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三相正弦波脉宽调造(SPWM)旗号爆发器SM2001

2021-09-23 | 作者:admin

  摘要:介绍一种可自动产生三相正弦波脉宽调制波形的专用芯片的结构、原理及使用方法。它可广泛用于三相电机的变频控制,三相UPS的驱动等领域。关键词:正弦波脉宽调制;接口;变频;控制

  SM2001是可产生三相SPWM驱动波形的大规模集成电路。它的工作频率宽,合成正弦谐波小,调节方便、准确,保护电路完善,无需外部元器件,且有普通正弦波和高效电机驱动波两种波形的选择,可广泛用于交流异步电机的变频驱动,如变频空调、变频冰箱和变频洗衣机的控制驱动,各类工业水泵、风机的变频驱动,各类不间断电源(UPS)以及其它一些需要三相SPWM波形驱动的功率控制电路中。

  SM2001采用0.6μmCMOS工艺制造。电路内部集成有三线串行接口、双波形正弦发生器、幅度因子乘法器、PWM波形发生器、死区时间和窄脉冲控制电路、启动电路和保护电路等。封装采用DIP18塑封。

  SM2001的外形图如图1所示。其管脚说明如表1所列。其内部逻辑框图如图2所示。

  2)内部带两套波形发生器,可产生标准正弦波和用于交流电机控制的高效准正弦波。

  3)自动产生三相PWM调制波形,范围从0到200Hz(时钟为20MHz时),步进频率为最大频率的1/255。

  10)采用外部时钟驱动,可与单片机共用一个晶体谐振器,最高工作频率可达24MHz。

  11)有完善的多级保护电路,保护动作灵敏(典型反应时间小于2个时钟周期)。

  SM2001有6个PWM输出端口,通过双边沿规则采样的方法产生6路PWM输出波形,分别驱动U、V、W三相桥式功率开关,每相的信号由2路与TTL电平兼容的管脚输出。该信号通常是通过外部的隔离器件(如光耦)来驱动桥式电路。2个信号分别驱动某一相的上半桥臂和下半桥臂。

  在通过PWM合成正弦波的方法中,有多种参数需要确定,如:三相正弦波的频率、三相正弦波的幅度、PWM波的频率、最小窄脉冲宽度和死区时间。在SM2001的控制设置中,这些参数全部可以通过一个高速串行口进行实时调节。

  对于电力应用或功率电路的驱动,除正常的功能外,最重要的就是完善的保护机制了。而SM2001具有完善的保护电路。在SM2001中,设置了三个层次的安全保护。

  一个是SPWM输出的开启命令:在SM2001的设置中,有一条开启指令,在所有的初始化参数设置完成后,芯片并不是立即产生输出波形,只有在开启命令发布后,SPWM波形才会输出,这是为了防止在系统未完成初始化时有错误的波形产生。而一旦开启SPWM的输出后,再进行参数设置时,SPWM的变化将立即出现,不再需要开启命令了。

  第二个保护是OE控制端,它是用于单片机的普通输出控制的。在SM2001上有一个使能控制端OE,接受控制系统的控制信号。当OE为高电平时,SPWM完整输出波形,否则,输出将保持高电平静止状态。

  第三重保护是异常中断控制端INT,主要是接受系统的异常信号,如输出短路、断相等异常信号。当外部检测电路发现异常,在INT上产生一个负电平或负脉冲信号,SM2001的输出将立即截止,且反应时间小于200ns,大大高于普通采用单片机系统产生SPWM波形的控制模式。在异常保护出现后,芯片将不能通过命令恢复输出(防止由于单片机的故障而产生错误的开启),只有在重新上电或RST复位后,芯片才能重新接受控制。

  由于SM2001采用了内部的大规模正弦波形发生器,所以输出的正弦波精度高,失真和谐波都很小,且由于采用参数设置的方式,各种微处理器都可以很方便地控制SM2001。由于是全数字化的设计,内部的波形发生器、乘法器、PWM波形产生电路的精度都高于最后实际的输出精度,所以产生的SPWM波形具有非常高的准确度和稳定性。而精确的波形可以使功率输出电路的效率得到提高。

  SM2001完全可以作为微处理器的一个独立的外部电路工作。在设置初始化条件后,SM2001完全自动产生SPWM驱动波形。只有当需要改变输出波形或处理异常中断等状态时,才需要微处理器的干预。

