交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告(1)

1、交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告(1)目錄緒論 (2)第1章系統(tǒng)總方案設(shè)計(jì)思路 (3)1.1變頻器的選定 (3)1.2系統(tǒng)原理框圖及各部分簡(jiǎn)介 (4)第2章主電路的設(shè)計(jì)與分析 (5)2.1主電路工作原理 (5)2.2整流電路 (6)2.3逆變電路 (6)2.4 IGBT簡(jiǎn)介及驅(qū)動(dòng)要求 (7)2.5保護(hù)電路 (10)第3章控制電路的設(shè)計(jì)與分析 (13)31 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) (13)3.1.1 SPWM調(diào)制技術(shù)簡(jiǎn)介 (13)3.1.2 SPWM波生成芯片特點(diǎn)和引腳功能 (15)3.1.3 SA868芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理 (17)3.2 控制電路設(shè)計(jì) (18)第4章實(shí)驗(yàn)與仿真 (19)第5章總結(jié)與

2、體會(huì) (21)附錄 (22)參考文獻(xiàn) (23)緒論變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： n =60 f（1-s）p，（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù)）；通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。變頻調(diào)速技術(shù)是一種以改變交流電動(dòng)機(jī)的供電頻率來(lái)達(dá)到交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速目的的技術(shù)。目前，無(wú)論哪種機(jī)械調(diào)速，都是通過(guò)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。從大的范圍來(lái)分，電機(jī)有直流電機(jī)和交流電機(jī)。由于直流機(jī)調(diào)速容易實(shí)現(xiàn)，性能好，因此過(guò)去生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)速多用直流電動(dòng)機(jī)。但直流機(jī)固有的缺點(diǎn)：由于采用直流電源，它的滑環(huán)和碳刷要經(jīng)常拆換，故費(fèi)時(shí)費(fèi)工，成本高，給人們帶來(lái)太

3、大的麻煩。因此人們希望，讓簡(jiǎn)單可靠廉價(jià)的籠式交流電機(jī)也像直流電動(dòng)機(jī)那樣調(diào)速。這樣就出現(xiàn)了定子調(diào)速、變極調(diào)速、滑差調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串極調(diào)速等交流調(diào)速方式。當(dāng)然也出現(xiàn)了滑差電機(jī)、繞線式電機(jī)、同步式交流電機(jī)。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了變頻調(diào)速技術(shù)，它一出現(xiàn)就以其優(yōu)異的性能逐步取代其它交流電機(jī)調(diào)速方式，乃至直流電機(jī)調(diào)速，而成為電氣傳動(dòng)的中樞。所謂變頻就是利用電力電子器件(如功率晶體管GTR、絕緣柵雙極型晶體管IGBT)將50Hz的市電變換為用戶所要求的交流電或其他電源。它分為直接變頻(又稱交-交變頻)，即把市電直接變成比它頻率低的交流電，大量用在大功率的交流調(diào)速中；間接

4、變頻(又稱交-直-交變頻)，即先將市電整流成直流，再變換為要求頻率的交流。本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的題目屬于間接變頻調(diào)速技術(shù)。它主要包括整流部分、逆變部分、控制部分及保護(hù)部分等。逆變環(huán)節(jié)為三相SPWM 逆變方式。第1章系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案思路1.1變頻器的選定變頻器最早的形式是用旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)組作為可變頻率電源，供給交流電動(dòng)機(jī)。交-直-交變頻器是先把工頻交流通過(guò)整流器變成直流，然后再把直流電逆變成頻率電壓可調(diào)的交流電，又稱間接變頻器，交-直-交變頻器是目前廣泛應(yīng)用的通用變頻器。它根據(jù)直流部分電流、電壓的不同形式，又可分為電壓型和電流型兩種：（1）電流型變頻器電流型變頻器的特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感器作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)來(lái)

5、緩沖無(wú)功功率，即扼制電流的變化，使電壓波形接近正弦波，由于該直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較大，故稱電流源型變頻器。（2）電壓型變頻器電壓型變頻器的特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件采用大電容器作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)來(lái)緩沖無(wú)功功率，直流環(huán)節(jié)電壓比較平穩(wěn)，直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較小，相當(dāng)于電壓源，故稱電壓型變頻器。由于電壓型變頻器是作為電壓源向交流電動(dòng)機(jī)提供交流電功率，所以其主要優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行幾乎不受負(fù)載的功率因數(shù)或換流的影響，它主要適用于中、小容量的交流傳動(dòng)系統(tǒng)。與之相比，電流型變頻器施加于負(fù)載上的電流值穩(wěn)定不變，其特性類似于電流源，它主要應(yīng)用在大容量的電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)以及大容量風(fēng)機(jī)、泵類節(jié)能調(diào)速中。本次設(shè)計(jì)中選用交-直-交變頻器，采用電壓型變

