三相交流電動機變頻調速系統的設計與仿真畢業(yè)論文

1、<p>　　畢業(yè)設計（論文） </p><p>　　題 目 三相交流電動機變頻調速系統的設計與仿真</p><p>　　學生姓名 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程122

2、2 </p><p>　　學 號 </p><p>　　系 （部） 電氣信息工程學院 </p><p>　　指導教師(職稱) </p><p>

3、;　　完成時間 2014 年 5 月 25 日 </p><p>　　畢業(yè)設計（論文）任務書</p><p>　　題目 三相交流電動機變頻調速系統的設計及仿真 </p><p>　　主要內容、基本要求、主要參考資料等：</p>

4、<p><b>　　主要內容：</b></p><p>　　采用資源合適的單片機與專用電路設計三相交流異步電動機變頻調速SPWM發(fā)生器，并選擇滿足設計要求的功率器件。設計過程中，注意并完善驅動電路設計，考慮管子死區(qū)問題，建立PWM變頻系統仿真模型并完成仿真分析。</p><p><b>　　基本要求：</b></p>&

5、lt;p>　　1、掌握SPWM變頻調速系統的結構，特點及技術優(yōu)勢；</p><p>　　2、構建個模塊電路并完成相應功能建模；</p><p>　　3、完成逆變器與控制對象的集成統一建模，并完成仿真分析；</p><p>　　4、完成對仿真結果的分析</p><p><b>　　主要參考文獻：</b></p&

6、gt;<p>　　[1] 郭天祥.單片機教程[M].電子工業(yè)出版社，2009.1.</p><p>　　[2]王兆安，劉進軍.電力電子技術（第五版）[M].北京:機械工業(yè)出版社，2009</p><p>　　[3] 謝瑤.單片機控制的變頻調速系統[J].武漢海闊 科技有限公司，2011（5）</p><p>　　完 成 期 限：</p>

7、;<p>　　指導教師簽名： </p><p>　　專業(yè)負責人簽名： </p><p>　　年 月 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b&g

8、t;</p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　1緒論1</b></p><p>　　1.1變頻調速技術的現狀1</p><p>　　1.2研究目的以及意義1</p><p>　　1.3變頻調速的發(fā)展條件2</p><p>　　2三相交

9、流電動機變頻調速系統設計 3</p><p>　　2.1變頻調速原理及控制方式分析3</p><p>　　2.2變頻調速系統主電路結構5</p><p>　　2.2.1三相電壓型逆變電路.................................................................................. 6<

10、/p><p>　　2.2.2整流電路......................................................................................................... 8</p><p>　　2.3 SPWM逆變技術 8</p><p>　　2.3.1靜止式SPWM間接變壓變頻裝置...

11、.......................................................8</p><p>　　2.3.2 SPWM調制變頻技術..................................................................................9</p><p>　　2.3.3單極性SPWM法......

12、..................................................................................10</p><p>　　2.3.4雙極性SPWM法........................................................................................ 11</p>

13、;<p>　　2.3.5 SPWM控制信號的產生方法.................................................................. 12</p><p><b>　　3系統設計14</b></p><p>　　3.1控制器的選擇14</p><p>　　3.2控制信號產生電

14、路設計16</p><p>　　3.3驅動電路和保護電路的設計19</p><p>　　3.3.1驅動芯片IR2110的介紹19</p><p>　　3.3.2保護電路的設計20</p><p>　　3.4電流檢測電路23</p><p>　　4系統建模與仿真分析25</p><p>

15、;　　4.1MATLAB編程環(huán)境25</p><p>　　4.1.1系統仿真的作用25</p><p>　　4.1.2 MATLAB簡介25</p><p>　　4.2系統的建模26</p><p>　　4.3仿真結果分析30</p><p><b>　　結術語35</b></p

16、><p><b>　　致 謝36</b></p><p><b>　　參考文獻37</b></p><p>　　三相交流電動機變頻調速系統的設計與仿真</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文首先介紹了異步電動機的調速

17、特性，變頻調速有多種方法，對目前研究領域相當活躍的正弦波脈寬調制技術(SPWM)的變頻調速作了一定的研究，從而展開介紹SPWM變頻調速的理論基礎。包括變頻調速控制思想的由來，控制方法的可行性。變頻調速的控制算法也有許多，本文對目前大部分通用變頻器所采用的控制算法——恒壓頻比控制，給出了完整的硬件電路設計和軟件設計。系統包括主電路和控制電路，其中主電路通常采用交-直-交方式，先將交流電轉變?yōu)橹绷麟?整流，濾波)，再將直流電轉變?yōu)轭l率可調的

18、交流電（逆變）。整流部分用的是三相橋式整流電路，逆變電路采用的是三相橋式逆變電路。本文采用了Intel80C196MC十六位單片機作為控制電路的CPU，采用該單片機的控制系統是本設計的硬件核心部分。因此本文先簡單的介紹此單片機與該設計相關的特性，繼而介紹本系統的硬件設計。建立PWM開環(huán)控制的變頻調速系統仿真模型，利用Matlab/Simulink仿真，并完成仿真分析。</p><p>　　關鍵詞 單片機/M

19、atlab/SPWM/變頻調速</p><p>　　THE DESIGN OF THE THREE-PHASE AC MOTOR VARIABLE FREQUENCY SPEED CONTROL SYSTEM AND SIMULATION</p><p><b>　　ABSTRACT </b></p><p>　　This paper firs

20、t introduces the speed regulating characteristics of asynchronous motor, frequency control of motor speed, there are many ways for the present study quite active in the field of sinusoidal pulse width modulation (SPWM) m

21、ade a certain study of frequency control of motor speed, thus introduce the theoretical basis of SPWM inverter. Including the origin of the frequency control of motor speed control concepts, the feasibility of the contro

22、l method. Frequency control of motor speed co</p><p>　　KEY WORDS scm,matlab,spwm, frequency control of motor speed</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 變頻調速技術的現狀</p

