PWM型變頻器的基本控制方式

錯誤！未找到目錄項。通用的PWM型變頻器是一種交直—交變頻通過整流器將工頻交流電整流成直流電經(jīng)過中間環(huán)節(jié)再由逆變器將直流電逆變成頻率可調的交流電供給交流負載異步電動機調速時供電電源不但頻率可變而且電壓大小也必須能隨頻率變化，即保持壓頻比基本恒定。PWM型變頻器一般采用電壓型逆變器。根據(jù)供給逆變器的直電壓是可變的還是恒定的，變頻器可分成兩種基本控制方式。變幅PWM型變頻器這是一種對變頻器輸出電壓和頻率分別進行調節(jié)的控制方式，其基本電路如圖所示。中間環(huán)節(jié)是濾波電容器。圖變幅PWM變頻器晶閘管整流器用來調壓與一般晶閘管調壓系統(tǒng)一樣采用相位控制通過改變觸發(fā)脈沖的延遲角α來獲得與逆變器輸出頻率相對應的不同大小的直流電壓逆變器只作輸出頻率控制它一般是由6個開關器件組成按脈沖調制方式進行控制。圖所示是另一種直流電壓可調的PWM頻電路。它采用二極管不可控整流橋把三相交流電變換為恒定的直流電分立斬波器電路來改變輸出直流電壓的大小，通過逆變器輸出三相交流電。圖利用斬波器的變頻電路圖以上兩種調壓式變頻電路都需要兩極可控功率級相比較采用晶閘管整流橋可以獲得更大功率的直流電由于可控整流橋采用相位控制輸入功率因數(shù)將隨輸出直流電壓的減小而降低而斬波式調壓輸入功率變流級采用的是二級管整流橋，所以輸入端有很高的功率因數(shù)，代價是多了一個斬波器。另外，就動態(tài)響應的快速性來說后者比前者好。恒幅PWM型變頻器恒幅脈寬調制PWM式變頻電路如示，它由二極管整流橋，濾波電容和逆變器組成逆變器的輸入為恒定不變的直流電壓通過調節(jié)逆變器的脈沖寬度和輸出交流電壓的頻率既實現(xiàn)調壓又實現(xiàn)調頻變頻變壓都是由逆變器承擔此系統(tǒng)是目前使用較普遍的一種變頻系統(tǒng)其主電路簡單只要配上簡單的控制電路即可。它具有下列主要優(yōu)點：簡化了主電路和控制電路的結構。由二極管整流器對逆變器提供恒定的直流電壓。PWM逆變器內，在變頻的同時控制其輸出電壓系統(tǒng)只有一個控制功率級，從而使裝置的體積小，重量輕，造價低，可靠性好。由二極管整流器代替晶閘管整流器，提高了裝置的功率因數(shù)。改善系統(tǒng)的動態(tài)性能PWM型逆變器的輸出功率和電壓，都在逆變器內控制和調節(jié)。因此，調節(jié)速度快，調節(jié)過程中頻率和電壓配合好，系統(tǒng)動態(tài)性能好。對負載有較好的供電波形PWM型逆變器的輸出電壓和電流波形接近正弦波從而解決了由于以矩形波供電引起的電動機發(fā)熱和轉矩降低問題改善了電動機運行性能。圖PWM型逆變器但PWM型逆變器也有如下缺點：在調制頻率和輸出頻率之比固定的情況下，特別是在低頻時，高次諧波影響較大，因而電動機的轉矩脈動和噪聲都較大。在調制頻率和輸出頻率之比作有級變化的情況下，往往使控制電路比較復雜。器件的工作頻率與調制頻率有關。有些器件的開關損耗和換相電路損耗較大，而且需要采用導通和關斷時間短的高速開關器件。PWM逆變器的基本工作原理如圖3-6所示為單相逆變器的主電路，其波形如圖3.5所示。PWM控制方式是通過改變電力晶體VTVT交替導通的時間來改變逆變器輸12出波形的頻率；改變每半周期、T、開關器件的通、斷時間比，12即通過改變脈沖寬度來改變逆變器輸出電壓幅值的大小。圖2-6單相逆變器（0直流電源的理論中心點）（）通電型輸出方波電壓波形（b脈寬調制型逆變器輸出波形圖電路的波形如果使相應開關器件在半個周期內反復通斷多次并使每個輸出矩形脈沖電壓下的面積接近于對應正弦波電壓下面積逆變器輸出電壓就將很接近于基波電壓高次諧波電壓將大為削減若采用快速開關器件使逆變器輸出脈沖數(shù)增多，即使輸出低頻時，輸出波形也是比較好的。所以WM逆變器特別適用于異步電動機變頻調速的供電電源，實現(xiàn)平滑起動、停車和高效率寬范圍調速。3SPWM控制的變頻調速系3.1基于SPWM控制的變頻調速系統(tǒng)組成如所示?？刂齐娐贰斀瘢琍WM頻器的控制電路大都是以微處理器為核心的數(shù)字電路其功能主要是接受各種設定信息和指令再根據(jù)它們的要求形成驅動逆變器工作的號據(jù)它們的要求形成驅動逆變器工作的號。微機芯片主要采用8位或16位的單片機，或用位的本課題選用了高性能單片機。STC片機發(fā)出的SPWM信號控制各開關器件輪流導通關斷，可使輸出端得到三相交流電壓在某一瞬間控制一個開關器件關斷同時使另一個器件導通，就實現(xiàn)了兩個器件之間的換流。以正弦波作為逆變器輸出的期望波形頻率比期望波高得多的等腰三角波wave波（Modulationwave調制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關器件的通斷時刻而獲得在正弦調制波的半個周期內呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。圖SPWM形控制原理按照波形面積相等的原則一個矩形波的面積與相應位置的正弦波面積相等因而這個序列的矩形波與期望的正弦波等效這種調制方法稱作正弦波脈寬調制（pulsewidthmodulation簡稱SPWM種序列的矩形波稱作SPWM。如果在正弦調制波的半個周期內，三角載波只在正或負的一種極性范圍內變化，所得到的SPWM波也只處于一個極性的范圍內，叫做單極性控制方式。如果在正弦調制波半個周期內，三角載波在正負極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負之間變化，叫做雙極性控制方式。u

