PWM型變頻器的基本控制方式

1、PWM型變頻器的基本控制方式通用的PWM型變頻器是一種交一直一交變頻，通過整流器將工頻交流電整 流成直流電，經過中間環(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)供給逆變器的直流電壓是可變 的還是恒定的，變頻器可分成兩種基本控制方式。(1)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3-3所示。中間環(huán)節(jié)是濾波電容器。30 zy3丄T圖2-3變幅PWM型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

2、，采用相位控制，通過 改變觸發(fā)脈沖的延遲角 a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3-4所示是另一種直流電壓可調的 PWM變頻電路。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。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

3、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。(2)恒幅PWM型變頻器恒幅脈寬調制PWM式變頻電路如圖3.3所示，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：1）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。在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

4、低，可靠性好。2）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)。3）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。4）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。中間也流環(huán)節(jié)變壓變頻0 5AC50Hz-AC怕樂悄潁（CVCT）圖2-5 PWM型逆變器但PWM型逆變器也有如下缺點：1）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

5、。2）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。3）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。2.2.2 PWM型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管VTi、VT4和VT2、VT3交替導通的時間來改變逆變器輸 出波形的頻率；改變每半周期內 VT,、VT4或VT2、VT3開關器件的通、斷時間比， 即通過改變脈沖寬度來改變逆變器輸出電壓幅值的大小。(b)脈寬調制型逆變器輸出波形 圖2-7電路的波形如果使相應開關器件在半個周期

6、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， 則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 PWM型逆變器特別適用 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。3 SPWM控制的變頻調速系統(tǒng)3.1 SPWM控制的變頻調速系統(tǒng)組成基于SPWM控制的變頻調速系統(tǒng)組成如圖 2-1所示。控制電路一一當今，PWM變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

7、作的SPWM信號，再根據(jù)它們的要求形成驅動逆變器工作的 SPWM信號。 微機芯片主要采用8位或16位的單片機，或用32位的DSP。本課題選用了 STC89C52RC高性能單片機。STC單片機發(fā)出的SPWM信號控制各開關器件輪流導通和關斷，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，以頻率比期望波高得多的等腰三角波 作為載波(Carrier wave)，并用頻率和期望波相同的正弦波作為調制波(Modulation wave)，當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，從

8、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3-2 SPWM波形控制原理按照波形面積相等的原則，每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(Sinusoidal pulse width modulation,簡稱SPWM)，這種序列的矩形波稱作 SPWM 波。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，

9、叫做雙極性控制方式圖3-3 一周期單極性SPWM波形3.2 SPWM波形的單片機實現(xiàn)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SPWM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8位、16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信號。方法：事先在計算機內存中存放正弦函數(shù)和 Tc /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Tc/2值，由計算公式計算脈寬時間和間隙時間。3.2.1 SPWM控制方案SPWM控制方案有兩種：即單極性

10、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波所 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)SPWM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控制。（1）正弦波PWM調制原理調制信號為正弦

11、波的脈寬調制叫做正弦波脈寬調制（ SPWM）,產生的脈寬 調制波是等幅而不等寬的脈沖列，脈寬調制的方法很多，從脈寬調制的極性上看， 有單極性和雙極性之分；從載波和調制波的頻率之間的關系來看，又有同步調制、 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，圖中三角波 Ur為載波，正弦波Uc為調 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，就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)值的矩形脈沖ud。圖3-5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

12、輸出電壓的大?。划敻淖冋{制電壓的 頻率時，輸出電壓頻率隨之改變。但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： 同步調制在同步調制方式中，載波比N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，因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)，貝U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1200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。 異步調

13、制 異步調制是逆變器的整個變頻范圍內，載波比 N 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 的倍數(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)。 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N值, 頻率低時， N

14、取大些，一般大致按等比級數(shù)安排。（2）SPWM 信號的產生產生 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 SPWM信號，如常用的HE4752芯片等這些 芯片的應用使變流器的控制系統(tǒng)得以簡化， 但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 SPWM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 波形，實現(xiàn) 各種

15、控制算法和波形優(yōu)化。（3）SPWM 的數(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 波形；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：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。Tc為三角載波的周期；ti和t3是間歇時間；t

