畢業(yè)設(shè)計---基于matlab的三相正弦波變頻電源的設(shè)計

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(論文)</b></p><p>　　題 目 三相正弦波變頻電源仿真設(shè)計</p><p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動化 </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　變頻器概述</b>

2、;</p><p>　　變頻電源的原理………………………………………………….3</p><p>　　變頻電源的特點(diǎn)及應(yīng)用………………………………………….3</p><p>　　MATLAB簡介及仿真技術(shù)………………………………………4</p><p>　　MATLAB仿真技術(shù)在電力電子中的應(yīng)用………………………6</p>&

3、lt;p>　　本論文完成內(nèi)容………………………………………………….8</p><p><b>　　變頻器硬件設(shè)計</b></p><p>　　整流單元及供電電源…………………………………………….9</p><p>　　逆變輸出裝置及其驅(qū)動電路…………………………………....10</p><p>　　濾波輸出及

4、過壓過流缺相檢測與保護(hù)…………………………14</p><p>　　變頻電源的控制…………………………………………………17</p><p><b>　　變頻器軟件設(shè)計</b></p><p>　　控制模塊設(shè)計…………………………………………………....21</p><p>　　變頻器的MATLAB仿真</p&g

5、t;<p>　　MATLAB在電力電子中的應(yīng)用………………………………...25</p><p>　　1電力系統(tǒng)工具箱…………………………………………………..25</p><p>　　2 MATLAB在變頻器中應(yīng)用及仿真框圖…………………………27</p><p>　　結(jié)語………………………………………………………...…..34</p>

6、<p>　　摘要:本文采用MATLAB對變頻電源進(jìn)行系統(tǒng)分析?；赟imulink做了系統(tǒng)仿真，并做了原理性的論證。硬件部分采用IT公司的低功耗單片機(jī)MSP430F149作為主控器件，IR2130驅(qū)動3相功率管。控制方式采用傳統(tǒng)的SPWM，用SPWM專用集成芯片SM2001產(chǎn)生SPWM信號以控制IR2130的通斷。系統(tǒng)采用PI反饋控制使硬件系統(tǒng)具良好的穩(wěn)壓功能。另外本文在硬件設(shè)計中對變頻電源的過流，過壓，缺相等保護(hù)功能進(jìn)行

7、了闡述。</p><p><b>　　第一章 變頻器概述</b></p><p>　　由于我國市電頻率固定為50 Hz，因而對于一些要求頻率大于或小于50 Hz的應(yīng)用場合，則必須設(shè)計一個能改變頻率的變頻電源系統(tǒng)。目前最常用的是三相正弦波變頻電源。該電源系統(tǒng)主要由整流、逆變、控制回路3部分組成。其中，整流部分用以實(shí)現(xiàn)AC／DC的轉(zhuǎn)換；逆變部分用以實(shí)現(xiàn)DC／AC的轉(zhuǎn)換；而

8、控制回路用以調(diào)節(jié)電源系統(tǒng)輸出信號的頻率和幅值。</p><p>　　1-1 變頻電源的原理</p><p>　　經(jīng)過AC→DC→AC變換的逆變電源稱為變頻電源，它有別于用于電機(jī)調(diào)速用的變頻調(diào)速控制器，也有別于普通交流穩(wěn)壓電源。變頻電源的主要功用是將現(xiàn)有交流電網(wǎng)電源變換成所需頻率的穩(wěn)定的純凈的正弦波電源。理想的交流電源的特點(diǎn)是頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、內(nèi)阻等于零、電壓波形為純正弦波（無失真）。變頻

9、電源十分接近于理想交流電源，因此，先進(jìn)發(fā)達(dá)國家越來越多地將變頻電源用作標(biāo)準(zhǔn)供電電源，以便為用電器提供最優(yōu)良的供電環(huán)境，便于客觀考核用電器的技術(shù)性能。 變頻電源主要有二大種類：線性放大型和PWM開關(guān)型 HY系列程控變頻電源，以微處理器為核心，以多脈寬調(diào)制(MPWM)方式制作,用主動元件IGBT模塊設(shè)計，采用數(shù)字分頻、D/A轉(zhuǎn)換、瞬時值反饋、正弦脈寬調(diào)制等技術(shù), 使單機(jī)容量可達(dá)100kVA, 以隔離變壓器輸出來增加整機(jī)穩(wěn)定性, 具有負(fù)載適應(yīng)

10、性強(qiáng)、輸出波形品質(zhì)好、操作簡便、體積小、重量輕等特點(diǎn)，具有短路、過流、過載、過熱等保護(hù)功能，以保證電源可靠運(yùn)行。</p><p>　　現(xiàn)在使用的變頻電源主要采用交一直一交方式,先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源,然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源.變頻電源的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成.整流部分為單相或三相橋式不可控整流器,逆變部分為IGBT三相橋式逆變器,且輸出為P

11、WM波形,中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率.變頻電源的主電路大體上可分為兩類，分別為電壓型和電流型。電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器,直流回路的濾波器件是電容；電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器,其直流回路濾波器件是電感。</p><p>　　1-2 變頻電源的特點(diǎn)及應(yīng)用</p><p>　　20世紀(jì)70年代后，大規(guī)模集成電路和計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論

12、的應(yīng)用，使得交流電力拖動系統(tǒng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、高的穩(wěn)速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運(yùn)行等良好的技術(shù)性能，在調(diào)速性能方面可以與直流電力拖動媲美。在交流調(diào)速技術(shù)中，變頻調(diào)速具有絕對優(yōu)勢，并且它的調(diào)速性能與可靠性不斷完善，價格不斷降低，特別是變頻調(diào)速節(jié)電效果明顯，而且易于實(shí)現(xiàn)過程自動化，深受工業(yè)行業(yè)的青睞。</p><p>　　交流變頻電源調(diào)速技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國已得到廣泛應(yīng)用。美國有60% -

13、 65%的發(fā)電量用于電機(jī)驅(qū)動，由于有效地利用了變頻調(diào)速技術(shù)，僅工業(yè)傳動用電就節(jié)約了15% - 20%的電量。　　采用變頻電源調(diào)速，一是根據(jù)要求調(diào)速用，二是節(jié)能。其得到廣泛應(yīng)用主要基于交流變頻調(diào)速的優(yōu)異特性。</p><p>　　(1) 變頻調(diào)速系統(tǒng)自身損耗小，工作效率高?！　?2) 電機(jī)總是保持在低轉(zhuǎn)差率運(yùn)行狀態(tài)，減小轉(zhuǎn)子損耗?！　?3) 可實(shí)現(xiàn)軟啟、制動功能，減小啟動電流沖擊，節(jié)電效果明顯?！　?4)

14、調(diào)速時平滑性好，效率高。低速時，特性靜關(guān)率較高，相對穩(wěn)定性好?！　?5) 調(diào)速范圍較大，精度高。　　(6) 變頻電源體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡便?！　?7) 易于實(shí)現(xiàn)過程自動化?！　?8) 在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，低速段電動機(jī)的過載能力大為降低?！　〗涣麟妱訖C(jī)的調(diào)速方法有三種：變極調(diào)速、改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速。其中，變頻調(diào)速最具優(yōu)勢。</p><p>　　交流拖動本身存在可以挖掘的節(jié)電潛力。在交流調(diào)速系統(tǒng)

