基于MATLAB的三相正弦波變頻電源的設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)  題 目 三相正弦波變頻電源仿真設(shè)計(jì)專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 目錄第一章 變頻器概述1.1. 變頻電源的原理.31.2. 變頻電源的特點(diǎn)及應(yīng)用.31.3. matlab簡介及仿真技術(shù)41.4. matlab仿真技術(shù)在電力電子中的應(yīng)用61.5. 本論文完成內(nèi)容.8第二章 變頻器硬件設(shè)計(jì)2.1 整流單元及供電電源.92.2 逆變輸出裝置及其驅(qū)動(dòng)電路.102.3 濾波輸出及過壓過流缺相檢測(cè)與保護(hù)142.4 變頻電源的控制17第三章 變頻器軟件設(shè)計(jì)3.1 控制模塊設(shè)計(jì).21第四章 變頻器的matlab仿真4.1 matlab在電力電子中的應(yīng)用.251電力系統(tǒng)工具箱.252

2、 matlab在變頻器中應(yīng)用及仿真框圖27第五章 結(jié)語.34摘要:本文采用matlab對(duì)變頻電源進(jìn)行系統(tǒng)分析。基于simulink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(dòng)3相功率管?？刂品绞讲捎脗鹘y(tǒng)的spwm，用spwm專用集成芯片sm2001產(chǎn)生spwm信號(hào)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(jì)中對(duì)變頻電源的過流，過壓，缺相等保護(hù)功能進(jìn)行了闡述。第一章 變頻器概述由于我國市電頻率固定為50 hz，因而對(duì)于一些要求頻率大于或小于50 hz的應(yīng)用場(chǎng)合，則必須設(shè)計(jì)一個(gè)

3、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)acdc的轉(zhuǎn)換；逆變部分用以實(shí)現(xiàn)dcac的轉(zhuǎn)換；而控制回路用以調(diào)節(jié)電源系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻率和幅值。1-1 變頻電源的原理經(jīng)過acdcac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

4、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(dòng)元件igbt模塊設(shè)計(jì)，采用數(shù)字分頻、d/a轉(zhuǎn)換、瞬時(shí)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)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?，F(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

5、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(gè)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pwm波形,中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲(chǔ)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。1-2 變頻電源的特點(diǎn)及應(yīng)用20世紀(jì)70年代后，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，使得交流電力拖動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)以

6、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(dòng)媲美。在交流調(diào)速技術(shù)中，變頻調(diào)速具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，并且它的調(diào)速性能與可靠性不斷完善，價(jià)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(dòng)化，深受工業(yè)行業(yè)的青睞。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% - 65%的發(fā)電量用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于有效地利用了變頻調(diào)速技術(shù)，僅工業(yè)傳動(dòng)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。(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。

7、(3) 可實(shí)現(xiàn)軟啟、制動(dòng)功能，減小啟動(dòng)電流沖擊，節(jié)電效果明顯。(4) 調(diào)速時(shí)平滑性好，效率高。低速時(shí)，特性靜關(guān)率較高，相對(duì)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(dòng)化。(8) 在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，低速段電動(dòng)機(jī)的過載能力大為降低。交流電動(dòng)機(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(shì)。 交流拖動(dòng)本身存在可以挖掘的節(jié)電潛力。在交流調(diào)速系統(tǒng)中，選用電機(jī)時(shí)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(shí)，通過對(duì)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

8、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。另外變頻電源也用作制造或出口貿(mào)易商對(duì)出口電器產(chǎn)品的用電檢測(cè)、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)、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(dòng)剃須刀等產(chǎn)品的測(cè)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(dòng)元件等產(chǎn)品的測(cè)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