t

of

-U

圖一周期單極性波形3.2波形數(shù)據(jù)的實時計算由于PWM變壓變頻器的應用非常廣泛已制成多種專用集成電路芯片作為信號的發(fā)生器，后來更進一步把它做在微機芯片里面，生產出多種帶PWM信號輸出口的電機控制用的位、位微機芯片和DSP。本文主要采用8位STC單片機實現(xiàn)單相SPWM號。方法：事先在計算機內存中存放正弦函數(shù)和c/2值，控制時查出正弦值，與調速系統(tǒng)所需的調制度M作乘法運算，再根據(jù)給定的載波頻率查出相應的c/2，由計算公式計算脈寬時間和間隙時間?？刂品桨窼PWM控制方案有兩種：即單極性調制和雙極性調制法。單極性法所得的SPWM信號有正、負和0三種電平，而雙極性得到的只有正、負兩種電平。比較二者生成的SPWM波可知在相同載波比情況下生成的雙極性SPWM所含諧波量較大；并且在正弦逆變電源控制中，雙極性SPWM波控制較復雜。因此一般采用單極性SPWM波控制的形式。由單片機實現(xiàn)控制，根據(jù)其軟件化方法的不同，有如下幾種方法：自然采樣法對稱規(guī)則法不對稱規(guī)則法和面積等效法等理論分析發(fā)現(xiàn)面積等效法相對于其它方法而言諧波較小對諧波的抑制能力較強而且實時控制簡單，利于軟件實現(xiàn)。因此本文采用面積等效法實現(xiàn)SPWM制。（1）正弦波PWM調制原理調制信號為正弦波的脈寬調制叫做正弦波脈寬調制產生的脈調制波是等幅而不等寬的脈沖列寬調制的方法很多寬調制的極性上看，有單極性和雙極性之分載波和調制波的頻率之間的關系來看同步調制、異步調制和分段同步調制。圖3-5所示為雙極性脈寬調制波形，圖中三角u為載波，正弦為調r制波當載波與調制波曲線相交時在交點的時刻產生控制信號用來控制功率開關器件的通斷可以得到一組等幅而脈沖寬度正比于對應區(qū)間正弦波曲線函數(shù)值的矩形脈。