15、中，選用電機(jī)時往往留有一定余量，電機(jī)又不總是在最大負(fù)荷情況下運(yùn)行；如果利用變頻電源調(diào)速技術(shù)，輕載時，通過對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，就能達(dá)到節(jié)電的目的。工業(yè)上大量使用風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等，其用電量約占工業(yè)用電量的50%；如果采用變頻電源調(diào)速技術(shù)，既可大大提高其效率，又可減少10%的電能消耗。</p><p>　　另外變頻電源也用作制造或出口貿(mào)易商對出口電器產(chǎn)品的用電檢測、調(diào)試及用于精密儀器的供電電源。廣泛應(yīng)用于家電制造業(yè)

16、、電機(jī)、電子制造業(yè)、IT產(chǎn)業(yè)、電腦設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室等?！?家電業(yè)制造商如：空調(diào)設(shè)備、咖啡機(jī)、洗衣機(jī)、榨汁機(jī)、微波爐、收錄音機(jī)、冰箱、DVD、洗塵器、電動剃須刀等產(chǎn)品的測試電源。★ 電機(jī)、電子業(yè)制造商如：交換式電源供應(yīng)器、變壓器、電子安定器、AC風(fēng)扇、不斷電系統(tǒng)、充電器、繼電器、壓縮機(jī)、馬達(dá)、被動元件等產(chǎn)品的測試電源?！?IT產(chǎn)業(yè)及電腦設(shè)備制造商如：傳真機(jī)、影印機(jī)、碎紙機(jī)、印表機(jī)、掃描器、燒錄機(jī)、伺服器、顯示器等產(chǎn)品的測試電源?！?實(shí)

17、驗(yàn)室及測試單位如：交流電源測試、產(chǎn)品壽命及安全測試、電磁相容測試、OQC（FQC）測試、產(chǎn)品測試及研發(fā)、研究單位最佳交流電源?！?航空/軍事單位如：機(jī)場地面設(shè)施、船舶、航天、軍事研究所等的測試電源。★ 鐵路、高速公路：25Hz、靜頻信號電源。</p><p>　　1-3 MATLAB簡介及仿真技術(shù)</p><p>　　MATLAB 是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，是當(dāng)今

18、國際上科學(xué)界（尤其是自動控制領(lǐng)域）最具影響力、也是最有活力的軟件。該軟件是一個交互式系統(tǒng)，它的基本數(shù)據(jù)元素是矩陣，且不需要指定大小。通過它可以解決很多技術(shù)計算問題，尤其是帶有矩陣和矢量公式推導(dǎo)的問題，有時還能寫入非交互式語言如c和fortran等。廣泛用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。</p><p>　　MATLAB 的

19、應(yīng)用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計、測試和測量、財務(wù)建模和分析以及計算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨(dú)提供的專用 MATLAB 函數(shù)集）擴(kuò)展了 MATLAB 環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。Matlab具有起點(diǎn)高，人機(jī)界面適合科技人員，強(qiáng)大而簡易的做圖功能，智能化程度高和功能豐富，可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。它提供了強(qiáng)大的科學(xué)運(yùn)算、靈活的程序設(shè)計流程、高質(zhì)量的圖形可視化與界面設(shè)計、便捷的與其他程序和語言接口的

20、功能。MATLAB 語言在各國高校與研究單位起著重大的作用。MATLAB以矩陣作為基本編程單元，它提供了各種矩陣的運(yùn)算與作，并有較強(qiáng)的繪圖功能。MATLAB集科學(xué)計算、圖像處理、聲音處理于一身，是一個高度的集成系統(tǒng)，有良好的用戶界面，并有良好的幫助功能。MATLAB不僅流行于控制界，在機(jī)械工程、生物工程、語音處理、圖像處理、信號分析、計算機(jī)技術(shù)等各行各業(yè)中都有極廣泛的應(yīng)用。 </p><p><b>　

21、　Simulink</b></p><p>　　自Mathworks公司于1998年推出了Matlab5.2版以后，在Simulink中就開始增加了PSB模塊集，它主要由加拿大的Hydro Quebec和TECSIM Internation-al公司共同開發(fā)的，其功能非常強(qiáng)大，可以用于電路、電力電子系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、電力傳輸?shù)冗^程的仿真，它提供了一種類似電路建模的方式進(jìn)行模型繪制，在仿真前會自動將其變成

22、狀態(tài)方程描述系統(tǒng)形式，然后在Simulink下進(jìn)行仿真分析。</p><p>　　Simulink是用于仿真建模及分析動態(tài)系統(tǒng)的一組程序包，它支持線形和非線性系統(tǒng)，能在連續(xù)時間，離散時間或兩者的復(fù)合情況下建模。系統(tǒng)也能采用復(fù)合速率，也就是用不同的部分用不同的速率來采樣和更新。Simulin提供一個圖形化用戶界面用于建模，用鼠標(biāo)拖拉塊狀圖表即可完成建模。在此界面下能像用鉛筆在紙上一樣畫模型。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包微分

23、方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點(diǎn)。simulink擁有全面的庫，如接收器，信號源，線形及非線形組塊和連接器。同時也能自己定義和建立自己的塊。模塊有等級之分，因此可以由頂層往下的步驟也可以選擇從底層往上建模。可以在高層上統(tǒng)觀系統(tǒng)，然后雙擊模塊來觀看下一層的模型細(xì)節(jié)。這種途徑可以深入了解模型的組織和模塊之間的相互作用。</p><p>　　在定義了一個模型后，就可以進(jìn)行仿真了，用綜合方法的選擇或用

24、simulink的菜單或matlab命令窗口的命令鍵入。菜單的獨(dú)特性便于交互式工作，當(dāng)然命令行對于運(yùn)行仿真的分支是很有用的。使用scopes或其他顯示模塊就可在模擬運(yùn)行時看到模擬結(jié)果。進(jìn)一步，可以改變其中的參數(shù)同時可以立即看到結(jié)果的改變，仿真結(jié)果可以放到matlab工作空間來做后處理和可視化。上作均為所見即可得方式，用拖曳方式即可完成，同時支持鼠標(biāo)右鍵快捷方式，對于復(fù)雜的交流電路，電力電子電路，動態(tài)電路和電氣傳動系統(tǒng)的仿真分析，無需編程

25、，更感方便，可以節(jié)省大量的計算時間和耗材，大大提高了工作效率。模型分析工具包括線性化工具和微調(diào)工具，它們可以從matlab命令行直接訪問，同時還有很多matlab的toolboxes中的工具。因?yàn)閙atlab和simulink是一體的，所以可以仿真，分析，修改模型在兩者中的任一環(huán)境中進(jìn)行，讓用戶更為方便。</p><p><b>　　系統(tǒng)仿真技術(shù)概述</b></p><p

26、>　　系統(tǒng)是由客觀世界中實(shí)體與實(shí)體間的相互作用和相互依賴關(guān)系構(gòu)成的具有某種特定功能的有機(jī)整體。系統(tǒng)的分類方法是多種多樣的，習(xí)慣上依照其應(yīng)用范圍可以將系統(tǒng)分為工程系統(tǒng)和非工程系統(tǒng)。工程系統(tǒng)的含義是指由相互關(guān)聯(lián)部件組成的一個整體，以實(shí)現(xiàn)特定的目的。例如電機(jī)驅(qū)動自動控制系統(tǒng)是由執(zhí)行部件、功率轉(zhuǎn)換部件、檢測部件所組成，用它來完成電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置和其他參數(shù)控制的某個特定目標(biāo)。非工程系統(tǒng)的定義范圍很廣，大至宇宙，小至原子，只要存在著相互關(guān)聯(lián)、