  在SM2001芯片内部有两套标准的三相SPWM驱动波形,即纯正弦波和高效准正弦波。可通过端口WVS的设置电平来选择。其中纯正弦波主要用于UPS等系统,而高效准正弦波主要用于交流电机驱动方面,这种波形可提高电机驱动系统的效率。这两种

  波形可以满足绝大部分的应用需求。对于特殊的波形需求则可以通过修改波形发生器来得到。

  SM2001的工作状态和输出信号的参数是由内部的寄存器控制。寄存器大小为8Bit,地址用3Bit的二进制码表示。故通讯数据为11Bit。

  控制三相SPWM波的频率,256级选择精度,地址为011。它控制输出的PWM合成的正弦波的频率,三相波形的频率是相同的,通过此寄存器进行选择。B7B6B5B4B3B2B1B0

  例如:如果时钟频率为20MHz,PFR=63,则三相正弦波的频率为50.1Hz。

  改变输出三相波的幅度,256级选择精度,地址为010。它控制输出的PWM合成的正弦波的幅度,三相波形的幅度是相同的,通过此寄存器进行选择。B7B6B5B4B3B2B1B0

  例如:如果后级功率电路的直流电压为300V,AMPR=128,选取纯正弦波输出,则输出正弦波的峰值电压为150V,有效值电压为106V。但根据死区时间和窄脉冲时间的大小不同而产生的效应,实际的输出电压可能略小于此数值。

  设置PWM载波的开关频率和要删除的无效窄脉冲宽度,地址为001。PWM的开关频率是后级大功率管或大功率模块的重要参数之一,它往往取决于后级功率电路的开关时间、工作效率、是否要静音设计等要求。本芯片的PWM的开关频率与时钟频率有关,在20MHz时钟时最高开关频率可达到38kHz,完全满足高速仪表中的静音设计要求。B7B6B5B4B3B2B1B0

  当CF1、CF0为11、10、01、00时,其对应的分频系数N则分别为8、4、2、1。

  窄脉冲删除功能是指在PWM波中,由于后级电路的开关时间问题,小于tpd宽度的脉冲不能引起后级电路的动作,可以被删除去。参见图3。

  PWM载波的死区时间也是后级大功率管或大功率模块的重要参数之一,它取决于后级功率电路的导通时间和截止时间。对于采用IGBT作为功率输出的电路,则尤为重要。如果设置不当,会导致功率电路烧毁或谐波失真增加,死区时间设置参见图4。

  寄存器窄脉冲选择和PWM频率寄存器幅度控制寄存器AMPR频率控制寄存器PFR死区时间控制寄存器DTIM

  在完成芯片的各项参数的初始化设置后,通过往地址110中写入5FH,即可以开启芯片的SPWM输出。以后的参数改变,一旦写入寄存器即立即表现出来,不必再使用开启命令了。

  5三线的寄存器是通过一个三线同步串行接口进行设置的。A0A1A2D0D1D2D3D4D5D6D7

  当片选CS为低时,芯片进入串行通信状态,在每个时钟CK的上升沿,数据线DA上的数据被移入内部缓冲器,当11个数据位全部进入缓冲器后,在最后一个CK脉冲的认可下,数据被转入相应的寄存器,且命令被立即执行。

  地址和数据的低位在先传入,分别为A0、A1、A2、D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7。由于内部的时序原因,在完成所有的数据输入,CS恢复高电平后,必须在CK上额外地多加入一个时钟,完成数据的认可,具体如图5所示。

  RST接低电平时,芯片进入复位状态。此时输出端输出高电平,各寄存器的内容如表2所列。

  复位主要是用来恢复INT异常中断的状态。如果不是首次上电,复位并不能清除开启命令。在芯片工作中时复位,芯片将以初始化条件输出PWM波形,所以应配合使用OE的功能,首先关闭SPWM输出(OE=0),复位电路(RST上加入一个负脉冲),在设置好需要的参数后,再开启OE,才能正常的输出波形。

  当采用20MHz的时钟时,表2中的缺省条件表示PWM的频率为4882Hz,死区和短脉冲时间为25.6μs,正弦波频率为50Hz,合成正弦波峰值幅度为电源的80%。(注意:在芯片的OE不为高,或MCU未发送开始命令时,U、V、W端口并没有实际的SPWM输出)

  当芯片首次上电时,也将自动复位所有的寄存器为内部初始值,且芯片的输出端保持高电平(不输出时的缺省状态)。

  1)采用简单的MCU的5根IO口即可控制SM2001,并直接将MCU的时钟作为SM2001的时钟。

  2)IPM的驱动及电源要求见三菱电机的手册《智能化IGBT模块——IPM》。

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