23、><p>　　隨著電力電子技術和計算機技術的不斷發(fā)展以及電力電子器件的更新換代，變頻調速技術得到了飛速的發(fā)展。有關資料顯示，現在有90%以上的動力來源來自電動機。我國生產的電能60%用于電動機，電動機與人們的生活息息相關，密不可分，所以要對電動機的調速有足夠的重視。我們都知道，動力和運動是可以相互轉化的，從這個意義上說電動機也是最常見的運動源，對運動控制的最有效方式是對運動源的控制。因此，常常通過對電動機的控制來實現

24、運動控制。實際上國外已將電動機的控制改名為運動控制</p><p>　　對電動機的控制可以分為簡單控制和復雜控制兩大類。簡單控制是指對電動機進行啟動，制動，正反轉控制和順序控制。這類控制可以通過繼電器，可編程器件和開關元件來實現。復雜控制是指對電動機的轉速，轉角，轉距，電壓，電流等物理量進行控制。而且有時往往需要非常精確的控制。以前，對電動機的簡單控制的應用較多，但是，隨著現代化步伐的前進，人民對自動化的需求也越

25、來越高。使電動機的復雜控制逐漸成為主流，其應用領域極為廣泛。在軍事和雷達天線，火炮瞄準，慣性導航，衛(wèi)星姿態(tài)，飛船光電池對太陽的控制等。工業(yè)方面的各種加工中心，專用加工設備，數控機床，工業(yè)機器人，塑料機械，繞線機，泵和壓縮機，軋機主傳動等設備的控制。計算機外圍設備和辦公設備中的各種磁盤驅動器，繪圖儀，打印機，復印機等的控制；音像設備和家用電器中的錄音機，數碼相機，洗衣機，冰箱空調，電扇等的控制，我們統統稱其為電動機的控制。控制過程應用單片

26、機已成為了一種不可抗拒的趨勢。</p><p>　　1.2 研究目的以及意義</p><p>　　在電力拖動領域，解決好電動機的無級調速問題有著十分重要的意義，電機調速性能的提高可以大大提高工農業(yè)生產設備的加工精度、工藝水平以及工作效率，從而提高產品的質量和數量;對于風機、水泵負載，如果采用調速的方法改變其流量，節(jié)電效率可達20%-60%。</p><p>　　眾

27、所周知，直流調速系統具有較為優(yōu)良的靜、動態(tài)性能指標。在很長的一個歷史時期內，調速傳動領域基本上被直流電機調速所壟斷，這是和實際中交流電機的廣泛使用是一對存在的矛盾，許多應用交流電機的設備為了達到調節(jié)被控對象的目的，只能采用物理的方法，例如采用風門，閥門控制流量等，這樣浪費能源的問題就很突出，費用大。而且在采用直流調速的方面由于直流電機固有的缺點—換相器和電刷的存在，使得維修工作量大，事故率高，電機的大容量使用受到限制，在易燃易爆的場合無

28、法使用，因此開發(fā)交流調速勢在必行。</p><p>　　1.3 變頻調速的發(fā)展條件</p><p>　?。?）電力電子器件的發(fā)展是變頻調速發(fā)展的必要條件：在變頻調速中主要有交一交變頻和交一直一交變頻，目前應用的最為廣泛的是交一直一交變頻，它的基本電路是:先將電源的三相(或單相)交流電經整流橋整流成直流電，又經逆變橋把直流電逆變成頻率任意可調的三相交流電。實現逆變的逆變橋就是變頻主電路的關

29、鍵部件，它由六個開關器件組成，逆變的過程是這六個開關器件按一定的規(guī)律不停的導通和截止，這也就是實現變頻的過程。</p><p>　　自從1957年第一支晶閘管(SCR)的發(fā)明，經過幾十年的發(fā)展，力電子學，取得了驚人的進步，70年代出現了大功率晶體管(GTR)，90年代出現了大功率場效應晶體管(IGBT)，它們在各個領域得到了廣泛的應用。逆變橋由使用半控型器件發(fā)展為使用全控型器件[1]。</p>&l

30、t;p>　?。?）變頻調速控制方式的發(fā)展促進了變頻技術的應用與推廣：本世紀70年代以后，電氣傳動各相關領域學科相繼取得了巨大的突破，交流調速的控制方式發(fā)展因之突飛猛進，采用交流調速的場合正愈來愈多。</p><p>　　最初的變頻調速是采用恒壓頻比控制方式，它根據異步電機簡化等效電路確定的電壓V和頻率F的比值進行變頻調速，電壓是指基波的有效值。后來增加了電流環(huán)，稱它為轉差頻率控制，改善了性能并且已經實用化。

31、但是系統只是從穩(wěn)態(tài)公式推導出的平均值控制，完全不考慮過渡過程，因此系統的穩(wěn)定性、啟動及低速時的轉矩動態(tài)響應存在難以克服的不足。為了提高低頻時電動機產生的轉矩不足，通常采用提升電壓以及隨負載變化補償定子繞組電壓降的辦法，用以增加變頻調速的調速范圍。</p><p>　　（3）PWM技術的應用也加快了變頻技術的發(fā)展：通過調節(jié)脈沖寬度和脈沖占空比來調節(jié)平均電壓的方法，稱為脈寬調制技術(PWM)，如果脈沖寬度和占空比的大

32、小按正弦規(guī)律變化，便是正弦脈寬調制技術，簡稱為SPWM技術。PWM技術是伴隨著電力電子器件的發(fā)展而發(fā)展起來的，目前己趨于成熟。PWM技術適應于很多技術領域，如直流斬波、諧波吸收、無功補償和變頻裝置等。</p><p>　　PWM技術用于變頻器的控制，可以改善變頻器的輸出波形，降低諧波并減小轉矩脈動。同時也簡化了變頻器的結構，加快了調節(jié)速度，提高了系統的動態(tài)響應。</p><p>　　2

