变频调速系统集成化中的控制芯片设计

摘　要：控制芯片在变频调速系统中有着非常重要的作用，针对变频调速系统的特点和封装集成、单片集成变频调速系统的要求，设计了一种适合于变频调速系统集成化控制芯片。该芯片主要采用数字电路实现变频调速控制策略，由于控制通过硬件数字电路实现，提高了控制电路系统的可靠性。针对目前采用单片机或DSP 芯片控制时外围电路比较复杂的特点，引入了一种通信机制，实现了大多数的控制参数设置，在使用户具有较大的自由度的基础上，大大减少了控制IC 的输入输出管脚，并在可编程逻辑器件FPGA 上进行了实验验证，仿真和实验结果表明了该芯片具有较高的性能和便于集成化的特点。

关键词： 变频器；集成化；通信技术；数字电路

引　言

变频调速是电力电子主要应用场合之一，其市场极其广阔，据统计，我国仅空调一项，每年达千万台。随着电力电子技术和电力电子器件的发展，各种电机的变频调速器也有着日新月异的变化。特别是近些年来，由于控制技术、电力电子技术发展较快，变频器的调速性能大大提高，成本大幅度降低。近十年来，国外公司在变频调速方面提出了很多构思，也研制出了多种集成化程度很高的变频调速系统和控制芯片。要在这场竞争中取得优势就必须提高产品的性能，降低产品的价格。使驱动电源小型化、模块化、集成化是一个必然的发展方向。

通过集成，不但能使驱动电源以较小的体积和重量包含更多的功能，而且可以降低产品的成本，提高其市场竞争力。对于电机控制，则可以将整个控制器装入电机内部，形成一个电子电机，真正实现电机及其控制的一体化。目前国内外变频调速系统集成化的2 个发展方向主要分为封装集成和单片集成。单片集成由于其应用微电子技术在单个硅晶片上实现功率系统集成化，目前仍存在着不少问题需要解决，主要应用于微小电机驱动方面，而封装集成相对而言对热问题和隔离问题的解决比较容易，目前在几千瓦的系统中已有所应用。

变频调速系统不仅具有比较多的功率器件，还具有比较齐备的检测电路和比较复杂的控制。对变频调速系统进行集成化，不仅需要研究功率器件的集成、研究集成过程中可能遇到的电、磁和热等方面的问题，研究变频调速控制系统，使其在保证功能的同时，不易收到电、磁和热等方面的干扰，也具有比较重要的意义。

本文利用集成IC 的寄生参数相对比较小和硬件电路具有较高的抗干扰性能的特点，设计了一种比较适合于集成化的变频调速系统控制芯片方案，该芯片主要由数字电路实现，将大部分控制参数通过通信来设置，在给用户提供了比较大的自由度的同时大大减少了输入输出管脚和外围电路，使芯片保持了所需要的功能的同时方便于进行系统集成化，提高了系统抗干扰性能。

电机变频调速控制芯片系统

图1所示为目前常用的电机调速系统，三相桥的6 路控制脉冲主要由微控制器硬件和软件实现。将该系统引用封装技术集成化时，通常通过导线键合的方法连接各器件。但由于电机调速系统属于功率系统，通常使用的控制芯片由于外围电路比较复杂，存在很多寄生参数，在集成化时必须研究解决电、磁、热等因素的干扰，根据国内外的集成化研究，应用专用控制芯片来减少或解决该类干扰是一个比较成功的方法之一。

图1　常用电机调速系统

基于该目标，设计出了如图2所示的专用控制芯片，采用了数字电路设计技术。为了便于调速系统的集成化，尽可能减少芯片外围电路，除了保护信号输入和在工作过程中会改变的控制信号通过I/O 管脚输入，其他参数设置尽可能不再通过专门的管脚和外围电路实现，而通过在芯片外围添加一片E²PROM ，这些参数存储在E²PROM 中，每次系统上电时，通过通信将相关数据从E²PROM中下载下来。该控制芯片应用了SPWM调制技术，基本时钟频率由外接晶振设定决定。从图2可知，该芯片需要发出三相6 路SPWM脉冲波形去控制主电路。这些SPWM脉冲相对独立的有3路，即三相控制脉冲，通常其相位相差120°，另外3路与之互补，分别用来控制上下桥臂。该控制脉冲的脉冲宽度可根据式(1) 计算，SPWM 调制方式为单极性调制时，载波频率为f _c， 调制波频率为f ₀，则在时间为t 时脉冲宽度为：
其中： m为调制比；ω为调制波角频率。即：
其中： m 为调制比；T_c 为载波周期；f _c 为载波频率；n为频率调制比。
从式(1) ，式(2) 可以看出，要产生所需要的控制脉冲信号，需要算出T_i，然后由波形发生器产生相应的方波信号。

