设备厂商生产的变频器。除此以外，也有一些自动化系统集成商自行开发研制的简易变频调速设备。变频器功能强大，调速效果好，但是价格昂贵；目前市场上常见的自行研制的变频调速设备相对与变频器成本较低，但由于其逆变器往往采用专用的逆变控制芯片或者是DSP、FPGA等高价芯片，总的来说还是很难打破成本瓶颈。
通过调研发现，市场上很多变频调速场合对调速要求并不太高，却采用功能强大、价格昂贵的变频器，有些场合功能利用率甚至不到1%，造成了极大地浪费。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于可编程计数阵列的三相逆变器，以低成本的变频调速方案，以解决这种“大材小用”的浪费现象。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于可编程计数阵列的三相逆变器，包括控制芯片和电源模块，所述的电源模块的输入端连接控制芯片的输出端；所述的控制芯片的输出端还另外通过一个反相电路连接到电源模块的输入端；所述的电源模块通过整流装置为其提供工作电压；电源模块的输出端连接三相电机。
具体的说，本发明所述的控制芯片为型号为STC12C5608AD的单片机，其具有768字节的SRAM和4路可编程计数阵列PCA，最多输出4路SPWM信号。所述的电源模块的型号为IRAMS06UP60B，其具有绝缘栅双极型晶体管IGBT及驱动电路。
本发明所述的控制芯片输出的SPWM信号由占空比序列利用可编程计数阵列PCA实现；所述的占空比序列由每一次改变的输出频率生成，并以无符号字符格式一维数组的形式存储于控制芯片的数据存储器中。
本发明所述的PCA含有一个16位定时器，有4个16位的抓捕/比较模块与之相连；所述的每个模块工作在4种模式下：上升/下降沿捕捉、软件定时器、高速输出或可调制脉冲输出。
本发明的有益效果是，解决了背景技术中存在的缺陷，采用了集成电源模块和STC12C5608AD的单片机，仅需加载SPWM控制信号和电源，它就能输出变频三相交流电源，因此大大降低了成本，减少了运算时间，可以适用于一些调速要求不是很高的场合。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是IRAMS06UP60B的典型接线电路原理图；
图2是本发明的三相逆变器的系统框图；
图3是可编程计数阵列结构图；
图4是本发明主程序流程图。
具体实施方式
现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图2所示的一种基于可编程计数阵列的三相逆变器，包括控制芯片和电源模块，所述的电源模块的输入端连接控制芯片的输出端；所述的控制芯片的输出端还另外通过一个反相电路连接到电源模块的输入端；所述的电源模块通过整流装置为其提供工作电压；电源模块的输出端连接三相电机。
由于市场上的变频调速设备除了采用现有的变频器以外，也有一些场合采用自行研制的简易变频设备。经过大量的调研发现，这类变频调速设备大都采用的逆变控制芯片或者是DSP、FPGA等高端芯片，成本较高；并且IGBT及其驱动电路价格也不菲，对于三相逆变器而言，IGBT及其驱动电路也是成本构成的很大组成部分。因此，为了减小成本，本发明采用International Rectifier公司的IRAMS06UP60系列集成电源模块，并且具体选择了其中的IRAMS06UP60B。IRAMS06UP60B是一款专为交流电机变频调速和设计的驱动模块，主要特点有集成了门电路驱动、内部温度检测等特点。该模块使用非常简单，其典型与外部控制器及三相电机的接线方式如图1所示。图中虚线框以内为IRAMS06UP60B模块。采用了集成电源模块，由于其内置了IGBT及驱动电路，仅需加载SPWM控制信号和电源，它就能输出变频三相交流电源，因此大大降低了成本。
由于在变频调速场合需要即时生成SPWM波形，对控制芯片的运算能力要求较高，因此目前逆变器都采用运算能力强的高端芯片如DSP，或是运算速度快的FPGA等。普通51单片机虽然成本低，但其ALU的核心运算部件是累加器ACC，不像DSP那样有硬件乘法器，但其运算能力不足，不可能完成即时占空比的运算。基于此，本发明采用查表法，将正弦曲线离散化后以列表的形式保存在单片机的内部数据存储器中，在需要计算占空比的时候将相应的值读取出，这样就大大减少了运算时间；并且选择了STC12C5608AD单片机。该单片机价格低廉，有768字节的SRAM，并且有四路可编程计数阵列（PCA），最多可输出4路SPWM信号。
下面对SPWM信号的生成做详细说明：
（1）信号产生原理
SPWM（正弦脉冲宽度调制）法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法。其基本原理是：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。
在系统结构确定以后，如何生成正确的SPWM信号成为实现逆变器的关键。由单片机实现SPWM控制，根据其软件化方法的不同，有如下几种方法：自然采样法、对称规则法、不对称规则法和面积等效法等。理论分析发现面积等效法相对于其它方法而言，谐波较小，对谐波的抑制能力较强。而且实时控制简单，利于软件实现。因此本文采用面积等效法实现SPWM控制。