33、三相交流電動機變頻調速概述</p><p>　　2.1 變頻調速原理及控制方式分析</p><p>　　變頻調速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變它的同步轉速的調速方法。變頻可以調速這個概念，可以說是交流電動機“與生俱來”的。同步電動機和異步電機，</p><p>　　它們的轉速都是取決于同步轉速(即旋轉磁場的轉速)的：</p><p>

34、　　(2-1) </p><p>　　式中：n——電動機的轉速，單位m/min</p><p>　　n0——電動機的同步轉速，單位r/min</p><p>　　s——電動機的轉差率s=(n1-n)/n1=△n/n1</p><p>　　同步轉速則主要取決頻率</p><p>

35、<b>　　(2-2)</b></p><p>　　式中：f——輸入頻率，單位為Hz</p><p>　　p——電動機的磁極對數</p><p>　　由式（2-1）和式（2-2）可以知道變頻調速技術的基本原理是根據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系：</p><p><b>　　(2-3)</b>

36、;</p><p>　　由式（2-3）可知，在電動機磁極對數不變的情況下，從而可以通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。在進行電機調速時，通常需要考慮到的一個重要因素是，希望保持電機中每極磁通量為額定值，并且保持其不變。如果磁通太弱的話，則電機就會出現欠勵磁的想象，從而將會影響電機的輸出轉矩，由公式（2-4）</p><p><b>　　(2-4)</b>

37、</p><p>　　（式中Tm：電磁轉矩，Kt：比例系數，：主磁通，I2：轉子電流，:轉子回路功率因素)，可知，電機磁通的減小，勢必會使電動機的轉矩減小。</p><p>　　由于在電動機設計時，電動機的磁通常處于接近飽和值，如果進一步增大磁通，將使電動機鐵心出現飽和，從而導致電動機中流過很大的勵磁電流，增加電動機的鐵損耗和銅損耗，嚴重時會因繞組過熱而損壞電動機。因此，在改變電動機的頻率

38、時，應對電動機的電壓進行協調控制，以維持電動機磁通的恒定。而在本設計中我用到的用來改變電動機電壓的是SPWM，它輸出的波形很接近與正弦波，在下文中我將會對其進行比較詳細的說明[2]。</p><p>　　在基頻(額定頻率)以下調速時，由于E1的大小不易從外部加以控制，而定子繞組的阻抗壓降(U=，為定子繞組的阻抗壓降，包括電阻和漏磁電抗)在電壓較高時可以忽略，所以可以認為電動勢和電源相電壓近似相等即有U1E1，因此

39、作為一種可行的方案是在電源電壓較高時用電源相電壓U1代替電動勢E1，當頻率較低時，U1和E1都變小，定子漏阻抗壓降所占比重加大，不可以忽略，所以要人為的補償，這是一種近似的恒磁通控制，這種控制方式常用于恒轉矩控制，如下圖2-1。</p><p>　　在基頻以上調速時由于電壓U,受額定電壓的限制不能升，因此在頻率升高時，迫使主磁通變小，進入弱磁變頻調速，屬于近似恒功率控制，如圖2-1，但是用恒壓頻比代替恒電動勢頻率

40、比的一個重要缺點是在速度降低時，電動機的帶載能力也同時下降轉矩利用率下降，從圖2-2的a，b可以看出a圖的臨界轉矩點隨著速度的降低也減小，而b圖則沒有變化，然而要達到b圖的效果就要保持E1/f1的比值為恒值而不僅是保持U1/f1比值為恒值了。</p><p>　　基于上述原因，在變頻調速的基本控制方式下，改變頻率的同時必須改變電壓，所以稱之為VVVF(Variable voltage Variable Frequ

41、ency)控制。</p><p>　　0 f1n n</p><p>　　圖2-1 異步電機變頻調速的控制特性</p><p>　　2.2 變頻調速系統主電路結構設計</p><p>　　主電路是交一直一交電壓源型，單相220V工頻交流供電，

42、采用不可控的二極管整流橋，大電容濾波，采用大功率晶體管IGBT作為輸出SPWM波形的開關器件。目前的大功率開關器件都是以集成的大功率場效應管IGBT為主流，另外系統中設置了保護電路，包括過壓、過流的保護等。</p><p>　　該主電路由二極管三相整流橋向電壓型逆變器提供恒定的直流電壓，變頻器的變壓、變頻均在逆變器內進行。逆變器由六只IGBT管組成三相橋式逆變電路，并輔以吸收電路構成。平波電容器C起中間能量存儲作

43、用，使逆變器與交流電網去耦，并可以向電機提供無功功率。由于二極管整流器不能為異步電機的再生制動提供反向電流的途徑，所以一般都用電阻吸收制動能量。制動時，異步電機進入發(fā)電狀態(tài)，首先通過IGBT兩端并聯的續(xù)流二極管D向電容C充電，當中間直流回路電壓升高到一定限制值時，通過電壓限制電路將電機釋放的動能消耗在制動電阻R上。</p><p>　　圖2-4 主電路結構圖</p><p>　　逆變(D

44、C／AC)技術是電力電子技術的重要組成部分，是把直流電變成交流電的過程，完成逆變功能的電路稱為逆變電路逆變電路根據直流側電源性質不同可分為兩種：直流側是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側是電流源的稱為電流型逆變電路。它們也分別被稱為電壓源型逆變電路和電流源型逆變電路。</p><p>　　電壓型逆變電路在直流側接有大電容，相當于電壓源，直流電壓基本無脈動，直流回路呈現低阻抗的特點。</p><

45、p>　　2.2.1 三相電壓型逆變電路</p><p>　　三相交流負載需要三相逆變器，在三相逆變電路中，應用最廣的是三相橋式逆變電路。采用IGBT作為可控元件的電壓型三相逆變電路如圖2-5所示，可以看出電路由三個半橋組成。</p><p>　　電壓型三相逆變橋的基本工作方式與單相逆變橋相同，也是導電方式，即每個橋臂的導電角度為，同一相(同一半橋)上下兩個臂交替導電，各相開始導電的