9、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(cè)試電源。 實(shí)驗(yàn)室及測(cè)試單位如：交流電源測(cè)試、產(chǎn)品壽命及安全測(cè)試、電磁相容測(cè)試、oqc（fqc）測(cè)試、產(chǎn)品測(cè)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(chǎng)地面設(shè)施、船舶、航天、軍事研究所等的測(cè)試電源。 鐵路、高速公路：25hz、靜頻信號(hào)電源。1-3 matlab簡介及仿真技術(shù)matlab 是美國mathworks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，是當(dāng)今國際上科學(xué)界（尤其是自動(dòng)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(gè)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(jì)算問題，尤其是帶有矩陣和矢量公式推導(dǎo)的問

10、題，有時(shí)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(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括matlab和simulink兩大部分。matlab 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)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(jì)流程、高質(zhì)量的圖形可視化與

11、界面設(shè)計(jì)、便捷的與其他程序和語言接口的功能。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(jì)算、圖像處理、聲音處理于一身，是一個(gè)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(hào)分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)等各行各業(yè)中都有極廣泛的應(yīng)用。 1. simulink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tec

12、sim 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(huì)自動(dòng)將其變成狀態(tài)方程描述系統(tǒng)形式，然后在simulink下進(jìn)行仿真分析。 simulink是用于仿真建模及分析動(dòng)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(shí)間，離散時(shí)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(gè)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)的仿真軟件包微分方程和差分

13、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(hào)源，線形及非線形組塊和連接器。同時(shí)也能自己定義和建立自己的塊。模塊有等級(jí)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。在定義了一個(gè)模型后，就可以進(jìn)行仿真了，用綜合方法的選擇或用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(duì)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(shí)看到模擬結(jié)果。進(jìn)一步，可以改變其中的參數(shù)同時(shí)可

14、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(shí)支持鼠標(biāo)右鍵快捷方式，對(duì)于復(fù)雜的交流電路，電力電子電路，動(dòng)態(tài)電路和電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真分析，無需編程，更感方便，可以節(jié)省大量的計(jì)算時(shí)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(shí)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。2. 系統(tǒng)仿真技術(shù)概述系統(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

15、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(gè)整體，以實(shí)現(xiàn)特定的目的。例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)是由執(zhí)行部件、功率轉(zhuǎn)換部件、檢測(cè)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(gè)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)、相互制約的關(guān)系，形成一個(gè)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(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用

16、，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(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式，用來表示系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中的各個(gè)量的關(guān)系，是分析、設(shè)計(jì)系統(tǒng)的依據(jù)。從它所描述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(shí)間系統(tǒng)、離散事件系統(tǒng)、混雜系統(tǒng)等。還可細(xì)分為線性、非線性、定常、時(shí)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)模型研究系統(tǒng)性能的一門學(xué)科，現(xiàn)在尤指利用計(jì)算機(jī)去研究數(shù)學(xué)模型行為的方法。計(jì)算機(jī)仿真的基本內(nèi)容包括系統(tǒng)、模型、算法、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果顯示、分析與驗(yàn)證等環(huán)節(jié)。3. 仿真軟件的發(fā)展?fàn)顩r與應(yīng)用早期的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)大致經(jīng)歷了幾個(gè)階段：20世紀(jì)40年代模擬

17、計(jì)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年代就開始研究仿真技術(shù)了，當(dāng)時(shí)主要用于國防領(lǐng)域，以模擬計(jì)算機(jī)的仿真為主。70年代初開始應(yīng)用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真。隨著數(shù)字計(jì)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(jì)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。 1-4 matlab仿真技術(shù)在電力電子中的應(yīng)用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

18、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(dòng)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(duì)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(dòng)態(tài)變化。在電力電子的實(shí)際試驗(yàn)中用的都是功率器件，費(fèi)用高、費(fèi)時(shí)，而且危險(xiǎn)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(duì)電力電子技術(shù)進(jìn)行仿真成了一個(gè)重要的研究方面。本論文研究背景及意義在mat

19、lab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(gè)命令將打開simulink窗口。同時(shí)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，有名的和標(biāo)么值系統(tǒng)的，不同仿真精度的設(shè)備模型

