具有谐波抑制和软启动功能的电机调速集成电路 【技术领域】
本发明属于电动机的控制或调节领域，尤其涉及一种应用半导体器件的电动机速度控制装置。
背景技术
近年来，由于电力电子技术和计算机技术的飞速发展，电气设备越来越多地采用了高效节能地新技术，但随之而出现的非线性负荷，也产生了大量的谐波电流，这就对电力系统以及相关的电气设备带来了非常严重的危害。在衡量电力系统电能质量的标准时，仅考虑频率和电压的允许偏差值是远远不够的，波形畸变便是影响电能质量的一个重要因素。国际电工委员会(IEC)对电力电网电压正弦波形畸变的极限值有明确的规定电磁兼容(EMC)标准IEC61000-3-2，它也被采纳作为欧洲标准EN61000-3-2，有关谐波电流发射限值地中国国家标准GB17625.1-1998，要求用户对接入电网的设备产生的谐波应采取一定措施进行抑制。
电网是一个不可分割的整体，与低压电网连接的电气电子设备会受到电网中电压瞬时跌落，短时中断和电压渐变的影响。它们是由于供电电网、变电设备发生故障和负荷突然发生大的波动或负荷连续变化引起的。国际电工委员会(IEC)对电压瞬时跌落、短时中断和电压渐变也做出了明确的规定电磁兼容(EMC)标准IEC61000-4-11(1994)，等同的我国国家标准为GB/T17626.11-1998。
对目前三相交流发电机组发出的电压而言，认为基波为正弦波，即波形中基本无直流量和高次谐波分量。但是，如果系统中有较强的谐波源，又没有采取有效的限制措施，电网的电压及电流波形就会产生畸变。这种畸变的正弦波可用傅里叶级数分解成为一个直流量，基波正弦量和一系列频率为基波频率整数倍的高次谐波正弦分量之和。
电机调速方法中一般采用晶闸管方案，利用移相触发的方法控制晶闸管的导通角，但导通角的变化会造成谐波严重。随着电力半导体的不断发展，脉冲宽度调制(PWM，Pulse-WidthModulation)技术的应用成为可能，PWM用于谐波抑制的方法主要有以下几种：
1.选择性谐波抑制PWM技术(SHE-PWM)，通过开关角控制来消除特定次数的谐波。若要消除N个谐波分量，它需要通过求解一个N元一次的非线性方程组来获得N个开关角。这种方法在消除某几个特定次数的谐波分量时效果很好，而且计算量不大，可以比较容易的实现。但是当要消除的谐波分量数目增多时，实现起来将会变得比较复杂。
2.多级PWM技术(Multilevel PWM)，将开关变流电路多电平化，它可以在不改变开关频率的情况下达到成倍的抑制谐波的效果。但它同样需要求解非线性方程组来获得，这种技术在逆变器中会用到，该方案实现起来复杂且成本昂贵。
3.正弦PWM技术(SPWM)，将开关高频化，即在每半个开关周期中，每个开关元件通断N次，并使导通时间按正弦规律变化，则电压波形中除基波外，谐波很少，输出电流非常接近正弦，但是会增大高次谐波分量，需要外加滤波器。这种方案如果利用模拟电路来实现相对较简便，但是很难实现软启动，因为波形发生不易控制；如果利用数字电路来实现波形的发生较困难，但是一旦突破了这一点，软启动实现较简便。
【发明内容】
本发明的发明目的是提供一种以正弦PWM技术为基础的、改进了其SPWM的生成方法、利用数字电路来实现谐波抑制和软启动的具有谐波抑制和软启动功能的电机调速集成电路。
本发明的技术方案是：提供一种具有谐波抑制和软启动功能的电机调速集成电路，其特征是：该电机调速集成电路根据下述公式生成SPWM信号的脉宽：
其中，设正弦信号的周期为T0，在半个周期内有p个脉冲信号：对于第k个矩形脉冲，记它的相位角为ak，脉冲宽度为σk，将脉宽差分为四段，若最小脉宽为δ，则各段脉宽差可记为2δ、δ、-δ和-2δ，每段对应的脉冲为k=1~[13p],[13p]~[12p],[12p]~[23p]]]>和[23p]~p.]]>
其中所述的集成电路按照下述方式生成和输出SPWM信号：