46、時間依次相差。這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導通?？赡苁巧厦嬉粋€臂，下面兩個臂，也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導通。因為每次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進行的，因此，也被稱為縱向換流。</p><p>　　圖2-5 三相逆變電路</p><p>　　用T記為周期，只要注意三相之間互隔T／3(T是周期)就可以了，即B相比A相滯后T／3，C相又比B相滯后T／3。</p>

47、<p>　　具體的導通順序如下：</p><p>　　第1個T／6：V1，V6，V5導通，V4，V3，V2截止：</p><p>　　第2個T／6：Vl，V6，V2導通，V4，V3，V5截止：</p><p>　　第3個T／6：V1，V3，V2導通，V4，V6，V5截止：</p><p>　　第4個T／6：V4，V3，V2導通，

48、V1，V6，V5截止：</p><p>　　第5個T／6：V4，V3，V5導通，V1，V6，V2截止：</p><p>　　第6個T／6：V4，V6，V5導通，V1，V3，V2截止。</p><p>　　下面來分析電壓型三相橋式逆變電路的工作波形。</p><p>　　對于A相輸出來說，當橋臂l導通時，</p><p>

49、;<b>　　當橋臂4導通時，</b></p><p>　　因此，的波形是幅值為的矩形波。B，C兩相的情況和A相類似，的波形形狀和相同，只是相位依次相差。三相逆變電路輸出電壓波形如圖2-6：</p><p><b>　　U</b></p><p>　　A A T</p>

50、<p><b>　　U</b></p><p><b>　　B</b></p><p>　　B B T </p><p><b>　　U </b></p><p>　　C C

51、 </p><p>　　C T</p><p>　　圖2-6 三相逆變電路輸出電壓波形</p><p>　　2.2.2 整流電路</p><p>　　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

52、路每個時刻均需2個二極管導通，而且這兩個二極管一個是共陰極組，一個是共陽極組，只有它們能同時導通，才能形成導電回路。</p><p>　　2.3 SPWM逆變技術</p><p>　　2.3.1 靜止式SPWM間接變壓變頻裝置</p><p>　　SPWM間接變壓變頻裝置先將工頻交流電通過整流器變成直流電，再經過逆變器將直流電變換成可控頻率和幅值的交流電，故又稱

53、為交一直一交變壓變頻裝置。其系統原理框圖如圖2-8所示在這類裝置中，用不控器件整流，而逆變部分用SPWM變頻器調壓調頻一次完成，整流器無需控制，簡化了電路結構;而且由于以全波整流代替了相控整流，所以提高了輸入端的功率因數，減小了諧波對電網的影響。此外，因輸出波形由方波改進為SPWM 波，減少了諧波，從而解決了電動機在低頻區(qū)的轉矩脈動問題，也降低了電動機的諧波損耗和噪聲。</p><p>　　AC

54、 DC AC</p><p><b>　　50KHZ</b></p><p>　　CVCF VVVF </p><p><b>　　調壓調

55、頻</b></p><p>　　圖2-8 SPWM間接變壓變頻裝置</p><p>　　SPWM逆變器輸出諧波減少的程度取決于逆變器件的開關頻率，而開關頻率則受器件開關時間的限制。采用IGBT時，開關頻率可高達l0kHz以上，其輸出電流已非常逼近正弦波。所以，這種裝置己成為當前最有發(fā)展前途的一種裝置形式。</p><p>　　2.3.2 SPWM調制

56、變頻技術</p><p>　　SPWM調制技術是PWM多脈沖可變脈寬調制技術的一種，即所謂的正弦波脈寬調制.其輸出波形是與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。如果把一個正弦半波分作n等份，然后把每一等份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的矩形脈沖來代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點與正弦波每一等份的中點相重合，這樣，由n個等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就

57、與正弦波的半周等效。同樣，正弦波的負半周也可用相同的方法與一系列負脈沖波等效。如圖2-9所示。</p><p>　　設由整流器提供的直流恒值電壓為Us，并設電機繞組中點與直流電壓中點相連，則SPWM脈沖序列波的幅值為。令第i個矩形脈沖的寬度為，其中心點相位角為，則根據面積相等的等效原則，可寫成：</p><p>　　== (2-5

58、) </p><p>　　當n的數值較大時近似的認為sin/(2n)=/(2n)，于是</p><p><b>　　(2-6)</b></p><p>　　上式表明第i個矩形脈沖的寬度與該處正弦波值近幣以成正比。因此，與半個周期正弦波等效的SPWM波是兩側窄、中間寬、脈寬按正弦規(guī)律逐漸變化的序列脈沖波形。相比于其它各種變頻變壓調制方式，

59、這樣的脈沖系列可獲得比常規(guī)六拍階梯波更接近于正弦波的輸出電壓波形，可以使負載電流中的高次諧波成分大為減小，因而轉矩脈動小。由于電網的功率因數接近于1，大大提高了系統的整體性能。一般的，SPWM分單極性和雙極性兩種調制方式。 </p><p><b>　　T</b></p><p>　　圖2-9 SPWM的輸出波形</p><p>　　2.3

60、.3 單極性SPWM法</p><p>　　單極性SPWM法輸出的每半個周期中，被調制成的脈沖電壓只有一種極性，正半周為十U和零，負半周為一U和零，其調制波形如圖2-10a)所示。曲線1是正弦調制波um，其周期決定于所需要的調制比kf。曲線2是采用等腰三角波的載波uc，其周期決定于載波頻率，振幅不變，等于1時正弦調制波的振幅值.每半周期內所有三角波的極性均相同，都是單極性。</p><p&g