20、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(cè)量環(huán)節(jié)， 信號(hào)顯示和模塊連接等一般可以在simulink工具箱中找到。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(dòng)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blocksets&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(gè)子模塊庫組成。(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。(2)基

21、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、n相分布參數(shù)線路、單相型集中參數(shù)傳輸線路和浪涌放電器等。(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。(4)電機(jī)模塊庫：包括勵(lì)磁裝置、水輪機(jī)及其調(diào)節(jié)器、異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)及其簡化模型和永磁同步電動(dòng)機(jī)等。(5)連接模塊庫：包括地、中性點(diǎn)和母線(公共點(diǎn))。(6)測(cè)量模塊庫：包括電流和電壓測(cè)量。在6個(gè)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(

22、powerlib extras)中的“三相電氣系統(tǒng)”就是用6個(gè)基本子庫中的各模塊構(gòu)造并封裝起來的。可以用“l(fā)ook under mask”命令打開其中的各模塊，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(cè)算、有功與無功功率測(cè)算、傅立葉分析、可編程定時(shí)器和同步觸發(fā)脈沖發(fā)生器等。1-5 本論文完成內(nèi)容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(duì)本設(shè)計(jì)所基于的設(shè)計(jì)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(jì)和軟件設(shè)計(jì)，最后利用matlab中搭建

23、仿真系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器件參數(shù)后比較仿真結(jié)果。第二章 變頻電源硬件設(shè)計(jì)變頻電源主要結(jié)構(gòu)分為以下幾個(gè)部分。1. 整流器，它與單相或三相交流電源相連接，產(chǎn)生脈動(dòng)的直流電壓。2. 中間電路，有以下三種作用：a.使脈動(dòng)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(gè)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。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。4. 控制電路，它將信號(hào)傳送給整流器、中間電路和逆變器，同時(shí)它也接收來自這些部分的信號(hào)。其主要組成部分是：輸出驅(qū)動(dòng)電路、操作控制電路。主要功能是：a.利用信號(hào)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

24、信號(hào)。c.監(jiān)視變頻電源的工作狀態(tài)，提供保護(hù)功能 基本構(gòu)造如下圖2-1.圖2-1變頻電源系統(tǒng)基本構(gòu)造2-1整流單元及供電電源本系統(tǒng)采用變壓器降壓整流實(shí)現(xiàn)交直換，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=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：承受的反向電壓最大值為60v，為留有余地本設(shè)計(jì)選用整流橋：kbpc602。為防止電網(wǎng)沖擊和雷電危害，在變壓器輸入級(jí)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當(dāng)變頻電源剛接上電網(wǎng)時(shí)，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

25、提高濾波效果，電容的容量取得較大，這樣在上電瞬間會(huì)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。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(jì)了開關(guān)電源部分。單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)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。圖2-2 整流單元原理圖圖2-3 開關(guān)電源原理圖2-2逆變輸出裝置及其驅(qū)動(dòng)電路1. 常用驅(qū)動(dòng)電路逆變電路主要包括:逆變模塊和驅(qū)動(dòng)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)。驅(qū)

26、動(dòng)電路作為逆變電路的一部分，對(duì)變頻器的三相輸出有著巨大的影響。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)一般有這樣幾種方式(1)分立插腳式元件組成的驅(qū)動(dòng)電路;(2)光耦驅(qū)動(dòng)電路;(3)厚膜驅(qū)動(dòng)電路;(4)專用集成塊驅(qū)動(dòng)電路等幾種。(1) 分立插腳式元件的驅(qū)動(dòng)電路分立插腳式元件組成的驅(qū)動(dòng)電路在80年代的日本和臺(tái)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(tái)灣(歐林,普傳,臺(tái)安.)等一系列變頻器。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展及貼片工藝的出現(xiàn),這類設(shè)計(jì)電路復(fù)雜，集成化程度低的驅(qū)動(dòng)電路已逐漸被淘汰。(2) 光耦驅(qū)動(dòng)電路光耦驅(qū)動(dòng)電路是現(xiàn)代變頻器設(shè)計(jì)時(shí)被廣泛采用的一種驅(qū)

