基于MATLAB的三相正弦波变频电源的设计.doc

毕业设计(论文) 题 目 三相正弦波变频电源仿真设计专 业 电气工程及其自动化 目录第一章 变频器概述1.1. 变频电源的原理.31.2. 变频电源的特点及应用.31.3. matlab简介及仿真技术41.4. matlab仿真技术在电力电子中的应用61.5. 本论文完成内容.8第二章 变频器硬件设计2.1 整流单元及供电电源.92.2 逆变输出装置及其驱动电路.102.3 滤波输出及过压过流缺相检测与保护142.4 变频电源的控制17第三章 变频器软件设计3.1 控制模块设计.21第四章 变频器的matlab仿真4.1 matlab在电力电子中的应用.251电力系统工具箱.252 matlab在变频器中应用及仿真框图27第五章 结语.34摘要:本文采用matlab对变频电源进行系统分析。基于simulink做了系统仿真，并做了原理性的论证。硬件部分采用it公司的低功耗单片机msp430f149作为主控器件，ir2130驱动3相功率管。控制方式采用传统的spwm，用spwm专用集成芯片sm2001产生spwm信号以控制ir2130的通断。系统采用pi反馈控制使硬件系统具良好的稳压功能。另外本文在硬件设计中对变频电源的过流，过压，缺相等保护功能进行了阐述。第一章 变频器概述由于我国市电频率固定为50 hz，因而对于一些要求频率大于或小于50 hz的应用场合，则必须设计一个能改变频率的变频电源系统。目前最常用的是三相正弦波变频电源。该电源系统主要由整流、逆变、控制回路3部分组成。其中，整流部分用以实现acdc的转换；逆变部分用以实现dcac的转换；而控制回路用以调节电源系统输出信号的频率和幅值。1-1 变频电源的原理经过acdcac变换的逆变电源称为变频电源，它有别于用于电机调速用的变频调速控制器，也有别于普通交流稳压电源。变频电源的主要功用是将现有交流电网电源变换成所需频率的稳定的纯净的正弦波电源。理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为纯正弦波（无失真）。变频电源十分接近于理想交流电源，因此，先进发达国家越来越多地将变频电源用作标准供电电源，以便为用电器提供最优良的供电环境，便于客观考核用电器的技术性能。 变频电源主要有二大种类：线性放大型和pwm开关型 hy系列程控变频电源，以微处理器为核心，以多脉宽调制(mpwm)方式制作,用主动元件igbt模块设计，采用数字分频、d/a转换、瞬时值反馈、正弦脉宽调制等技术, 使单机容量可达100kva, 以隔离变压器输出来增加整机稳定性, 具有负载适应性强、输出波形品质好、操作简便、体积小、重量轻等特点，具有短路、过流、过载、过热等保护功能，以保证电源可靠运行。现在使用的变频电源主要采用交一直一交方式,先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源.变频电源的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成.整流部分为单相或三相桥式不可控整流器,逆变部分为igbt三相桥式逆变器,且输出为pwm波形,中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率.变频电源的主电路大体上可分为两类，分别为电压型和电流型。电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器,直流回路的滤波器件是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器,其直流回路滤波器件是电感。1-2 变频电源的特点及应用20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。交流变频电源调速技术在工业发达国已得到广泛应用。美国有60% - 65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了15% - 20%的电量。采用变频电源调速，一是根据要求调速用，二是节能。其得到广泛应用主要基于交流变频调速的优异特性。(1) 变频调速系统自身损耗小，工作效率高。(2) 电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗。(3) 可实现软启、制动功能，减小启动电流冲击，节电效果明显。(4) 调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。(5) 调速范围较大，精度高。(6) 变频电源体积小，便于安装、调试、维修简便。(7) 易于实现过程自动化。