27、相互制約的關(guān)系，形成一個整體，實(shí)現(xiàn)某種目的的均可以認(rèn)為是系統(tǒng)。如果想定量地研究系統(tǒng)地行為，可以將其本身的特性及內(nèi)部的相互關(guān)系抽象出來，構(gòu)造出系統(tǒng)的模型。系統(tǒng)的模型分為物理模型和數(shù)學(xué)模型。由于計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用越來越普遍。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式，用來表示系統(tǒng)運(yùn)動過程中的各個量的關(guān)系，是分析、設(shè)計系統(tǒng)的依據(jù)。從它所描述系統(tǒng)的運(yùn)動性質(zhì)和數(shù)學(xué)工具來分，又可以分為連續(xù)系統(tǒng)、離散時間系統(tǒng)、離散事件系

28、統(tǒng)、混雜系統(tǒng)等。還可細(xì)分為線性、非線性、定常、時變、集中參數(shù)、分布參數(shù)、確定性、隨機(jī)等子類。系統(tǒng)仿真是根據(jù)被研究的真實(shí)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　仿真軟件的發(fā)展?fàn)顩r與應(yīng)用</p><p>　　早期的計算機(jī)仿真技術(shù)大致經(jīng)歷了幾個階段：20世紀(jì)40年代模擬計算機(jī)仿真；50年代初數(shù)字仿真；60年代早期仿真語言的出現(xiàn)等。80年代出現(xiàn)的面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)為系統(tǒng)仿真方法注入了活力。我國早在50年

29、代就開始研究仿真技術(shù)了，當(dāng)時主要用于國防領(lǐng)域，以模擬計算機(jī)的仿真為主。70年代初開始應(yīng)用數(shù)字計算機(jī)進(jìn)行仿真。隨著數(shù)字計算機(jī)的普及，近20年以來，國際、國內(nèi)出現(xiàn)了許多專門用于計算機(jī)數(shù)字仿真的仿真語言與工具，如csm，acsl，simnom，matlab/simulink，matrix/system build，csmp-c等。</p><p>　　1-4 MATLAB仿真技術(shù)在電力電子中的應(yīng)用</p>

30、<p>　　20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的電力電子技術(shù)，使電能可以變換和控制，產(chǎn)生了現(xiàn)代各種高效、節(jié)能的新型電源和交直流調(diào)速裝置，為工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、樓宇、辦公、家庭自動化提供了現(xiàn)代化的高新技術(shù)。為了更高效的利用電能，不斷的有新控制技術(shù)和算法出現(xiàn)。而且電力電子技術(shù)本身具有實(shí)踐性、工程性和綜合性的特點(diǎn)，波形分析和試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)對于實(shí)際應(yīng)用尤其重要。只靠手工的繪制圖不僅效率不高，而且不能很好的顯示出波形的動態(tài)變化。在電力電子的實(shí)際試

31、驗(yàn)中用的都是功率器件，費(fèi)用高、費(fèi)時，而且危險性大?，F(xiàn)在這些問題利用MATLAB得到了較好的解決。在MATLAB具有專門的仿真工具和電力系統(tǒng)模塊庫。因此，如何利用MATLAB軟件的圖形用戶界面技術(shù)和仿真技術(shù)對電力電子技術(shù)進(jìn)行仿真成了一個重要的研究方面。</p><p>　　本論文研究背景及意義在MATLAB中提供了Simulink和Power Systerm Blockset工具箱，擁有一種很方便的建模環(huán)境，用戶不

32、用直接編寫程序，而是通過交互命令方式建立、修改和調(diào)試模型，給電力電子技術(shù)中的各種電路的仿真提供了有利的條件，簡化了仿真建模。電力電子技術(shù)仿真的所有元件模型都包含在MATLAB的電力系統(tǒng)模塊環(huán)境中。在MATLAB提示符下鍵入powerlib命令。這個命令將打開simulink窗口。同時展示了電力系統(tǒng)模塊工具箱中的不同子模塊工具箱。在psb中幾乎提供了組成電力系統(tǒng)的所有元件，元件模型豐富，包括：同步機(jī)，異步機(jī)，變壓器，直流機(jī)，線性和非線性，

33、有名的和標(biāo)么值系統(tǒng)的，不同仿真精度的設(shè)備模型庫，單相，三相的分布和集中參數(shù)的傳輸線，單相，三相斷路器及各種電力系統(tǒng)的負(fù)荷模型，電力半導(dǎo)體器件庫以及控制測量環(huán)節(jié)， 信號顯示和模塊連接等一般可以在simulink工具箱中找到。</p><p>　　電氣系統(tǒng)模塊庫以Simulink為運(yùn)行環(huán)境，涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動和電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型。運(yùn)行Simulink以后，打開Blockse

34、ts&Toolboxes，就能調(diào)出電氣系統(tǒng)模塊庫Powerlib。也可以在MATLAB的命令窗口，直接鍵入Powerlib。它由以下6個子模塊庫組成。</p><p>　　(1)電源模塊庫：包括直流電壓源、交流電壓源、交流電流源、可控電壓源和可控電流源等。</p><p>　　(2)基本元件模塊庫：包括串聯(lián)RCL負(fù)載/支路、并聯(lián)RCL負(fù)載/支路、線性變壓器、飽和變壓器、互感、斷路器

35、、N相分布參數(shù)線路、單相Π型集中參數(shù)傳輸線路和浪涌放電器等。</p><p>　　(3)電力電子模塊庫：包括二極管、晶閘管、GTO、MOSFET和理想開關(guān)等。為滿足不同目的的仿真要求并提高仿真速度，還有晶閘管簡化模型。</p><p>　　(4)電機(jī)模塊庫：包括勵磁裝置、水輪機(jī)及其調(diào)節(jié)器、異步電動機(jī)、同步電動機(jī)及其簡化模型和永磁同步電動機(jī)等。</p><p>　　(

36、5)連接模塊庫：包括地、中性點(diǎn)和母線(公共點(diǎn))。</p><p>　　(6)測量模塊庫：包括電流和電壓測量。</p><p>　　在6個基本子模塊庫的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要，可以組合封裝出常用的更為復(fù)雜的模塊，添加到所需模塊庫中去。實(shí)際上，附加模塊庫(Powerlib Extras)中的“三相電氣系統(tǒng)”就是用6個基本子庫中的各模塊構(gòu)造并封裝起來的?？梢杂谩癓ook Under Mask”命令打開

37、其中的各模塊，查看其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以了解構(gòu)造方法和規(guī)律。附加模塊庫中還包括：均方根測算、有功與無功功率測算、傅立葉分析、可編程定時器和同步觸發(fā)脈沖發(fā)生器等。</p><p>　　1-5 本論文完成內(nèi)容</p><p>　　本論文涉及的工作內(nèi)容可包括兩方面。第一為論述研究部分；首先對本設(shè)計所基于的設(shè)計環(huán)境Matlab軟件和變頻電源的原理作介紹，概括了Matlab軟件和其中的Simulink仿真工具

