基于8051的spwm變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第1章 引言 1.1電機(jī)調(diào)速發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) 電機(jī)調(diào)速是電力電子技術(shù)應(yīng)用的最大領(lǐng)域之一，具有極大的吸引力，同時(shí)也具有較強(qiáng)的挑戰(zhàn)性。它的市場(chǎng)異常龐大，據(jù)報(bào)道，世界上大約有100億以上各種電機(jī)在工作。近年來，我國(guó)空調(diào)一年的產(chǎn)量已經(jīng)超過1000萬臺(tái)，僅此一項(xiàng)市場(chǎng)已非常龐大。另外，其應(yīng)用面極其廣泛，例如機(jī)床、電動(dòng)工具、電力機(jī)車、機(jī)器人、家用電器、計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)器、汽車、船舶、軋鋼、造紙和紡織行業(yè)等等。同時(shí)，電機(jī)行業(yè)也是一個(gè)比較老的行業(yè)，其在工業(yè)上已應(yīng)用了一個(gè)多世紀(jì)，雖然隨著新材料的使用、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)建模的改進(jìn)和電機(jī)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的不斷推出，電機(jī)在功率密度、效率、可靠性等方面已與最初的電機(jī)有了

2、很大的改進(jìn)，但相對(duì)的變化比較緩慢。直流電機(jī)由于其便于控制和控制精度比較高的特點(diǎn)，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)被廣泛應(yīng)用，被人們認(rèn)為難以被其它電機(jī)所取代，但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種新型器件和先進(jìn)的控制方法在電機(jī)調(diào)速變換器系統(tǒng)中的應(yīng)用，在很多的場(chǎng)合直流電機(jī)正逐漸被交流異步電機(jī)所代替，有人認(rèn)為，在二十一世紀(jì)，直流電機(jī)將會(huì)在傳動(dòng)領(lǐng)域逐漸消失，而交流異步電機(jī)和其它類型電機(jī)的應(yīng)用范圍將逐漸增加。同步電機(jī)效率高，可工作在功率因素為1的工作狀況下，在響應(yīng)要求不高的場(chǎng)合，可以采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的變換器系統(tǒng)給它供電，正由于其具有上述優(yōu)點(diǎn)，雖然同步電機(jī)價(jià)格比較高，但仍具有相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)力。永磁同步電機(jī)因?yàn)榫哂斜容^高的效率，雖

3、然其控制需要加裝軸位置傳感器，并且難以工作在弱磁調(diào)速區(qū)，但對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行是有利的。無刷直流電機(jī)在近些年來永磁體價(jià)格有所下降，雖然價(jià)格仍比較高，但在低慣量、小尺寸的應(yīng)用場(chǎng)合，優(yōu)點(diǎn)比較顯著，目前在中小功率范圍應(yīng)用比較普遍。另一種開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但必須加裝位置檢測(cè)裝置，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲也比較大，若對(duì)位置估測(cè)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲問題有比較好的解決方案，這種電機(jī)有可能是交流異步電機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。 從前面幾種電機(jī)特點(diǎn)的敘述我們可以看出，與其它幾種電機(jī)相比，交流異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用與維護(hù)方便，運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉，并具有比較滿意的運(yùn)行特性和比較高的效率，在傳動(dòng)領(lǐng)域具有重要的地位。由于在

4、電力電子技術(shù)發(fā)展的初期，難以研制出實(shí)用的高性能的交流異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，調(diào)速精度要求比較高的的傳動(dòng)系統(tǒng)，無法使用交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。隨著電力電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路和微控制器技術(shù)的發(fā)展，特別是近些年來，在信息產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)下，微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)取得了翻天覆地的變化。很多以前無法實(shí)現(xiàn)的交流異步電機(jī)控制方法均可以通過微控制器或?qū)ｉT的集成電路實(shí)現(xiàn)。例如變頻調(diào)速控制中的磁場(chǎng)定向矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等，使交流異步電機(jī)的調(diào)速性能己幾乎可以與直流電機(jī)的調(diào)速性能比美。交流異步電機(jī)調(diào)速方式是按照交流電機(jī)轉(zhuǎn)速公式建立的，其轉(zhuǎn)速為:從公式可以看出，改變極對(duì)數(shù)p、改變轉(zhuǎn)差率s和調(diào)節(jié)頻

5、率f均可以調(diào)速，但是變極調(diào)速是有級(jí)調(diào)速，無法實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。只有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率或調(diào)節(jié)頻率才能夠無級(jí)調(diào)速。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方法有很多種，例如:定子調(diào)壓調(diào)速、電磁調(diào)速(滑差電機(jī))、轉(zhuǎn)子變電阻調(diào)速等等，但是這些調(diào)速方法多數(shù)是耗能型調(diào)速方法，或者可靠性比較差。只有變頻調(diào)速方法調(diào)速范圍寬，性能良好，并且具有較高的力能指標(biāo)，是一種比較理想的調(diào)速方法。1964年，原聯(lián)邦德國(guó)學(xué)者提出正弦脈寬調(diào)制技術(shù)使變頻調(diào)速方法的性能指標(biāo)大大提高，減小了輸出諧波含量，提高了效率，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，噪音也大大減小，這種方法在二十世紀(jì)七十年代和八十年代被迅速推廣，提出了眾多的實(shí)現(xiàn)模式?，F(xiàn)在的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)大多數(shù)是采用PWM調(diào)制的

6、方式來實(shí)現(xiàn)各種控制方法。交流異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)種類非常繁多，也有著各種各樣的分類方法。從控制方法實(shí)質(zhì)的角度可以將交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)分為標(biāo)量控制方法和矢量控制方法。標(biāo)量控制方法包括通常所說的電壓源供電、電流源供電的交流異步電機(jī)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，它們的控制方法均屬于標(biāo)量控制方法，只控制變量的大小，給定指令和反饋信號(hào)是與變量有關(guān)的直流量，具有比較大的偏差，只適合于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能要求不高的場(chǎng)合。而矢量控制方法是將復(fù)雜的異步電機(jī)控制數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了解耦變換，將交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈控制完全解耦，使交流異步電機(jī)控制等效于直流電機(jī)的控制，是交流異步電機(jī)調(diào)速理論和技術(shù)上的一

7、大進(jìn)步。由于矢量控制方法需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子參數(shù)辯識(shí)，控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，在近幾年才逐漸進(jìn)入實(shí)用，目前變頻調(diào)速系統(tǒng)仍舊是以標(biāo)量控制方法的系統(tǒng)為主。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展變頻調(diào)速系統(tǒng)性能逐漸改進(jìn)，而成本不斷下降，在另一方面，全球性的能源危機(jī)使人們對(duì)能源的綠色利用越來越重視，對(duì)于消耗了30%左右能量的電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)電源也越來越引起人們的重視，每一臺(tái)電機(jī)配備一個(gè)變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)電源，正獲得越來越多的認(rèn)同和采用，同時(shí)對(duì)變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)電源也提出了高效率、高精度、高可靠性、多功能、智能化、小型化、低成本等要求。1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)況和趨勢(shì)自從年第一只晶閘管的問世，從而電力電子技術(shù)作為電子技術(shù)的一個(gè)分支建立以來，電力電