(8) 在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。交流电动机的调速方法有三种：变极调速、改变转差率调速和变频调速。其中，变频调速最具优势。交流拖动本身存在可以挖掘的节电潜力。在交流调速系统中，选用电机时往往留有一定余量，电机又不总是在最大负荷情况下运行；如果利用变频电源调速技术，轻载时，通过对电机转速进行控制，就能达到节电的目的。工业上大量使用风机、水泵、压缩机等，其用电量约占工业用电量的50%；如果采用变频电源调速技术，既可大大提高其效率，又可减少10%的电能消耗。另外变频电源也用作制造或出口贸易商对出口电器产品的用电检测、调试及用于精密仪器的供电电源。广泛应用于家电制造业、电机、电子制造业、it产业、电脑设备、实验室等。 家电业制造商如：空调设备、咖啡机、洗衣机、榨汁机、微波炉、收录音机、冰箱、dvd、洗尘器、电动剃须刀等产品的测试电源。 电机、电子业制造商如：交换式电源供应器、变压器、电子安定器、ac风扇、不断电系统、充电器、继电器、压缩机、马达、被动元件等产品的测试电源。 it产业及电脑设备制造商如：传真机、影印机、碎纸机、印表机、扫描器、烧录机、伺服器、显示器等产品的测试电源。 实验室及测试单位如：交流电源测试、产品寿命及安全测试、电磁相容测试、oqc（fqc）测试、产品测试及研发、研究单位最佳交流电源。 航空/军事单位如：机场地面设施、船舶、航天、军事研究所等的测试电源。 铁路、高速公路：25hz、静频信号电源。1-3 matlab简介及仿真技术matlab 是美国mathworks公司出品的商业数学软件，是当今国际上科学界（尤其是自动控制领域）最具影响力、也是最有活力的软件。该软件是一个交互式系统，它的基本数据元素是矩阵，且不需要指定大小。通过它可以解决很多技术计算问题，尤其是带有矩阵和矢量公式推导的问题，有时还能写入非交互式语言如c和fortran等。广泛用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括matlab和simulink两大部分。matlab 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用 matlab 函数集）扩展了 matlab 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。matlab具有起点高，人机界面适合科技人员，强大而简易的做图功能，智能化程度高和功能丰富，可扩展性强的优点。它提供了强大的科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计、便捷的与其他程序和语言接口的功能。matlab 语言在各国高校与研究单位起着重大的作用。matlab以矩阵作为基本编程单元，它提供了各种矩阵的运算与作，并有较强的绘图功能。matlab集科学计算、图像处理、声音处理于一身，是一个高度的集成系统，有良好的用户界面，并有良好的帮助功能。matlab不仅流行于控制界，在机械工程、生物工程、语音处理、图像处理、信号分析、计算机技术等各行各业中都有极广泛的应用。 1. simulink自mathworks公司于1998年推出了matlab5.2版以后，在simulink中就开始增加了psb模块集，它主要由加拿大的hydro quebec和tecsim internation-al公司共同开发的，其功能非常强大，可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真，它提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制，在仿真前会自动将其变成状态方程描述系统形式，然后在simulink下进行仿真分析。 simulink是用于仿真建模及分析动态系统的一组程序包，它支持线形和非线性系统，能在连续时间，离散时间或两者的复合情况下建模。系统也能采用复合速率，也就是用不同的部分用不同的速率来采样和更新。simulin提供一个图形化用户界面用于建模，用鼠标拖拉块状图表即可完成建模。在此界面下能像用铅笔在纸上一样画模型。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。simulink拥有全面的库，如接收器，信号源，线形及非线形组块和连接器。同时也能自己定义和建立自己的块。模块有等级之分，因此可以由顶层往下的步骤也可以选择从底层往上建模。可以在高层上统观系统，然后双击模块来观看下一层的模型细节。这种途径可以深入了解模型的组织和模块之间的相互作用。在定义了一个模型后，就可以进行仿真了，用综合方法的选择或用simulink的菜单或matlab命令窗口的命令键入。