38、的誕生和發(fā)展過程和簡介其強(qiáng)大的仿真功能。接著給出了變頻電源的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，最后利用Matlab中搭建仿真系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器件參數(shù)后比較仿真結(jié)果。</p><p>　　第二章 變頻電源硬件設(shè)計</p><p>　　變頻電源主要結(jié)構(gòu)分為以下幾個部分。</p><p>　　1. 整流器，它與單相或三相交流電源相連接，產(chǎn)生脈動的直流電壓。</p><p&

39、gt;　　2. 中間電路，有以下三種作用：a.使脈動的直流電壓變得穩(wěn)定或平滑，供逆變器使用。b.通過開關(guān)電源為各個控制線路供電。c.可以配置濾波或保護(hù)裝置以提高變頻電源性能。</p><p>　　3. 逆變器，將固定的直流電壓變換成可變電壓和頻率的交流電壓。</p><p>　　4. 控制電路，它將信號傳送給整流器、中間電路和逆變器，同時它也接收來自這些部分的信號。其主要組成部分是：輸出驅(qū)

40、動電路、操作控制電路。主要功能是：a.利用信號來開關(guān)逆變器的半導(dǎo)體器件。b.提供操作變頻電源的各種控制信號。c.監(jiān)視變頻電源的工作狀態(tài)，提供保護(hù)功能 </p><p>　　基本構(gòu)造如下圖2-1.</p><p>　　圖2-1變頻電源系統(tǒng)基本構(gòu)造</p><p>　　2-1整流單元及供電電源</p><p>　　本系統(tǒng)采用變壓器降壓整流實(shí)現(xiàn)交—

41、直換，由于變頻電源的輸出為36V，最大輸出電流為3A，即變頻電源的輸出功率為：</p><p><b>　　P=</b></p><p>　　考慮變頻電源的工作效率和留有充足的余地，選擇變壓器的容量為300W。流經(jīng)整流橋二極管的平均電流為：</p><p>　　承受的反向電壓最大值為60V，為留有余地本設(shè)計選用整流橋：KBPC602。</

42、p><p>　　為防止電網(wǎng)沖擊和雷電危害，在變壓器輸入級并入一壓敏電阻，且在輸入端加入共模電感。原理圖如第9頁圖2-2</p><p>　　當(dāng)變頻電源剛接上電網(wǎng)時，濾波電容上的電壓為0V，而直流母線電壓為60V，振幅值為104V。為提高濾波效果，電容的容量取得較大，這樣在上電瞬間會產(chǎn)生較大的沖擊電流，可能損壞整流二極管。為此接入上電電阻。阻值取104/4=26歐姆。</p>&l

43、t;p>　　為了隔離功率回路和控制回路的電源，本系統(tǒng)另外設(shè)計了開關(guān)電源部分。單片機(jī)與驅(qū)動芯片的電源由開關(guān)電源提供。調(diào)制芯片采用UC3842，原理圖如第9頁圖2-3。</p><p>　　圖2-2 整流單元原理圖</p><p>　　圖2-3 開關(guān)電源原理圖</p><p>　　2-2逆變輸出裝置及其驅(qū)動電路</p><p><b&

44、gt;　　常用驅(qū)動電路</b></p><p>　　逆變電路主要包括:逆變模塊和驅(qū)動電路。由于受到加工工藝，封裝技術(shù)，大功率晶體管元器件等因數(shù)的影響，目前逆變模塊主要由日本(東芝,三菱,三社,富士,三肯。)及歐美(西門子,西門康,摩托羅拉,IR)等少數(shù)廠家能夠生產(chǎn)。</p><p>　　驅(qū)動電路作為逆變電路的一部分，對變頻器的三相輸出有著巨大的影響。驅(qū)動電路的設(shè)計一般有這樣幾種

45、方式(1)分立插腳式元件組成的驅(qū)動電路;(2)光耦驅(qū)動電路;(3)厚膜驅(qū)動電路;(4)專用集成塊驅(qū)動電路等幾種。</p><p>　　分立插腳式元件的驅(qū)動電路</p><p>　　分立插腳式元件組成的驅(qū)動電路在80年代的日本和臺灣變頻器上被廣泛使用,主要包括日本(富士:G2,G5.三肯:SVS,SVF,MF., 春日,三菱Z系列K系列等)臺灣(歐林,普傳,臺安.)等一系列變頻器。隨著大規(guī)模

46、集成電路的發(fā)展及貼片工藝的出現(xiàn),這類設(shè)計電路復(fù)雜，集成化程度低的驅(qū)動電路已逐漸被淘汰。</p><p><b>　　光耦驅(qū)動電路</b></p><p>　　光耦驅(qū)動電路是現(xiàn)代變頻器設(shè)計時被廣泛采用的一種驅(qū)動電路，由于線路簡單，可靠性高，開關(guān)性能好，被歐美及日本的多家變頻器廠商采用。由于驅(qū)動光耦的型號很多，所以選用的余地也很大。驅(qū)動光耦選用較多的主要由東芝的TLP系列

47、，夏普的PC系列,惠普的HCPL系列等。以東芝TLP系列光耦為例。驅(qū)動IGBT模塊主要采用的是TLP250，TLP251兩個型號的驅(qū)動光耦。對于小電流(15A)左右的模塊一般采用TLP251。外圍再輔佐以驅(qū)動電源和限流電阻等就構(gòu)成了最簡單的驅(qū)動電路。而對于中等電流(50A)左右的模塊一般采用TLP250型號的光耦。而對于更大電流的模塊，在設(shè)計驅(qū)動電路時一般采取在光耦驅(qū)動后面再增加一級放大電路，達(dá)到安全驅(qū)動IGBT模塊的目的。</p

48、><p><b>　　厚膜驅(qū)動電路</b></p><p>　　厚膜驅(qū)動電路是在阻容元件和半導(dǎo)體技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種混合集成電路。它是利用厚膜技術(shù)在陶瓷基片上制作模式元件和連接導(dǎo)線，將驅(qū)動電路的各元件集成在一塊陶瓷基片上，使之成為一個整體部件。使用驅(qū)動厚膜對于設(shè)計布線帶來了很大的方便,提高了整機(jī)的可靠性和批量生產(chǎn)的一致性，同時也加強(qiáng)了技術(shù)的保密性?，F(xiàn)在的驅(qū)動厚膜往往

49、也集成了很多保護(hù)電路，檢測電路。應(yīng)該說驅(qū)動厚膜的技術(shù)含量也越來越高。    (4) 專用集成塊驅(qū)動電路</p><p>　　現(xiàn)在還出現(xiàn)了專用的集成塊驅(qū)動電路，主要由IR的IR2111，IR2112，IR2113等，其它還有三菱的EXB系列驅(qū)動厚膜。三菱的M57956，M57959等驅(qū)動厚膜。此外，現(xiàn)在的一些歐美變頻器在設(shè)計上采用了高頻隔離變壓器加入了驅(qū)動電路中(如丹佛斯VLT系列