图2　系统控制芯片内部结构

参数通信技术

专用控制芯片与外接的E²PROM 的接口采用的是微线型三线串行接口，所有的参数存于E²PROM 中，复位以后通过串行接口自动下载存储在E²PROM 中的数据。图3为串行E²PROM 接口，其工作协议采用微线型串行接口通讯协议。在复位结束时，芯片CS管脚为高电平，芯片从DA管脚读入数据，分别送至相应的锁存器锁存，数据下载完后，片选CS置为0，停止数据下载。该串行接口的工作时序如图4 所示。

图3　串行E²PROM 接口

图4　串行接口工作时序

在E²PROM 中存储的参数主要有载波频率f_c，死区时间T_dead，波形选择以及V /f 曲线参数等。载波频率f_c 是指外接的时钟频率和一个系数N_c的函数，N_c是一个16位二进制数，其计算公式为：

其中：f_clk为时钟输入频率。

死区时间(T_dead) 是为了防止逆变桥中同一桥臂高端和低端的功率开关管因关断延迟而发生直通，损坏功率管而设置的，他外接的时钟周期和一个系数N_dead 的函数，N_dead 是一个16 位二进制数，其计算公式为：

在电机调速的SPWM调制中，调制波通常有2 种形式: 正弦波和叠加三次谐波的正弦波形，因此，在芯片中设置了2种输出波形以供选择，输出波形选择设置位是WS，其选择规律为：WS =1 时，调制波为正弦波；WS =0 时，调制波为叠加三次谐波的正弦波。V/f 曲线使用二次曲线来描述，参数主要有二次系数K1；一次系数K；频率为0时，电机线圈上用来抵消低速时损耗的初始电压调制比C₀；当K1= 0时，V /f 曲线为线性特性；K1 ≠0时，V /f 曲线为风扇特性。上述这些参数存储在E²PROM 中的地址如表1所示。表中的N2为加速率，N3为减速率。这些参数由于在调速电源工作过程中一般不会被改变，通过通信下载，可以实现在不增加I/O管脚的前提下，为每个芯片用户提供选择自由，同时避免了用户编程，只需要将设置的参数按相应地址写即可，每次系统复位后，按照图4所示时序，将表1中的数据下载、锁存以供脉冲宽度参数计算。


仿真和试验结果

图2中的数字电路部分和图4中的通信的实现均是通过VHDL硬件语言描述，在Quartus开发软件中进行编译、适配和布局的，最终通过Altera公司的FPGA(ACEX1K30)来进行IC系统实现。图5 所示为时钟频率CLK=16MHz，载波周期参数T c=800、死区时间参数N=48时，专用控制芯片仿真输出波形；图6 所示为时钟频率CLK=16MHz，载波周期参数T c=1600、死区时间参数N =48时，专用控制芯片仿真输出波形，u1、nu1、v1、nv1、w1、nw1是输出的三相6路SPWM控制触发信号。

图5　芯片仿真输出波形(一)


图6　芯片仿真输出波形(二)

从图5，图6波形可知所设计的专用控制芯片电路输出完全符合功能要求，为了进一步验证该专用控制芯片设计，将所设计的IC数字电路下载至Altera公司的FPGA中，将其应用在实际的异步电机变频调速电源中，获得的电压电流波形如图7，图8 所示，从图中可知效果完全满足要求。

图7　变频器电压波形 (带3 次谐波，f = 50Hz，fcarry= 4.882 kHz)

图8　变频器电流波形 (带3 次谐波，f = 50 Hz，f carry= 4.882 kHz)

结　语

本文从电机调速系统集成化角度，利用FPGA硬件推出了一种专用于电机调速系统集成化的IC，该专用控制IC由数字电路实现，引入串行通信技术来减少IC输入输出接口和外围电路，用硬件数字电路实现了在微控制器作为主控制芯片系统中通过软件实现的功能，消弱变频调速系统集成化时必须解决的电、磁、热等方面的干扰。仿真和实验结果验证了该方案的正确性。