27、動(dòng)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(dòng)光耦的型號(hào)很多，所以選用的余地也很大。驅(qū)動(dòng)光耦選用較多的主要由東芝的tlp系列，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(dòng)igbt模塊主要采用的是tlp250，tlp251兩個(gè)型號(hào)的驅(qū)動(dòng)光耦。對(duì)于小電流(15a)左右的模塊一般采用tlp251。外圍再輔佐以驅(qū)動(dòng)電源和限流電阻等就構(gòu)成了最簡單的驅(qū)動(dòng)電路。而對(duì)于中等電流(50a)左右的模塊一般采用tlp250型號(hào)的光耦。而對(duì)于更大電流的模塊，在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)一般采取在光耦驅(qū)動(dòng)后面再增加一級(jí)放大電路，達(dá)到安全驅(qū)動(dòng)igbt模塊的目的。(3)

28、厚膜驅(qū)動(dòng)電路厚膜驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路的各元件集成在一塊陶瓷基片上，使之成為一個(gè)整體部件。使用驅(qū)動(dòng)厚膜對(duì)于設(shè)計(jì)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(shí)也加強(qiáng)了技術(shù)的保密性?，F(xiàn)在的驅(qū)動(dòng)厚膜往往也集成了很多保護(hù)電路，檢測(cè)電路。應(yīng)該說驅(qū)動(dòng)厚膜的技術(shù)含量也越來越高。    (4) 專用集成塊驅(qū)動(dòng)電路現(xiàn)在還出現(xiàn)了專用的集成塊驅(qū)動(dòng)電路，主要由ir的ir2111，ir2112，ir2113等，其它還有三菱的exb系列驅(qū)動(dòng)厚膜。三菱的m57956，m

29、57959等驅(qū)動(dòng)厚膜。此外，現(xiàn)在的一些歐美變頻器在設(shè)計(jì)上采用了高頻隔離變壓器加入了驅(qū)動(dòng)電路中(如丹佛斯vlt系列變頻器)。應(yīng)該說通過一些高頻的變壓器對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的電源及信號(hào)的隔離，增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性，同時(shí)也有效地防止了強(qiáng)電部分的電路出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)弱電電路的損壞。在實(shí)際應(yīng)用中這種驅(qū)動(dòng)電路故障率很低，大功率模塊也極少出現(xiàn)問題。2. 驅(qū)動(dòng)器件的選型和應(yīng)用電路變頻電源的開關(guān)器件常采用igbt或mosfet等全控型器件，該器件的開關(guān)動(dòng)作需要靠獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)，并且要求驅(qū)動(dòng)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(jì)困難和成本，

30、同時(shí)也使驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路芯片雖然可以簡化驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，但每個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片仍需要一個(gè)隔離的供電電源，且每個(gè)芯片僅可驅(qū)動(dòng)一個(gè)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(dòng)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(dòng)電路僅需一個(gè)輸入級(jí)直流電源即可實(shí)現(xiàn)對(duì)功率igbt或mosfet的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，還具有完善的保護(hù)功能。這樣可以使整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路簡單可靠。(1) ir2130驅(qū)動(dòng)芯片的特點(diǎn)ir2130可用來驅(qū)動(dòng)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(jì)有過流、過壓及欠壓保護(hù)、封鎖和指示網(wǎng)絡(luò)，使用戶可