50、變頻器)。應(yīng)該說通過一些高頻的變壓器對驅(qū)動電路的電源及信號的隔離，增強(qiáng)了驅(qū)動電路的可靠性，同時也有效地防止了強(qiáng)電部分的電路出現(xiàn)故障時對弱電電路的損壞。在實(shí)際應(yīng)用中這種驅(qū)動電路故障率很低，大功率模塊也極少出現(xiàn)問題。</p><p>　　驅(qū)動器件的選型和應(yīng)用電路</p><p>　　變頻電源的開關(guān)器件常采用IGBT或MOSFET等全控型器件，該器件的開關(guān)動作需要靠獨(dú)立的驅(qū)動電路來實(shí)現(xiàn)，并且要求

51、驅(qū)動電路的供電電源彼此隔離(如單相橋式逆變主電路需3組獨(dú)立電源，三相橋式逆變主電路需4組獨(dú)立電源)，這樣增加輔助電源的設(shè)計困難和成本，同時也使驅(qū)動電路變得復(fù)雜，降低了逆變器的可靠性。采用如EXB840等專用厚膜集成驅(qū)動電路芯片雖然可以簡化驅(qū)動電路的設(shè)計，但每個驅(qū)動芯片仍需要一個隔離的供電電源，且每個芯片僅可驅(qū)動一個功率開關(guān)器件，應(yīng)用仍有不便。而美國國際整流器公司生產(chǎn)的專用驅(qū)動芯片IR2130由于其內(nèi)部采用自舉技術(shù)，使得功率元件的驅(qū)動電路

52、僅需一個輸入級直流電源即可實(shí)現(xiàn)對功率IGBT或MOSFET的最優(yōu)驅(qū)動，還具有完善的保護(hù)功能。這樣可以使整個驅(qū)動電路簡單可靠。</p><p>　　IR2130驅(qū)動芯片的特點(diǎn)</p><p>　　IR2130可用來驅(qū)動工作在母線電壓不高于600V的電路中的功率MOS門器件。它內(nèi)部設(shè)計有過流、過壓及欠壓保護(hù)、封鎖和指示網(wǎng)絡(luò)，使用戶可方便的用來保護(hù)被驅(qū)動的MOS門功率管，加之內(nèi)部自舉技術(shù)的巧妙運(yùn)

53、用使其可用于高壓系統(tǒng)，它還可對同一橋臂上下2個功率器件的門極驅(qū)動信導(dǎo)產(chǎn)生2μs互鎖延時時間，避免上下臂直通。它自身工作和電源電壓的范圍較寬(3～20V)，在它的內(nèi)部還設(shè)計有與被驅(qū)動的功率器件所通過的電流成線性關(guān)系的電流放大器，電路設(shè)計還保證了內(nèi)部的3個通道的高壓側(cè)驅(qū)動器和低壓側(cè)驅(qū)動器可單獨(dú)使用，亦可只用其內(nèi)部的3個低壓側(cè)驅(qū)動器，并且輸入信號與TTL及COMS電平兼容。</p><p>　　圖2-4 IR2130

54、引腳圖</p><p>　　IR2130引腳如上圖2-4所示。</p><p>　　VB1～VB3：懸浮電源連接端，通過自舉電容為3個上橋臂功率管的驅(qū)動器提供內(nèi)部懸浮電源，VS1～VC3是其對應(yīng)的懸浮電源地端。</p><p>　　HIN1～HIN3、LIN1～LIN3：逆變器上橋臂和下橋臂功率管的驅(qū)動信號輸入端，低電平有效</p><p>

55、　　ITRIP：過流信號檢測輸入端，可通過輸入電流信號來完成過流或直通保護(hù)。</p><p>　　CA-、CAO、Vso：內(nèi)部放大器的反相端、輸出端和同相端，可用來完成電流信號檢測。</p><p>　　HO1～HO3、LO1～L03：逆變器上下橋臂功率開關(guān)器件驅(qū)動器信號輸出端。</p><p>　　FAULT：過流、直通短路、過壓、欠壓保護(hù)輸出端，該端提供一個故障

56、保護(hù)的指示信號。它在芯片內(nèi)部是漏極。</p><p>　　Vcc、Vss：芯片供電電源連接端，Vcc接正電源，而Vss接電源地。</p><p>　　IR2130內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理</p><p>　　IR2130的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖2-5所示。</p><p>　　圖2-5 IR2130的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　

57、　它的內(nèi)部集成有1個電流比較器CURRENT COMPARATOR，1個電流放大器CURRENT AMP，1個自身工作電源欠壓檢測器UNDERVOLTAGE DETECTOR，1個故障處理單元FAULT LOGIC及1個清除封鎖邏輯單元CLEAR LOGIC。除上述外，它內(nèi)部還集成有3個輸入信號處理器INPUT SIGNAL GEN-ERATOR兩個脈沖處理和電平移位器PULSE GENERATOR LEVEL SHIFTER，3個上橋

58、臂側(cè)功率管驅(qū)動信號鎖存器LATCH，3個上橋臂側(cè)功率管驅(qū)動信號與欠壓檢測器，UV DETECTOR及6個低輸出阻抗MOS功率管驅(qū)動器DRIVER和1個或門電路。</p><p>　　正常工作時，輸入的6路驅(qū)動信號經(jīng)輸入信號處理器處理后變?yōu)?路輸出脈沖，驅(qū)動下橋臂功率管的信號L1～L3經(jīng)輸出驅(qū)動器功放后，直接送往被驅(qū)動功率器件。而驅(qū)動上橋臂功率管的信號H1～H3 先經(jīng)集成于IR2130內(nèi)部的3個脈沖處理器和電平移位

59、器中的自舉電路進(jìn)行電位變換，變?yōu)?路電位懸浮的驅(qū)動脈沖，再經(jīng)對應(yīng)的3路輸出鎖存器鎖存并經(jīng)嚴(yán)格的驅(qū)動脈沖與否檢驗(yàn)之后，送到輸出驅(qū)動器進(jìn)行功放后才加到被驅(qū)動的功率管。</p><p><b>　　具體保護(hù)如下：</b></p><p>　　1．過流保護(hù)。電流檢測元件DWI、R1送出的信號接至過流檢測輸入端Im9腳），當(dāng)外電路發(fā)生過流或直通，I，端電壓高于0．5v時，IR2

60、130內(nèi)部保護(hù)電路使其輸出驅(qū)動信號全為低電乎，從而使被驅(qū)動的M0S器件全部截止，保同護(hù)時了功率管，同時IR2130的FAULT（引腳8變?yōu)榈碗娖剑撔盘柦影l(fā)光二極管進(jìn)行故障報警，也可將其引入前一極控制電路封鎖脈沖形成環(huán)節(jié)的輸出。 </p><p>　　2．欠壓保護(hù)。若IR2130的工作電源欠電壓，與過流保護(hù)相似，內(nèi)部的欠壓保護(hù)電路使其輸出驅(qū)動信號全為低電乎，同時從FAULT端輸出故障信號。直到故障清除后，在信號輸

61、入端LIN1～LIN3同時被輸入高電平，才可以解除故障閉鎖狀態(tài)。 </p><p>　　3．邏輯封鎖。當(dāng)前一級控制電路的脈沖發(fā)生邏輯錯誤時，IR2130接受到功率元件同一橋臂高壓側(cè)和低壓側(cè)兩功率器件的驅(qū)動信號全為高電平時，則IR2130輸出的2路門極驅(qū)動信號全為低電平，從而可靠地避免橋臂直通現(xiàn)象發(fā)生。 </p><p>　　采用IR2130的逆變器電路結(jié)構(gòu)</p><p