菜单的独特性便于交互式工作，当然命令行对于运行仿真的分支是很有用的。使用scopes或其他显示模块就可在模拟运行时看到模拟结果。进一步，可以改变其中的参数同时可以立即看到结果的改变，仿真结果可以放到matlab工作空间来做后处理和可视化。上作均为所见即可得方式，用拖曳方式即可完成，同时支持鼠标右键快捷方式，对于复杂的交流电路，电力电子电路，动态电路和电气传动系统的仿真分析，无需编程，更感方便，可以节省大量的计算时间和耗材，大大提高了工作效率。模型分析工具包括线性化工具和微调工具，它们可以从matlab命令行直接访问，同时还有很多matlab的toolboxes中的工具。因为matlab和simulink是一体的，所以可以仿真，分析，修改模型在两者中的任一环境中进行，让用户更为方便。2. 系统仿真技术概述系统是由客观世界中实体与实体间的相互作用和相互依赖关系构成的具有某种特定功能的有机整体。系统的分类方法是多种多样的，习惯上依照其应用范围可以将系统分为工程系统和非工程系统。工程系统的含义是指由相互关联部件组成的一个整体，以实现特定的目的。例如电机驱动自动控制系统是由执行部件、功率转换部件、检测部件所组成，用它来完成电机的转速、位置和其他参数控制的某个特定目标。非工程系统的定义范围很广，大至宇宙，小至原子，只要存在着相互关联、相互制约的关系，形成一个整体，实现某种目的的均可以认为是系统。如果想定量地研究系统地行为，可以将其本身的特性及内部的相互关系抽象出来，构造出系统的模型。系统的模型分为物理模型和数学模型。由于计算机技术的迅速发展和广泛应用，数学模型的应用越来越普遍。系统的数学模型是描述系统动态特性的数学表达式，用来表示系统运动过程中的各个量的关系，是分析、设计系统的依据。从它所描述系统的运动性质和数学工具来分，又可以分为连续系统、离散时间系统、离散事件系统、混杂系统等。还可细分为线性、非线性、定常、时变、集中参数、分布参数、确定性、随机等子类。系统仿真是根据被研究的真实系统的数学模型研究系统性能的一门学科，现在尤指利用计算机去研究数学模型行为的方法。计算机仿真的基本内容包括系统、模型、算法、计算机程序设计与仿真结果显示、分析与验证等环节。3. 仿真软件的发展状况与应用早期的计算机仿真技术大致经历了几个阶段：20世纪40年代模拟计算机仿真；50年代初数字仿真；60年代早期仿真语言的出现等。80年代出现的面向对象仿真技术为系统仿真方法注入了活力。我国早在50年代就开始研究仿真技术了，当时主要用于国防领域，以模拟计算机的仿真为主。70年代初开始应用数字计算机进行仿真。随着数字计算机的普及，近20年以来，国际、国内出现了许多专门用于计算机数字仿真的仿真语言与工具，如csm，acsl，simnom，matlab/simulink，matrix/system build，csmp-c等。 1-4 matlab仿真技术在电力电子中的应用20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以变换和控制，产生了现代各种高效、节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产、交通运输、楼宇、办公、家庭自动化提供了现代化的高新技术。为了更高效的利用电能，不断的有新控制技术和算法出现。而且电力电子技术本身具有实践性、工程性和综合性的特点，波形分析和试验验证环节对于实际应用尤其重要。只靠手工的绘制图不仅效率不高，而且不能很好的显示出波形的动态变化。在电力电子的实际试验中用的都是功率器件，费用高、费时，而且危险性大。现在这些问题利用matlab得到了较好的解决。在matlab具有专门的仿真工具和电力系统模块库。因此，如何利用matlab软件的图形用户界面技术和仿真技术对电力电子技术进行仿真成了一个重要的研究方面。本论文研究背景及意义在matlab中提供了simulink和power systerm blockset工具箱，拥有一种很方便的建模环境，用户不用直接编写程序，而是通过交互命令方式建立、修改和调试模型，给电力电子技术中的各种电路的仿真提供了有利的条件，简化了仿真建模。电力电子技术仿真的所有元件模型都包含在matlab的电力系统模块环境中。在matlab提示符下键入powerlib命令。这个命令将打开simulink窗口。同时展示了电力系统模块工具箱中的不同子模块工具箱。在psb中几乎提供了组成电力系统的所有元件，元件模型丰富，包括：同步机，异步机，变压器，直流机，线性和非线性，有名的和标么值系统的，不同仿真精度的设备模型库，单相，三相的分布和集中参数的传输线，单相，三相断路器及各种电力系统的负荷模型，电力半导体器件库以及控制测量环节， 信号显示和模块连接等一般可以在simulink工具箱中找到。