31、方便的用來保護(hù)被驅(qū)動(dòng)的mos門功率管，加之內(nèi)部自舉技術(shù)的巧妙運(yùn)用使其可用于高壓系統(tǒng)，它還可對(duì)同一橋臂上下2個(gè)功率器件的門極驅(qū)動(dòng)信導(dǎo)產(chǎn)生2s互鎖延時(shí)時(shí)間，避免上下臂直通。它自身工作和電源電壓的范圍較寬(320v)，在它的內(nèi)部還設(shè)計(jì)有與被驅(qū)動(dòng)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(jì)還保證了內(nèi)部的3個(gè)通道的高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器和低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器可單獨(dú)使用，亦可只用其內(nèi)部的3個(gè)低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器，并且輸入信號(hào)與ttl及coms電平兼容。第 34 頁 共 35 頁圖2-4 ir2130引腳圖ir2130引腳如上圖2-4所示。vb1vb3：懸浮電源連接端，通過自舉電容為3個(gè)上橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)器提供內(nèi)部懸浮電源

32、，vs1vc3是其對(duì)應(yīng)的懸浮電源地端。hin1hin3、lin1lin3：逆變器上橋臂和下橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，低電平有效itrip：過流信號(hào)檢測(cè)輸入端，可通過輸入電流信號(hào)來完成過流或直通保護(hù)。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(hào)檢測(cè)。ho1ho3、lo1l03：逆變器上下橋臂功率開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)器信號(hào)輸出端。fault：過流、直通短路、過壓、欠壓保護(hù)輸出端，該端提供一個(gè)故障保護(hù)的指示信號(hào)。它在芯片內(nèi)部是漏極。vcc、vss：芯片供電電源連接端，vcc接正電源，而vss接電源地。(2) ir2130內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理ir2130的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖2-

33、5所示。圖2-5 ir2130的內(nèi)部結(jié)構(gòu)它的內(nèi)部集成有1個(gè)電流比較器current comparator，1個(gè)電流放大器current amp，1個(gè)自身工作電源欠壓檢測(cè)器undervoltage detector，1個(gè)故障處理單元fault logic及1個(gè)清除封鎖邏輯單元clear logic。除上述外，它內(nèi)部還集成有3個(gè)輸入信號(hào)處理器input signal gen-erator兩個(gè)脈沖處理和電平移位器pulse generator level shifter，3個(gè)上橋臂側(cè)功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)鎖存器latch，3個(gè)上橋臂側(cè)功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)與欠壓檢測(cè)器，uv detector及6個(gè)低輸出阻抗mos功

34、率管驅(qū)動(dòng)器driver和1個(gè)或門電路。正常工作時(shí)，輸入的6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)輸入信號(hào)處理器處理后變?yōu)?路輸出脈沖，驅(qū)動(dòng)下橋臂功率管的信號(hào)l1l3經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)器功放后，直接送往被驅(qū)動(dòng)功率器件。而驅(qū)動(dòng)上橋臂功率管的信號(hào)h1h3 先經(jīng)集成于ir2130內(nèi)部的3個(gè)脈沖處理器和電平移位器中的自舉電路進(jìn)行電位變換，變?yōu)?路電位懸浮的驅(qū)動(dòng)脈沖，再經(jīng)對(duì)應(yīng)的3路輸出鎖存器鎖存并經(jīng)嚴(yán)格的驅(qū)動(dòng)脈沖與否檢驗(yàn)之后，送到輸出驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行功放后才加到被驅(qū)動(dòng)的功率管。具體保護(hù)如下：1過流保護(hù)。電流檢測(cè)元件dwi、r1送出的信號(hào)接至過流檢測(cè)輸入端im9腳），當(dāng)外電路發(fā)生過流或直通，i，端電壓高于05v時(shí)，ir2130內(nèi)部保護(hù)電路使其輸出

35、驅(qū)動(dòng)信號(hào)全為低電乎，從而使被驅(qū)動(dòng)的m0s器件全部截止，保同護(hù)時(shí)了功率管，同時(shí)ir2130的fault（引腳8變?yōu)榈碗娖?，該信?hào)接發(fā)光二極管進(jìn)行故障報(bào)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。 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(dòng)信號(hào)全為低電乎，同時(shí)從fault端輸出故障信號(hào)。直到故障清除后，在信號(hào)輸入端lin1lin3同時(shí)被輸入高電平，才可以解除故障閉鎖狀態(tài)。 3邏輯封鎖。當(dāng)前一級(jí)控制電路的脈沖發(fā)生邏輯錯(cuò)誤時(shí)，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(dòng)信號(hào)全為高電平時(shí)，則ir2130輸出的2路門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)全