6、頻器。1.2系統(tǒng)原理框圖及各部分簡(jiǎn)介本文設(shè)計(jì)的交直交變頻器由以下幾部分組成，如圖1.1所示： 供電 整流 濾波 逆變 主電路電流8051SPWM 波隔離 電壓檢測(cè)主電路控制電路保護(hù) 電機(jī)電源電路電路電路驅(qū)動(dòng)生成芯片單片機(jī)吸收電路 圖1.1 系統(tǒng)原理框圖供電電源：電源部分因變頻器輸出功率的大小不同而異，小功率的多用單相220V ，中大功率的采用三相380V 電源。整流電路：整流部分將交流電變?yōu)槊}動(dòng)的直流電，必須加以濾波。濾波電路：因在本設(shè)計(jì)中采用電壓型變頻器，所以采用電容濾波，中間的電容除了起濾波作用外，還在整流電路與逆變電路間起到去耦作用，消除干擾。逆變電路：逆變部分將直流電逆變成我們需要的交

7、流電。在設(shè)計(jì)中采用三相橋逆變，開(kāi)關(guān)器件選用全控型開(kāi)關(guān)管IGBT 。電流電壓檢測(cè)：一般在中間直流端采集信號(hào)，作為過(guò)壓，欠壓，過(guò)流保護(hù)信號(hào)?？刂齐娐罚翰捎?051單片機(jī)和SPWM 波生成芯片SA868，控制電路的主要功能是接受各種設(shè)定信息和指令，根據(jù)這些指令和設(shè)定信息形成驅(qū)動(dòng)逆變器工作的信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離后去驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷。第2章主電路的設(shè)計(jì)與分析2.1主電路工作原理變頻調(diào)速實(shí)際上是向交流異步電動(dòng)機(jī)提供一個(gè)頻率可控的電源。能實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的裝置稱為變頻器。變頻器由兩部分組成：主電路和控制電路，其中主電路通常采用交-直-交方式，先將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?整流，濾波)，再將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的

8、交流電（逆變）。在本設(shè)計(jì)中采用圖2.1的主電路，這也是變頻器常用的格式。圖2.1 電壓型交直交變頻調(diào)速主電路2.2整流電路整流電路是把交流電變換為直流電的電路。目前在各種整流電路中，應(yīng)用最廣泛的是三相橋式全控整流電路，三相橋式全控整流電路每個(gè)時(shí)刻均有2個(gè)晶閘管導(dǎo)通，而且這兩個(gè)晶閘管一個(gè)是共陰極組，一個(gè)是共陽(yáng)極組，這樣負(fù)載測(cè)形成直流導(dǎo)電回路。其原理如圖2.2所示。 圖2.2 三相橋式全控整流電路2.3逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的過(guò)程稱為逆變。完成逆變功能的裝置叫做逆變器，它是變頻器的主要組成部分。三相逆變電路的原理圖見(jiàn)圖2.4所示。圖2.4中，1S 6S 組成了橋式逆變電路，這6個(gè)開(kāi)關(guān)交替地接

9、通、關(guān)斷就可以在輸出端得到一個(gè)相位互相差32的三相交流電壓。當(dāng)1S 、4S 閉合時(shí)，V U u -為正；3S 、2S 閉合時(shí)，V U u -為負(fù)。用同樣的方法得：當(dāng)3S 、6S 同時(shí)閉合和5S 、4S 同時(shí)閉合，得到W V u -,5S ,2S 同時(shí)閉合和1S 、6S 同時(shí)閉合，得到U W u -。為了使三相交流電V U u -、W V u -、U W u -在相位上依次相差32；各開(kāi)關(guān)的接通、關(guān)斷需符合一定的規(guī)律，其規(guī)律在圖2.4b 中已標(biāo)明。根據(jù)該規(guī)律可得V U u -、W V u -、U W u -波形如圖2.4c 所示。 結(jié)構(gòu)圖 b) 開(kāi)關(guān)的通斷規(guī)律 c) 波形圖圖2.4三相逆變器原理