(1)用其内部的频率时钟信号对交流正弦波进行记数；
(2)将记数结果分为1~[13p],[13p]~[12p],[12p]~[23p]]]>和[23p]~p]]>
(3)当记数结果为1~[13p]]]>时，加记数器按序列1、3、5、……、2k-1产生并输出SPWM信号脉冲；
(4)当记数结果为[13p]~[12p]]]>时，加记数器按序列2k-1、2k、2k+1、……．、p/3+k-1产生并输出SPWM信号脉冲；
(5)当记数结果为[12p]~[23p]]]>时，减记数器按序列p/3+k、p/3+k+1、……．、4p/3-k-1产生并输出SPWM信号脉冲；
(6)当记数结果为[12p]~[23p]]]>时，减记数器按序列4p/3-k、p/3-k+1、……．、2(p-k)-1产生并输出SPWM信号脉冲。
本发明还提供了一种具有谐波抑制和软启动功能的电机调速集成电路，其特征是：该集成电路由过零比较单元、6位A/D变换单元、振荡器及频率同步单元、频率自适应反馈单元、控制量软调节单元、软启动过程和正常工作时的脉宽计算及输出单元、输出选择单元和脉冲转换单元构成；其中，过零比较单元把电网中的交流正弦信号转换成一个同步的方波信号；6位A/D变换单元给功率控制提供64级精度；频率自适应反馈单元是针对输入频率变化调整电路中的一个特征值，使得控制部分能够在新的频率下正常工作；振荡器及频率同步单元为内部电路提供时钟信号，并使经过过零比较单元的交流信号与时钟信号同步；控制量软调节单元使软启动刚结束到6位A/D变换单元进来的控制量之间进行平滑控制，以免对电网造成冲击；软启动过程和正常工作时的脉宽计算及输出单元是推导计算进行设计的；输出选择单元控制集成电路的SPWM信号输出为一路或两路；脉冲转换单元主要是将软启动和软调节部分计算出来的结果转换成脉冲输出。
其中所述的频率自适应反馈单元包括频率初值预置电路和频率自适应反馈电路；所述的软启动过程脉宽计算及输出单元包括软启动特征值产生电路和软启动序列脉宽计算及输出电路；所述的输出选择单元包括软启动结束信号发生电路和输出选择电路。
其所述的集成电路由过零比较器模块、6位A/D变换模块、acpulsel模块、AC_circle1z模块、AC_circle0z模块、feedback模块、soft_terminal模块、adder7d模块、soft_serial2模块、starnum模块、sserial_1模块、switch模块和spwm3模块构成；其中，过零比较单元把电网中的交流正弦信号转换成一个同步的方波信号；6位A/D变换模块给功率控制提供64级精度，acpulsel模块主要是产生整个电路的时序控制信号；AC_circle1z模块主要是进行脉冲同步；AC_circle0z模块主要是给频率自适应反馈模块提供频率变化的计数值；feedback模块就是频率自适应反馈模块，它利用当前的频率计数值和默认初始的频率特征值进行计算，得到与当前频率相适应的频率特征值，供其他电路模块使用；soft_terminal模块产生软启动的递增数值；adder7d模块利用AC_circle1z脉冲同步模块和软启动的递增数值产生当前的最大软启动数值；soft_serial2模块产生软启动序列的数值表示，starnum模块软调节的最大数值；sserial_1模块软调节序列的数值表示；模块switch根据信号enda来切换软启动的两个部分；模块spwm3将软启动和软调节序列的数值表示变成脉冲输出。
本发明还提供了一种具有谐波抑制和软启动功能的电机调速集成电路，该集成电路的输入端分别与电网的交流同步信号和调速设定单元连接，其输出端经驱动集成电路与全控型电力半导体器件的控制端连接，全控型电力半导体器件的输入端与交流电网连接，其输出端与被控电动机连接。
其所述的全控型电力半导体器件包括可关断晶闸管GTO、大功率晶体管GTR、功率场效应管MOSFET和绝缘栅双极晶体管IGBT。
