87C196MC與IPM模塊組成的變頻調(diào)速系統(tǒng)

隨著大功率開關(guān)器件制造技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，交流電機(jī)的變頻調(diào)速在一般工業(yè)領(lǐng)域以至許多民用領(lǐng)域中已得到廣泛應(yīng)用。在節(jié)能、減少維修、提高產(chǎn)品產(chǎn)量及產(chǎn)品質(zhì)量等方面都取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。目前，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的研究和開發(fā)已引起各國學(xué)者的高度重視，而所用微處理器、功率器件及產(chǎn)生SPWM波的方法是影響變頻器性能好壞的直接因素。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 87C196MC及IPM簡介

87C196MC 是Intel公司專門為三相異步電動(dòng)機(jī)和直流無刷電動(dòng)機(jī)控制而設(shè)計(jì)的16位單片機(jī)。它由C196內(nèi)核、8KB EPROM、三相波形發(fā)生器WFG、A/D轉(zhuǎn)換器、事件處理門陣列EPA、定時(shí)器和脈寬調(diào)制單元等組成。其中，三相波形發(fā)生器WFG是87C196MC的一大特色。WFG可以通過P6口直接輸出用于逆變器驅(qū)動(dòng)的6路SPWM信號，每個(gè)引腳的驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)20mA，在使用16MHz時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號的頻率可達(dá) 8MHz。為防止同一橋臂上2個(gè)功率管發(fā)生直通造成短路，該發(fā)生器還可通過編程設(shè)置死區(qū)互銷時(shí)間，在16MHz晶振時(shí)，死區(qū)時(shí)間范圍為 0.125～125μs之間。一旦啟動(dòng)，WFG只要CPU在改變PWM波的占空比時(shí)加以干涉，大大減少了CPU的開銷。三相波形發(fā)生器WFG的存在大大簡化了用于產(chǎn)生PWM波形的軟件和硬件，使系統(tǒng)得以大大簡化。

智能功率模塊IPM已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在變頻器、數(shù)控機(jī)庫、工業(yè)機(jī)器人等電能轉(zhuǎn)換設(shè)備中。帶有IGBT驅(qū)動(dòng)電路和自診斷、保護(hù)功能完善的IPM的使用，使得電能轉(zhuǎn)換設(shè)備體積更小、更可靠、更具智能化。本系統(tǒng)所選用的功率器件為7MBP50RA120。它內(nèi)部含有組成1個(gè)三相H橋（逆變橋）和1個(gè)制動(dòng)單元的7個(gè) IGBT和7個(gè)快速功率二極管，并且含有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路。另外它的保護(hù)功能相當(dāng)完善，內(nèi)含過電流保護(hù)（OC）、短路保護(hù)（SC）、驅(qū)動(dòng)電源欠電壓保護(hù)（UV）、過熱保護(hù)（OH）、報(bào)警輸出（ALM）等。7MBP50RA120是富士電機(jī)推出的第4代R-系列智能功率模塊IPM，它克服了在傳統(tǒng)的 IGBT-IPM中，當(dāng)工作溫度迅速上升時(shí)IPM可能被擊穿（這種擊穿發(fā)生是因?yàn)樘峁囟缺Ｗo(hù)的溫控器安裝在IGBT芯片的絕緣基板上）以及有時(shí)由于寄生電容或控制電路產(chǎn)生的寄生電感而引起的噪聲使IGBT產(chǎn)生誤動(dòng)作的缺點(diǎn)，并且該系列的IPM所使用的元件數(shù)量比傳統(tǒng)的IPM少得多（僅為5%），可靠性得到很大提高。

1.2 硬件電路

系統(tǒng)硬件電路采用交-直-交變頻方式，如圖1所示。三相工頻電壓經(jīng)速流橋6RI30G-160整流后，再經(jīng)2個(gè)電容器HCGF5A2W222Y平滑濾波后送至IPM模塊7MBP50RA120的主電流輸入端口P、N端。