61、t;　　調制波和載波的交點，決定了SPWM脈沖系列的寬度和脈沖間的間隔寬度，所得的脈沖系列如圖2-10中的uc所示.由圖知，每半周期內的脈沖系列也是單極性的。</p><p>　　單極性調制的工作特點是:每半個周期內，逆變橋同一橋臂的兩個逆變器件中，只有一個器件按脈沖系列的規(guī)律時通時斷的工作，另一個完全截至;而在另半個周期內，兩個器件的工況正好相反。流經負載的便是正、負交替的交變電流（如圖2-10)所示</

62、p><p>　　圖2-10 單極性SPWM調制圖</p><p>　　2.3.4 雙極性SPWM法</p><p>　　上面所說的單極性SPWM 逆變器主電路每相只有一個開關器件反復通斷。如果讓同一橋臂上、下兩個開關器件交替地導通與關斷，則輸出脈沖在“正”和“負”之間變化，就得到了雙極性的SPWM波形。</p><p>　　雙極性SPWM法的

63、調制波u仍為正弦波，其周期決定于今，振幅決定于氣，如圖2-11中的曲線</p><p>　　圖2-11 雙極性SPWM調制圖</p><p>　　其中：載波比——載波頻率fc與調制信號頻率fr之比N，既N=fc/fr</p><p>　　調制度――調制波幅值Ar與載波幅值Ac之比，即Ma＝Ar/Ac</p><p>　　同步調制——N等于常

64、數，并在變頻時使載波和信號波保持同步。基本同步調制方式，fr變化時N不變，信號波一周期內輸出脈沖數固定；三相電路中公用一個三角波載波，且取N為3的整數倍，使三相輸出對稱；為使一相的PWM波正負半周鏡對稱，N應取奇數；fr很低時，fc也很低，由調制帶來的諧波不易濾除；fr很高時，fc會過高，使開關器件難以承受。異步調制——載波信號和調制信號不同步的調制方式。通常保持fc固定不變，當fr變化時，載波比N是變化的；在信號波的半周期內，PWM波

65、的脈沖個數不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內前后1/4周期的脈沖也不對稱；當fr較低時，N較大，一周期內脈沖數較多，脈沖不對稱產生的不利影響都較?。划攆r增高時，N減小，一周期內的脈沖數減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大。</p><p>　　2.3.5 SPWM控制信號的產生方法</p><p>　　生成SPWM脈沖的方法有很多種，大致分為兩大類:第一類是完全由模擬

66、電路生成;第二類是由專用集成芯片生成.本設計采用數字控制方式。</p><p>　　(1)SPWM的模擬控制:原始的SPWM是由模擬控制來實現的。圖2-12是SPWM模擬控制電路原理框圖。三相對稱的參考正弦電壓調制信號，，由參考信號發(fā)生器提供，其頻率和幅值都是可調的。三角載波信號由三角波發(fā)生器提供，各相共用。它分別與每相調制信號在比較器上進行比較，給出正或零的飽和輸出，產生SPWM脈沖序列波，，，作為變壓變頻器功

67、率開關器件的驅動信號。</p><p>　　圖2-12 SPWM波模擬控制電路</p><p>　　本方法原理簡單而且直觀。但是，由于正弦波調制和三角載波由硬件電路生成，硬件開銷大，系統可靠性差。并且當控制電路的直流電源電壓有波動或有噪聲干擾時，都將引起SPWM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。整個系統受溫漂和時漂的影響大，當輸出頻率低、調制深度很小時，噪聲干擾尤其

68、嚴重，輸出頻率精度很差。由于以上缺點,SPWM的模擬控制電路現已很少應用，但它的原理往往是其他控制方法的基礎。</p><p>　　(2)SPWM的數字控制:數字控制是SPWM目前常用的控制方法?？梢圆捎梦C存儲預先計算好的SPWM數據表格，控制時根據指令調出;或者通過軟件實時生成SPWM波形;也可以采用大規(guī)模集成電路專用芯片產生SPWM信號。</p><p>　　分析生成SPWM波形的實

69、現方式,模擬控制和數字控制兩種形式。傳統的模擬控制在逆變器中應用廣泛，技術成熟，控制性能優(yōu)良，但模擬控制也存在一些缺陷：元件眾多，設計周期長，調試復雜，不易管理維護等。隨著數字信號處理技術的蓬勃發(fā)展，數字控制技術已經成功地應用到電力電子與電力傳動控制領域中來，逆變器的數字控制逐漸成為研究熱點。</p><p>　　由于微型技術的迅速發(fā)展和應用，交流電機變頻調速系統的控制回路均以單片微機和SPWM脈寬調制共同完成。

70、由于微機的高度集成化和很強的運算功能，用于PWM調速系統進行直接數字控制，可得到高度的穩(wěn)定性、高度可靠性以及小型化和便于維修、節(jié)能、提高產品質量等應用效果。</p><p>　　隨著微電子技術的發(fā)展，開發(fā)出一些專門用于發(fā)生控制信號的集成電路芯片，配合微處理器進行控件生成SPWM信號方便得多。國內制的電動機微機控制系統，大多采用8031，8098等。由于這些芯片并非為電動機控制設計的，為了實現電動機控制的某些功能，

71、不得不增加較多的外器件必須以多片集成電路方能構成完整的控制系統。</p><p>　　近年，國外著名半導體集成電路廠商為滿足高性能電動制需要，推出了一些電動機控制專用單片微處理器。它們可頻驅動的交流電動機、采用斬波器驅動的直流伺服電動機或步進電動控制也可用于UPS電源等。其中較有代表性的就是Intel公司的MCS-96系列16位單片機中的80C196MC[3]。本文所述系統就是利80C196MC單片機的波形發(fā)生器

72、WFG產生六路雙極性的SPWM驅動信號，來驅動主電路的IGBT進行逆變的。由于單片機運算速度極快(采用16M晶振)，完全可以實現雙極性SPWM控制。</p><p>　　變頻調速系統的硬件實現電路主要以80C196MC為控制主題，由芯片產生SPWM波形，通過驅動電路控制IGBT逆變，實現雙極性SPWM控制[4]。</p><p>　　同時，按照不同的具體運用，變頻器可能還會出現各種不同的分