与现有技术比较，本发明的优点是：
1.本发明具有谐波抑制和软启动的功能；
2.能实现64级调速，可以认为是无级调速；
3.全数字设计，外围元件少，结构简单，具有很好的应用前景；
4.对于电机功率的大小不敏感，只要驱动的MOSFET或IGBT功率及相关参数选取的合适，可以控制任选功率的电机；
5.适合110V/60Hz和220V/50Hz交流电使用。
【附图说明】
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图1是本发明SPWM信号的生成和输出方式方框示意图；
图2是本发明集成电路的方框图；
图3是本发明集成电路实施例的模块构成示意图；
图4是采用本发明集成电路的实施例线路图；
图5是SPWM脉冲波形示意图；
图6是三角波和正弦波的波形图及由比较器输出的SPWM信号；
图7是受到SPWM信号调制的交流电的电流波形图；
图8是实施例电路的谐波测试结果数据；
图9是实施例电路的电压波形和电流波形图。
【具体实施方式】
图1中，本发明的集成电路按照下述方式生成和输出SPWM信号：
(1)用其内部的频率时钟信号对交流正弦波进行记数；
(2)将记数结果分为1~[13p],[13p]~[12p],[12p]~[23p]]]>和[23p]~p;]]>
(3)当记数结果为1~[13p]]]>时，加记数器按序列1、3、5、……、2k-1产生并输出SPWM信号脉冲；
(4)当记数结果为[13p]~[12p]]]>时，加记数器按序列2k-1、2k、2k+1、…….、p/3+k-1产生并输出SPWM信号脉冲；
(5)当记数结果为[12p]~[23p]]]>时，减记数器按序列p/3+k、p/3+k+1、…….、4p/3-k-1产生并输出SPWM信号脉冲；
(6)当记数结果为[12p]~[23p]]]>时，减记数器按序列4p/3-k、p/3-k+1、…….、2(p-k)-1产生并输出SPWM信号脉冲。
图2中，该集成电路由过零比较单元、6位A/D变换单元、振荡器及频率同步单元、频率自适应反馈单元、控制量软调节单元、软启动过程和正常工作时的脉宽计算及输出单元、输出选择单元和脉冲转换单元构成；其中，过零比较单元把电网中的交流正弦信号转换成一个同步的方波信号；6位A/D变换单元给功率控制提供64级精度；频率自适应反馈单元是针对输入频率变化调整电路中的一个特征值，使得控制部分能够在新的频率下正常工作；振荡器及频率同步单元为内部电路提供时钟信号，并使经过过零比较单元的交流信号与时钟信号同步；控制量软调节单元使软启动刚结束到6位A/D变换单元进来的控制量之间进行平滑控制，以免对电网造成冲击；软启动过程和正常工作时的脉宽计算及输出单元是推导计算进行设计的；输出选择单元控制集成电路的SPWM信号输出为一路或两路；脉冲转换单元主要是将软启动和软调节部分计算出来的结果转换成脉冲输出。
图中频率自适应反馈单元包括频率初值预置电路和频率自适应反馈电路，频率初值预置电路是根据电网频率预置在集成电路的内部电路中的，根据电网频率的不同(如110V/60Hz或220V/50Hz)，可以设定不同的频率初值预置值；软启动过程脉宽计算及输出单元包括软启动特征值产生电路和软启动序列脉宽计算及输出电路；输出选择单元包括软启动结束信号发生电路和输出选择电路。
图中管脚依次为：管脚1为交流信号输入；管脚2为振荡器输入1；管脚3为振荡器输入2；管脚4为模数转换模拟量输入；管脚5为输出控制，其作用为控制集成电路的SPWM信号输出为一路或两路，一路输出是指将交流电半波整流后输出，两路输出是指交流电正负两路输出；管脚6和7：即为两路输出，其中当选择一路输出后，管脚6和7有一路没有输出。
