1引言
隨著電力電子技術、微機控制技術以及大規模集成電路的發展，基于集成PWM電路構成的變頻調速系統以其結構簡單、運行可靠、節能效果顯著、性價比高等突出優點而得到廣泛應用。本文介紹的GTRSPWM變頻調速系統是以大規模專用集成電路HEF4752和單片機（8098）為核心構成的控制電路，由HEF4752產生的三相PWM信號經隔離、放大后，驅動由GTR構成的三相橋式逆變器，使之輸出三相SPWM的波形，實現異步電機變頻調速。
2HEF4752簡介
HEF4752是采用LOCMOS工藝制造的大規模集成電路，專門用來產生三相PWM信號。它的驅動輸出經隔離放大后，既可驅動GTO逆變器，也可驅動GTR逆變器，在交流變頻調速和UPS中作中心控制器件。
2.1主要特點
1）能產生三對相位差120°的互補SPWM主控脈沖，適用于三相橋結構的逆變器；
2）采用數控方式不僅能提高系統控制精度，也易于與微機聯機；
3）采用多載波比自動切換方式，隨著逆變器的輸出頻率降低，有級地自動增加載波比，從而抑制低頻輸出時因高次諧波產生的轉矩脈沖和噪聲等所造成的惡劣影響。調制頻率的可調范圍為0～100Hz，且能使逆變器輸出電壓同步調節。
4）為防止逆變器上下橋臂器件直通，在每相主控脈沖間插入死區間隔，間隔時間連續可調。
2.2引腳說明
HEF4752為28腳雙列直插式標準封裝DIP芯片，它有7個控制輸入，4個時鐘輸入，12個驅動逆變器輸出，3個控制輸出。其外部管腳排列如圖1所示。各管腳功能描述如表1所列。
2.3HEF4752工作原理
HEF4752是一種基于同步式雙緣調制原理產生SPWM信號的專用集成電路,其原理框圖如圖2所示。
2.3.1輸入功能
1）輸入I用來決定逆變器驅動輸出模式的選擇，當I為低電平時，驅動模式是晶體管，當I為高電平時，驅動模式是晶閘管；

2）輸入控制信號K和時鐘輸入OCT共同決定逆變器每對輸出信號的互鎖推遲間隔時間；
3）相序輸入CW用來控制電機轉向。當CW為低電平時，相序為R、B、Y；當CW為高電平時，相序為R、Y、B；
4）輸入L用來控制起動/停止，L為低電平時，在晶體管模式下封鎖HEF4752所有的脈寬調制驅動輸出，但產生輸出信號的內部電路仍在繼續“運行”。L為高電平時解除封鎖。L除起停電路外，還可方便地用于過流保護；
5）控制輸入A、B、C供制造過程試驗用。工作時必須接到Vss（低電平）。但A還有另外一個用處，即剛通電時，A置高電平初始化整個IC片，被用作復位信號；
6）時鐘輸入
頻率控制時鐘（FCT）控制輸出PWM信號的基波頻率，即決定逆變器的輸出頻率f_out，從而控制電機轉速，f_FCT=3360×f_out。電壓控制時鐘（VCT）控制PWM信號的基波電壓幅值，使輸出電壓自動地正比于其輸出頻率，在給定的輸出頻率下，平均逆變輸出電壓的幅度由f_VCT控制。參考時鐘（RCT）是一個固定時鐘，它決定逆變器的最高開關頻率f_s(max)，f_RCT=280×f_s(max)，一旦f_RCT確定，則HEF4752輸出脈沖的調制頻率就在0.6f_s(max)～f_s(max)之間變化，且逆變器的開關頻率是輸出頻率的嚴格整數倍f_s=N×f_out，N為頻率比，其N值為15，21，30，42，60，84，120，168；
7）輸出推遲時鐘（OCT）控制HEF4752每對輸出信號互鎖推遲間隔時間τ_d（對晶體管模式）以防逆變器同一橋臂上、下兩只開關器件同時導通引起直通，推遲間隔時間的選擇端（K）一起決定τ_d的長短，其關系式為  

一般情況K保持為高電平，通常可取f_RCT=f_OCT。
2.3.2輸出功能
1）逆變驅動輸出HEF4752有六個主驅動輸出組成三個互補對，還有和每一主輸出相關聯的輔助輸出。在驅動GTR逆變器時，輸出波形是雙邊沿調制的脈寬調制波，其調制原理可由圖3加以說明。圖中假定載波在一個周期內有9個脈沖（這個脈沖數被稱為頻率比），載波脈沖的兩個邊沿都用一個可變的時間間隔量δ加以調制，而且使δ∝sinθ（θ為未被調制時載波脈沖邊沿所處的時間，或稱角相位）。sinθ>0時，該處的脈沖變寬；sinθ<0時，該處的脈沖變窄。三相輸出的調制脈沖波相位互差120°，如圖3中U_R、U_Y、U_B所示。圖3中的V_RY是R相和Y相間的線電壓波形。這個脈沖波平均值的波形接近正弦波。顯然，頻率比N的值越大，線電壓平均值的波形就越接近正弦波，而良好的正弦波輸出，正是交流電機所要求的。

