引 言
隨著現(xiàn)代控制和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)已達到了完全可以與直流調(diào)速相媲美的程度，其卓越性能使其應(yīng)用范圍越來越廣。對于變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心部件——變頻器" title="變頻器">變頻器，小功率" title="小功率">小功率變頻器是大公司所不重視的，但小功率電機的應(yīng)用日益廣泛，在工業(yè)自動化的運動機構(gòu)，甚至于日常健康用品中都越來越多地用到小功率變頻器。本系統(tǒng)采用了功率因素" title="功率因素">功率因素補償技術(shù)，有效減小了用電負荷對電網(wǎng)的危害并增強其適應(yīng)性，達到諧波治理的目的，同時具有顯著的節(jié)能效果，突出了綠色電源的安全節(jié)能性。另外，采用Philips公司的LPC2148作為控制器，充分利用其A／D轉(zhuǎn)換、PWM輸出、串行通信等功能。設(shè)計利用3個雙邊沿控制的SPWM波形，構(gòu)成三相橋主回路的控制，利用LPC2148的捕獲功能實現(xiàn)一路軟件PWM控制PFC(Power Factor Correction)。
1 功率因素補償(PFC)
工業(yè)控制應(yīng)用中電力網(wǎng)經(jīng)常需要與整流器相連。經(jīng)典的整流器是由二極管或晶閘管組成的一個非線性電路，在電網(wǎng)中會產(chǎn)生大量的電流諧波。PFC的目的就是消除這些窄而陡的電網(wǎng)脈沖，這些陡的電流會引起頻射干擾；更嚴重的是，它的有效值比所需的負載輸出功率要大。這不僅會造成輸入電機溫升過高，還會使濾波電容的溫升提高并降低其可靠性。
將PFC技術(shù)應(yīng)用在boost變換器" title="變換器">變換器中。功率因素補償電路的首要任務(wù)是，利用boost變換器將沿正弦半波曲線上升和下降的不同輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的、比輸入正弦電壓幅值稍高的直流輸出電壓。在整個正弦電壓的半個周期里，導(dǎo)通時間由軟件PWM控制，它檢測到輸出電壓并利用誤差放大器與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進行比較，通過負反饋來設(shè)置導(dǎo)通時間，從而使輸出電壓保持定值不變。其第2個任務(wù)是，檢測輸入電網(wǎng)的電流并使它變?yōu)榕c輸入電網(wǎng)電壓同相位的正弦波" title="正弦波">正弦波。這也需要通過調(diào)整boost變換器的導(dǎo)通時間來實現(xiàn)。導(dǎo)通時間由負反饋環(huán)決定，將實際電網(wǎng)電流采樣并與基準(zhǔn)正弦波電流比較。這兩個正弦波的差值是誤差電壓，由誤差電壓來調(diào)節(jié)導(dǎo)通時間使兩個正弦波具有相同的幅值。最終控制boost變換器導(dǎo)通時間的電壓是直流輸出電壓的誤差電壓和輸入電網(wǎng)電流的誤差電壓的合成電壓。這種合成由LPC2148內(nèi)部的乘法器實現(xiàn)，其輸出與輸出電壓的誤差電壓和輸入電流的誤差電壓的乘積成正比。
2 VF控制系統(tǒng)的實現(xiàn)
2．1 VF控制的硬件實現(xiàn)
變頻器是運用近代電力電子與控制技術(shù)的一種新興產(chǎn)品，主要用在各種工業(yè)和民用的機電設(shè)備上。其特點是，通過改變供電頻率來控制電機轉(zhuǎn)速，進而達到提高機電設(shè)備自動化程度與節(jié)約能源的目的。VF控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、機械特性硬度較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