8、子技術(shù)己取得了令人注目的發(fā)展，早期的半控電力電子器件已逐漸被全控型半導(dǎo)體器件所代替，并發(fā)展出了多種高電壓、大電流、快速(高頻)、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、復(fù)合化和智能化的功率半導(dǎo)體開關(guān)器件。例如，雙極型全控器件有:、達(dá)林頓管、等;單極型器件有功率和;復(fù)合器件有、等;近幾年發(fā)展的智能型功率器件有、和儀等。其中場(chǎng)效應(yīng)晶體管()作為一種電壓控制型多子器件，具有快速、安全工作區(qū)大、容易驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，因此，近些年來和以為基礎(chǔ)的復(fù)合型器件被廣泛應(yīng)用在高頻開關(guān)和電機(jī)控制中，并隨著生產(chǎn)工藝和制造技術(shù)的發(fā)展，性能不斷被改進(jìn)。例如的通態(tài)內(nèi)阻不斷減小，新的通態(tài)內(nèi)阻不僅比結(jié)的正向好，甚至比肖特基二極管的正向內(nèi)阻還小，已成為最佳的整流器

9、件之一。以為基礎(chǔ)的復(fù)合型器件、(固態(tài)繼電器)、(+)等器件耐壓不斷增加，電流逐漸增大。如目前耐壓己達(dá)到V以上，已有4500V/1000A的產(chǎn)品。同時(shí)由于電壓控制型器件的應(yīng)用，使功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路大大簡(jiǎn)化，例如器件的門極驅(qū)動(dòng)電路比雙極型晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電路所用的元器件要小得多，而且，所需要的驅(qū)動(dòng)功率也比雙極型晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電路的要少很多，從而使將驅(qū)動(dòng)電路和功率開關(guān)管集成在同一芯片或模塊中成為可能，并且經(jīng)過了近些年來的發(fā)展，功率電子器件制造公司以推出了多種有智能特性的的復(fù)合器件或模塊，例如和，它們內(nèi)部不僅集成了各種自保護(hù)功能，也將控制芯片集成在里面。其中是采用了微電子工藝集成的器件，是一種智能

10、功率模塊，現(xiàn)在市場(chǎng)上也有很多器件是通過封裝形式來代替模塊，其價(jià)格相對(duì)比較便宜。從電力電子器件的發(fā)展歷程，我們可以看出電力電子器件正在向高耐壓、大電流、小的正向內(nèi)阻、智能化的電壓控制型器件發(fā)展。作為電力電子技術(shù)的另一面的電力電子電路隨著電力電子器件的發(fā)展，也不斷推出了各種新型的功率變換器的電路拓?fù)洌貏e是各種、變換器。1.3集成電路的發(fā)展現(xiàn)況和趨勢(shì)自從1959年世界上第一塊半導(dǎo)體硅集成電路研制成功以來，集成電路以其極高的性能價(jià)格比，受到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極端重視，實(shí)現(xiàn)了人類歷史上最為迅速的技術(shù)發(fā)展。雖然到今天，集成電路的發(fā)展剛達(dá)到四十多年，但是硅集成電路幾十年一直按定律高速地發(fā)展，從最初將幾個(gè)晶

11、體集成在一個(gè)芯片上的551(小規(guī)模集成芯片)，經(jīng)過(中規(guī)模集成芯片)、(大規(guī)模集成芯片)、(超大規(guī)模集成芯片)到今天的(特大規(guī)模集成芯片)或(系統(tǒng)集成芯片)，集成度己提高了8到9個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)前，微電子存儲(chǔ)器芯片的集成度己達(dá)到每片(109)位，工藝特征線寬縮小到0.18乃至0.13微米，微處理器的本振頻率達(dá)到了7501000兆赫。據(jù)估計(jì)微電子芯片在21世紀(jì)仍將沿定律高速發(fā)展。但隨著微電子芯片沿著定律發(fā)展必然會(huì)提出微電子加工尺度和器件尺度的縮小有無極限的問題。對(duì)于加工技術(shù)極限，主要是光刻精度，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，體現(xiàn)為 (特短紫外光)的發(fā)展和電子束投影曝光技術(shù)的發(fā)展。據(jù)目前發(fā)展來看，這一極限在近期

12、內(nèi)將不會(huì)影響芯片的進(jìn)步。另一方面，來自器件結(jié)構(gòu)()晶體管的某些物理本質(zhì)上的限制，如量子力學(xué)測(cè)不準(zhǔn)原理和統(tǒng)計(jì)力學(xué)熱漲落等，可能會(huì)使縮小到一定程度后不能再正常工作，這就有可能改變今日硅芯片以為基礎(chǔ)的局面。為了突破器件的物理極限，發(fā)展下一代微電子芯片，科技界正在研究各種可能的新一代微電子器件，包括:單電子晶體管、量子隧道器件、分子器件、厚膜器件和功能器件等等。如果它們中有所突破，那么只要信息化社會(huì)發(fā)展有需要，微電子芯片仍將沿著定律發(fā)展。在另一方面隨著電子系統(tǒng)對(duì)信息處理速度的要求越來越高，在多芯片系統(tǒng)中，由于集成芯片間的連線長(zhǎng)而引起的信號(hào)延遲引起了人們的關(guān)注，例如現(xiàn)在的芯片己可做到延時(shí)小于幾十皮秒()

13、的工作速度，可是如果存儲(chǔ)器芯片仍是分離于，則由于存取時(shí)間及連線延時(shí)等限制，這一高速度在計(jì)算系統(tǒng)中根本就不能發(fā)揮出來。并且，當(dāng)速度要求達(dá)到一定限度時(shí)，即使是封裝與芯片壓焊塊間的連線，也會(huì)產(chǎn)生各種寄生效應(yīng)，為了避免這些寄生效應(yīng)，需要采用所謂芯片尺寸封裝()，即封裝的大小與芯片大小相一致而直接采用倒裝焊，顯然也會(huì)大大限制引出線的數(shù)目。實(shí)際上只有把多種功能有機(jī)地集成到一個(gè)芯片上才能解決今后的芯片速度要求、管腳數(shù)“爆炸”、測(cè)試?yán)щy和成本高等一系列的問題。片上芯片( )的概念是20世紀(jì)90年代提出來的，它的目標(biāo)是為了克服多芯片集成系統(tǒng)所產(chǎn)生的一些困難，通過提高芯片集成的系統(tǒng)功能以獲得更高的系統(tǒng)性能。90年

14、代以來，已成為微電子芯片技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，雖然目前發(fā)展還在初級(jí)階段，需解決一系列工藝(如、與技術(shù)的兼容)、設(shè)計(jì)(如模塊)技術(shù)和設(shè)計(jì)方法、測(cè)試策略及可測(cè)試性等技術(shù)課題?，F(xiàn)在的芯片有三種主要類型，一種是以為核心，集成各種存儲(chǔ)器、控制電路、時(shí)鐘電路，乃至和、功能于一個(gè)芯片上;另一種是以為核心，多功能集成為;再一種則是上兩種的混合或者把系統(tǒng)算法與芯片結(jié)構(gòu)有機(jī)地集成為。它們?cè)诶寐?、通用性、芯片利用率、性能以及設(shè)計(jì)周期等方面各具優(yōu)缺點(diǎn)，因此當(dāng)前兼容共存。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，特別是近幾年在信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的推動(dòng)下，集成電路技術(shù)月新日異，帶動(dòng)了電機(jī)調(diào)速控制芯片的發(fā)展，各種專用集成電路層出不窮，速度更快、功能