16、2為AB之間的脈寬時間，Tc =ti t2 t3圖3-6生成SPWM波形的自然采樣法若以單位量1表示三角載波的幅值Utm，則正弦調制波的幅值就是調制度 M，正弦調制波可寫作uM 二 M sin 譏式中，是調制波頻率，即逆變器輸出頻率。由于A、B兩點對三角載波的中心線的不對稱性，須把脈寬時間 t2分成兩部 分t2與t；。按相似直角三角形的幾何關系，可知2_ 1 M sinTc ； t；經整理得” T_ Mt； = t； t；1sinta sin itB2 I ；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

17、成三相的SPWM波形。即使三相正弦調制波在時間上互差 23，而三角載波是共用的，這樣就可在同一個三角載波周期內獲得圖3-7中所示的三相SPWM脈沖波形圖3-7三相SPWM波形在圖3-7中，每相的脈寬時間ta2、和3都可用公式（3-4）計算，即ta2 =衛(wèi)（1 M sin 也）2Tctb2 c （1 M sin rte 120 ）（ 3-6）2tc2 =（1 M sin rte 240）2三相脈寬時間的總和為ta2 如 Q 二 Tc（ 3-7）2三相間歇時間總和為tai- tb1 -tci-ta3tb3仁3=31；- ta2 仏2 G E 3（ 3-8）2在數(shù)字控制中用計算機實時產生SPWM波形

18、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寬t2后寫入EPROM,然后由調速系統(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，稱為查表法。也可以在內存中存儲正弦函數(shù)和T-2值，控制時先取出正弦值與調速系統(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的Tc2值，與M sin做乘法運算，然后運用加、減、移位既可算出脈寬時間t2和間歇時間t1 和ta,即實時計算法。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波形的一系 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與頻率宀都有

19、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。辺面積等效法正弦波S1面積為:T_圖3-8 SPWM面積法ng%。嚀二k -cosN二逆變器輸入直流電壓為Ud，脈沖面積S2與S1相等，即有:Umcos- - :Nk-cos :NkUdcosk-吋所以第k個區(qū)間的脈沖寬度M k -1k二coscos CO NN式中：M為調制度。N為半個周期內的脈沖個數(shù)?？紤]載波比、輸出諧波等 因素，本文取N=25 26、50。由上式計算出的SPWI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單片機的ROM中以供調用。322

20、 SPWM控制波形的STC89C52單片機實現(xiàn)1) STC89系列單片機的優(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、型封裝，3.3V工作電壓單片機，用STC提供的 STC-ISP.exe工具將原有的代碼下載到 STC相關的單片機即可，或用通用編程器 編程。雙數(shù)據(jù)指引看門狗1280 了節(jié)SRLAM2k-fik 了節(jié)ISP引導碼PLCC/PQFP 44 有卩4 口P4. 3/INT2t P4.2/INT3P08052哎壯堆酸STC低功* j超低價 ”高速（0-90M）高町靠和虹味式0. 5 M A, 仝尺擔氏】2nA四個E幘

21、并行端口UART 串 II）3牛宦吋器| A/D , 7/AD7RXD P3.Q1031I FATXD/P3. 11130I ale/蔽INTO P3-21229PSEINT1/P3.11328P2. 7/A15T0/P3, 41427P2. 6/AUH/PS. 51526P氐 5/A13C25P2. 4/A12KD/PS. 71721F2. 3/AllXTAL21823P2. 2/A1QXTAL1ID一P2. 1/A9VSS202JP20/A8圖3-10 DIP封裝關于編譯器/匯編器：任何老的編譯器/匯編器均可使用Keil C51中：Device選擇標準的In tel8052頭文件包含標準的

22、 新增特殊功能寄存器如要用到，則用“ s f及”“ sbit聲明地址即可 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辺老的仿真器仿真他可仿真的基本功能 新增特殊功能用ISP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）f gm STCj 23 2 iEIV:ttdSDHOLTRiour寸古tT“ 四工|3p-j 口C_ExI 百:車 如2：FC 1WP fCW ：KgJ)H3-HhH0Pcer On7 2：T2OOTL：Tkc3MOJ TsD (H 1)47pFXlU.IxD J512 4 L. 0VCCT2Ey ?. 1PO. 0 A30Pl.