36、為低電平，從而可靠地避免橋臂直通現(xiàn)象發(fā)生。 (3) 采用ir2130的逆變器電路結(jié)構(gòu)圖2-6給出了ir2130驅(qū)動(dòng)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(dòng)的懸浮電源存儲(chǔ)能量，d14，d15，d16的作用防止上橋臂導(dǎo)通時(shí)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(cè)電路。ir2130的hin1hin3、lin1lin3作為功率管的輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)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。

37、逆變電路中d4, d5, d6, d10, d11, d12為箝位二極管,防止柵級(jí)電壓過高而損壞功率管。r4和r5是igbt的門極驅(qū)動(dòng)電阻，一般采用10到幾十歐。igbt選用irf580.圖2-6 驅(qū)動(dòng)電路原理圖 2-3濾波輸出及過壓過流缺相檢測(cè)與保護(hù)當(dāng)過壓過流和負(fù)載缺相時(shí)，為避免損壞器件或防止事故范圍擴(kuò)大，需對(duì)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(cè)，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)。1. 濾波輸出從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2-7所示。電容使用油浸電容，其具有較好的低頻特性。圖2-7 濾波電路原

38、理圖2. 過流檢測(cè)直接采用ir2130的電流檢測(cè)功能對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行檢測(cè)。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(shí),=i，當(dāng)i>4a時(shí)，單片機(jī)拉高protect端口,利用繼電器切斷輸入，從而達(dá)到過流保護(hù)。圖2-8 過流檢測(cè)3. 電壓與缺相檢測(cè)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(duì)輸出進(jìn)行取樣。另外還需進(jìn)行缺相檢測(cè)，故采用輸出取樣。這樣既能做缺相檢測(cè)也可做電壓檢測(cè)。原理圖下圖2-9：圖2-9 電壓與缺相檢測(cè)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

39、顆模擬開關(guān)cd4052，采用分時(shí)操作分別對(duì)三路信號(hào)進(jìn)行采集。采集的信號(hào)送msp430單片機(jī)的ad口。2-4 變頻電源的控制1. 變頻電源控制方式的發(fā)展歷程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0400hz，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)。(1) u/f=c的正弦脈寬調(diào)制（spwm）控制方式 其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時(shí)，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。

40、另外，其機(jī)械特性終究沒有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)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(huì)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(shí)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。 (2) 電壓空間矢量（svpwm）控制方式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(chǎng)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(shí)定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制

41、電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。(3) 矢量控制（vc）方式矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動(dòng)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(chǎng)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(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流；it1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)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

42、而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)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(shí)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(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。 (4) 直接轉(zhuǎn)矩控制（dtc）方式 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(dòng)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(dòng)上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)

43、機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。 (5) 矩陣式交交控制方式 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。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(chǔ)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(jià)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

44、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：控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)無速度傳感器方式； 自動(dòng)識(shí)別（id）依靠精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，對(duì)電機(jī)參數(shù)自動(dòng)識(shí)別； 算出實(shí)際值對(duì)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(shí)控制； 實(shí)現(xiàn)bandband控制按磁鏈和轉(zhuǎn)矩的bandband控制產(chǎn)生pwm信號(hào)，對(duì)逆變器開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。 矩陣式交交變頻具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)（<2ms），很高的速度精度（±2，無pg反饋），高轉(zhuǎn)矩精度（<3）；同時(shí)還具有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及高轉(zhuǎn)矩精度，尤其在低速