电气系统模块库以simulink为运行环境，涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型。运行simulink以后，打开blocksets&toolboxes，就能调出电气系统模块库powerlib。也可以在matlab的命令窗口，直接键入powerlib。它由以下6个子模块库组成。(1)电源模块库：包括直流电压源、交流电压源、交流电流源、可控电压源和可控电流源等。(2)基本元件模块库：包括串联rcl负载/支路、并联rcl负载/支路、线性变压器、饱和变压器、互感、断路器、n相分布参数线路、单相型集中参数传输线路和浪涌放电器等。(3)电力电子模块库：包括二极管、晶闸管、gto、mosfet和理想开关等。为满足不同目的的仿真要求并提高仿真速度，还有晶闸管简化模型。(4)电机模块库：包括励磁装置、水轮机及其调节器、异步电动机、同步电动机及其简化模型和永磁同步电动机等。(5)连接模块库：包括地、中性点和母线(公共点)。(6)测量模块库：包括电流和电压测量。在6个基本子模块库的基础上，根据需要，可以组合封装出常用的更为复杂的模块，添加到所需模块库中去。实际上，附加模块库(powerlib extras)中的“三相电气系统”就是用6个基本子库中的各模块构造并封装起来的。可以用“look under mask”命令打开其中的各模块，查看其内部结构以了解构造方法和规律。附加模块库中还包括：均方根测算、有功与无功功率测算、傅立叶分析、可编程定时器和同步触发脉冲发生器等。1-5 本论文完成内容本论文涉及的工作内容可包括两方面。第一为论述研究部分；首先对本设计所基于的设计环境matlab软件和变频电源的原理作介绍，概括了matlab软件和其中的simulink仿真工具的诞生和发展过程和简介其强大的仿真功能。接着给出了变频电源的硬件设计和软件设计，最后利用matlab中搭建仿真系统，调节器件参数后比较仿真结果。第二章 变频电源硬件设计变频电源主要结构分为以下几个部分。1. 整流器，它与单相或三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。2. 中间电路，有以下三种作用：a.使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用。b.通过开关电源为各个控制线路供电。c.可以配置滤波或保护装置以提高变频电源性能。3. 逆变器，将固定的直流电压变换成可变电压和频率的交流电压。4. 控制电路，它将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接收来自这些部分的信号。其主要组成部分是：输出驱动电路、操作控制电路。主要功能是：a.利用信号来开关逆变器的半导体器件。b.提供操作变频电源的各种控制信号。c.监视变频电源的工作状态，提供保护功能 基本构造如下图2-1.图2-1变频电源系统基本构造2-1整流单元及供电电源本系统采用变压器降压整流实现交直换，由于变频电源的输出为36v，最大输出电流为3a，即变频电源的输出功率为：p=考虑变频电源的工作效率和留有充足的余地，选择变压器的容量为300w。流经整流桥二极管的平均电流为：承受的反向电压最大值为60v，为留有余地本设计选用整流桥：kbpc602。为防止电网冲击和雷电危害，在变压器输入级并入一压敏电阻，且在输入端加入共模电感。原理图如第9页图2-2当变频电源刚接上电网时，滤波电容上的电压为0v，而直流母线电压为60v，振幅值为104v。为提高滤波效果，电容的容量取得较大，这样在上电瞬间会产生较大的冲击电流，可能损坏整流二极管。为此接入上电电阻。阻值取104/4=26欧姆。为了隔离功率回路和控制回路的电源，本系统另外设计了开关电源部分。单片机与驱动芯片的电源由开关电源提供。调制芯片采用uc3842，原理图如第9页图2-3。图2-2 整流单元原理图图2-3 开关电源原理图2-2逆变输出装置及其驱动电路1. 常用驱动电路逆变电路主要包括:逆变模块和驱动电路。由于受到加工工艺，封装技术，大功率晶体管元器件等因数的影响，目前逆变模块主要由日本(东芝,三菱,三社,富士,三肯。)及欧美(西门子,西门康,摩托罗拉,ir)等少数厂家能够生产。驱动电路作为逆变电路的一部分，对变频器的三相输出有着巨大的影响。驱动电路的设计一般有这样几种方式(1)分立插脚式元件组成的驱动电路;(2)光耦驱动电路;(3)厚膜驱动电路;(4)专用集成块驱动电路等几种。(1) 分立插脚式元件的驱动电路分立插脚式元件组成的驱动电路在80年代的日本和台湾变频器上被广泛使用,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)台湾(欧林,普传,台安.)等一系列变频器。