62、>　　圖2-6給出了IR2130驅(qū)動3相逆變裝置的電路示意圖。圖中C5, C6, C7是自舉電容，為上橋臂功率管驅(qū)動的懸浮電源存儲能量，D14，D15，D16的作用防止上橋臂導(dǎo)通時的直流電壓母線電壓到IR2130的電源上而使器件損壞，因此D1應(yīng)有足夠的反向耐壓。且為了滿足主電路功率管開關(guān)頻率的要求，其應(yīng)選快速恢復(fù)二極管。R22，R24，R25組成過流檢測電路。IR2130的HIN1～HIN3、LIN1～LIN3作為功率管的輸入驅(qū)動

63、信號與SPWM產(chǎn)生電路連接。FAULT與單片機(jī)外部中斷引腳連接，由單片機(jī)中斷程序來處理故障。逆變電路中D4, D5, D6, D10, D11, D12為箝位二極管,防止柵級電壓過高而損壞功率管。R4和R5是IGBT的門極驅(qū)動電阻，一般采用10到幾十歐。IGBT選用IRF580.</p><p>　　圖2-6 驅(qū)動電路原理圖</p><p>　　2-3濾波輸出及過壓過流缺相檢測與保護(hù)<

64、;/p><p>　　當(dāng)過壓過流和負(fù)載缺相時，為避免損壞器件或防止事故范圍擴(kuò)大，需對系統(tǒng)進(jìn)行過壓過流保護(hù)。本系統(tǒng)利用單片機(jī)檢測，一旦發(fā)生過壓過流和缺相，單片機(jī)控制繼電器切斷輸入電路從而達(dá)到保護(hù)。</p><p><b>　　濾波輸出</b></p><p>　　從IGBT輸出的電壓為脈沖序列，若帶阻性負(fù)載，需加入低通濾波器將脈沖序列還原成正弦波，如圖

65、2-7所示。電容使用油浸電容，其具有較好的低頻特性。</p><p>　　圖2-7 濾波電路原理圖</p><p><b>　　過流檢測</b></p><p>　　直接采用IR2130的電流檢測功能對負(fù)載電流進(jìn)行檢測。原理圖如圖2-8(實(shí)際是IR2130內(nèi)部的電流放大器與外部電阻構(gòu)成)：負(fù)載電流為I時,=I，當(dāng)I>4A時，單片機(jī)拉高Pr

66、otect端口,利用繼電器切斷輸入，從而達(dá)到過流保護(hù)。</p><p>　　圖2-8 過流檢測</p><p><b>　　電壓與缺相檢測</b></p><p>　　由于要求輸出電壓值為穩(wěn)定的36V，故必須采用閉環(huán)反饋控制。電壓取樣控制可采取母線電壓取樣也可以對輸出進(jìn)行取樣。另外還需進(jìn)行缺相檢測，故采用輸出取樣。這樣既能做缺相檢測也可做電壓

67、檢測。原理圖下圖2-9：</p><p>　　圖2-9 電壓與缺相檢測</p><p>　　輸出電壓經(jīng)電壓互感器降壓輸入至AD637進(jìn)行真有效值變換。本系統(tǒng)利用一顆AD637和一顆模擬開關(guān)CD4052，采用分時操作分別對三路信號進(jìn)行采集。采集的信號送MSP430單片機(jī)的AD口。</p><p>　　2-4 變頻電源的控制</p><p>　　

68、變頻電源控制方式的發(fā)展歷程</p><p>　　變頻電源按功率分可分為大功率變頻電源和小功率變頻電源。變頻電源的工作頻率一般為0～400Hz，它的主電路都采用交—直—交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。以下討論以電機(jī)負(fù)載為重點(diǎn)。</p><p>　　U/f=C的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式 </p><p>　　其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較

69、好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機(jī)械特性終究沒有直流電動機(jī)硬，動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。 </p&

70、gt;<p>　　電壓空間矢量（SVPWM）控制方式</p><p>　　它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn)，即引入頻率補(bǔ)償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩

71、的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。</p><p>　　矢量控制（VC）方式</p><p>　　矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過abc/dq變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1、It1（Im1相當(dāng)于直流電動機(jī)的勵磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電

72、流），然后模仿直流電動機(jī)的控制方法，求得直流電動機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對異步電動機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，分別對速度，磁場兩個分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，系統(tǒng)特性受電動機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機(jī)控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使

73、得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。 </p><p>　　直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式 </p><p>　　1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動上。</p>

74、<p>　　直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計算；它不需要模仿直流電動機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。 </p><p>　　矩陣式交—交控制方式 </p><p>　　VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種

75、。其共同缺點(diǎn)是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流電路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進(jìn)行四象限運(yùn)行。為此，矩陣式交—交變頻應(yīng)運(yùn)而生。由于矩陣式交—交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為l，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。其實(shí)質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來實(shí)現(xiàn)的。具體方法是：——控制

76、定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器，實(shí)現(xiàn)無速度傳感器方式； ——自動識別（ID）依靠精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，對電機(jī)參數(shù)自動識別； ——算出實(shí)際值對應(yīng)定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實(shí)際的轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈、轉(zhuǎn)子速度進(jìn)行實(shí)時控制； ——實(shí)現(xiàn)Band—Band控制按磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band—Band控制產(chǎn)生PWM信號，對逆變器開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。 </p><p>　　矩陣式交—交變頻具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)（<2ms），很高

77、的速度精度（±2％，無PG反饋），高轉(zhuǎn)矩精度（<＋3％）；同時還具有較高的起動轉(zhuǎn)矩及高轉(zhuǎn)矩精度，尤其在低速時（包括0速度時），可輸出150％～200％轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　本文采用第一種控制方式，即正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式。</p><p>　　SPWM調(diào)制方式的選擇</p><p>　　載波比恒定的調(diào)制方式稱為同步調(diào)制。同步調(diào)制時PW

78、M脈沖在一個周期內(nèi)的個數(shù)是恒定的，脈沖的相位也是固定的，將調(diào)制比設(shè)定為3的整數(shù)倍時，可以使輸出波形嚴(yán)格對稱，從而有效降低信號的諧波分量。但是，當(dāng)逆變電路的輸出頻率比較低時，同步調(diào)制載波的頻率也很低，過低時不易濾除調(diào)制帶來的諧波，當(dāng)逆變電路的輸出頻率很高時，同步調(diào)制載波頻率也過高，這將使開關(guān)器件的開關(guān)損耗增大。</p><p>　　載波信號和調(diào)制信號頻率不保持同步的調(diào)制方式稱為異步調(diào)制。異步調(diào)制時保持載波時鐘頻率不

79、變，當(dāng)調(diào)制正弦波的頻率發(fā)生變化時，載波比跟隨變化，在調(diào)制波的一個周期內(nèi)PWM脈沖的個數(shù)不固定，相位也不固定。正負(fù)半周期脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后周期的脈沖不對稱，造成信號的諧波分量較豐富，給后級濾波電路造成困難。</p><p>　　該系統(tǒng)的逆變器輸出頻率在20～100 Hz，輸出信號的頻率較低。設(shè)計采用SM2001作為逆變電路SPWM控制信號的輸出芯片。在異步調(diào)制方式下，當(dāng)載波比很大時，正負(fù)半周期脈沖不對稱和半周