15、更強(qiáng)的電機(jī)控制專用集成芯片、單片機(jī)和系統(tǒng)不斷推出，大大簡(jiǎn)化了交流異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制電路，提高了控制精度，同時(shí)也降低了系統(tǒng)的成本，減小了系統(tǒng)的體積。第2章 SPWM技術(shù)2.1 PWM控制技術(shù)所謂技術(shù)就是利用半導(dǎo)體器件的開通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，以實(shí)現(xiàn)變頻、變壓并有效地控制和消除諧波的一門技術(shù)。控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制信號(hào)以控制功率器件的開關(guān)開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線的信號(hào)輸出，可以說直到目前為止，在各種應(yīng)用場(chǎng)合仍占主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點(diǎn)。隨著新型電力電子器件

16、的不斷涌現(xiàn)以及微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，正弦變頻技術(shù)也獲得了飛速發(fā)展，目前主要有四種形式:基于正弦波對(duì)三角波脈寬調(diào)制的控制、基于電流滯環(huán)跟蹤的控制（）、消除指定次數(shù)諧波的控制(和電壓空間矢量控制()。(1) 正弦波對(duì)三角波脈寬調(diào)制的控制正弦波對(duì)三角波脈寬調(diào)制的控制是從電源的角度出發(fā)，著眼于如何生成一個(gè)可以調(diào)壓調(diào)頻的三相正弦波電源。波形的生成有許多方法，例如等效面積法、自然采樣法、規(guī)則采樣法等等。自然采樣法采用正弦波作為調(diào)制波，以等腰三角波作為載波，利用比較法以正弦波和三角波瞬時(shí)值相等的時(shí)刻即兩個(gè)波形交點(diǎn)作為跳變時(shí)刻，獲得經(jīng)調(diào)制的幅值相等、面積按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖信號(hào)。中值規(guī)則采樣法的基本思想是

17、，將三角載波周期的中點(diǎn)(三角波的負(fù)峰值或正峰值)時(shí)刻對(duì)正弦采樣形成階梯波來代替正弦波。自然采樣法雖能確切反映正弦脈寬調(diào)制的原始方法，但其開關(guān)時(shí)刻求取困難，不適合微機(jī)實(shí)時(shí)控制，而中值規(guī)則采樣法偏離自然采樣法較小，脈寬的計(jì)算方法簡(jiǎn)單，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)比較方便，運(yùn)算量小，實(shí)時(shí)性好，是人們常用的一種方法。 (2) 電流滯環(huán)跟蹤的控制電流滯環(huán)跟蹤的控制的基本思想是將一個(gè)正弦波定子電流給定信號(hào)和定子電流實(shí)測(cè)信號(hào)相比較，若實(shí)際電流大于給定值，則通過逆變器開關(guān)器件的動(dòng)作使之減少；反之，則使之增加。電流追蹤型變頻器由通常的電壓源型變頻器和電流控制環(huán)()組成。電流追蹤型的控制根據(jù)電流控制環(huán)()的結(jié)構(gòu)分為兩種方式:電流

18、滯環(huán)跟蹤控制和電流同步采樣控制。采用電流滯環(huán)追蹤控制，實(shí)際電流與給定電流的偏差值是固定的，但逆變器的開關(guān)頻率是變化的。開關(guān)頻率的大小與滯環(huán)寬度有關(guān)，環(huán)寬越小，電流控制的精度就越高，而開關(guān)頻率也就越大。由于受到功率器件允許開關(guān)頻率的限制，故環(huán)寬不可能選得很小。另外滯環(huán)控制的輸出電流不能太小，因?yàn)楫?dāng)給定電流太小時(shí)，滯環(huán)的調(diào)節(jié)作用將消失。為了克服這些缺點(diǎn)，可以采用電流同步采樣控制，它不是依據(jù)偏差值的大小，而是根據(jù)偏差值符號(hào)，經(jīng)觸發(fā)器以固定頻率將比較結(jié)果送至驅(qū)動(dòng)電路，故其開關(guān)頻率固定不變。該種控制實(shí)際電流與給定電流的偏差值是變化的，但當(dāng)功率器件具有足夠高的開關(guān)頻率時(shí)，變頻器的實(shí)際輸出電流能夠快速跟隨給

19、定值。電流追蹤技術(shù)的特點(diǎn):硬件簡(jiǎn)單，電流控制響應(yīng)快，可以實(shí)現(xiàn)電壓和磁通的自動(dòng)跟蹤控制；缺點(diǎn)是電流諧波比較大。(3) 消除指定次數(shù)諧波的控制脈寬調(diào)制（）的目的是使變壓變頻器輸出的電壓波形盡量接近正弦波，減少諧波以滿足交流電機(jī)的需要。要達(dá)到這一目的，除了上述采用正弦波調(diào)制三角波的方法以外，還可采用直接計(jì)算法，以消除指定次數(shù)的諧波，構(gòu)成接近正弦的波形，這樣的數(shù)值計(jì)算法在理論上雖能消除所指定次數(shù)的諧波，但更高次數(shù)的諧波卻可能反而增大，不過它們對(duì)電動(dòng)機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩的影響已經(jīng)不大，所以這種控制技術(shù)的效果還是不錯(cuò)的。由于上述數(shù)值求解方法的復(fù)雜性，而且對(duì)應(yīng)于不同基波頻率應(yīng)有不同的基波電壓幅值，求解出的脈沖開關(guān)時(shí)

20、刻也不一樣。所以這種方法不應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制，需用計(jì)算機(jī)離線求出開關(guān)角的數(shù)值，放入微機(jī)內(nèi)存，以備控制時(shí)調(diào)用。(4) 電壓空間矢量控制電壓空間矢量控制是一種與控制不同的新穎的脈寬調(diào)制方法。它不是局限于如何使逆變器輸出按正弦規(guī)律變化的電源，而是將逆變器和電機(jī)看成一個(gè)整體，基于電壓空間矢量概念，用八種基本電壓空間矢量合成期望的電壓空間矢量，建立逆變器功率器件的開關(guān)狀態(tài)和空間矢量，并依據(jù)電機(jī)的定子磁鏈?zhǔn)噶颗c定子電壓之間的關(guān)系，直接達(dá)到控制電機(jī)定子磁鏈?zhǔn)噶糠到坪愣?、頂點(diǎn)沿圓形軌跡運(yùn)動(dòng)、平均速度可調(diào)的目的，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)近似恒磁通變壓變頻調(diào)速。2.2 SPWM波形生成原理2.2.1正弦波脈寬調(diào)制原理脈

21、寬調(diào)制是利用相當(dāng)于基波分量的信號(hào)波對(duì)三角載波進(jìn)行調(diào)制，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度的一種方法。當(dāng)信號(hào)波為正弦波時(shí)稱其為正弦脈寬調(diào)制()【4】。如圖所示，圖中為、三相正弦調(diào)制波分別對(duì)三角波進(jìn)行調(diào)制；、為電機(jī)輸入端、對(duì)直流電源中點(diǎn)的電位；為所輸出的線電壓。在這里三角波只是為了形象說明調(diào)制原理而借用或用模擬電路產(chǎn)生脈沖時(shí)必須采用的波形，在數(shù)字化控制技術(shù)產(chǎn)生脈沖時(shí)，三角波實(shí)際上是不存在的，完全由軟件硬件定時(shí)器代替了，這樣既可減少硬件投資又能捉高系統(tǒng)可靠性。定義載波的頻率與調(diào)制波頻率之比為載波比，即。視載波比的變化與否有同步調(diào)制與異步調(diào)制之分。圖2-2所示為三相橋式逆變器主電路圖的原理圖，圖中為電機(jī)三相繞組的中