10、圖 上述分析說(shuō)明，通過(guò)6個(gè)開(kāi)關(guān)的交替工作可以得到一個(gè)三相交流電，只要調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)的通斷速度就可調(diào)節(jié)交流電頻率，當(dāng)然交流電的幅值可通過(guò)D U 的大小來(lái)調(diào)節(jié)。2.4 IGBT 簡(jiǎn)介及驅(qū)動(dòng)要求IGBT 是壓控器件，柵極輸入阻抗高，所需要驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)較為容易。但必須注意，IGBT 的特性與柵極驅(qū)動(dòng)條件密切相關(guān)，隨驅(qū)動(dòng)條件的變化而變化。(1)隨著柵極正向電壓GE U 的增加，通態(tài)壓降減小，開(kāi)通損耗也減小.若GE U +固定不變時(shí)，通態(tài)壓降隨集電極電流增大而增大，開(kāi)通損耗隨結(jié)溫升高而增大。(2)隨著柵極反向電壓GE U -的增加，集電極浪涌電流減小，而關(guān)斷損耗變化不大，IGBT 的運(yùn)行可靠性提高。(3)隨

11、著柵極串聯(lián)電阻G R 增加，將使IGBT 的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間增加，從而使IGBT 開(kāi)關(guān)損耗增加；而G R 減小，則又將使dt di 增大，從而使IGBT 在開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生較大的電壓或電流尖峰，降低IGBT 運(yùn)行的安全性和可靠性。通過(guò)以上分析可以看出，一個(gè)理想的IGBT 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有以下基本性能:(1)通常IGBT 的柵極電壓最大額定值為20V ，若超過(guò)此值，柵極就會(huì)被擊穿，導(dǎo)致器件損壞。為防止柵極過(guò)壓，可采用穩(wěn)壓管作保護(hù)。(2)IGBT 存在2.56V(T=25?C)的柵極開(kāi)啟電壓，驅(qū)動(dòng)信號(hào)低于此開(kāi)啟電壓時(shí)，器件是不導(dǎo)通的。要使器件導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須大于其開(kāi)啟電壓。當(dāng)要求IGBT 工作于開(kāi)關(guān)狀

12、態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須保證使器件工作于飽和狀態(tài)，否則也會(huì)造成器件損壞。正向柵極驅(qū)動(dòng)電壓幅值的選取應(yīng)同時(shí)考慮在額定運(yùn)行條件下和一定過(guò)載情況下器件不退出飽和的前提，正向柵極電壓越高，則通態(tài)壓降越小，通態(tài)損耗也就越小。對(duì)無(wú)短路保護(hù)的驅(qū)動(dòng)電路而言，驅(qū)動(dòng)電壓高一些有好處，可使器件在各種過(guò)流場(chǎng)合仍工作于飽和狀態(tài)。通常，正向柵極電壓取15V 。在有短路保護(hù)的場(chǎng)合，不希望器件工作于過(guò)飽和狀態(tài)，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電壓小一些，可減小短路電流，對(duì)短路保護(hù)有好處。此時(shí)，柵極電壓可取為13V 。另外，為減小開(kāi)通損耗，要求柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的前沿要陡。IGBT 的柵極等效為一電容負(fù)載，所以驅(qū)動(dòng)信號(hào)源的內(nèi)阻要小。(3)當(dāng)柵極信號(hào)低于其開(kāi)啟電壓

13、時(shí)，IGBT 就關(guān)斷了。為了縮短器件的關(guān)斷時(shí)間，關(guān)斷過(guò)程中應(yīng)盡快放掉柵極輸入電容上的電荷。器件關(guān)斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供低阻抗的放電通路。一般柵極反向電壓取為-(50)V 。當(dāng)IGBT 關(guān)斷后在柵極加上一定幅值的反向電壓可提高抗干擾能力。(4)IGBT 柵極與發(fā)射極之間是絕緣的，不需要穩(wěn)態(tài)輸入電流，但由于存在柵極輸入電容，所以驅(qū)動(dòng)電路需要提供動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電流。器件的電流、電壓額定值越大，其輸入電容就越大。當(dāng)IGBT 高頻運(yùn)行時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)電流和驅(qū)動(dòng)功率也是不小的，因此，驅(qū)動(dòng)電路必須能提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流和功率。(5)IGBT 是高速開(kāi)關(guān)器件，在大電流的運(yùn)行場(chǎng)合，關(guān)斷時(shí)間不宜過(guò)短，否則會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的集電極尖峰