随着大规模集成电路的发展及贴片工艺的出现,这类设计电路复杂，集成化程度低的驱动电路已逐渐被淘汰。(2) 光耦驱动电路光耦驱动电路是现代变频器设计时被广泛采用的一种驱动电路，由于线路简单，可靠性高，开关性能好，被欧美及日本的多家变频器厂商采用。由于驱动光耦的型号很多，所以选用的余地也很大。驱动光耦选用较多的主要由东芝的tlp系列，夏普的pc系列,惠普的hcpl系列等。以东芝tlp系列光耦为例。驱动igbt模块主要采用的是tlp250，tlp251两个型号的驱动光耦。对于小电流(15a)左右的模块一般采用tlp251。外围再辅佐以驱动电源和限流电阻等就构成了最简单的驱动电路。而对于中等电流(50a)左右的模块一般采用tlp250型号的光耦。而对于更大电流的模块，在设计驱动电路时一般采取在光耦驱动后面再增加一级放大电路，达到安全驱动igbt模块的目的。(3) 厚膜驱动电路厚膜驱动电路是在阻容元件和半导体技术的基础上发展起来的一种混合集成电路。它是利用厚膜技术在陶瓷基片上制作模式元件和连接导线，将驱动电路的各元件集成在一块陶瓷基片上，使之成为一个整体部件。使用驱动厚膜对于设计布线带来了很大的方便,提高了整机的可靠性和批量生产的一致性，同时也加强了技术的保密性。现在的驱动厚膜往往也集成了很多保护电路，检测电路。应该说驱动厚膜的技术含量也越来越高。 (4) 专用集成块驱动电路现在还出现了专用的集成块驱动电路，主要由ir的ir2111，ir2112，ir2113等，其它还有三菱的exb系列驱动厚膜。三菱的m57956，m57959等驱动厚膜。此外，现在的一些欧美变频器在设计上采用了高频隔离变压器加入了驱动电路中(如丹佛斯vlt系列变频器)。应该说通过一些高频的变压器对驱动电路的电源及信号的隔离，增强了驱动电路的可靠性，同时也有效地防止了强电部分的电路出现故障时对弱电电路的损坏。在实际应用中这种驱动电路故障率很低，大功率模块也极少出现问题。2. 驱动器件的选型和应用电路变频电源的开关器件常采用igbt或mosfet等全控型器件，该器件的开关动作需要靠独立的驱动电路来实现，并且要求驱动电路的供电电源彼此隔离(如单相桥式逆变主电路需3组独立电源，三相桥式逆变主电路需4组独立电源)，这样增加辅助电源的设计困难和成本，同时也使驱动电路变得复杂，降低了逆变器的可靠性。采用如exb840等专用厚膜集成驱动电路芯片虽然可以简化驱动电路的设计，但每个驱动芯片仍需要一个隔离的供电电源，且每个芯片仅可驱动一个功率开关器件，应用仍有不便。而美国国际整流器公司生产的专用驱动芯片ir2130由于其内部采用自举技术，使得功率元件的驱动电路仅需一个输入级直流电源即可实现对功率igbt或mosfet的最优驱动，还具有完善的保护功能。这样可以使整个驱动电路简单可靠。(1) ir2130驱动芯片的特点ir2130可用来驱动工作在母线电压不高于600v的电路中的功率mos门器件。它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络，使用户可方便的用来保护被驱动的mos门功率管，加之内部自举技术的巧妙运用使其可用于高压系统，它还可对同一桥臂上下2个功率器件的门极驱动信导产生2s互锁延时时间，避免上下臂直通。它自身工作和电源电压的范围较宽(320v)，在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的3个通道的高压侧驱动器和低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的3个低压侧驱动器，并且输入信号与ttl及coms电平兼容。第 34 页 共 35 页图2-4 ir2130引脚图ir2130引脚如上图2-4所示。vb1vb3：悬浮电源连接端，通过自举电容为3个上桥臂功率管的驱动器提供内部悬浮电源，vs1vc3是其对应的悬浮电源地端。hin1hin3、lin1lin3：逆变器上桥臂和下桥臂功率管的驱动信号输入端，低电平有效itrip：过流信号检测输入端，可通过输入电流信号来完成过流或直通保护。ca-、cao、vso：内部放大器的反相端、输出端和同相端，可用来完成电流信号检测。ho1ho3、lo1l03：逆变器上下桥臂功率开关器件驱动器信号输出端。fault：过流、直通短路、过压、欠压保护输出端，该端提供一个故障保护的指示信号。它在芯片内部是漏极。vcc、vss：芯片供电电源连接端，vcc接正电源，而vss接电源地。(2) ir2130内部结构及其工作原理ir2130的内部结构如下图2-5所示。图2-5 ir2130的内部结构它的内部集成有1个电流比较器current comparator，1个电流放大器current amp，1个自身工作电源欠压检测器undervoltage detector，1个故障处理单元fault logic及1个清除封锁逻辑单元clear logic。