22、性點(diǎn)為直流電源正、負(fù)極之間的中性點(diǎn)。在主電路的不同開關(guān)狀態(tài)下。與間的電位經(jīng)常是不同的。 圖21 三相PWM調(diào)制波形圖2-2 三相橋式PWM型逆變電路2.2.2 SPWM控制方式如果在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)，三角載波只在正或負(fù)的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的波也只處于一個(gè)極性的范圍內(nèi)，叫做單極性控制方式。如果在正弦調(diào)制波半個(gè)周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則波也是在正負(fù)之間變化，叫做雙極性控制方式。圖為單極性控制方式： 在和的交點(diǎn)時(shí)刻控制的通斷 正半周，保持通，保持?jǐn)?當(dāng)時(shí)使通，斷， = 當(dāng)時(shí)使斷，通，= 負(fù)半周，保持?jǐn)?，保持?當(dāng)時(shí)使斷，通，=0 虛線表示的基波分量 圖2-3 單極性PW

23、M控制方式波形圖2-4為雙極性控制方式（單相橋逆變）在的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得波也有正有負(fù) 在一周期內(nèi)，輸出波只有兩種電平仍在調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)的交點(diǎn)控制器件的通斷 正負(fù)半周，對(duì)各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同 當(dāng)時(shí)，給和導(dǎo)通信號(hào)，給和關(guān)斷信號(hào) 如0，和通，如0當(dāng)時(shí)，給和導(dǎo)通信號(hào)，給和關(guān)斷信號(hào) 如0，和導(dǎo)通，=-單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制，也可采用雙極性調(diào)制圖2-4 雙極性控制方式波形2.2.3中值規(guī)則采樣法生成波形的方法很多，例如有等效面積法、自然采樣法、規(guī)則采樣法等。其中最常用的是中值規(guī)則采樣法。中值規(guī)則采樣法的基本思想是，將三角載波周期的中點(diǎn)(三角波的負(fù)峰值)時(shí)刻對(duì)正弦波的采樣

24、值作為該三角載波值，即用一段水平線代替一段正弦曲線將正弦波簡(jiǎn)化為梯形波。水平線段處于正弦曲線段的中部，因而與正弦的偏差最小。載波比N越大，階梯波越多，階梯波越接近正弦波。圖25中值規(guī)則采樣法圖25示出了中值規(guī)則采樣生成波形的原理。圖中是三角載波，是三角載波的周期,是正弦調(diào)制波，時(shí)刻采樣值為。水平線與三角載波的交點(diǎn)、將分為三段，即圖中的時(shí)間段、和對(duì)應(yīng)脈沖的寬度和間隙。在不同的三角載波周期內(nèi)采樣值不同，時(shí)間段、和也不同，因而矩形脈沖寬度不同。只要求出這三個(gè)時(shí)間段，便可以得到的脈沖信號(hào)，控制逆變器開關(guān)器件的通斷。由于三角載波的對(duì)稱性，時(shí)間和相等。所以，在一個(gè)三角波周期內(nèi)，只需實(shí)時(shí)計(jì)算兩個(gè)時(shí)間值，使得

25、計(jì)算簡(jiǎn)化。設(shè)三角載波的幅值。且保持不變，正弦調(diào)制波=，其中是正弦調(diào)制波的幅值，是正弦調(diào)制波的角頻率，也就是逆變器輸出的角頻率。正弦調(diào)制波的幅值與三角波載波的幅值之比，即/=，稱為調(diào)制度。在理想情況下，可在之間變化，以調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的大小。在使用中考慮最小脈寬限制，總小于l的。一般取的最大值為0.950.98。當(dāng)采樣時(shí)刻為時(shí)，根據(jù)三角形相似關(guān)系，由圖22有 式、便是實(shí)時(shí)計(jì)算SPWM波形的脈寬時(shí)間的基本算式。圖2-6三相波形的生成三相逆變器需要對(duì)稱的在時(shí)間上互差2/3的三相正弦調(diào)制波與同一個(gè)三角載波比較以獲得三相波形。圖26示出了用中值規(guī)則采樣法在一個(gè)三角載波周期內(nèi)得到的三相波形。顯然，每相的

26、脈沖時(shí)間都可以用式、計(jì)算，差別在于另兩相應(yīng)分別用以及代替即可。2.3 PWM控制信號(hào)的生成方法生成脈沖的方法有很多，大致可以分為兩大類：第一類是完全由模擬電路生成，第二類是由專用集成芯片生成。2.3.1由模擬電路生成信號(hào)完全由模擬電路生成，此方法通常由正弦調(diào)制波和三角載波比較產(chǎn)生。正弦波發(fā)生器和三角波發(fā)生器分別由模擬電路組成，在異步調(diào)制方式下，三角波的頻率是固定的，而正弦波的頻率和幅值隨調(diào)制深度的增大而線性增大。本方法原理簡(jiǎn)單而且直觀，但也帶來如下一些缺點(diǎn)：(1)正弦調(diào)制波和三角載波由硬件電路生成，硬件開銷大，系統(tǒng)可靠性降低。(2)由于是正弦波與三角載波比較，當(dāng)控制電路的直流電源電壓有波動(dòng)或有

27、噪聲干擾時(shí)，都將引起脈沖寬度的變化，從而影響到變頻器輸出頻率和電壓的穩(wěn)定性。(3)當(dāng)輸出頻率低、調(diào)制深度很小時(shí)，信號(hào)噪聲比相對(duì)增大，此時(shí)上述噪聲干擾問題更加明顯，輸出頻率精度越來越差。(4)系統(tǒng)受溫漂和時(shí)漂的影響大，造成用戶使用時(shí)變頻器性能和出廠時(shí)的性能不一樣。2.3.2由專用集成芯片生成本次設(shè)計(jì)采用大規(guī)模專用集成電路生成信號(hào)。三相集成電路是一種應(yīng)用技術(shù)制作的低功耗高頻大規(guī)模集成電路，是一種可編程器件。它能把三個(gè)8位數(shù)字量同時(shí)轉(zhuǎn)換成三路相應(yīng)脈寬的矩形波信號(hào)，與8位或16位微機(jī)聯(lián)合使用，可產(chǎn)生三相變頻器所需要的六路控制信號(hào)，輸出的波的開關(guān)頻率可達(dá)，基波頻率可達(dá)。因此，適用于變頻器或其它中頻電源變

28、頻器。圖27 的引腳圖位雙列直插式28腳芯片，如圖27所示。它有13個(gè)輸入端、5個(gè)控制端、8個(gè)輸出端、2個(gè)電源端。分別說明如下：(1)13個(gè)輸入端（2腳）、（3腳）為外晶振輸入端，可外接12MHz晶振，為SLE4520內(nèi)部各單元電路提供一個(gè)外接參考時(shí)鐘。（4腳11腳）為8位數(shù)據(jù)輸入端，與8位的數(shù)據(jù)總線相接。其功能是將微機(jī)輸出的命令或數(shù)據(jù)送入。（24腳）為來自微己的脈沖信號(hào)輸入端，與微機(jī)的相連。當(dāng)該端為低電平（0）時(shí)，將來自微機(jī)的地址數(shù)據(jù)寫到種的地址鎖存器內(nèi)。（25腳）為來自微機(jī)的地址鎖存允許脈沖信號(hào)輸入端，與微機(jī)的ALE相連。它與來自微機(jī)的信號(hào)一起根據(jù)程序中設(shè)定的地址信號(hào)對(duì)內(nèi)部的3個(gè)8位數(shù)據(jù)寄