14、電壓。柵極電阻G R 對(duì)IGBT 的開(kāi)關(guān)時(shí)間有直接的影響。柵極電阻過(guò)小，關(guān)斷時(shí)間過(guò)短，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過(guò)高，會(huì)對(duì)器件造成損壞，所以柵極電阻的下限受到器件的關(guān)斷安全區(qū)的限制。柵極電阻過(guò)大，器件的開(kāi)關(guān)速度降低，開(kāi)關(guān)損耗增大，也會(huì)降低其工作效率和對(duì)其安全運(yùn)行造成危險(xiǎn)，所以柵極電阻的上限受到開(kāi)關(guān)損耗的限制。對(duì)600VIGBT 器件，柵極電阻可據(jù)下式確定：e R =(I 10)625/e I式中，e I 為IGBT 的額定電流值. 柵極電阻的下限取系數(shù)為1，限取系數(shù)為10。對(duì)于1200V 的IGBT 器件，柵極的電阻值可取相同電流額定值的600V 器件阻值的一半。(6)驅(qū)動(dòng)電路和控制電路之間應(yīng)

15、隔離。在許多設(shè)備中，IGBT 與工頻電網(wǎng)有直接電聯(lián)系，而控制電路一般不希望如此。驅(qū)動(dòng)電路具有電隔離能力可以保證設(shè)備的正常工作，同時(shí)也有利于維修調(diào)試人員的人身安全.驅(qū)動(dòng)電路和柵極之間的引線應(yīng)盡可能短，并用絞線，使柵極電路的閉合電路面積最小，以防止感應(yīng)噪聲的影響。采用光耦器件隔離時(shí)，應(yīng)選用高的共模噪聲抑制器件，能耐高電壓變化率。(7)輸入輸出信號(hào)傳輸盡量無(wú)延時(shí)。這一方面能夠減少系統(tǒng)響應(yīng)滯后，另一方面能提高保護(hù)的快速性。(8)電路簡(jiǎn)單，成本低。(9)當(dāng)IGBT 處于負(fù)載短路或過(guò)流狀態(tài)時(shí)，能在IGBT 允許時(shí)間內(nèi)通過(guò)逐漸降低柵極電壓自動(dòng)抑制故障電流，實(shí)現(xiàn)IGBT 軟關(guān)斷。其目的是避免快速關(guān)斷故障電流造

16、成過(guò)離的dt di 。在雜散電感的作用下，過(guò)高的dt di 會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的電壓尖峰，使IGBT 承受不住而損壞。同樣的，驅(qū)動(dòng)電路的軟關(guān)斷過(guò)程不應(yīng)隨輸入信號(hào)的消失而受到影響，即應(yīng)具有定時(shí)邏輯柵壓控制的功能。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流時(shí)，無(wú)論此時(shí)有無(wú)輸入信號(hào)，都應(yīng)無(wú)條件地實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷.在各種設(shè)備中，二極管的反向恢復(fù)、分布電容及關(guān)斷吸收電路等都會(huì)在IGBT 開(kāi)通時(shí)造成尖峰電流，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具備抑制這一瞬時(shí)過(guò)流的能力，在尖峰電流過(guò)后，應(yīng)能恢復(fù)正常柵壓，保證電路的正常工作。(10)在出現(xiàn)短路、過(guò)流的情況下，能迅速發(fā)出過(guò)流保護(hù)信號(hào)，供控制電路處理。2.5保護(hù)電路保護(hù)電路的主要功能是對(duì)檢測(cè)電路得到的各種信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，以判斷變