涉及的變頻器電路由主回路、驅(qū)動控制電路、人機界面、PFC功率因素校正電路、保護電路、RS485通信接口電路和輔助電源電路等幾部分組成。通過對各個模塊的軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)一個結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、成本低、動態(tài)性能良好的小功率變頻器。用戶可以通過人機界面來設(shè)置電機的啟停、正反轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)速，也可以通過外部端子的輸入信號來控制。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。
該系統(tǒng)含兩個功率部分：帶有PFC功能的BOOST電路和三相SPWM逆變橋電路。
第一部分是一個BOOST升壓模塊，電路中有電壓和電流兩個閉環(huán)回路，采用PID算法實現(xiàn)控制。一方面實現(xiàn)消耗電流對輸入電壓波形的跟蹤，以及消耗電流與輸入電壓相位的同步；另一方面使逆變橋母線電壓輸出恒為DC 375 V。這個設(shè)計使市電供應(yīng)在AC 85～265 V的范圍時都可以得到功率因素補償PF=1的效果。
第二部分由帶自舉驅(qū)動和保護功能的高低邊半橋驅(qū)動器驅(qū)動MOS管組成的3個獨立半橋。LPC2148處理器作為主控制器，輸出3路雙邊沿調(diào)制的SPWM波形。該3路輸出采用自舉、電平移位方式，經(jīng)功放后驅(qū)動半橋輸出，減少對輔助電源的需求，結(jié)構(gòu)簡單；具備完善的瞬時過流保護電路和持續(xù)過流保護功能。在系統(tǒng)瞬時過載時，關(guān)閉部分驅(qū)動脈沖，長期過載可以使系統(tǒng)停止對外輸出，待過載消失可以重新啟動。逆變橋設(shè)計的最大調(diào)制比為85％，使母線電壓375 V調(diào)制三相為220 V交流(375×0．85約大于220 V的峰值電壓310 V)。
2．2 VF控制的軟件實現(xiàn)
軟件設(shè)計主要利用LPC2148自帶SPWM發(fā)生模塊、PFC控制模塊和A／D轉(zhuǎn)換電路的特點進行的。軟件由主程序和中斷程序組成。主程序包括LPC2148的初始化、A／D轉(zhuǎn)換、參數(shù)設(shè)定、過壓過流保護以及轉(zhuǎn)速顯示。其主程序流程如圖2所示。
中斷程序包括串口中斷和定時器中斷，當(dāng)串口接收到外部中斷后，CPU從串口讀取參數(shù)，進入系統(tǒng)狀態(tài)，如圖3所示，其狀態(tài)命令和標(biāo)志說明如表1所列。
執(zhí)行完畢后，更新原有參數(shù)，然后回到主程序再次等待外部中斷。定時器內(nèi)部中斷服務(wù)程序主要涉及的是LPC2148內(nèi)部SPWM產(chǎn)生模塊，定時器中斷程序流程如圖4所示。
3 實驗仿真與結(jié)果
仿真軟件采用MATLAB中的Simulink，具有直接搭建模塊、縮短開發(fā)周期等優(yōu)點，在控制系統(tǒng)和電機仿真中應(yīng)用廣泛。交流輸入端為220 V、50 Hz電壓，PFC中電感為1μH，電容為450μF，為方便觀看輸出電流波形，取時間長度為O．03 s，仿真結(jié)果如圖5所示。同時通過檢測消耗電阻兩端電壓與輸入電壓，并對電壓波形進行比較，得到圖6所示的波形?？梢钥闯?，經(jīng)過功率因數(shù)校正，消耗電阻的電流接近正弦波跟隨輸入電壓。
4 結(jié) 論
利用PFC技術(shù)和VF控制理論構(gòu)成一個小功率變頻器，并由具有高性價比的LPC2148芯片作為控制核心實現(xiàn)整個控制。由于PFC技術(shù)的引入，有效地減小了用電負荷對電網(wǎng)的危害，達到諧波治理的目的，同時具有顯著的節(jié)能效果，從而使電機運行更加穩(wěn)定。另外，LPC2148芯片的高性能使整個控制系統(tǒng)的算法在幾微秒內(nèi)完成，控制系統(tǒng)的實時性能得到極大提高。該變頻器已經(jīng)在生產(chǎn)應(yīng)用中投入使用。