29、存器、2個(gè)4位控制寄存器進(jìn)行選擇。（27腳）為來自微機(jī)的觸發(fā)脈沖信號(hào)輸入端，與微機(jī)的輸出端相連。該端輸入信號(hào)控制3個(gè)可預(yù)置8位減法計(jì)數(shù)器是否開始進(jìn)行遞減運(yùn)算。(2)5個(gè)控制端 （21腳）及 （22腳）為通斷狀態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸入端，即清零端與置位端，可接保護(hù)電路的輸出或接微機(jī)的輸出。清零端有效則開通的信號(hào)輸出端；置位端有效則關(guān)斷信號(hào)輸出端。（23腳）為的復(fù)位端，可與微機(jī)復(fù)位電路的輸出相連。該端為高電平時(shí)，使內(nèi)部各狀態(tài)鎖存器、計(jì)數(shù)器等復(fù)位，保證開機(jī)時(shí)從相同的狀態(tài)開始工作。（26腳）為的片選信號(hào)輸入端，可與微機(jī)系統(tǒng)的譯碼電路輸出端相連。該端為高電平時(shí)，芯片被選通工作；為低電平時(shí)，該芯片不工作。（19

30、腳）為脈沖封鎖端，接保護(hù)電路的輸出。該端為高電平時(shí)的輸出全被封鎖，可用作變頻器各種故障保護(hù)的封鎖脈沖端。(3)8個(gè)輸出端1（18腳）、2（17腳）、1（16腳）、2（14腳）、1（13腳）、2（12腳）分別為變頻器、三相上、下橋臂開關(guān)器件的控制信號(hào)輸入端，接三相變頻器驅(qū)動(dòng)電路的輸入端，提供驅(qū)動(dòng)三相變頻器的信號(hào)。（20腳）為通斷狀態(tài)觸發(fā)器的輸出端，可接一個(gè)指示器，用以指示的狀態(tài)是在輸出驅(qū)動(dòng)變頻器狀態(tài)還是在封鎖輸出狀態(tài)。（28腳）為晶振頻率輸出端，接微機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)輸入端，使微機(jī)系統(tǒng)的時(shí)鐘與的時(shí)鐘保持同步。(4)兩個(gè)電源端（1腳）為電源正端，接+5V電源。（15腳）為電源負(fù)端，接地。第3章 主電路設(shè)

31、計(jì)3.1 SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖31所示，主要有變頻器主電路，單片機(jī)控制電路及系統(tǒng)的各種檢測(cè)、保護(hù)電路組成。通過調(diào)節(jié)逆變器的脈沖寬度和輸出交流電壓的頻率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子電壓與頻率同步調(diào)節(jié)這一變頻調(diào)速的原則?？刂频膶?dǎo)通和關(guān)斷的基極信號(hào)分別來自六個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路是的信號(hào)放大電路。單片機(jī)控制系統(tǒng)主要完成對(duì)整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的檢測(cè)控制、保護(hù)等工作。啟動(dòng)前，單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，以保證主電路無電流沖擊，且在電壓、電流正常的情況下才允許起動(dòng)。正常運(yùn)行時(shí)，單片機(jī)控制器在控制產(chǎn)生信號(hào)的同時(shí)，對(duì)變頻系統(tǒng)各種故障進(jìn)行檢測(cè)、保護(hù)，并根據(jù)情況顯示不同的狀態(tài)。轉(zhuǎn)速檢測(cè)采用旋轉(zhuǎn)編碼器，以完

32、成對(duì)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。圖31 SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.2硬件電路的設(shè)計(jì)變頻器控制原理圖設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：首先確認(rèn)變頻器的安裝環(huán)境；I.工作溫度。變頻器內(nèi)部是大功率的電子元件，極易受到工作溫度的影響，產(chǎn)品一般要求為055，但為了保證工作安全、可靠，使用時(shí)應(yīng)考慮留有余地，最好控制在40以下。在控制箱中，變頻器一般應(yīng)安裝在箱體上部，并嚴(yán)格遵守產(chǎn)品說明書中的安裝要求，絕對(duì)不允許把發(fā)熱元件或易發(fā)熱的元件緊靠變頻器的底部安裝。II. 環(huán)境溫度。溫度太高且溫度變化較大時(shí)，變頻器內(nèi)部易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，其絕緣性能就會(huì)大大降低，甚至可能引發(fā)短路事故。必要時(shí)，必須在箱中增加干燥劑和加熱器。在水處理間，一般水汽都比較

33、重，如果溫度變化大的話，這個(gè)問題會(huì)比較突出。III.腐蝕性氣體。使用環(huán)境如果腐蝕性氣體濃度大，不僅會(huì)腐蝕元器件的引線、印刷電路板等，而且還會(huì)加速塑料器件的老化，降低絕緣性能。IV. 振動(dòng)和沖擊。裝有變頻器的控制柜受到機(jī)械振動(dòng)和沖擊時(shí)，會(huì)引起電氣接觸不良?；窗矡犭娋统霈F(xiàn)這樣的問題。這時(shí)除了提高控制柜的機(jī)械強(qiáng)度、遠(yuǎn)離振動(dòng)源和沖擊源外，還應(yīng)使用抗震橡皮墊固定控制柜外和內(nèi)電磁開關(guān)之類產(chǎn)生振動(dòng)的元器件。設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行檢查和維護(hù)。V. 電磁波干擾。變頻器在工作中由于整流和變頻，周圍產(chǎn)生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對(duì)附近的儀表、儀器有一定的干擾。因此，柜內(nèi)儀表和電子系統(tǒng)，應(yīng)該選用金屬外

34、殼，屏蔽變頻器對(duì)儀表的干擾。所有的元器件均應(yīng)可靠接地，除此之外，各電氣元件、儀器及儀表之間的連線應(yīng)選用屏蔽控制電纜，且屏蔽層應(yīng)接地。如果處理不好電磁干擾，往往會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)無法工作，導(dǎo)致控制單元失靈或損壞。3.2.1變頻調(diào)速主電路的設(shè)計(jì)變頻調(diào)速實(shí)質(zhì)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)這一功能的裝置稱為變頻器。變頻器通常采用交直交方式，即先將交流電轉(zhuǎn)變成直流電（整流、濾波），再將直流電轉(zhuǎn)變成頻率可調(diào) 的矩形波交流電（逆變）。圖32是主電路的原理圖，它是變頻器常用的最基本的格式。 圖32 電壓型交直交變頻調(diào)速主電路主電路中各元件的功能交-直電路整流管D1D6組成三項(xiàng)整流橋，對(duì)三相交流電

35、進(jìn)行全波整流。濾波電容濾波整流后的電壓波紋，并在負(fù)載變化時(shí)保持電壓平穩(wěn)。當(dāng)變頻器通電時(shí)，瞬時(shí)沖擊電流較大，為了保護(hù)電路元件，加限流電阻。延時(shí)一段時(shí)間后，通過控制電路使開關(guān)閉合，將限流電阻短路。電源指示燈除了指示電源通斷外，還可以在電源斷開時(shí)，作為濾波電容放電通路和指示。濾波電容容量通常很大；所以放電的時(shí)間較長(zhǎng)（數(shù)分鐘），幾百伏的高電壓會(huì)威脅人員安全，因此，在維修時(shí)，要等指示燈熄滅后進(jìn)行。是制動(dòng)電阻。電動(dòng)機(jī)在制動(dòng)過程中處于發(fā)電狀態(tài)，由于電路是處于在斷開情況下，增加的電能無處釋放，使電路電壓不斷升高，將會(huì)損壞電路元件。所以，應(yīng)給一個(gè)放電通路，使這部分再生電流消耗在電阻上。制動(dòng)時(shí)，通過控制電路使開關(guān)