17、頻器本身或系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常。當(dāng)檢測(cè)到異常時(shí)，進(jìn)行各種必要的處理。過(guò)壓、欠壓保護(hù)是針對(duì)電源異常、主回路電壓超過(guò)或低于一定數(shù)值時(shí)考慮的。通用變頻器輸入電源電壓允許波動(dòng)的范圍一般是額定輸入電壓的士10%。通常情況下，主回路直流環(huán)節(jié)的電壓與輸入電壓保持固定關(guān)系。當(dāng)輸入電源電壓過(guò)高，將使直流側(cè)電壓過(guò)高。過(guò)高的直流電壓對(duì)IGBT 的安全構(gòu)成威脅，很可能超過(guò)IGBT 的最大耐壓值而將其擊穿，造成永久性損壞。當(dāng)輸入電壓過(guò)低時(shí)，雖不會(huì)對(duì)主回路元件構(gòu)成直接威脅，但太低的輸入電壓很可能使控制回路工作不正常，而使系統(tǒng)紊亂，導(dǎo)致SA868輸出錯(cuò)誤的觸發(fā)脈沖，造成主回路直通短路而燒壞IGBT 。而且較低的輸入電壓也使系統(tǒng)

18、的抗干擾能力下降。因此有必要對(duì)系統(tǒng)的電壓進(jìn)行保護(hù)。圖2.5為本文介紹的變頻器過(guò)壓保護(hù)電路。 圖2.5 過(guò)電壓保護(hù)電路它直接對(duì)直流側(cè)電壓進(jìn)行檢測(cè)。其中電壓信號(hào)的取樣是通過(guò)電阻1R 和2R 分壓得到的，電容1C 起濾波抗干擾作用，防止電路誤動(dòng)作。過(guò)壓設(shè)定值從電位器1W 上取出。運(yùn)放A U :1接成比較器的形式。當(dāng)取樣電壓高于設(shè)定值時(shí)(異常情況下)，比較器輸出高電平，光耦器件導(dǎo)通，輸出低電平保護(hù)信號(hào)。其中電阻5R 是正反饋電阻，它的接入使正反饋有一定回差，防止取樣信號(hào)在給定點(diǎn)附近波動(dòng)時(shí)比較器抖動(dòng)，這里將過(guò)壓保護(hù)的動(dòng)作值整定為額定輸入電壓的110%。欠壓保護(hù)電路的原理與過(guò)壓保護(hù)電路類似。其電壓取樣與過(guò)

19、壓取樣相同，欠壓設(shè)定值由2W 上取出。運(yùn)放B U :1接成比較器的形式。當(dāng)取樣電壓高于設(shè)定值時(shí)(正常情況下)，比較器輸出高電平，光耦器件不導(dǎo)通，輸出高電平。當(dāng)取樣電壓低于設(shè)定值時(shí)(欠壓情況下)，比較器輸出低電平，光耦器件導(dǎo)通，輸出低電平保護(hù)信號(hào)。其電路下圖所示。動(dòng)作值整定為輸入電壓的85%。 圖2.6欠壓保護(hù)電路本系統(tǒng)的故障自診斷是指在系統(tǒng)運(yùn)行前，變頻器本身可以對(duì)過(guò)載、過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路進(jìn)行診斷，檢測(cè)其保護(hù)電路是否正常。因此故障自診斷功能就是由單片機(jī)控制發(fā)出各種等效故障信號(hào)，檢測(cè)對(duì)應(yīng)的保護(hù)電路是否動(dòng)作，若動(dòng)作則說(shuō)明保護(hù)電路正常，反之說(shuō)明保護(hù)電路本身有故障，應(yīng)停機(jī)對(duì)保護(hù)電路進(jìn)行檢查，直到顯示器顯

20、示正常為止。故障自診斷電路工作過(guò)程如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制HSO.2口發(fā)出一高電平，經(jīng)非門整形后輸出低電平，光耦器件導(dǎo)通，有電流流過(guò)三極管的基極，三極管導(dǎo)通輸出低電平，輸出的低電平自診斷信號(hào)分別送至過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路。因SA868的SET TRIP端為高電平有效,所以應(yīng)加上一個(gè)反相器,使其反相后輸出高電平。以下的過(guò)流信號(hào)也是如此.故障自診斷電路如圖2.7所示：圖2.7 故障自診斷電路第3章控制電路的設(shè)計(jì)與分析31 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的作用是逆變器中的逆變電路換流器件提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。主電路逆變電路設(shè)計(jì)中采用的電力電子器件是IGBT，故稱為門極驅(qū)動(dòng)電路。以下將介紹SPWM技術(shù)工作原理和設(shè)計(jì)中所選用能產(chǎn)生S