r

od

o

of-d圖雙極性脈寬調制波形

SPWM逆變器輸出基波電壓的大小和頻率均由調制電壓來控制。當改變調制電壓的幅值時脈寬隨之改變即可改變輸出電壓的大小當改變調制電壓的頻率時出電壓頻率隨之改正弦調制波最大幅值必須小于三角波的幅值，否則輸出電壓的大小和頻率就將失去所要求的配合關系。在實行SPWM脈寬調制時，同步調制和異步調制優(yōu)缺點如下：①同步調制在同步調制方式中，載波比等于常數(shù)，變頻時三角載波的頻率與正弦調制波的頻率同步改變而逆變器輸出電壓半波內的矩形脈沖數(shù)是固定不變的。如果取N為3的倍數(shù)，則同步調制能保證輸出波形的正、負半波始終保持對稱，并能嚴格保證三相輸出波形間具有互差120的對稱關系。當輸出頻率很低時由于相鄰兩脈沖間的間距增大諧波會顯著增加使電機產生較大的脈動轉矩和較強的噪聲。②異步調制異步調制是逆變器的整個變頻范圍內，載波比不等于常數(shù)。一般在改變調制信號頻率時保持三角載波頻率不變，因而提高了低頻時的載波比這樣輸出電壓半波內的矩形脈沖可隨輸出頻率的降低而增加相應的可減少電機的轉矩脈動與噪聲，改善了系統(tǒng)的低頻工作性能。異步調制方式的缺點是當載波比N隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時，它不可能總是3倍數(shù)勢必使輸出電壓波形及其相位都發(fā)生變化難以保持三相輸出的對稱性，因而引起電機工作不平穩(wěn)。③混合調制混合調制綜合了上面兩種方法的優(yōu)點，把整個變頻范圍劃分為若干頻段在每個頻段內都維持載波比N恒定而對不同的頻段取不同的值，頻率低時，N取大些，一般大致按等比級數(shù)安排。（2）SPWM號的產生產生SPWM調制信號主要有三種方法：采用分立元件的模擬電路法缺點是精度低穩(wěn)定性差實現(xiàn)過程復雜以及調節(jié)不方便等，該方法目前基本不用。采用專用集成電路芯片產生信號，如常用的芯片等這些芯片的應用使變流器的控制系統(tǒng)得以簡化由于這些芯片本身的功能存在不足之處，致使它們的應用受到限制。單片機數(shù)字編程法，其中高檔單片機將信號發(fā)生器集成在單片機內，使單片機和SPWM信號發(fā)生器容為一體，從而較好地解決了波形精度低、穩(wěn)定性差、電路復雜、不易控制等問題，并且可以產生多種SPWM形，實現(xiàn)各種控制算法和波形優(yōu)化。（3）SPWM數(shù)字控制數(shù)字控制是SPWM目前常用的方法?？梢圆捎梦C存儲預先計算好的SPWM數(shù)據(jù)表格，控制時根據(jù)指令查表得到數(shù)據(jù)進行運算；或者通過軟件實時生成SPWM形也可以采用大規(guī)模集成電路專用芯片產生SPWM信號下面介紹幾種常用SPWM波形的軟件生成方法：eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,)自然采樣法按照正弦調制波與三角載波的交點進行脈沖寬度與間歇時間的采樣，從而生成SPWM波形，叫做自然采樣法，如圖3.8所示，圖中截取了2121任意一段正弦調制波與三角載波一個周期的相交情況。交點A是發(fā)生脈沖的時刻，B點是結束脈沖的時刻。為三角載波的周期；t是間歇時間；t為c13AB間的脈寬時間T。13圖生成波形的自然采樣法若以單位量1示三角載波的幅U弦調制波的幅值就是調制M，正弦調制波可寫作

