目前专业变频器性能优良、节能效果突出，但很难普及，其根本原因是成本居高不下，对企业用户而言，节能不省钱，使企业成本大增，难以接受。使变频器成本过高的主要原因有：
- 专业变频器功能很多，造成成本增加。现在变频器一般都具有完成闭环控制的多种输入，变频范围0~400Hz，多种通信模式和种种安全保护措施。但在实际应用中仅有几种功能有用，不足系统功能的10%，况且，许多功能需要专业工人经过培训后方能操作，造成资源浪费，也影响普及。
- 变频器控制芯片多为83C196MD、TMS320F240等集成有三相PWM发生器的微处理器，或用HEF4752、SLE4520、SA4828等专用芯片，因其开发过程复杂，为少数厂家所垄断，价格极高，影响变频器的普及。
- 变频技术为少数企业所掌握，
而纺织行业使用的电机特别多，因其工作性质的原因，机器启动后是不宜停机的，否则可能影响布面或纺纱质量，基本都是连续运行。因此纺织企业建厂时，都有自己的专用配电设备，考虑到电网的电压波动，为了保证在用电高峰期时（此时电压最低）保证企业所有电机都能正常工作，大多设定的输出电压高于380V。当到用电低谷时，电压超过400V。做为电机在设计时，必须在360V就能达到额定工作力矩和转速，电压达到400V以上时电机转速并没有线性的提高，对系统的产量也没有增加，电机的功耗却增加了，这部分功耗转换成热量使电机升温，影响电机的使用安全。因而在纺织行业中节能潜力极大。如理论上一个4KW的电机，额定工作电压380V，工作电流应该是6A，而在实际应用中允许电压变化10%，那么电机在360时就应达到额定工作状态，而在工厂里，为了使企业24小时都能正常开工，工作电压时常达400V以上。而电机的工作电流随着电压的升高而增加。节能控制器根据电机的负载大小调整PWM输出的占空比，使电机较少受到外部电压变化的影响。假定电流不随电压升高而增加，况且电机满负荷工作，节能效果如下：
[（400-360）÷400]=10%。因此最少节能10%。
假设节能效果为8%，每日4×24×8%×0.8=6.14(元/天) 6.14×300(天)=1842（元）。
开发节能型纺织机械电机专用控制器的目标：变频范围在30~99Hz，调节方便，功能够用，价格便宜（一年内省出投资），直接安装使用（免培训），输出功率最大4KW。
二、设计思想。
- 变频范围在30~99Hz，频率跨度不大，在保证额定转矩的条件下，频率过低，工作电流较大，对主功率器件安全有影响；频率过高则要求有较高的载波频率，增加器件的功耗，因此在频率范围较少的情况下有利于提高主功率器件的安全性。
- 载波频率9K、12K、15K、18K几个频点。一般以12K为中间频率，因为在此时，通用的功率器件都能达到的开头速度，同时能够保障此状态的开关损耗较小。
- 主控器件采用通用有8位单片机STC12C5412AD，单周期指令，速度高达4MBPS，有四路PWM输出，并有8路10位AD输入，价格便宜，又能满足节能专用控制器的需求。为了有效的防止功率器件的上、下臂同时导通造成功率器件的永久损坏，在软件上可以设置延迟导通时间外，在PWM输出时有另外的具有逻辑功能的硬件驱动电路，实现硬件延时，确保主控器系统受到强干扰死机且看门狗系统尚未复位之时，保护功率器上、下臂同时导通造成系统的损坏。
- 功率器件选用7只SGP25N1200BND，该器件负载能力强、开关速度快、开关损耗小，价格便宜，最大电流54A@25℃。
- 节能设计。依据在恒定的负载时的电机负载曲线，通过负载电流工作状况，不断调整PWM的占空比，实现输出电流、电压最小值。达到节能目标。
- 电机的负载性如图1所示。负载不同，其负载曲线是不同的。当负载恒定时，如Q1曲线。电压高过Q1点，随电压的增加电流是增加；当电压下降至Q1点之后随电压的下降电流也是增加的，只有在Q1电流电压最小，也就是在Q1工作点上，消耗功率最小。该节能控制器就是根据电机的负载的动态变化实时调整SPWM输出的占空比，跟踪工作点，使电流、电压输出最小，实现节能目的。
三、硬件设计：
系统主要由模拟三相SPWM发生器、SPWM输出驱动、输出电流电压变换器及SPWM功率输出电路等部分，结构如图2所示。模拟三相SPWM发生器经SPWM驱动输出电路放大后，由SPWM功率输出电路输出。输出的电流和电压经输出电流电压互感器将进行按比例变换和A/D转换后反馈到主控制系统，主控系统根据电机负载情况，自动调整SPWM输出的幅度，实现最大限度的节能。主要特色电路如下:
图2
3．1 模拟SPWM发生器电路
模拟SPWM发生器电路以STC12C5412AD为核心，晶振频率为22.1184MHz。STC12C5412AD是单机器周期，指令与8051系列兼容的微处理器，内部集成了E2PROM、看门狗电路、4路8位PWM、8路10位A/D转换器、MAX810专用复位电路及具有主从模式的SPI同步通信口，并对输入、输出端口进行了优化，提高了系统的抗干扰能力。利用其中的三个PWM输出，分时控制SPWM驱动输出电路模拟三相占空比可调的、波型与三相交流电相近的SPWM，经SPWM功率模块输出。