36、管導(dǎo)通，形成放電通路。直-交電路逆變開關(guān)管組成三相逆變橋，將直流電逆變成頻率可調(diào)的矩形波交流電。逆變管選擇絕緣柵雙極晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)管。 續(xù)流二極管的作用是：當(dāng)逆變開關(guān)管由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)榻刂習(xí)r，雖然電壓突變降為零，但由于電動(dòng)機(jī)線圈的電感作用，儲(chǔ)存在線圈中的電能開始釋放，續(xù)流二極管提供通道，維持電流繼續(xù)在線圈中流動(dòng)。另外，當(dāng)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，續(xù)流二極管為再生電流提供通道，使其回流到直流電源。電阻、電容、二極管組成緩沖電路，來保護(hù)逆變開關(guān)管。由于開關(guān)管在開通和關(guān)斷時(shí)，要受集電極電流和集電極與發(fā)射極間電壓的沖擊，因此要通過緩沖電路進(jìn)行緩解。當(dāng)逆變開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，迅速升高，迅速降低，過高增長(zhǎng)率的電壓對(duì)逆變開

37、關(guān)管造成傷害，所以通過在逆變開關(guān)管兩端并聯(lián)電容()來減小電壓增長(zhǎng)率；當(dāng)逆變開關(guān)管開通時(shí)，迅速降低，而則迅速提高，并聯(lián)在逆變開關(guān)管兩端的電容()由于電壓降低，將通過逆變開關(guān)管放電，這將加速電流的增長(zhǎng)率，造成逆變開關(guān)管的損壞。所以增加電阻()，限制電容的放電電流?？墒钱?dāng)逆變開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，該電阻又會(huì)阻止電容的充電。為了解決這個(gè)矛盾，在電阻兩端并聯(lián)二極管(),使電容在充電時(shí)，避開電阻，通過二極管充電，在放電時(shí)，通過電阻放電，實(shí)現(xiàn)緩沖功能。緩沖電路還有其他形式，圖3-4給出了另外3種形式，其中3-4是交叉式緩沖電路，它避開了圖3-1所示的緩沖電路的缺點(diǎn)，適用于中大功率變頻器；圖3-4是為了吸收高于直流電

38、壓的電壓尖峰而設(shè)計(jì)的，適用于小功率變頻器；圖3-4是在逆變開關(guān)管前面串聯(lián)一個(gè)抑制電路，使緩沖效果更好。圖34 緩沖電路3.2.2 三相逆變橋的工作原理 三相逆變橋的電路簡(jiǎn)圖如圖3-4(a)所示，圖中R,Y,B為逆變橋的輸出。圖3-5(b)是各逆變管導(dǎo)通的時(shí)序，其中深色部分表示逆變管導(dǎo)通。從圖3-5(b)可以看出，每一時(shí)刻總有3只逆變管導(dǎo)通，另3只逆變管關(guān)斷；并且，與、與、與每對(duì)逆變器不能同時(shí)導(dǎo)通。圖35三相逆變橋工作原理在時(shí)間段，、這3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從到和從到(設(shè)從到、從到、從到為正方向，下同)，得到線電壓為和-。在時(shí)間段，、這3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從到和從到

39、得到的線電壓為和。在時(shí)間段，、這3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從到和從到，得到的線電壓為和。在時(shí)間段，、這3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從到和從到，得到的線電壓為和。在時(shí)間段，、這3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從到和從到，得到的線電壓為和。在時(shí)間段，、這3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從到和從到，得到的線電壓為和。線電壓、波形見圖36從圖中可以看出三者之間互差120，它們的幅值是。因此，只要按圖35的規(guī)律控制6只逆變管的導(dǎo)通和關(guān)斷，就可以把直流電逆變成矩形波三相交流電；而矩形波三相交流電的頻率可在逆變時(shí)受到控制。然而，矩形波不是正弦波，含有許多高次諧波成分，將使交流異步電

40、動(dòng)機(jī)產(chǎn)生發(fā)熱、力矩下降、振動(dòng)噪聲等不利結(jié)果。為了使輸出的波形接近正弦波，可采用正弦脈寬調(diào)制波。圖36 逆變輸出線電壓波形3.2.3 IPM的選擇逆變電路的功率器件也可選用（智能功率模塊），該模塊內(nèi)含柵極驅(qū)動(dòng)電路、邏輯控制電路以及欠壓、過流、短路、過熱等保護(hù)電路，模塊的主電路部分共分為五個(gè)端子，即直流電壓輸入端+、-，三相交流電壓輸出端、，控制部分共有18個(gè)端子，用于信號(hào)輸入、故障信號(hào)輸出及驅(qū)動(dòng)電源等，驅(qū)動(dòng)電源為4組+15V電源，單片機(jī)生成的信號(hào)需要通過光耦合器隔離后輸入。該智能模塊的應(yīng)用，減小了裝置的體積，提高了變頻系統(tǒng)的性能與可靠性。（如圖3-7）1的參數(shù)選擇正反向峰值電壓：考慮22.5倍的

41、安全系數(shù)，取耐壓值為800V。通態(tài)峰值電流： 考慮1.52倍的安全系數(shù)，取電流額定為2.5A。由以上參數(shù)計(jì)算，可選用型號(hào)為的。2.以為功率器件的逆變電路的設(shè)計(jì)（1）驅(qū)動(dòng)電源 a.驅(qū)動(dòng)電源必須采用四組隔離電源。上橋臂每相各用一組電源，下橋臂三相共用一組。四組驅(qū)動(dòng)電源的隔離度應(yīng)達(dá)到1200V。b.驅(qū)動(dòng)電源電壓在13.5V16.5V之間，能夠正常工作。若電源電壓高于16.5V，則因驅(qū)動(dòng)電源過高，保護(hù)性能得不到充分的保證，高于20V時(shí)IGBT管的柵極會(huì)損壞，因此絕對(duì)不能加這么高。若電源電壓低于13.5V，驅(qū)動(dòng)電源電壓不足，這時(shí)控制信號(hào)為無效操作。典型的工作值一般取為15V。（2）控制信號(hào)輸入由單片機(jī)產(chǎn)

42、生的六路信號(hào)需要經(jīng)光耦隔離后再輸入。控制信號(hào)輸入端需連接上拉電阻以防止由于的作用而產(chǎn)生誤動(dòng)作。（3）的自保護(hù)功能有精良的內(nèi)置保護(hù)電路以避免因系統(tǒng)失控或過載而使功率器件損壞。如果模塊其中有一種保護(hù)電路動(dòng)作，柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷電流并輸出一個(gè)故障信號(hào)（）。以下介紹各保護(hù)功能的工作情況。驅(qū)動(dòng)電源欠壓鎖定（）內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路由一個(gè)15V直流電源供電。如果由于某種原因這一電源電壓低于規(guī)定的欠壓動(dòng)作值（），該功率器件將被關(guān)斷并輸出一個(gè)故障信號(hào)。如果小毛刺干擾時(shí)間小于規(guī)定的，則不影響驅(qū)動(dòng)電路工作，欠壓保護(hù)電路不予理睬。過熱保護(hù)（）在靠近芯片附近的絕緣基板上已安裝一個(gè)溫度傳感器。如果基板溫度超過過熱動(dòng)作數(shù)值（），