除上述外，它内部还集成有3个输入信号处理器input signal gen-erator两个脉冲处理和电平移位器pulse generator level shifter，3个上桥臂侧功率管驱动信号锁存器latch，3个上桥臂侧功率管驱动信号与欠压检测器，uv detector及6个低输出阻抗mos功率管驱动器driver和1个或门电路。正常工作时，输入的6路驱动信号经输入信号处理器处理后变为6路输出脉冲，驱动下桥臂功率管的信号l1l3经输出驱动器功放后，直接送往被驱动功率器件。而驱动上桥臂功率管的信号h1h3 先经集成于ir2130内部的3个脉冲处理器和电平移位器中的自举电路进行电位变换，变为3路电位悬浮的驱动脉冲，再经对应的3路输出锁存器锁存并经严格的驱动脉冲与否检验之后，送到输出驱动器进行功放后才加到被驱动的功率管。具体保护如下：1过流保护。电流检测元件dwi、r1送出的信号接至过流检测输入端im9脚），当外电路发生过流或直通，i，端电压高于05v时，ir2130内部保护电路使其输出驱动信号全为低电乎，从而使被驱动的m0s器件全部截止，保同护时了功率管，同时ir2130的fault（引脚8变为低电平，该信号接发光二极管进行故障报警，也可将其引入前一极控制电路封锁脉冲形成环节的输出。 2欠压保护。若ir2130的工作电源欠电压，与过流保护相似，内部的欠压保护电路使其输出驱动信号全为低电乎，同时从fault端输出故障信号。直到故障清除后，在信号输入端lin1lin3同时被输入高电平，才可以解除故障闭锁状态。 3逻辑封锁。当前一级控制电路的脉冲发生逻辑错误时，ir2130接受到功率元件同一桥臂高压侧和低压侧两功率器件的驱动信号全为高电平时，则ir2130输出的2路门极驱动信号全为低电平，从而可靠地避免桥臂直通现象发生。 (3) 采用ir2130的逆变器电路结构图2-6给出了ir2130驱动3相逆变装置的电路示意图。图中c5, c6, c7是自举电容，为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量，d14，d15，d16的作用防止上桥臂导通时的直流电压母线电压到ir2130的电源上而使器件损坏，因此d1应有足够的反向耐压。且为了满足主电路功率管开关频率的要求，其应选快速恢复二极管。r22，r24，r25组成过流检测电路。ir2130的hin1hin3、lin1lin3作为功率管的输入驱动信号与spwm产生电路连接。fault与单片机外部中断引脚连接，由单片机中断程序来处理故障。逆变电路中d4, d5, d6, d10, d11, d12为箝位二极管,防止栅级电压过高而损坏功率管。r4和r5是igbt的门极驱动电阻，一般采用10到几十欧。igbt选用irf580.图2-6 驱动电路原理图 2-3滤波输出及过压过流缺相检测与保护当过压过流和负载缺相时，为避免损坏器件或防止事故范围扩大，需对系统进行过压过流保护。本系统利用单片机检测，一旦发生过压过流和缺相，单片机控制继电器切断输入电路从而达到保护。1. 滤波输出从igbt输出的电压为脉冲序列，若带阻性负载，需加入低通滤波器将脉冲序列还原成正弦波，如图2-7所示。电容使用油浸电容，其具有较好的低频特性。图2-7 滤波电路原理图2. 过流检测直接采用ir2130的电流检测功能对负载电流进行检测。原理图如图2-8(实际是ir2130内部的电流放大器与外部电阻构成)：负载电流为i时,=i，当i4a时，单片机拉高protect端口,利用继电器切断输入，从而达到过流保护。图2-8 过流检测3. 电压与缺相检测由于要求输出电压值为稳定的36v，故必须采用闭环反馈控制。电压取样控制可采取母线电压取样也可以对输出进行取样。另外还需进行缺相检测，故采用输出取样。这样既能做缺相检测也可做电压检测。原理图下图2-9：图2-9 电压与缺相检测输出电压经电压互感器降压输入至ad637进行真有效值变换。本系统利用一颗ad637和一颗模拟开关cd4052，采用分时操作分别对三路信号进行采集。采集的信号送msp430单片机的ad口。2-4 变频电源的控制1. 变频电源控制方式的发展历程变频电源按功率分可分为大功率变频电源和小功率变频电源。变频电源的工作频率一般为0400hz，它的主电路都采用交直交电路。其控制方式经历了以下四代。以下讨论以电机负载为重点。(1) u/f=c的正弦脉宽调制（spwm）控制方式 其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。 (2) 电压空间矢量（svpwm）控制方式它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。