（2）正弦信号序列
由于单片机数学运算能力有限，即时计算正弦值难以满足要求，因此，需要一个满足正弦规律的离散化了的信号序列，这个信号序列用一个字节的变化描述了一个正弦信号一个周期内的变化，峰值为255，谷值为0。如果一个SPWM信号的宽度按照本信号序列变化，则这个SPWM信号将等效于一个完整的正弦信号。这个序列可以用计算器算出来手工填写，也可以用Excel等电子表格工具直接生成相应文本，黏贴到C语言代码中去。这个信号序列固化在单片机的程序存储器里，系统运行时不再发生变化。该序列个数越多，SPWM信号的与正弦信号的拟合程度就越高。本设计中该信号序列的长度为128，即占用了128个字节，其他设计可以根据MCU的计算和存储能力对这个长度进行重新设定。
（3）占空比序列的产生
每一次改变输出频率，都需要生成一个新的占空比序列，这个序列以无符号字符格式一维数组的形式存储于单片机的数据存储器中。
首先，根据系统时钟计算载波频率。系统时钟周期的256倍为一个载波周期，即不管输出的正弦信号频率为多少Hz，在一个载波周期内固有256个系统时钟周期。PCA就是通过控制在这256个时钟周期内开关周期的个数，来控制占空比。即可以用以一个0到255的数来描述0~100%的占空比，如64表示在256个系统时钟周期，打开64个周期，占空比即为25%。
然后根据输出正弦信号的频率，计算一个正弦周期内，载波周期的个数，再根据先前得到的标准正弦信号序列，逐一计算每个载波周期的占空比。这些各个载波周期的占空比就构成了一个信号序列，这个信号序列以一维数组的形式存储于单片机的数据存储器中备用。
（4）SPWM信号序列的产生
有了占空比序列以后，就可以利用PCA实现SPWM信号的输出了。PCA含有一个特殊的16位定时器，有4个16位的抓捕/比较模块与之相连，如图3所示。每个模块可以工作在4种模式下：上升/下降沿捕捉、软件定时器、高速输出或可调制脉冲输出。本设计中需要用到3路SPWM信号，所以采用其中的3个模块，分别置于可调制脉冲输出（PWM）模式；选用第四个模块作为计数器，每计数达到255产生一次中断。在PWM模式下，可以通过每个模块都具有的寄存器CCAPnH和CCAPnL来控制占空比。所以每次中断都根据占空比信号序列调整CCAP0H、CCAP1H和CCAP2H的值就可以改变下一个载波周期的占空比值了。图4所述的是主程序流程图。
本发明将该逆变器加载到普通三相异步交流电机，通过示波器检验实际波形，在1~50Hz之间进行频率变更，发现波形平稳、完整，电动机运转良好。因此，该低成本逆变器完全可以作为简易变频调速设备的核心部件投入实应用。
以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离发明的实质和范围。
Claims (5)
1.一种基于可编程计数阵列的三相逆变器，其特征在于：包括控制芯片和电源模块，所述的电源模块的输入端连接控制芯片的输出端；所述的控制芯片的输出端还另外通过一个反相电路连接到电源模块的输入端；所述的电源模块通过整流装置为其提供工作电压；电源模块的输出端连接三相电机。
2.如权利要求1所述的一种基于可编程计数阵列的三相逆变器，其特征在于：所述的控制芯片为型号为STC12C5608AD的单片机，其具有768字节的SRAM和4路可编程计数阵列PCA，最多输出4路SPWM信号。
3.如权利要求1所述的一种基于可编程计数阵列的三相逆变器，其特征在于：所述的电源模块的型号为IRAMS06UP60B，其具有绝缘栅双极型晶体管IGBT及驱动电路。
4.如权利要求2所述的一种基于可编程计数阵列的三相逆变器，其特征在于：所述的控制芯片输出的SPWM信号由占空比序列利用可编程计数阵列PCA实现；所述的占空比序列由每一次改变的输出频率生成，并以无符号字符格式一维数组的形式存储于控制芯片的数据存储器中。
5.如权利要求4所述的一种基于可编程计数阵列的三相逆变器，其特征在于：所述的PCA含有一个16位定时器，有4个16位的抓捕/比较模块与之相连；所述的每个模块工作在4种模式下：上升/下降沿捕捉、软件定时器、高速输出或可调制脉冲输出。
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| CN110365243A (zh) * | 2019-08-20 | 2019-10-22 | 惠州汇能精电科技有限公司 | 逆变器电压调整方法、装置、逆变器及计算机可读介质 |
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| CN1694345A (zh) * | 2005-06-03 | 2005-11-09 | 孙力 | 步进电动机正弦波驱动器 |
| CN201518469U (zh) * | 2009-09-25 | 2010-06-30 | 余瑶 | 三相小功率电机调速的节能控制装置 |
| CN203039641U (zh) * | 2012-10-15 | 2013-07-03 | 常州工程职业技术学院 | 基于可编程计数阵列的三相逆变器 |
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