73、類。</p><p><b>　　3 系統設計</b></p><p>　　本系統主要由主電路、驅動電路、控制電路以及保護電路構成。其結構框圖如圖3-1a, b, c</p><p><b>　　a控制電路框圖</b></p><p><b>　　b驅動電路框圖</b><

74、;/p><p><b>　　C主電路方框圖</b></p><p>　　圖3-1 硬件電路方框圖</p><p>　　控制電路以80C196MC為核心，輸出六路互補SPWM波形，輸入和電位器模擬輸入兩種輸入方式，可以用鍵盤數字電流檢測以及測速碼盤的接入口在控制電路中全都預留有接口。</p><p>　　驅動電路是控制電路和

75、主電路之間的接口電路，主要完成SPWM波形的隔離、放大，然后驅動主電路[5]。</p><p>　　3.1 控制器的選擇</p><p>　　8XC196MC單片機是Intel公司專門為電機高速控制設計的一種16位微控制器，其后綴MC正是電機控制(Motor Controller)的縮寫，它己被廣泛的應用。</p><p>　　在各種電器的電機控制中。8XCI96

76、MC根據片內有無程序存儲器的區(qū)別可以分為:80C196MC(無)、83C196MC (ROM)，87CI96MC (EPROM)，它們的外部引腳，指令集完全一樣，其82腳PLCC封裝形式的引腳圖如圖3-2所示。本系統采用8OC196MC設計，控制電路同樣適用于87C196MC和83C196MC[6]。</p><p>　　8OC196MC的基本結構主要包括算術、邏輯運算部件RALU，寄存器集，內部A/D轉換器，P

77、WM發(fā)生器，事件處理陣列EPA，三相互補5PWM輸出發(fā)生器以及看門狗、時鐘、中斷控制邏輯等，如圖3-2：</p><p>　　XTAL EXTINT NMI</p><p>　　5根6根 2根</p><p>　　圖3-2 80C196MC基本結構</p><p>　　在本系統

78、中，單片機主要資源分配如下：</p><p><b>　　片內外設:</b></p><p>　　P0.0——速度給定輸入。</p><p>　　P1.0——啟動/停止命令輸入。</p><p>　　P2.0-P2.6——三位數碼管動態(tài)顯示值輸出</p><p>　　P3口、P4口—外擴展ROM地

79、址/數據信號線.</p><p>　　P5.0,P5.3—外擴展ROM控制信號線。</p><p>　　P6.7,P6.6,P2.7—三位數碼管動態(tài)顯示位選擇輸出.</p><p>　　P6.0-P6.5-WFG六路SPWM信號輸出.</p><p>　　EXTINT——過壓、過流中斷信號輸入。</p><p><

80、;b>　　片內RAM:</b></p><p>　　OOOOOH- 00017H---CPU專用寄存器，直接尋址。</p><p>　　OIFOOH- OIFFFH一內部專用寄存器，CPU專用寄存器窗口尋址。</p><p><b>　　片外ROM:</b></p><p>　　02000H-07FFF

81、H—監(jiān)控、計算程序及數據表。</p><p>　　80C196MC有64K存貯空間，除了OOOOH-OIFFH,IFOOH-IFFFH,2000H-207FH三個專用區(qū)，以及表明“保留”的單元以外，其它都可以由用戶任意安排作為程序存貯區(qū)、數據存貯區(qū)或存貯區(qū)映射的外設區(qū)，但是系統復位后，程序由2080H單元開始執(zhí)行，因此與2080H相鄰的區(qū)域必須配置成程序存貯區(qū)。</p><p>　　80C

82、196MC的片內寄存器陣列共包括512個字節(jié)，分為低256字節(jié)和高256字節(jié)，低256字節(jié)中的最低的24字節(jié)為特殊功能寄存器SFR, RALU在運算過程中，不象其它的單片機那樣只使用一個累加器，而是把這256個寄存器都當作累加器，這樣就避免了使用單個累加器所產生的“瓶頸效應”，高256字節(jié)寄存器雖然不能象低256字節(jié)的寄存器那樣直接當累加器用，但是它們可以通過80C196MC的窗口技術，切換成具有累加器功能的256字節(jié)，因此使得編程容易

83、，執(zhí)行速度更快。</p><p>　　8OC196MC的特殊功能寄存器SFR除了24個在寄存器集低端以外，大部分在存儲空間的1FOOH-1FFFH中，在使用這些特殊功能寄存器時為了加快操作速度，通常使用窗口技術把它們映射到低256字節(jié)寄存器區(qū)[7]。</p><p>　　3.2 控制信號產生電路設計</p><p>　　片內波形發(fā)生器WFG(WaveForm Ge

84、nerator)是80C196MC獨具的特點之一。這一外設裝置大大簡化了用于產生SPWM波形的控制軟件和外部硬件，特別適應于控制三相交流感應電機。</p><p>　　外 外部中斷請求</p><p>　　各載波周期 外部中斷輸入 </p><p>　　中斷請求

85、 </p><p>　　圖3-3 波形發(fā)生器框圖</p><p>　　三相SPWM波形是由U，V,W三個單相SPWM波形生成器構成的，其中一相電路的原理圖如圖3-3所示，它由脈寬發(fā)生，死區(qū)脈寬發(fā)生，脈沖合成及保護電路等單元電路構成。WFG可以產生獨立的三對PWM波形，但它們有共同的載波頻率、無信號時間和操作方式一旦啟動之后，WFG只要求CPU在改變PW