M

Msi1式中是調制波頻率，即逆變器輸出頻率。1由于AB兩點對三角載波的中心線的不對稱性，須把脈寬時間t分成兩部2t't''。按相似直角三角形的幾何關系，可知22T2c2T2c

1Mt'21Mt''2

11經(jīng)整理得t'''22

T2

M1sint這是一個超越方程實時計算很困難因此自然采樣法雖能確切反映正弦脈寬，卻不適于微機實時控制。若變頻調速系統(tǒng)用于三相異步電動機調速還應形成三相的波形。即使三相正弦調制波在時間上互差2

3，而三角載是共用的，這樣就可在同一c2c2個三角載波周期內獲得圖中所示的三相SPWM脈沖波形。圖3-7三相SPWM波形在圖中，每相的脈寬時tt都可用公式（3-4計算，即2b2tt

22

tc(1Msin)a21e12012401

（3-6）三相脈寬時間的總和為t

c

3T2

（3-7）三相間歇時間總和為ta1c

3

c3

Tc

2

3c

（3-8）在數(shù)字控制中用計算機實時產生波形就是基于上述的采樣原理和計算公式。一般可以離線先在通用計算機上算出相應的脈t后寫入EPROM，然2后由調速系統(tǒng)的微機通過查表和加減運算求出各相脈寬時間和間歇時間為查表法。也可以在內存中存儲正弦函數(shù)和2值，控制時先取出正弦值與調速系c統(tǒng)所需的調制度M做乘法運算，再根據(jù)給定的載波頻率取出對應2值，與csin

t做乘法運算然后運用加減移位既可算出脈寬時t和間歇時te1t,即時計算法。按查表法或實時計算法所得的脈沖數(shù)據(jù)都送入定時器，利用定時中斷向接口電路送出相應的高、低電平，以實時產生SPWM形的一系列脈沖。對于開環(huán)控制系統(tǒng)，在某一給定轉速下某調制度M頻都有確定值，所以宜采用查表法。對于閉環(huán)控制的調速系統(tǒng)，在系統(tǒng)運行中調制度M值須隨時被調節(jié)，所以用實時計算法更為適宜。eq\o\ac(○,2)面積等效法正弦波S1積為：圖SPWM面積法U