23、:FQ L/AJl更Pl. 3P0.2；AD2J7Fl. 1XT1L2r:.: aid23XTAL1F2L1. A r 53F2. 0 A3IX：CI0C3L_lLCiiF圖3-11 STC單片機典型應用電路（89C51RC/RD+系列，C版）關于/EA （/EA管腳已內部上拉到 Vcc）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，電容為1OuF,電阻為10K; RC/RD+系列單片機C版本，RESET腳內部已有45k-100k下拉電阻4）STC 89C51RC/RD+系列單片機在系統(tǒng)可編程的

24、使用將用戶代碼下載進單片機內部，不用編程器電料申LJFJ.0PI Isyt52RC暫C孔叫卿 LHldRlH圖3-12 STC單片機在線編程線路,STC RS-232轉換器STC89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STC89系列單片機在銷售給用

25、戶之前已在單片機內部固化有ISP系統(tǒng)引導程序，配合PC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，造成無法使用STC提供的ISP軟件下 載用戶的程序代碼。STC-ISP.exe軟件工作環(huán)境已經固化有ISP引導碼，并設置為上電復位進入ISP的STC89C51RC/RD+系 列單片機出廠時就已完全加密，需要單片機內部的電放光后上電復位（冷起動）才 運行系統(tǒng)ISP程序。STC-ISP. ese litp:/twt. WCTJIeaory* con 技術支持St鯊”步驟1;毀“原M

26、CU Typ*選蒔單片機型號MCV TpeAF Memory第瞞嚴OOC軌饕朗步驟2： 0衛(wèi)穌F】h /打開文件Buf ftr Star t Addrefi: qVnustd Eytss（lti fil 尸呦淞）：L Filt Chwk Sun/文件校驗和何：!-I? Clear BufferOpen FileSUp3/步驟3: Slal DOM Fwl, M朗B絆引選拝串訂口最高波特率 COM: |COM1請選擇握適合本臺機器的毘高被特率如:115200/576, 33400等 54/歩騾傘設豊擁I租S下方踰”中Bouble speed fi旳7致搭速 i* 12T/單習速0SCD1T (O

27、SC CoiMtrol)： C 1/2 淞in燈 full 如需低功耗,16MK可以下振蕩誥塢蠱可選1/2 gain下次冷啟動pi.afi. i：擰與下載無關r特于on才可以下載怨序川卻左11*丄：1152D0-StepS/步驟5： 1)碩迅*4/下載 先點下載按釵再MC吐電復位-冷啟動DowrCLo a V下戟Re-D ownl oad/W 復F 載廠髦次卞議前董新迴扎訪弈距整沖直前立件，方變矚試使甬 I當目標代碼炭土喪化后目動調入玄件，并立即發(fā)送下載命令區(qū)臺一 ts和 進文時次地能 個同蕃不 幾次除超后 調一 區(qū)臥 機沖次38400, 96005牛單片磯n 24KHz以下 刖單片tJl5

28、lGlffizia下 選擇1/嘶ig指外部晶 振人批量生產時使用am圖3-13 STC單片機程序下載環(huán)境Stepl/步驟1:選擇你所使用的單片機型號，如 STC89C58RD+, STC89LE516AD 等Step2/步驟2：打開文件，要燒錄用戶程序，必須調入用戶的程序代碼(*.bin, *.hex)Step3/步驟3:選擇串行口，你所使用的電腦串口，如串行口 1-COM1,串行 口 2-COM2,.Step4/步驟4：設置是否雙倍速，雙倍速選中Double Speed即可STC89C51RC / RD+系列可以反復設置 雙倍速/單倍速STC89LE516AD為單倍速， STC89LE516X2為雙倍速，用戶自己無法指定 雙倍速/單倍速STC89C516RD 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，這會將單片機內部已燒錄的I S P引導程序擦除。一般使用缺省設置即可，無須設置。OSCDN:單片機時鐘振蕩器增益降一半選1/2 gain為降一半，降