21、PWM波芯片SA868的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。3.1.1 SPWM調(diào)制技術(shù)簡(jiǎn)介脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)是利用全控型電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，實(shí)現(xiàn)變壓、變頻控制并消除諧波的技術(shù)。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)，如果按照頻率與定子端電壓之比為定值的方式進(jìn)行控制，則機(jī)械特性的硬度變化較小，所以在變頻的同時(shí)，也要相應(yīng)改變定子的端電壓。若采用等脈寬PWM調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)變頻與變壓，由于輸出矩形波中含有較嚴(yán)重的高次諧波，會(huì)危害電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。為減小輸出信號(hào)中的諧波分量，一種有效的途徑是將等脈寬的矩形波變成信號(hào)寬度按正弦規(guī)律變化的正弦脈寬調(diào)制波，即SPWM調(diào)制波。脈寬

22、調(diào)制指的是通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要的波形(含形狀和幅值)。在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使脈沖系列的占空比按照正弦規(guī)律變化。當(dāng)正弦值為最大值時(shí)，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔最小；當(dāng)正弦值較小時(shí)，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，那么這樣的電壓脈沖系列就可以使負(fù)載電流中的高次諧波成分大為減小，這種調(diào)制方式稱為正弦波脈寬調(diào)制。產(chǎn)生SPWM 信號(hào)的方法是用一組等腰三角波(稱為載波)與一個(gè)正弦波(稱為調(diào)制波)進(jìn)行比較，如圖4.1所示，兩波形的交點(diǎn)作為逆變開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間。當(dāng)調(diào)制波的幅值大于載波的幅值時(shí)，開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通，當(dāng)調(diào)制波的幅值小于載波的幅值時(shí)，開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷。雖然正弦脈寬

23、調(diào)制波與等脈寬PWM 信號(hào)相比，諧波成份大大減小，但它畢竟不是正弦波。提高載波(三角波)的頻率，是減小SPWM 調(diào)制波中諧波分量的有效方法。而載波頻率的提高，受到逆變開(kāi)關(guān)管最高工作頻率的限制。第三代絕緣柵雙極型晶體管IGBT 的工作頻率可達(dá)30KHz ，用IGBT 作為逆變開(kāi)關(guān)管，載波頻率可以大幅度提高，從而使正弦脈寬調(diào)制波更接近正弦波?？捎赡M電路分別產(chǎn)生等腰三角波與正弦波，并送入電壓比較器，輸出即為SPWM 調(diào)制波。圖3.1為SPWM 波生成方法： utt 0u開(kāi)的時(shí)刻關(guān)的時(shí)刻調(diào)制波載波0 圖3.1 SPWM 波生成方法采用模擬電路的優(yōu)點(diǎn)是完成三角波與正弦波的比較并確定輸出脈沖寬度的時(shí)間很

24、短，幾乎瞬間完成。缺點(diǎn)是電路所用硬件較多，改變參數(shù)和調(diào)試比較困難。若用單片機(jī)直接產(chǎn)生SPWM信號(hào)，由于需要通過(guò)計(jì)算確定正弦脈寬調(diào)制波的寬度，使SPWM信號(hào)的頻率及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)都較慢。對(duì)于調(diào)速精度、調(diào)速方式要求較高的交流異步電動(dòng)機(jī)，可以采用各項(xiàng)性能指標(biāo)都非常完善，但價(jià)格也比較昂貴的通用變頻器；對(duì)一般交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，可以直接采用三相SPWM調(diào)制信號(hào)專用芯片構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)。在本設(shè)計(jì)中選用SA868。3.1.2 SPWM波生成芯片特點(diǎn)和引腳功能1.SA868的特點(diǎn)無(wú)需微處理器：通過(guò)10位ADC模擬輸入：外接EEPROM編程：大批量的應(yīng)用可工程掩膜；三種波形選擇；線性和風(fēng)扇規(guī)律的V/F特性；外接R

25、C實(shí)現(xiàn)平滑加速、減速；恒頻調(diào)壓工作方式適用于靜止逆變器；內(nèi)置大電流輸出驅(qū)動(dòng)器；載波頻率達(dá)24kHz靜音工作；工作頻率位0-4kHz；最小脈寬和死區(qū)脈寬可調(diào)；雙緣調(diào)制；串接接口；自舉驅(qū)動(dòng)器預(yù)充電，SA868引腳說(shuō)明如表所示。表3-1 SA868引腳說(shuō)明引腳意義說(shuō)明7 RESET 內(nèi)部計(jì)數(shù)器復(fù)位端2，3 RPHT,RPHB A相高、低端PWM輸出4，5 YPHT,YPHB B相高、低端PWM輸出1，24 V DDD,V SSD電源，地（數(shù)字）6 DIR 控制電機(jī)轉(zhuǎn)向8 Rdecel 外接電機(jī)減速電阻9，13 V SSA,V DDA電源，地（模擬）14，15，16，17 SET4,SET3,SET2