2）控制輸出RSYN是一個脈沖輸出，其頻率等于f_out，脈寬等于VCT時鐘的脈寬，主要為觸發示波器掃描提供一個穩定的參考信號。
輸出電壓模擬信號VAV為一數字信號，它模擬逆變器輸出線電壓的平均值。它不受互鎖推遲間隔的影響，也不被控制輸入L封鎖，其頻率等于逆變輸出頻率f_out，并為6f_out所調制，VAV在f_VCT的閉環控制中非常有用，可用來改善輸出電壓對輸出頻率關系的非線性。
逆變器開關輸出CSP是一脈沖串，不受L狀態的影響，其頻率為逆變器開關頻率的2倍，其中每一脈沖的下降沿發生在主輸出的零調制點。
3系統的硬件電路
整個系統的硬件電路由主電路、控制電路、驅動電路、保護電路等構成，其電路框圖如圖4所示。

3．1主電路
其形式是AC/DC/AC逆變電路，由三相整流橋、濾波器、三相逆變器及電流互感器LEM組成。三相交流電經三相橋式整流后，得到脈動直流電壓，再經電容器C1、C2和均壓電阻R₁、R₂組成的儲能、濾波后以直流電壓供給逆變器。主開關器件選用日本富士公司生產的EHR系列的6單元GTR模塊，構成本系統三相逆變器。
3.2控制電路
8098單片機及外圍電路芯片8254，2764、74LS273、74LS139和HEF4752三相PWM產生器構成本系統控制電路，其控制框圖如圖5所示。

單片機除完成對HEF4752的初始化、輸出脈寬控制、頻率控制外，還同時完成數據處理、模擬信號與數字信號的檢測、保護功能的邏輯判斷。在系統通電時，HEF4752必須有初始化過程。在初始化的前半段，內部電路應被清零，要求至少送3360個脈沖進入FCT端。在初始化的后半段，輸入腳的所有輸入狀態都必須建立起來。如果FCT從零開始起動，最好以0.04f_RCT的頻率送3360個脈沖給FCT端，否則，HEF4752的前幾個輸出脈沖將是以頻率比N=15而不是168送到逆變器，這有可能對逆變器造成損害。
3.3驅動電路
GTR基極驅動電路的性能直接影響著GTR的工作狀況，因此在設計和選擇基極驅動電路時，應考慮最優化驅動和自動快速保護的特點。本系統驅動電路由UAA4002構成。HEF4752輸出PWM信號經脈沖變壓器或光電耦合器，通過驅動模塊UAA4002對工作于開關狀態的GTR模塊實現最優基極驅動。其正向驅動能力為0.5A，反向驅動能力為－3A，如果需要增加驅動能力，可外接功放晶體管加以擴展。
3.4保護電路
為使GTR逆變器安全工作，控制電路中必須有保護電路。保護電路的功能包括過壓保護、過流保護、過載保護。采用電流傳感器模塊（LEM）測三相逆變器的輸出電流，電流檢測信號經測量電阻轉換成電壓信號。過壓保護信號取自主電路濾波電容器端，經電阻分壓后獲得。為防止高壓信號進入控制電路，而采用光電隔離。一旦檢測值超過給定值，保護電路發出的信號和來自單片機的控制信號一起封鎖了HEF4752三相PWM脈沖輸出，使GTR關斷。
4系統軟件設計
軟件程序設計是整個系統控制設計的核心，它控制逆變器的輸出特性，如電壓、頻率范圍、穩定度、可靠性等，圖6為系統的程序框圖。

本系統的控制程序功能如下：
1）8098單片機、外圍芯片及HEF4752的初始化，滿足系統的通電條件，確保逆變器的安全運行。在系統通電時，需對HEF4752進行初始化，此時其輸出被封鎖，以建立起正確的時鐘和輸入條件，使逆變器的功率器件不致因HEF4752的誤輸出而損壞。
2）合理選用逆變器的輸出控制方式。逆變器輸出頻率為0～60Hz，輸出頻率小于50Hz時，電動機運行在恒轉矩特性段；輸出大于50Hz時，電動機運行在恒功率特性階段。為了補償低頻段定子繞組壓降，在低頻段適當地改變f_VCT值。圖7為逆變器實際的電壓頻率運行曲線。
3）逆變器輸出頻率由面板的電位器給定。在初始化完成后，由軟件改寫中斷掛號寄存器INT－PENDING，以期產生A/D完成中斷，讀入初始給定的頻率值，隨后的設定值由A/D完成中斷，每隔100ms定時讀入，并經中值濾波，以消除干擾的影響，用軟件控制HEF4752輸出的PWM脈沖。

4）根據給定的變化，控制電機平滑、快速地跟蹤給定轉速。系統有積分軟起動功能，用戶可突給頻率，使輸出平滑地跟隨給定的變化。系統還設有快/慢啟動及正/反轉開關供用戶選擇。
5）在程序中還安排了故障及顯示程序。一旦出現故障，可自動切斷主電路電源、封鎖PWM信號輸出，判別故障類型并顯示出來。
5結語
本系統采用8098單片機和三相PWM產生器HEF4752后，使系統硬件結構大為簡化，元器件減少，結構緊湊，成本降低，提高了系統的穩定性，在中小型異步電機調速與不間斷電源應用方面具有一定的應用價值。