U

kNN

逆變器輸入直流電壓為U，脈沖面積S2與S1相等，即有：U

[cos

kkNN所以第k個區(qū)間的脈沖寬

kUk

Umd

kkN

MkNN

式中：M為調制度。N為半個周期內的脈沖個數(shù)。考慮載波比、輸出諧波等因素，本文取、26、50由上式計算出的SPWM脈寬表是一個由窄到寬、再由寬到窄的N個值的正弦表，將其存入STC片機的ROM中以供調用。SPWM控制波形的STC89C52單片機實現(xiàn)1）STC89列單片機的優(yōu)點及特性選擇STC單片機的理由：降低成本，提升性能，原有程序直接使用，硬件無需改動?？梢赃x用PLCC，PQFP小型封裝，3.3V作電壓單片機，用STC提供的STC-ISP.exe工具將原有的代碼下載到STC關的單片機即可或用通用編程器編程。圖3-9STC單片機結構圖STC片機的優(yōu)點：eq\o\ac(○,1)超低功耗：掉電模式：典型功耗0.5uA，可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序空閑模式：典型功耗2mA正常工作模式：典型功耗4mA-7mAeq\o\ac(○,2)超強抗干擾：AI/O輸入/出口經(jīng)過特殊處理很多干擾是從I/O去的每個I/O均有對VCC/對二極管箝位保護電源單片機內部的電源供電系統(tǒng)經(jīng)過特殊處理多干擾時從電源進去的時鐘單片機內部的時鐘電路經(jīng)過特殊處理，很多干擾從時鐘部分進去的看門狗單片機內部的看門狗電路經(jīng)過特殊處理，打開后無法關閉，可放心省去外部看門狗復位電路單片機內部的復位電路經(jīng)過特殊處理，很多干擾時從復位電路部分進去的，STC89C51RC/RD+列單片機為高電平復位。推薦外置復位電路為；也可用R/C復位，10uF電容/10k阻，等。寬電壓，不怕電源抖動高抗靜電（高ESD保護松過快脈沖干擾。2）STC89C51RC/RD+系列單片機管腳圖編譯器及仿真器STC片機的管腳圖：圖3-10DIP封裝關于編譯器/匯編器：任何老的編譯器匯編器均可使用中:Device選擇標準的Intel8052頭文件包含標準的<reg52.h>新增特殊功能寄存器如要用到，則用sfr及“sbit”聲明地址即可eq\o\ac(○,3)匯編中用data或“EQU聲明地址關于仿真及仿真器：任何仿真器均可使用老的仿真器仿真他可仿真的基本功能新增特殊功能用下載看結果即可3）ISP下載編程及應用電路（針對C版單片機）圖片機典型應用電路（系列，版）關于/EA（/EA管腳已內部上拉到）如外部不加上拉,或外部上拉到Vcc,上電復位后單片機從內部開始執(zhí)行程序;如外部下拉到地,上電復位后單片機從外部開始執(zhí)行程序復位電路：阻容復位時,容為10uF,電阻為10K;系列單片機版本，腳內部已有5k-100k下拉電阻4）STC89C51RC/RD+系列單片機在系統(tǒng)可編程的使用將用戶代碼下載進單片機內部，不用編程器圖3-12STC單片機在線編程線路STC轉換器系列單片機大部分具有在系統(tǒng)可編程（ISP）特性，ISP的好處是：省去購買通用編程器，單片機在用戶系統(tǒng)上即可下載/燒錄用戶程序，而無須將單片機從已生產好的產品上拆下，再用通用編程器將程序代碼燒錄進單片機內部有些程序尚未定型的產品可以一邊生產一邊完善加快了產品進入市場的速度減小了新產品由于軟件缺陷帶來的風險由于可以將程序直接下載進單片機看運行結果故也可以不用仿真器。大部分列單片機在銷售給用戶之前已在單片機內部固化有ISP系統(tǒng)引導程序，配合P端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進單片機內部，故無須編程器(速度比通用編程器快)。不要用通用編程器編程，否則有可能將單片機內部已固化的ISP系統(tǒng)引導程序擦除，造成無法使STC提供的ISP件下載用戶的程序代碼。軟件工作環(huán)境已經(jīng)固化有ISP引導碼,并設置為上電復位進入的STC89C51RC/RD+系列單片機出廠時就已完全加密要單片機內部的電放光后上電復位(冷起)才運行系統(tǒng)ISP程序。圖3-13STC單片機程序下載環(huán)境步驟：選擇你所使用的單片機型號，如STC89C58RD+,STC89LE516AD等步驟開文件要燒錄用戶程序必須調入用戶的程序代*.hex）步驟選擇串行口你所使用的電腦串口如串行口串行口2--COM2,...步驟置是否雙倍速倍速選中D即可STC89C51RC/系列可以反復設置雙倍速/單倍速S為單倍速，為雙倍速用戶自己無法指定雙倍速/單倍速系列出廠時為單倍速用戶可指定設為雙倍速如想從雙倍速恢復成單倍速則需用通用編程器擦除整個晶片方可，這會將單片機內部