26、,SET1 速度給定11，12 I monitor,V monitor 電流、電壓檢測(cè)輸入端22，23 XTAL1,XTAL2 外晶振PWM20，21 BPHT,BPHB C相高、低端PWM輸出18 SET TRIP 過(guò)電壓、過(guò)電流控制端19 /TRIP 指示關(guān)閉狀態(tài)端2.SA868引腳功能圖3.2 SA868引腳極限參數(shù)如下：1電源電壓VDDD：7V2 引腳電壓：Vss-0.3VVDD+0.3V。3 引腳輸入/輸出電流：+10mA。4 儲(chǔ)存溫度：-65+1255工作溫度:-40+853.1.3 SA868芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理SA868允許使用者借助于四路數(shù)字輸入而容易地與機(jī)械處理定時(shí)器按鈕

27、或微處理器通道實(shí)現(xiàn)接口而選擇特殊的工作頻率，使用者還可以在廠家制造過(guò)程中預(yù)先選定的工作速度編程送入SA868內(nèi)部的ROM中。SA868借助于自身PWM脈沖的算法來(lái)控制電壓和頻率，確保磁通恒定而達(dá)到調(diào)速工作中使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩恒定，針對(duì)不同的機(jī)械允許選擇合適配套的V/f曲線，并且SA868可自動(dòng)地采集瞬時(shí)的轉(zhuǎn)速和方向而實(shí)現(xiàn)加速或減速，另外滿足整個(gè)功率裝置的載波頻率、調(diào)制工作頻率、輸出頻率范圍、波形、最小脈沖寬度、脈沖重疊時(shí)間可以由生產(chǎn)廠家預(yù)先調(diào)整和更改。圖3.3 SA868芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理3.2 控制電路設(shè)計(jì)圖3.4 SA868應(yīng)用原理框圖SA868需要有外部時(shí)鐘輸入，時(shí)鐘可以由CPU提供也可

28、以用獨(dú)立的時(shí)鐘。外接獨(dú)立時(shí)鐘時(shí)可用12MHz或24MHz的臥式晶振，同時(shí)應(yīng)盡量靠近SA868芯片。當(dāng)功率管距離驅(qū)動(dòng)電路大于15cm時(shí)，建議用雙絞線傳送PWM信號(hào)。SA868輸出PWM波形參數(shù)是通過(guò)軟件設(shè)定的，所以要求程序有穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境，去耦電容選擇適當(dāng)。啟動(dòng)時(shí)的加速電路需要自己進(jìn)行計(jì)算。第4章實(shí)驗(yàn)與仿真(1) 運(yùn)行仿真打開(kāi)仿真/參數(shù)窗口，選擇 ode23tb 算法，將相對(duì)誤差設(shè)置為 1e-3，停止時(shí)間設(shè)置為 0.1s，單擊工具欄中的“開(kāi)始”按鈕開(kāi)始仿真。仿真結(jié)束后雙擊示波器模塊可觀測(cè)被測(cè)量的波形，改變模塊參數(shù)可得到隨之變化的仿真波形。圖4.1 交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真波形圖4.2 變頻前后電

29、壓波形（取一相）(2) 仿真波形分析：通過(guò)搭建的交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果分析可知，三相的交流電在經(jīng)過(guò)整流之后變成電壓恒定的直流電壓源，電壓波形基本趨于恒定的直線。在經(jīng)過(guò)逆變部分之后的波形是脈寬可調(diào)的方波。而經(jīng)過(guò)反饋和LC濾波之后變成頻率可變的正弦波。而通過(guò)變頻前后的波形可以看出變頻之后的正弦波雖然頻率變了，但是其波形當(dāng)中還有波動(dòng)。第5章總結(jié)與體會(huì)每次課程設(shè)計(jì)都能讓我學(xué)到很多專業(yè)知識(shí)，加深對(duì)課本內(nèi)容的理解，雖然會(huì)遇到很多困難，卻總能得到收獲。課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問(wèn)題，鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程。這次做課程設(shè)計(jì)我進(jìn)一步了解