45、時(shí)（包括0速度時(shí)），可輸出150200轉(zhuǎn)矩。本文采用第一種控制方式，即正弦脈寬調(diào)制（spwm）控制方式。2. spwm調(diào)制方式的選擇載波比恒定的調(diào)制方式稱為同步調(diào)制。同步調(diào)制時(shí)pwm脈沖在一個(gè)周期內(nèi)的個(gè)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(shí)，可以使輸出波形嚴(yán)格對(duì)稱，從而有效降低信號(hào)的諧波分量。但是，當(dāng)逆變電路的輸出頻率比較低時(shí)，同步調(diào)制載波的頻率也很低，過低時(shí)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(shí)，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。載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)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(shí)保持載波時(shí)鐘頻率不變，當(dāng)調(diào)制正弦波的頻率發(fā)生

46、變化時(shí)，載波比跟隨變化，在調(diào)制波的一個(gè)周期內(nèi)pwm脈沖的個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定。正負(fù)半周期脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后周期的脈沖不對(duì)稱，造成信號(hào)的諧波分量較豐富，給后級(jí)濾波電路造成困難。該系統(tǒng)的逆變器輸出頻率在20100 hz，輸出信號(hào)的頻率較低。設(shè)計(jì)采用sm2001作為逆變電路spwm控制信號(hào)的輸出芯片。在異步調(diào)制方式下，當(dāng)載波比很大時(shí)，正負(fù)半周期脈沖不對(duì)稱和半周期內(nèi)前后周期的脈沖不對(duì)稱造成的諧波分量都很小，pwm脈沖接近正弦波。本文設(shè)計(jì)的調(diào)制方式選擇異步調(diào)制方式，載波頻率固定為4khz。3. spwm專用芯片的選型與應(yīng)用隨著微處理器性價(jià)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

47、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sm2001，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(chǎng)上有許多性價(jià)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(duì)逆變系統(tǒng)的控制、監(jiān)視、管理和保護(hù)。(1) sm2001簡介sm2001是可產(chǎn)生三相spwm驅(qū)動(dòng)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)

48、動(dòng)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(dòng)，如變頻空調(diào)、變頻冰箱和變頻洗衣機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)，各類工業(yè)水泵、風(fēng)機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)，各類不間斷電源（ups）以及其它一些需要三相spwm波形驅(qū)動(dòng)的功率控制電路中。sm2001內(nèi)部集成有三線串行接口、雙波形正弦發(fā)生器(范圍從0到200hz（時(shí)鐘為20mhz時(shí)），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(shí)間和窄脈沖控制電路、啟動(dòng)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。圖2-10 sm2001引腳圖表1管腳說明管腳名稱類型功能說明1clki外部時(shí)鐘輸入腳10gndi

49、輸出地2rsti復(fù)位腳，為低時(shí)復(fù)位芯片11wbiw相下橋臂驅(qū)動(dòng)腳3csi串口片選腳，低通訊有效12vbov相下橋臂驅(qū)動(dòng)腳4cki串口時(shí)鐘腳，上升沿鎖入數(shù)據(jù)13ubou相下橋臂驅(qū)動(dòng)腳5dai串口數(shù)據(jù)腳14wtow相上橋臂驅(qū)動(dòng)腳6oei輸出控制腳，為高允許pwm輸出15vtov相上橋臂驅(qū)動(dòng)腳7inti異常中斷腳，下降沿觸發(fā)16utou相上橋臂驅(qū)動(dòng)腳8wvsi內(nèi)部波形選擇，高效/普通17vddi正電源（5v）9gndi數(shù)字地18vddi正電源（5v）圖2-11 sm2001內(nèi)部邏輯框圖sm2001設(shè)置了三個(gè)層次的安全保護(hù)。具體保護(hù)如下，一個(gè)是spwm輸出的開啟命令：在sm2001的設(shè)置中，有一條開啟

