基于FPGA的交流异步电动机变频调速系统

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摘 要：随着电力电子技术的发展，用交流异步电动机来调速的愿望已经实现。其中尤以变频调速收到关注。设计引入先进的FPGA，作为其核心控制芯片。系统同时采用SPWM专用芯片SA4828。SA4828是大规模集成电路，专门用来产生三相SPWM波形。本文用FPGA控制SA4828产生三相SPWM波来控制逆变电路，从而实现对三相交流异步电动机的调速。

关键词：FPGA SA4828波形发生器 三相交流异步电动机 变频调速 SPWM

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（c）-0127-02

所谓变频就是利用电力电子器件（如功率晶体管GTR、绝缘栅双极型晶体管IGBT）将50 Hz的市电变换为用户所要求的交流电或其他电源。它分为直接变频（又称交-交变频）和间接变频（又称交-直-交变频），后者又分为谐振变频和方波变频。方波变频又分为等幅等宽和SPWM变频。常用的方法有正弦波（调制波）与三角波（载波）比较的SPWM法、磁场跟踪式SPWM法和等面积SPWM法等[3]。

本设计所设计的题目属于间接变频调速技术。它主要包括整流部分、逆变部分、控制部分及保护部分等。逆变环节为三相SPWM逆变方式。

1 系统简介

1.1 交流异步电动机

三相异步电动机主要由定子和转子两大部分构成，定子是静止不动的部分，转子是旋转部分，在定子与转子之间有一定的气隙，以保证转子的自由转动。异步电动机结构如图1所示。

1.2 SPWM技术

SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）技术，即在PWM的基础之上，改变调制脉冲的方式。脉冲宽度和时间占空比按正弦规率变化，这样输出波形经过适当的滤波就可以做到输出正弦波。

产生SPWM信号的方法是用一组等腰三角波（称为载波）与一个正弦波（称为调制波）进行比较，如图2所示，两波形的交点作为逆变开关管的开通与关断时刻。当调制波的幅值大于载波的幅值时，开关器件导通，当调制波的幅值小于载波的幅值时，开关器件关断。

2 系统的硬件实现

基于fpga的交流异步电动机的变频调速系统，以FPGA为核心控制芯片，利用SA4828芯片产生SPWM波，再通过驱动电路驱动逆变开关。再加上电路，保护电路等，构成整个完整系统。

本设计为交流异步电动机的变频调速，主要涉及主电路和控制电路两大部分（如图3）。

系统各组成部分简介。

供电电源：电源部分因变频器输出功率的大小不同而异，小功率的多用单相220 V，中大功率的采用三相380 V电源。

整流电路：整流部分将交流电变为脉动的直流电，必须加以滤波。此处采用三相不可控整流，用不可控的二极管组成三相桥式整流电路。它可以使电网的功率因数接近1。

滤波电路：此处采用电压型变频器，所以采用电容滤波，中间的电容除了起滤波作用外，还在整流电路与逆变电路间起到去耦作用，消除干扰。

逆变电路：逆变部分将直流电逆变成我们需要的交流电。在设计中采用三相桥式逆变，开关器件选用全控型开关管IGBT。

以上四个部分组成主电路，其余部分为控制电路。

电流电压检测：一般在中间直流端采集信号，作为过压，欠压，过流保护信号。

控制电路：采用FPGA和SPWM波生成芯片SA4828，FPGA芯片选ALTER公司Cyclone Ⅱ系列芯片。控制电路的主要功能是接受各种设定信息和指令，根据这些指令和设定信息形成驱动逆变器工作的信号。这些信号经过光电隔离后去驱动开关管的关断。从而得到与信号电路对称的SPWM波。

此处选用电动机原始参数如下：

额定功率PN：7.5 kW；

额定电压UN：380 V；

额定电流IN：15.6 A；

效率：86%；

功率因数：0.85；

过载系数：=2.2；

极对数：p=2。

3 系统软件实现的实验结果

电压频率曲线可以分为两段，在额定电压一下，电压频率成正比。当电压上升到额定频率后，不在上升。

对于恒负载时，由前面章节分析可知，电动机的转速会与其电源频率成正比。转速与频率的关系曲线如图4所示。

4 结论

本文采用FPGA控制三相PWM波专用芯片SA4828。具有电源频率可调，删除窄脉冲，响应速度快，可现场编程等特点。最终验证了系统的可行性和有效性。系统中还有过流保护和过压保护等。还可以通过FPGA监视系统的其他故障，SA4828芯片还提供在紧急情况下急停的功能。在这种内部控制保护与电路保护相结合的方式，保证了电机的安全运行。

但系统也存在许多不足之处，如控制方案的实现不够精确，FPGA芯片选择上不够经济，检测保护电路不够完善，这些问题有待进一步研究解决。

参考文献

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[5]杨小豹.基于FPGA的变频调速控制[D].华侨大学硕士论文，2006.

[6]汤蕴璆，罗应立，梁艳萍.电机学[M].3版.北京：机械工业出版社，2008（3）：25-215.

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