图3中，集成电路由过零比较器模块、6位A/D变换模块、acpulsel模块、AC_circle1z模块、AC_circle0z模块、feedback模块、soft_terminal模块、adder7d模块、soft_serial2模块、starnum模块、sserial_1模块、switch模块和spwm3模块构成；其中，过零比较单元把电网中的交流正弦信号转换成一个同步的方波信号；6位A/D变换模块给功率控制提供64级精度，acpulsel模块主要是产生整个电路的时序控制信号；AC_circle1z模块主要是进行脉冲同步；AC_circle0z模块主要是给频率自适应反馈模块提供频率变化的计数值；feedback模块就是频率自适应反馈模块，它利用当前的频率计数值和默认初始的频率特征值进行计算，得到与当前频率相适应的频率特征值，供其他电路模块使用；soft_terminal模块产生软启动的递增数值；adder7d模块利用AC_circle1z脉冲同步模块和软启动的递增数值产生当前的最大软启动数值；soft_serial2模块产生软启动序列的数值表示，starnum模块软调节的最大数值；sserial_1模块软调节序列的数值表示；模块switch根据信号enda来切换软启动的两个部分；模块spwm3将软启动和软调节序列的数值表示变成脉冲输出。
由于6位AD变换电路和过零比较器部分为现有技术，在图中未画出。
图中交流电同步输入信号输入端为ACin，它是从交流电中采集并降压成小信号，作为整个芯片处理的交流同步信号，内部处理都是利用过零比较器处理该小信号，再同步，这样输出能够很好地与交流电正弦波同步起来；RST为复位信号；6位AD变换输出值接ADout5～ADout0；默认初始的频率特征值输入端为inieig5～inieig0；inieig0～inieig5端子是频率初值预置端，依次接为110010；NumoutG端子和carryin端子接地，分别表示数字地和加法器进位端接地；晶振与cp_4M端连接；Pulse管脚为输出端；图中未标出连线的端子(如模块AC_circle0z的count0、count1、starnum和sserial_1模块的AeB、Alb等)均为空置。
图中是只给出了一路控制输出的情况，如果需转换成两路输出，可以利用过零比较器的输出与一路控制输出进行逻辑与操作和与非操作，即可将一路分成两路。
图4中，集成电路IC1即为本发明的集成电路，其输入端ACin与电网的交流同步信号AC_in连接，其输入端Adj和调速设定单元POT1连接，该端子是6位A/D变换模块的模拟量输入端，集成电路IC1的输出端Pulse 1和Pulse 0经驱动集成电路IC2与全控型电力半导体器件M1和M2的控制端连接，全控型电力半导体器件M1和M2的输入端与交流电网AC1和AC2连接，其输出端与被控电动机M连接，集成电路IC1的a～g和got管脚与LED显示驱动电路的段选端子对应连接，其Sel 0和Sel 1管脚LED显示驱动电路的位选端子对应连接，以便提供相应的显示功能。集成电路IC1的RST管脚与电源监控集成电路(μP监控电路)IC3的RST管脚连接。
其所述的全控型电力半导体器件包括可关断晶闸管GTO、大功率晶体管GTR、功率场效应管MOSFET和绝缘栅双极晶体管IGBT。
驱动集成电路IC2可以选AIC8103或IR2103等型号的集成电路；电源监控集成电路IC3可以选择IMP809L、MAX809L或其他型号的μP监控电路，如IMP810/811/812等；全控型电力半导体器件主要根据被控电机的功率进行选择，可以选IRF450、IRF460(IR公司的MOSFET元件)，或GT15J101、GT25J101(TOSHIBA公司的IGBT元件)等型号的全控型电力半导体器件。
图5给出了SPWM脉冲波形示意图，它是在每半个正弦周期内输出若干宽窄不同的矩形脉冲波，每一矩形的面积近似对应正弦波相应局部波形下的面积。
图6中SPWM信号采用三角波和正弦波比较来产生。其上半部分为三角波和正弦波的波形图(注：其中正弦波的频率为50Hz；三角波的频率为2KHz)，图6下半部分为由比较器输出的SPWM信号。