80、期內(nèi)前后周期的脈沖不對稱造成的諧波分量都很小，PWM脈沖接近正弦波。本文設(shè)計的調(diào)制方式選擇異步調(diào)制方式，載波頻率固定為4kHz。</p><p>　　SPWM專用芯片的選型與應(yīng)用</p><p>　　隨著微處理器性價比的不斷提高， 逆變電源已進(jìn)入了智能化階段， 可用集成元件來方便地組成控制電路。目前由集成元件實(shí)現(xiàn)的控制電路主要有專用集成芯片法和微機(jī)生成法。專用的生成SPWM的芯片如SM20

81、01，SA838、SA868、HEF4752、SLE480等。該方法的優(yōu)點(diǎn)是電路集成度高、可靠性高;微機(jī)生成法控制電路由單片機(jī)采用軟件方式產(chǎn)生，目前市場上有許多性價比高的單片機(jī)， 如PIC系列或引腳少的MC51系列單片機(jī)，可用指令產(chǎn)生SPWM，并可方便地實(shí)現(xiàn)對逆變系統(tǒng)的控制、監(jiān)視、管理和保護(hù)。</p><p><b>　　SM2001簡介</b></p><p>　　

82、SM2001是可產(chǎn)生三相SPWM驅(qū)動波形的大規(guī)模集成電路。它的工作頻率寬，合成正弦諧波小，調(diào)節(jié)方便、準(zhǔn)確，保護(hù)電路完善，無需外部元器件，且有普通正弦波和高效電機(jī)驅(qū)動波兩種波形的選擇，可廣泛用于交流異步電機(jī)的變頻驅(qū)動，如變頻空調(diào)、變頻冰箱和變頻洗衣機(jī)的控制驅(qū)動，各類工業(yè)水泵、風(fēng)機(jī)的變頻驅(qū)動，各類不間斷電源（UPS）以及其它一些需要三相SPWM波形驅(qū)動的功率控制電路中。</p><p>　　SM2001內(nèi)部集成有三線

83、串行接口、雙波形正弦發(fā)生器(范圍從0到200Hz（時鐘為20MHz時），步進(jìn)頻率為最大頻率的1/255。)、幅度因子乘法器、PWM波形發(fā)生器、死區(qū)時間和窄脈沖控制電路、啟動電路和保護(hù)電路等。其引腳如圖2-10所示。其管腳說明如表1所列。其內(nèi)部邏輯框圖如圖2-11所示。</p><p>　　圖2-10 SM2001引腳圖</p><p>　　表1管腳說明管腳名稱類型功能說明</p>

84、;<p>　　圖2-11 SM2001內(nèi)部邏輯框圖</p><p>　　SM2001設(shè)置了三個層次的安全保護(hù)。具體保護(hù)如下，</p><p>　　一個是SPWM輸出的開啟命令：在SM2001的設(shè)置中，有一條開啟指令，在所有的初始化參數(shù)設(shè)置完成后，芯片并不是立即產(chǎn)生輸出波形，只有在開啟命令發(fā)布后，SPWM波形才會輸出，這是為了防止在系統(tǒng)未完成初始化時有錯誤的波形產(chǎn)生。而一旦開

85、啟SPWM的輸出后，再進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時，SPWM的變化將立即出現(xiàn)，不再需要開啟命令了。</p><p>　　第二個保護(hù)是OE控制端，它是用于單片機(jī)的普通輸出控制的。在SM2001上有一個使能控制端OE，接受控制系統(tǒng)的控制信號。當(dāng)OE為高電平時，SPWM完整輸出波形，否則，輸出將保持高電平靜止?fàn)顟B(tài)。</p><p>　　第三重保護(hù)是異常中斷控制端INT，主要是接受系統(tǒng)的異常信號，如輸出短路、斷

86、相等異常信號。當(dāng)外部檢測電路發(fā)現(xiàn)異常，在INT上產(chǎn)生一個負(fù)電平或負(fù)脈沖信號，SM2001的輸出將立即截止，且反應(yīng)時間小于200ns，大大高于普通采用單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生SPWM波形的控制模式。在異常保護(hù)出現(xiàn)后，芯片將不能通過命令恢復(fù)輸出（防止由于單片機(jī)的故障而產(chǎn)生錯誤的開啟），只有在重新上電或RST復(fù)位后，芯片才能重新接受控制。</p><p>　　SM2001有6個PWM輸出端口，分別驅(qū)動U、V、W三相橋式功率開關(guān)，

87、每相的信號由2路與TTL電平兼容的管腳輸出。該信號通常是通過外部的隔離器件（如光耦）來驅(qū)動橋式電路。2個信號分別驅(qū)動某一相的上半橋臂和下半橋臂。本文采用SM2001驅(qū)動IR2130。</p><p>　　由于SM2001采用了內(nèi)部的大規(guī)模正弦波形發(fā)生器，所以輸出的正弦波精度高，失真和諧波都很小，且由于采用參數(shù)設(shè)置的方式，各種微處理器都可以很方便地控制SM2001。由于是全數(shù)字化的設(shè)計，內(nèi)部的波形發(fā)生器、乘法器、P

88、WM波形產(chǎn)生電路的精度都高于最后實(shí)際的輸出精度，所以產(chǎn)生的SPWM波形具有非常高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。而精確的波形可以使功率輸出電路的效率得到提高。</p><p>　　SM2001完全可以作為微處理器的一個獨(dú)立的外部電路工作。在設(shè)置初始化條件后，SM2001完全自動產(chǎn)生SPWM驅(qū)動波形。只有當(dāng)需要改變輸出波形或處理異常中斷等狀態(tài)時，才需要微處理器的干預(yù)。</p><p>　　其與單片機(jī)的連接

89、的原理圖如圖2-12.</p><p>　　2-12 SM2001與單片機(jī)的連接的原理圖</p><p>　　第三章 變頻電源的軟件設(shè)計</p><p>　　3-1 控制模塊設(shè)計</p><p>　　本系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)作為主控器件，利用SPWM專用芯片SM2001產(chǎn)生SPWM信號送驅(qū)動芯片IR2130。如第二章2-5所述，本系統(tǒng)采

90、用閉環(huán)反饋控制以達(dá)到穩(wěn)壓輸出的目的。 </p><p><b>　　程序流程圖</b></p><p>　　單片機(jī)作為主控器件，負(fù)責(zé)變頻電源輸出端的信號采集，鍵盤輸入處理，顯示界面的顯示。單片機(jī)發(fā)出指令控制SM2001產(chǎn)生SPWM信號，頻率和末端電壓幅值由鍵盤輸入而改變。程序流程圖如圖3-1。</p><p>　　圖3-1 程序流程圖</

91、p><p><b>　　SM2001初始化</b></p><p>　　SM2001的工作狀態(tài)和輸出信號的參數(shù)是由內(nèi)部的寄存器控制。寄存器大小為8Bit，地址用3Bit的二進(jìn)制碼表示。故通訊數(shù)據(jù)為11Bit。以下對內(nèi)部控制寄存器進(jìn)行說明。</p><p>　　頻率控制寄存器PFR(地址011)</p><p>　　控制三相S