50、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(huì)輸出，這是為了防止在系統(tǒng)未完成初始化時(shí)有錯(cuò)誤的波形產(chǎn)生。而一旦開啟spwm的輸出后，再進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)，spwm的變化將立即出現(xiàn)，不再需要開啟命令了。第二個(gè)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(gè)使能控制端oe，接受控制系統(tǒng)的控制信號(hào)。當(dāng)oe為高電平時(shí)，spwm完整輸出波形，否則，輸出將保持高電平靜止?fàn)顟B(tài)。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(hào)，如輸出短路、斷相等異常信號(hào)。當(dāng)外部檢測(cè)電路發(fā)現(xiàn)異常，在int上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電平或負(fù)脈沖信號(hào)，sm200

51、1的輸出將立即截止，且反應(yīng)時(shí)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(cuò)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。sm2001有6個(gè)pwm輸出端口，分別驅(qū)動(dòng)u、v、w三相橋式功率開關(guān)，每相的信號(hào)由2路與ttl電平兼容的管腳輸出。該信號(hào)通常是通過外部的隔離器件（如光耦）來驅(qū)動(dòng)橋式電路。2個(gè)信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)某一相的上半橋臂和下半橋臂。本文采用sm2001驅(qū)動(dòng)ir2130。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

52、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(jì)，內(nèi)部的波形發(fā)生器、乘法器、pwm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。sm2001完全可以作為微處理器的一個(gè)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(dòng)產(chǎn)生spwm驅(qū)動(dòng)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(shí)，才需要微處理器的干預(yù)。其與單片機(jī)的連接的原理圖如圖2-12.2-12 sm2001與單片機(jī)的連接的原理圖第三章 變頻電源的軟件設(shè)計(jì)3-1 控制模塊設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用msp430單片機(jī)作為主控器

53、件，利用spwm專用芯片sm2001產(chǎn)生spwm信號(hào)送驅(qū)動(dòng)芯片ir2130。如第二章2-5所述，本系統(tǒng)采用閉環(huán)反饋控制以達(dá)到穩(wěn)壓輸出的目的。 1. 程序流程圖單片機(jī)作為主控器件，負(fù)責(zé)變頻電源輸出端的信號(hào)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(hào)，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。圖3-1 程序流程圖2. sm2001初始化sm2001的工作狀態(tài)和輸出信號(hào)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(duì)內(nèi)部控制寄存器進(jìn)行說明。(1) 頻率控制寄存器pfr(地址011)控制

54、三相spwm波的頻率，256級(jí)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。b7b6b5b4b3b2b1b0pf7pf6pf5pf4pf3pf2pf1pf0輸出的三相波頻率fsin由式（1）算出fsin=fclk×pfr/(512×192×256) （1）式中：fclk是系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率；pfrpfr寄存器的值(0255)。例如：如果時(shí)鐘頻率為20mhz，pfr=63，則三相正弦波的頻率為50.1hz。(2) 調(diào)制度控制寄存器ampr(地址010)改變輸出三相波的幅度，256級(jí)選擇精度，地址為010。它控

55、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。b7b6b5b4b3b2b1b0amp7amp6amp5amp4amp3amp2amp1amp0輸出的三相波幅度asin由式（2）算出asin=（dc*ampr/255）×100 (2)式中：dc為后級(jí)功率電路的直流電壓, amprampr寄存器的值（1255）。例如：如果后級(jí)功率電路的直流電壓為60v，ampr=217，選取純正弦波輸出，則輸出正弦波的峰值電壓為51.05v，有效值電壓為36.1v。(3) pwm開關(guān)頻率和窄脈沖寄存器fpdr（地址001）設(shè)置pwm載波的開關(guān)頻率和要?jiǎng)h除的無效窄脈沖寬度，地址為001。pwm的開關(guān)頻率是后級(jí)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(jí)功率電路的開關(guān)時(shí)間、工作效率等要求。b7b6b5b4b3b2b1b0cf1cf0pd5pd4pd3pd2pd1pd0pwm頻率選擇位cf1、cf0。當(dāng)cf1、cf0為11、10、01、00時(shí)，其對(duì)應(yīng)的分頻系數(shù)n則分別為8、4、2、1。pwm開