43、內(nèi)部控制電路將關(guān)斷下橋臂的三個(gè)，上橋臂的關(guān)斷不受其影響，直到溫度恢復(fù)正常，從而保護(hù)了功率器件。過流保護(hù)（）如果流過的電流超出過流動(dòng)作數(shù)值（）的時(shí)間大于，將被關(guān)斷，同時(shí)輸出一個(gè)故障信號(hào)。若過流時(shí)間小于，則過流保護(hù)電路不予理睬。在保護(hù)閉鎖期間，即使有控制信號(hào)輸入，也IGBT不會(huì)工作。約13ms到下一個(gè)有效控制輸入信號(hào)，IPM恢復(fù)正常工作。短路保護(hù)（）如果負(fù)載發(fā)生短路或因系統(tǒng)控制器故障而導(dǎo)致上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，內(nèi)置短路保護(hù)將關(guān)斷，同時(shí)輸出一個(gè)故障信號(hào)。第四章變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)注意：雖然內(nèi)含有相應(yīng)保護(hù)電路，但在實(shí)際運(yùn)行中不能長(zhǎng)期過載，因此當(dāng)系統(tǒng)輸出故障信號(hào)后應(yīng)立即送入控制系統(tǒng)的中斷口，產(chǎn)生中斷，立即

44、停止運(yùn)行并封鎖送到的輸入信號(hào)，在排除了故障之后再啟動(dòng)運(yùn)行。3.報(bào)警輸出當(dāng)以上任何一種保護(hù)電路工作時(shí)，IPM都會(huì)自動(dòng)封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)輸出一個(gè)固定寬度低電平故障信號(hào)F0，但是由于IPM的保護(hù)動(dòng)作能自動(dòng)復(fù)位，既IPM的內(nèi)置保護(hù)功能僅對(duì)非重復(fù)異?，F(xiàn)象。如果留保護(hù)動(dòng)作持續(xù)13ms后，下一個(gè)有效輸入時(shí)，IPM恢復(fù)正常工作，此時(shí)過電流保護(hù)再次動(dòng)作，如此重復(fù)。因此，當(dāng)有F0輸出時(shí)，外圍保護(hù)電路應(yīng)當(dāng)能完全封鎖輸入控制信號(hào)，避免在IPM內(nèi)部保護(hù)功能自動(dòng)復(fù)位后再次起動(dòng)IPM而導(dǎo)致保護(hù)失效，造成IPM的損壞。如圖3-9，當(dāng)IPM正常工作時(shí)，F(xiàn)0輸出為高電平，光耦截止，INT0為高電平；一旦IPM報(bào)警F0輸出為低電平

45、，光耦導(dǎo)通，INT0被拉低，產(chǎn)生外中斷，進(jìn)入服務(wù)程序，保護(hù)IPM.圖39 報(bào)警輸出外圍電路4. 驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路 SPWM觸發(fā)信號(hào)通過光低啊按隔離與IPM相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率器件的驅(qū)動(dòng)及其保護(hù)。由于大功率高頻率的開關(guān)操作逆變器中功率器件的動(dòng)態(tài)條件非?？量?。盡管使用了有自我保護(hù)功能的IPM模塊器件也必須設(shè)計(jì)良好的緩沖吸收電路來減小IGBT關(guān)斷尖峰電壓和二極管恢復(fù)浪涌電壓，同時(shí)也用來減少開關(guān)損耗。緩沖吸收電路也要盡可能地靠近模塊，否則效果不好。隔離點(diǎn)偶采用惠普公司的高速光耦HCPL4504。 圖3-7外圍驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路 圖38 IPM內(nèi)部結(jié)構(gòu)表31 IPM引腳圖引腳功能備注VUP1VVP1VWP1VN1四

46、組 15DC隔離電源輸入，其中VN1為下橋臂三單元共用四路控制電源要求比較高 電壓要求范圍：15V 10%還應(yīng)盡量降低紋波電壓，使電源附加噪聲降低到最小，避免誤導(dǎo)通。VUPCVVPCVWPCVNC四組隔離電源對(duì)應(yīng)地線，彼此隔離，并不干擾下橋臂三單元共用VNCUPVPWP上橋臂上橋臂對(duì)應(yīng)控制輸入端，低電平有效輸入高電平時(shí)對(duì)應(yīng)功率器件截止，低電平導(dǎo)通UNVNWN下橋臂上橋臂對(duì)應(yīng)控制輸入端，低電平有效FO故障信號(hào)，輸出低電平平時(shí)為15VDCPN直流電源輸入端直流電源輸出端600V系列工作在400V一下，最大不超過500V；1200V在800V一下，最大不超過900VUVW三相逆變輸出與負(fù)載相連，提供

47、伏在轉(zhuǎn)換后的電流3.3系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)及保護(hù)電路設(shè)計(jì)3.3.1 轉(zhuǎn)速檢測(cè) 交流電機(jī)控制系統(tǒng)大多是通過閉環(huán)進(jìn)行控制的，為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，首先需要將被控制量檢測(cè)出來，然后再反饋給控制系統(tǒng)。檢測(cè)電路是交流電機(jī)控制系統(tǒng)中的重要組成部分，本設(shè)計(jì)采用光電式編碼器檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其中選用數(shù)字測(cè)速處于考慮到模擬測(cè)速方法的精確度不是很高而且電路復(fù)雜，而且低速時(shí)精度更加失真。 光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測(cè)元件，旋轉(zhuǎn)編碼器與電動(dòng)機(jī)相連，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)碼盤旋轉(zhuǎn)，便發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號(hào)。旋轉(zhuǎn)編碼器可分為絕對(duì)式和增量式兩種。絕對(duì)式編碼器在碼盤上分層刻上表示角度的二進(jìn)制數(shù)碼或循環(huán)碼（格雷碼），通過接收器將該數(shù)碼送入計(jì)

48、算機(jī)。絕對(duì)式編碼器常用于檢測(cè)轉(zhuǎn)角，若需要得到轉(zhuǎn)速信號(hào)，必須對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行微分處理。增量式編碼器在碼盤上均勻地刻制一定數(shù)量的光柵，如圖3-7所示，當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，碼盤隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)。通過光柵的作用，持續(xù)不斷地開放或封閉光通路，因此，在接受裝置的輸出端便得到頻率與轉(zhuǎn)速成正比的方波脈沖序列，從而可以計(jì)算轉(zhuǎn)速。圖3-7 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器上述脈沖序列正確地反應(yīng)了轉(zhuǎn)速的高低，但不能鑒別轉(zhuǎn)向。為了獲得轉(zhuǎn)速的方向，可增加一對(duì)發(fā)光與接受裝置，使兩對(duì)發(fā)光與接受裝置錯(cuò)開光柵節(jié)距的1/4，則兩組脈沖序列和的相位相差，如圖3-8所示，正轉(zhuǎn)時(shí)相超前相；反轉(zhuǎn)時(shí)相超前相。采用簡(jiǎn)單的鑒相電路就可以分辨處轉(zhuǎn)向。圖3-8 區(qū)分旋轉(zhuǎn)方向的