86、M的占空比時加以干預。</p><p>　　波形發(fā)生器WFG有三個同步的PWM模塊，每個模塊包含一個相位比較器、一個無信號時間發(fā)生器和一對可編程的輸出。WFG可以有獨立的占空比，但它們有共同的載波頻率、無信號時間和操作方式，一旦啟動之后，WFG只要求CPU在改變PWM的占空比時加以干預，因此使用方便，快速性好。WFG的每個模塊產生一對互補的PWM波。無信號時間是為防止功率器件同一橋臂直通而損壞功率器件必須的。該芯

87、片的無信號時間可以由用戶自己設計，具體參數的選擇見后面的無信號時間寄存器的介紹。</p><p>　　從功能上看波形發(fā)生器可以分為三個部分，時基發(fā)生器、相位驅動通道和控制電路。</p><p>　　時基發(fā)生器為PWM建立載波周期，該周期取決于WG_RELOAD寄存器的值和操作方式.時基發(fā)生器的核心是一個16位雙向計數器WG_ COUNT，可工作于四種不同的方式，產生中心對準或邊沿對準的PW

88、M波，中心對準PAM方式所造成的諧波小，因此在三相交流感應電機時，就采用這種方式，本系統就采用這種方式工作。</p><p>　　相位驅動通道決定PWM波的占空比。共有三對獨立的相位驅動通道，每個通道的電路是相同的。</p><p>　　控制電路部分包括一些用來確定工作模式和其它配置信息的寄存器。一個可編程的保護電路可監(jiān)視EXTINT輸入腳，若檢測到一次有效的事件，就產生一次中斷，禁止波形

89、輸出。</p><p>　　波形發(fā)生器的專用寄存器的設置直接影響系統的工作方式，因此有必要簡單介紹一下。</p><p>　　雙向計數寄存器WG_COUNT，它是一個16位的計數器，是3對輸出信號的時基發(fā)生器，它的時鐘頻率是晶振的兩分頻，它是一個只讀的寄存器。</p><p>　　重裝載寄存器WG_RELOAD，對該寄存器寫入的值也就是半載波周期的值寄存器是可讀寫的

90、。</p><p>　　相位比較寄存器WG_COMPX。共有3個，分別控制三相值就是要求改變占空比的值，它是一個可讀寫的寄存器，信號也是向CPU申請中斷的信號。</p><p>　　波形控制寄存器WG_CON，它是一個16位寄存器其定義見表3-1</p><p>　　表3-1 WG-CON寄存器</p><p>　　15 14

91、13 12 11 10 9-0</p><p>　　0 0 CS EC D9-D0</p><p>　　其中D15,D14是保留位，必須寫0</p><p>　　，是 方式控制位M,Mo=00,01,10,11時分別對應方式0,1 ,2,3</p><p>　　CS是

92、計數器狀態(tài)位CS=1，向上計數，C5=0，向下計數</p><p>　　EC是計數器允許位EC=1，允許計數，EC=O,禁止計數</p><p>　　WG-CON 寄存器的低10位D9-DO，是3個10位無信號時間(dead_time)</p><p>　　發(fā)生器的重裝載寄存器，所產生的無信號時間由D9-DO決定，單位是狀態(tài)周期，在16M晶振時，每個狀態(tài)周期是125

93、ns。</p><p>　　波形輸出控制寄存器WG-OUT，該寄存器用于選擇輸出引腳的輸出信號方式，具體定義見表3-2</p><p>　　表3-2 波形輸出寄存器WG-OUT</p><p>　　15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0</p><p>　　P

94、H PH PH PH PH PH PH PH PH</p><p>　　OP1 OP0 SYNC PE7 PE6 3.2 2.2 1.2 P7 P6 3.1 3.0 2.1 2.0 1.1 1.0</p><p>　　其中OP1=1 WG1, WG2, WG3高有效</p><p>　　OP1=0 WG1,WG2,WG3低有效<

95、/p><p>　　OPO =1 、,高有效</p><p>　　OPO =O ,,,低有效</p><p>　　SYNC= 1與重置觸發(fā)同步</p><p>　　SYNC=O立即裝入</p><p>　　PE7, PE6, P7, P6用于控制CPU兩個PWM的輸出信號</p><p>　　PH 1

96、.2 ,P H1.1,PH1.0 用于控制和WG1</p><p>　　PH2.2 ,P H2.1,PH2.0用于控制和WG2</p><p>　　PH3.2 ,PH 3.1,PH3.0用于控制和WG3</p><p>　　此項設計是波形設計的關鍵所在，通過此寄存器的設置可以靈活的達到所要求的方式，波形輸出選擇高有效還是低有效，直接與硬件的邏輯電平有關，要根據具體電

97、路設置，本設計按要求采用低有效。</p><p>　　波形保護控制寄存器WG_PROTECT，它可以靈活的設定外部中斷EXTINT的中斷請求信號的方式，外部中斷一般用于保護電路。</p><p>　　其中ES選通采樣電路位，ES=1靠電平采樣觸發(fā)保護/中斷</p><p>　　ES=O靠邊沿觸發(fā)保護/中斷</p><p>　　IT中斷形式控制

98、位，IT=1上升沿或高電平觸發(fā)</p><p>　　IT=O下降沿或低電平觸發(fā)</p><p>　　DP禁止/允許保護電路，DP=l禁止保護電路</p><p>　　DP=O允許保護電路</p><p>　　ED允許/禁止輸出位，EO=1允許輸出</p><p><b>　　EO=0禁止輸出</b>

99、;</p><p>　　80C196MC內部的保護電路對應的外部引腳為EXTINT，當有一個有效的輸入信號加在EXTINT管腳上時，該信號觸發(fā)保護電路，于是波形輸出被禁止，同時產生WG中斷?？梢娫诓恍枰浖深A的情況下，8OC196MC就可以快速、可靠的完成保護功能，保證主電路中功率器件的安全，在EXTINT中斷服務程序中，可以判斷故障類型，以便相應的處理[8]。</p><p>　　3.