图7给出了受到SPWM信号调制的交流电源的输出电流波形，用图6所示的SPWM信号去控制一个开关器件(如MOSFET或者IGBT)，即可得到图7所示的受到SPWM信号调制的交流电的输出电流波形。
图8和图9是对本发明进行EMC(电磁兼容)测试的ITS公司(INTERTEK TESTING SERVICESETL SEMKO，依梯埃-塞密柯技术服务(上海)有限公司)的测试结果。图8为ITS测试的谐波数据，图9为ITS测试仪器给出的电压波形和电流波形。可见，各项谐波指标均在标准要求的范围内，另外，电压跌落测试中跌落值为3％，小于标准规定的5％，达到了良好的预期效果。
本发明工作原理简述：
由于像可关断晶闸管GTO、大功率晶体管GTR、功率场效应管MOSFET(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor)、绝缘栅双极晶体管IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)这类既能控制开通又能控制关断的全控型电力半导体器件的出现，在控制方式上出现了较大的变化，一种新的控制技术：脉宽调制(PWM)技术应运而生。PWM技术可以有效的进行谐波抑制，只要利用PWM技术控制输出电压波形，就能使得谐波成分发生明显的改变。在实际上应用最多的是正弦PWM(SPWM)技术，它是在每半个正弦周期内输出若干宽窄不同的矩形脉冲波，每一矩形的面积近似对应正弦波相应局部波形下的面积。将一个正弦波的正半周划分为N等分，每一等份的正弦波形下的面积可用一个与该面积相等的矩阵来代替，于是正弦波形所包围的面积可用这N个等幅不等宽的矩形脉冲面积之和来等效。各矩形脉冲的宽度可由理论计算得出，但在实际应用中常由正弦调制波和三角形载波相比较的方式来确定脉宽。因为等腰三角形波的宽度自上向下是线性变化的，所以当它与某一光滑曲线相交时，可得到一组幅值不变而宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲。若使脉冲宽度与正弦函数值成比例，则也可生成SPWM波形。
SPWM信号的频率在很大程度上影响着谐波抑制的效果，其频率越高，谐波抑制的效果就越好。用所产生的SPWM信号去控制一个开关器件(如MOSFET或者IGBT)，即可得到受到SPWM信号调制、满足谐波抑制和具有软启动功能的交流电源。
电机调速软启动发生在开机的初期一定时间内，或复位后的一段时间内，同时也发生在电机调速中的一段时间内。本发明的软启动过程可以分为两部分，第一部分为从开机到可调的最小功率，第二部分为从可调的最小功率到A/D变换指定的功率(包括在整个可调节范围之内)，可以称之为软调节。对于开机和复位阶段，第一部分是必不可少的，对于调速过程中，只存在第二部分的软调节。本发明中的软启动方法就是利用上述的SPWM生成技术中脉冲序列的差值和交流电周期之间的形成一种递进关系，首先全部为零，然后逐次增加，最终稳定在A/D变换的数值上。
本发明的集成电路是采用数字电路和模拟数字混合电路(主要在AD转换部分)，利用标准CMOS工艺，根据上述SPWM信号的生成和输出原理、方式和模块构成，设计好相关功能电路模块，然后进行仿真，最后将其画成版图，拿到半导体芯片生产厂家制掩模板，流片，经过测试，即可实现，由于上述集成电路的制作过程均为现有工艺和技术，在此不再详述。
由于本发明具有谐波抑制和软启动的功能，能实现近似无级的电机调速，全数字设计，外围元件少，结构简单，故具有很好的应用前景。同时，该集成电路对于电机功率的大小不敏感，只要驱动的MOSFET或IGBT功率及相关参数选取的合适，可以控制任选功率的电机，能适合110V/60Hz和220V/50Hz交流电使用。
本发明可广泛用于各种功率的交流电动机的调速装置或控制系统。