49、A、B兩組脈沖序列若碼盤的光柵數(shù)為，則轉(zhuǎn)速分辨率為,常用的旋轉(zhuǎn)編碼器光柵數(shù)有、2048、4096等。再增加光柵數(shù)將大大增加旋轉(zhuǎn)編碼器的制作難度和成本。采用倍頻電路可以有效地提高轉(zhuǎn)速分辨率，而不增加旋轉(zhuǎn)編碼器的光柵數(shù)，一般多采用四倍頻電路，大于四倍頻則較難實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)字測(cè)速方法的法。 法測(cè)速檢測(cè)時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)，又檢測(cè)同一時(shí)間間隔的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)，用來計(jì)算旋轉(zhuǎn)，稱為測(cè)速。設(shè)高頻時(shí)鐘脈沖的頻率為,則準(zhǔn)確的測(cè)速時(shí)間。采用法測(cè)速時(shí)，應(yīng)保證高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器與旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖計(jì)數(shù)器同時(shí)開啟與關(guān)閉，以減小誤差（如圖3-9所示）只有等到編碼器輸出脈沖前沿到達(dá)時(shí)，兩個(gè)計(jì)數(shù)器

50、同時(shí)允許開始或停止計(jì)數(shù)。圖3-9 法測(cè)速由于法的計(jì)數(shù)值和都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，因此，法測(cè)速能適用的轉(zhuǎn)速范圍非常大，是目前廣泛應(yīng)用的一種測(cè)速方法。法數(shù)字測(cè)速軟件框圖測(cè)速軟件由捕捉中斷服務(wù)子程序（如圖3-10所示）和測(cè)速時(shí)間中斷服務(wù)子程序（如圖3-11所示）構(gòu)成，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行到“測(cè)速允許”時(shí)，開放捕捉中斷，但只有到旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖前沿到達(dá)時(shí)，進(jìn)入捕捉中斷服務(wù)子程序，旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖計(jì)數(shù)器和高頻時(shí)鐘計(jì)數(shù)器才真正開始計(jì)數(shù)，同時(shí)打開測(cè)速時(shí)間計(jì)數(shù)器，禁止捕捉中斷，使之不再干擾計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。待測(cè)速時(shí)間計(jì)數(shù)器到達(dá)計(jì)數(shù)值，發(fā)出停止測(cè)速信號(hào)，再次開放捕捉中斷，到旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖前沿再到達(dá)時(shí)停止計(jì)數(shù)。在這

51、一組軟件框圖中，測(cè)速軟件僅完成和計(jì)數(shù)，轉(zhuǎn)速計(jì)算是在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序中完成的。圖3-10 捕捉中斷服務(wù)子程序框圖圖3-11 測(cè)速時(shí)間中斷服務(wù)子程序框圖3.3.2 電流檢測(cè)及其保護(hù)電路 電力電子電路運(yùn)行不正?；虬l(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過電流。過電流分過載和短路兩種情況。圖中給出了各種多電流保護(hù)措施及其配置位置，其中采用了快速熔斷器，直流快速斷路器和過電流繼電器是較為常用的措施。一般的電力電子裝置均同時(shí)采用幾種過電流保護(hù)措施，以提高保護(hù)的可靠性和合理性。 通常，電子電路作為第一保護(hù)措施，快速熔斷器僅作為短路時(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速熔斷器整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定載過載時(shí)

52、動(dòng)作。 采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效的，應(yīng)用最廣的一種過電流保護(hù)措施。在選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮： （1）電壓的等級(jí)應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來確定。 （2）電流容量應(yīng)按其在主電路中的接入方式和主電路連接形式確定?？烊垡话闩c電力半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可串接于閥側(cè)或直流母線當(dāng)中。（3） 快熔的值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許值（4） 為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮時(shí)間電流特性?？烊蹖?duì)器件的保護(hù)方式可分為全保護(hù)和短路保護(hù)兩種。全保護(hù)是指不論過載還是短路均用快熔進(jìn)行保護(hù)，此方式只適用于小功率裝置或器件使用裕度較大的場(chǎng)合。短路保護(hù)方式是指快熔只在短路電流較大區(qū)域內(nèi)起保護(hù)作用，此方式

53、需與其他過電流保護(hù)措施配合使用?？烊垭娏魅萘康木唧w選擇方法可參考有關(guān)工程手冊(cè)。 對(duì)一些重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或工作頻率較高的，很難用快速熔斷器保護(hù)的全控元件，需要電子電路進(jìn)行保護(hù)。除了電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的沖擊電流等變化較慢的過電流可以利用控制系統(tǒng)本身調(diào)節(jié)對(duì)電流的限制作用外，需設(shè)置專門的過電流保護(hù)電子電路，檢測(cè)到過電流以后直接調(diào)節(jié)觸發(fā)器或驅(qū)動(dòng)電路，或者管段被保護(hù)器件。3.3.3電壓檢測(cè)及其保護(hù)電路 一. 電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中操作過程等外部原因。（1） 操作過電壓：由分閘合閘產(chǎn)生的過電壓，電網(wǎng)側(cè)的過電壓會(huì)由供電變壓器電磁感應(yīng)

54、耦合，或由變壓器繞組之間存在的分布電容靜電感應(yīng)耦合而來。（2） 雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓。內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程，包括：（1） 換向過電壓：由于晶閘管或者全控元件反并聯(lián)的續(xù)流二極管在換向結(jié)束后不能迅速恢復(fù)阻斷能力，因而有較大的反向電流流過，是殘存的載流子恢復(fù)，而當(dāng)其恢復(fù)阻斷能力時(shí)，反向電流急劇減少，這樣的電流突變會(huì)因線路電感而在晶閘管陰陽極之間或與續(xù)流二極管反并聯(lián)的全控器件兩端產(chǎn)生過電壓。（2） 關(guān)斷過電壓：全控器件載較高的工作頻率下，當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，因正向電流的迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。3.3.4 溫度檢測(cè)及其保護(hù)電路 熱電阻根據(jù)電阻的溫度效

55、應(yīng)而制，有隨溫度升高而變大的是正溫度系數(shù)，也有隨溫度升高而減小的是負(fù)溫度系數(shù)，使用時(shí)取其分壓放大后AD轉(zhuǎn)換即可。 熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測(cè)量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。 熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)的組成熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導(dǎo)線和顯示儀表等組成。必須注意以下兩點(diǎn)：熱電阻和顯示儀表的分度號(hào)必須一致為了消除連接導(dǎo)線電阻變化的影響，必須采用三線制接法。3.3.5 隔離及其保護(hù)電路 電壓跟隨器，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，就是說，電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1。電壓跟隨器的顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達(dá)到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低。 在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級(jí)及隔離級(jí)。因?yàn)椋妷悍糯笃鞯妮敵鲎杩挂话惚容^高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級(jí)的輸入阻抗比較小，那么信號(hào)就會(huì)有相當(dāng)?shù)牟糠謸p耗在前級(jí)的輸出電阻中。在這個(gè)時(shí)候，就需要電壓跟隨器來從中進(jìn)行緩沖。起到承上啟下的作用。應(yīng)用電壓跟隨器的另外一個(gè)好處就是，提高了輸入阻抗，這樣，輸入電容的容量可以大幅度減小，為應(yīng)用高品質(zhì)的電容提供了前提保證。第4章 控制電路的設(shè)計(jì)4.1 8051單片機(jī)的功能特點(diǎn)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)是由8051單片機(jī)及其功