92、PWM波的頻率，256級選擇精度，地址為011。它控制輸出的PWM合成的正弦波的頻率，三相波形的頻率是相同的，通過此寄存器進(jìn)行選擇。</p><p>　　輸出的三相波頻率fsin由式（1）算出</p><p>　　fsin=fclk×PFR/(512×192×256) （1）</p><p>　　式中：fclk——是系統(tǒng)時鐘的頻率；

93、PFR——PFR寄存器的值(0～255)。</p><p>　　例如：如果時鐘頻率為20MHz，PFR=63，則三相正弦波的頻率為50.1Hz。</p><p>　　調(diào)制度控制寄存器AMPR(地址010)</p><p>　　改變輸出三相波的幅度，256級選擇精度，地址為010。它控制輸出的PWM合成的正弦波的幅度，三相波形的幅度是相同的，通過此寄存器進(jìn)行選擇。&l

94、t;/p><p>　　輸出的三相波幅度Asin由式（2）算出</p><p>　　Asin=（DC*AMPR/255）×100％ (2)</p><p>　　式中：DC為后級功率電路的直流電壓, AMPR——AMPR寄存器的值（1～255）。</p><p>　　例如：如果后級功率電路的直流電壓為60V，AMPR=217，選取純正弦

95、波輸出，則輸出正弦波的峰值電壓為51.05V，有效值電壓為36.1V。</p><p>　　PWM開關(guān)頻率和窄脈沖寄存器FPDR（地址001）</p><p>　　設(shè)置PWM載波的開關(guān)頻率和要刪除的無效窄脈沖寬度，地址為001。PWM的開關(guān)頻率是后級大功率管或大功率模塊的重要參數(shù)之一，它往往取決于后級功率電路的開關(guān)時間、工作效率等要求。</p><p>　　PWM頻

96、率選擇位CF1、CF0。當(dāng)CF1、CF0為11、10、01、00時，其對應(yīng)的分頻系數(shù)N則分別為8、4、2、1。</p><p>　　PWM開關(guān)頻率fc由式（3）算出</p><p>　　fc=fclk/（512×N） (3)</p><p>　　例如：若時鐘頻率為20MHz，PWM頻率選擇字為11，則</p><p>　　fc

97、=20000000/(512×8)=4882Hz</p><p>　　PD5～PD0為窄脈沖時間選擇位，窄脈沖的時間tpd由式（4）算出</p><p>　　tpd=PD/（fc×512） (4)</p><p>　　式中：PD——窄脈沖時間選擇數(shù)值。</p><p>　　窄脈沖刪除功能是指在PWM波中，由于后級電路

98、的開關(guān)時間問題，小于tpd寬度的脈沖不能引起后級電路的動作，可以被刪除去。參見圖3-2。</p><p>　　圖3-2窄脈沖刪除示意圖</p><p>　　死區(qū)時間選擇寄存器DTIM（地址100）</p><p>　　設(shè)置PWM載波的死區(qū)時間寬度，地址為100。</p><p>　　PWM載波的死區(qū)時間也是后級大功率管或大功率模塊的重要參數(shù)之

99、一，它取決于后級功率電路的導(dǎo)通時間和截止時間。對于采用IGBT作為功率輸出的電路，則尤為重要。如果設(shè)置不當(dāng)，會導(dǎo)致功率電路燒毀或諧波失真增加，死區(qū)時間設(shè)置參見圖3-3。</p><p>　　圖3-3死區(qū)時間設(shè)置</p><p>　　死區(qū)時間tpdy由式（5）算出:</p><p>　　tpdy=DT/（fc×512） （5）</p><

100、;p>　　式中：DT——死區(qū)時間選擇數(shù)值。本系統(tǒng)中由于驅(qū)動芯片IR2130自帶死區(qū)時間，故此處將DT設(shè)為0.</p><p>　　寄存器窄脈沖選擇和PWM頻率寄存器幅度控制寄存器AMPR頻率控制寄存器PFR死區(qū)時間控制寄存器DTIM，fclk=20MHz ，VDD=60V，F(xiàn)PWM=4882Hz， tpd=25.6μs，F(xiàn)sin=50Hz，tpdy=0μs</p><p>　　開啟命

101、令START（地址110）</p><p>　　在完成芯片的各項(xiàng)參數(shù)的初始化設(shè)置后，通過往地址110中寫入5FH，即可以開啟芯片的SPWM輸出。以后的參數(shù)改變，一旦寫入寄存器即立即表現(xiàn)出來，不必再使用開啟命令了。</p><p><b>　　SM2001的使用</b></p><p><b>　　三線同步串行接口</b>&

102、lt;/p><p>　　SM2001的寄存器是通過一個三線同步串行接口進(jìn)行設(shè)置的。</p><p>　　當(dāng)片選CS為低時，芯片進(jìn)入串行通信狀態(tài)，在每個時鐘CK的上升沿，數(shù)據(jù)線DA上的數(shù)據(jù)被移入內(nèi)部緩沖器，當(dāng)11個數(shù)據(jù)位全部進(jìn)入緩沖器后，在最后一個CK脈沖的認(rèn)可下，數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)入相應(yīng)的寄存器，且命令被立即執(zhí)行。</p><p>　　地址和數(shù)據(jù)的低位在先傳入，分別為A0、A1、

103、A2、D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7。由于內(nèi)部的時序原因，在完成所有的數(shù)據(jù)輸入，CS恢復(fù)高電平后，必須在CK上額外地多加入一個時鐘，完成數(shù)據(jù)的認(rèn)可，具體如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4數(shù)據(jù)的輸入時序</p><p><b>　　上電和復(fù)位</b></p><p>　　RST接低電平時，芯片進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。此時輸出端輸

104、出高電平，各寄存器的內(nèi)容如表2所列。</p><p>　　表2 復(fù)位狀態(tài)時各寄存器內(nèi)容</p><p>　　復(fù)位主要是用來恢復(fù)INT異常中斷的狀態(tài)。如果不是首次上電，復(fù)位并不能清除開啟命令。在芯片工作中時復(fù)位，芯片將以初始化條件輸出PWM波形，所以應(yīng)配合使用OE的功能，首先關(guān)閉SPWM輸出（OE=0），復(fù)位電路（RST上加入一個負(fù)脈沖），在設(shè)置好需要的參數(shù)后，再開啟OE，才能正常的輸出波形

105、。</p><p>　　當(dāng)采用20MHz的時鐘時，表2中的缺省條件表示PWM的頻率為4882Hz，死區(qū)和短脈沖時間為25.6μs，正弦波頻率為50Hz，合成正弦波峰值幅度為電源的85％。（注意：在芯片的OE不為高，或MCU未發(fā)送開始命令時，U、V、W端口并沒有實(shí)際的SPWM輸出）</p><p>　　當(dāng)芯片首次上電時，也將自動復(fù)位所有的寄存器為內(nèi)部初始值，且芯片的輸出端保持高電平（不輸出時

106、的缺省狀態(tài)）。</p><p>　　SM2001程序設(shè)置</p><p>　　SM2001控制流程圖如圖3-5所示</p><p>　　圖3-5 SM2001控制流程圖</p><p>　　第四章 變頻器的MATLAB仿真</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)軟件技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。同時