100、3 驅動電路和保護電路的設計</p><p>　　3.3.1 驅動芯片IR2110的介紹</p><p>　　驅動芯片IR21l0是一種雙通道高壓、高速電壓型功率開關器件柵極驅動器，驅動電路非常簡單，其特點是：設置了自舉浮動電源，使用單電源來實現隔離驅動，具有獨立的低端和高端輸入通道，只用一路電源可同時驅動上、下橋臂m1。芯片的外圍電路設計簡單，只需要少量的元器件，還具有短路保護、欠壓

101、保護等。</p><p>　　它包括邏輯輸入、電平轉換、保護、上橋臂輸出和下橋臂輸出幾個部分。</p><p>　　邏輯輸入端采用施密特觸發(fā)電路，以提高抗干擾能力。輸入邏輯電路與TTL、C0MS電平兼容，其輸入引腳閥值與電源成比例，為電源電壓的10％。低壓通道和高壓通道兩個通道相對獨立，LIN和HIN分別為低壓側通道和高壓側通道的輸入端，LO和H0分別為低壓側通道和高壓側通道的輸出端[9]

102、。</p><p>　　IR2110還設有保護功能SD端(1l腳)。只有當SD端輸入為邏輯高電平時，控制信號才有效。</p><p>　　3.3.2 保護電路的設計</p><p>　　MAX6495–MAX6499/MAX6397/MAX6398過壓保護(OVP)器件用于保護后續(xù)電路免受甩負載或瞬間高壓的破壞。器件通過控制外部串聯在電源線上的n溝道MOSFET實

103、現。當電壓超過用戶設置的過壓門限時，拉低MOSFET的柵極，MOSFET關斷，將負載與輸入電源斷開。 過壓保護(OVP)器件數據資料中提供的典型電路可以滿足大多數應用的需求。然而，有些應用需要對基本電路進行適當修改。本文討論了一種應用：增大電路的最大輸入電壓，在過壓情況發(fā)生時利用輸出電容存儲能量。</p><p>　　如果再使用80C196MC的內部A/D轉換器可快速完成電流電壓的檢測和轉換，從而節(jié)省了外

104、圍A/D轉換硬件電路。PTS提供了5種操作模式：一次傳送模式、塊傳送模式、A/D模式、HIS模式、HSO模式。本文采用了PTS－A/D模式。其工作過程為： A/D轉換的啟動采用中斷方式，即由軟件定時器按采樣周期定時，產生中斷后進入中斷子程序。A/D轉換結束后影射到PTS通道，可以使PTS工作于A/D模式。在這種模式下，第一次A/D轉換完成后將自動啟動設定的下次A/D轉換，并把先前結果放到存儲器內的表格中，而且這種模式還可設定循環(huán)次

105、數，完成若干次A/D通道的轉換，最后進入PTS中斷周期可執(zhí)行PTS中斷子程序。</p><p>　　MAX6495–MAX6499系列小型、低電流過壓保護電路適用于汽車和工業(yè)等應用中的大電壓跳變系統。這些器件監(jiān)視輸入電壓，在出現輸入過壓時，控制外部n溝道MOSFET開關，隔離輸出負載。MAX6495–MAX6499可工作在較寬的+5.5V至+72V供電電壓范圍內。</p><p>　　當監(jiān)

106、控輸入低于用戶設置的過壓門限時，n溝道MOSFET柵極被驅動為高。集成的電荷泵電路提供一個10V柵極-源極電壓，完全導通n溝道MOSFET。當輸入電壓超過用戶設置的過壓門限時，迅速拉低MOSFET的柵極，將負載與輸入斷開。在某些應用中，不希望將負載和輸出斷開。在這些情況下，保護電路可配置為電壓限幅器，GATE輸出齒波來限制負載電壓(MAX6495/MAX6496/MAX6499)。</p><p>　　MAX64

107、96支持較低的輸入電壓，通過外部串聯p溝道MOSFET替換外部電池反接保護二極管來降低功率損耗。MAX6496產生合適的偏置電壓，確保p溝道MOSFET在正常工作時打開導通。出現拋負載情況時，柵極-源極電壓被嵌箝位，電池反接時p溝道MOSFET被關斷。</p><p>　　MAX6497/MAX6498具有一個開漏、通用比較器，在輸出低于設置門限時，可通知系統。MAX6497保持MOSFET開關閉鎖，直至輸入電源

108、重新上電或者刷新/SHDN引腳為止。當VOVSET降至130mV以下時，MAX6498將會自動重啟。</p><p>　　這些器件采用小尺寸、熱增強的型6引腳和8引腳TDFN封裝，工作在-40°C至+125°C溫度范圍。</p><p>　　額定電壓為380V，變頻范圍3—100Hz。3—50HZ為恒轉矩調速，50—100Hz為恒功率調速。</p><

109、;p>　　風機型號VEC—V6—132F3，風機功率：132KW，額定電壓：380V，額定電流：245A，轉速2980轉/分，運行電流：120A～180A；風量：12776m3/h；風壓：21995Pa控制方式 鍵盤調速+鍵盤運行。</p><p>　　2 上限頻率 50HZ</p><p>　　4 加速時間 112</p><p><b>　　5

110、減速時間 80</b></p><p><b>　　6 轉矩提升 17</b></p><p><b>　　7 載波頻率 5</b></p><p>　　9 上升/下降控制 有效</p><p>　　10 自由停車功能 有效</p><p>　　11 電流限幅功能

111、 有效</p><p>　　圖3-5 過電壓保護電路</p><p>　　工作過程如下：兩個輸出通道(上通道H0及下通道LO)通過邏輯電路與輸入信號HIN和LIN相對應，當保護輸入端SD為高電平時，施密特觸發(fā)器反相器的輸出端為低電平，兩個RS觸發(fā)器的置位信號無效，則兩或非門的輸出跟隨HIN及LIN變化，控制信號有效；當SD端輸入低電平時，因施密特觸發(fā)器的輸出端為高電平，兩個RS觸發(fā)器置位