主要接口电路如图3所示。IC6和IC1是同类型单片机。IC6是SPWM发生器，IC1是A/D转换、显示控制、按键扫描电路。PWM0和ORL、ORH共同构成A相输出，PWM0模拟正弦SPWM信号，ORL和 ORH同时为高或低，都将关闭PWM0的输出，ORL为高电平，ORH为低时，通过SPWM输出驱动电路使功率模块的A相的上部工作，ORL为低电平，ORH为高时，则功率模块A相的下部工作。PWM1与OBH、OBL完成B相的SPWM输出，PWM2与OYH、OYL完成C相的SPWM输出。
IC1与IC6两留有同步高速的SPI通信接口，通过该端口完成数据交换，协同完成控制任务。SCLK为时钟，由主控IC6输出，MISO为主控输出数据，MOSI为主控接收数据。
3．2 SPWM输出驱动电路
SPWM输出驱动电路主要功能一是将一路PWM输出，在SPWM发生器的控制下分解成二路SPWM信号，分别驱动二路功率器件工作。二是在二路功率器件工作交替时，通过硬件电路产生约50uS的延时，避免因功率器件上、下两部分在交换时产生同时导通造成器件永久性损坏。同时，在SPWM发生器系统出现死机而看门狗电路尚未复位时，对功率输出器件进行保护。
电路如图4所示，图中仅给出二相的SPWM输出驱动电路。电路中，IC2A是74HC27集成电路，当脚1、2、13同时为低时，输出为高，当PWM0输入为低，ORH也为低，且RL为高时，经R11、C13延时，IC4D倒相后，RH才能够输出有效的低电平信号。同样，在SPWM发生器控制下ORH变为高电平，RH为电平，输出无效，经R10、C14延时和IC4B倒相，RL成为低电平，有效输出。如此实现二路切换时的延时。调整R11和C13、R10和C14的值，可以改变延时时间。
3．3 功率输出电路
功率输出部分集成了六只IGBT，最大输出电流48A@25℃，最高耐压1200V，
可有效推动4KW以下电机。
四、软件设计。
软件以KEIL C51 V6.02编写,采用模块化结构、主程序如图6所示。
4．1模拟SPWM设计。
不对称规则采样SPWM算法是在三角形载波的顶点和底点对调制波进行采样以形成阶梯，并用此阶阶梯波与三角波的交点来确定PWM。由于在一个三角形载波周期中需采样两次，因此采样周期是载波周期的一半。设调制比为M，采样周期为Ts，则在三角形顶点采样计算的脉冲数据ton、toff以及在三角形底点采样计算的脉冲数据t'on、t'off分别为：
ton=Ts(1+Msinωt1)/2
toff=Ts(1-Msinωt2)/2
t'on=Ts(1+Msinωt2)/2
t'off=Ts(1-Msinωt2)/2
脉冲宽度为：
tpu=Ts[1+M(sinωt1+sinωt2)]/2
式中t1、t2分别为顶点采样和底点采样所对应的时刻。
不规则采样SPWM算法在载波比（即三角波与调制波频率之比）等于3的整数倍时，输出SPWM不存在偶次谐波分量，其它高次谐波的幅值也较小。
4.2 软件抗干扰设计.
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系统工作在电磁干扰严重的环境下，提高系统的抗干扰能力,确保运行安全可靠,是系统的重要创新之一，在该项目的抗干扰设计上，首先对程序运行状态和关键数据进行了实时备份，启用了看门狗功能，当程序发生异常而使看门狗电路复位时，系统调用备份数据而不用重新全面初始化。其次，在程序的空闲空间和关键入口处设置了陷阱程序，当程序运行受到干扰时，确保程序指针及时、快速返回指定位置。另外，在主程序运行过程中设置了多处标志位，监控程序随时根据标志位的变化，分析主程序运行是否正常，发现运行异常时及时修正。
五、创新点及社会效益分析。
主要创新点。
- 以节能为核心的软件设计与算法。系统通过电压互感器、电流互感器对电机工作状况进行实时测量，经分析运算，感知电机负载变化，根据不同负载曲线，调整SPWM输出，使电机稳定工作在最佳工作状态。同时通过智能分析与运算，自动适应不同型号与功率的电机。
- 使用新型微控制器和独立设计的硬件驱动电路。使用新型高速单片机产生三路PWM，经硬件驱动电路形成对称的六路三相SPWM输出，一是节省硬件资源，降低成本；二是上、下桥功率器件输出延时具有软件调整的灵活性和硬件的可靠性。
- 低成本、易普及的设计理念。变频器大多都是以调整交流电机速度为目的，如某型变频器其频率从10~400Hz，具有实际意义的仅在30~100Hz，而节能居其次；目前使用的电机大部分工作于额定转速，仅需要微调，而在此范围内工作，电机的效率也最高。因此该项目的出发点就定位于30~100Hz，一是提高器件安全性，二是成本低，三则使用范围广。
社会效益：
变频器节能效果好，但是由于其价格高，普及难度大，因而社会效益低。如该项目样机，成本仅为相同产品的五分之一，经纺织厂浆纱机实验，日节能在11%左右，当年即可收回投资。纺织业又是中国重要的产业之一，它的推广将带来极大的社会效益。