(3) 矢量控制（vc）方式矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流ia、ib、ic、通过abc/dq变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流ia1ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流im1、it1（im1相当于直流电动机的励磁电流；it1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。 (4) 直接转矩控制（dtc）方式 1985年，德国鲁尔大学的depenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。 (5) 矩阵式交交控制方式 vvvf变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交交变频应运而生。由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是：控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式； 自动识别（id）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别； 算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制； 实现bandband控制按磁链和转矩的bandband控制产生pwm信号，对逆变器开关状态进行控制。 矩阵式交交变频具有快速的转矩响应（2ms），很高的速度精度（2，无pg反馈），高转矩精度（3）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150200转矩。本文采用第一种控制方式，即正弦脉宽调制（spwm）控制方式。2. spwm调制方式的选择载波比恒定的调制方式称为同步调制。同步调制时pwm脉冲在一个周期内的个数是恒定的，脉冲的相位也是固定的，将调制比设定为3的整数倍时，可以使输出波形严格对称，从而有效降低信号的谐波分量。但是，当逆变电路的输出频率比较低时，同步调制载波的频率也很低，过低时不易滤除调制带来的谐波，当逆变电路的输出频率很高时，同步调制载波频率也过高，这将使开关器件的开关损耗增大。载波信号和调制信号频率不保持同步的调制方式称为异步调制。异步调制时保持载波时钟频率不变，当调制正弦波的频率发生变化时，载波比跟随变化，在调制波的一个周期内pwm脉冲的个数不固定，相位也不固定。正负半周期脉冲不对称，半周期内前后周期的脉冲不对称，造成信号的谐波分量较丰富，给后级滤波电路造成困难。该系统的逆变器输出频率在20100 hz，输出信号的频率较低。设计采用sm2001作为逆变电路spwm控制信号的输出芯片。在异步调制方式下，当载波比很大时，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后周期的脉冲不对称造成的谐波分量都很小，pwm脉冲接近正弦波。本文设计的调制方式选择异步调制方式，载波频率固定为4khz。3. spwm专用芯片的选型与应用随着微处理器性价比的不断提高， 逆变电源已进入了智能化阶段， 可用集成元件来方便地组成控制电路。目前由集成元件实现的控制电路主要有专用集成芯片法和微机生成法。专用的生成spwm的芯片如sm2001，sa838、sa868、hef4752、sle480等。该方法的优点是电路集成度高、可靠性高;微机生成法控制电路由单片机采用软件方式产生，目前市场上有许多性价比高的单片机， 如pic系列或引脚少的mc51系列单片机，可用指令产生spwm，并可方便地实现对逆变系统的控制、监视、管理和保护。(1) sm2001简介sm2001是可产生三相spwm驱动波形的大规模集成电路。它的工作频率宽，合成正弦谐波小，调节方便、准确，保护电路完善，无需外部元器件，且有普通正弦波和高效电机驱动波两种波形的选择，可广泛用于交流异步电机的变频驱动，如变频空调、变频冰箱和变频洗衣机的控制驱动，各类工业水泵、风机的变频驱动，各类不间断电源（ups）以及其它一些需要三相spwm波形驱动的功率控制电路中。sm2001内部集成有三线串行接口、双波形正弦发生器(范围从0到200hz（时钟为20mhz时），步进频率为最大频率的1/255。)、幅度因子乘法器、pwm波形发生器、死区时间和窄脉冲控制电路、启动电路和保护电路等。其引脚如图2-10所示。其管脚说明如表1所列。其内部逻辑框图如图2-11所示。图2-10 sm2001引脚图表1管脚说明管脚名称类型功能说明1clki外部时钟输入脚10gndi 输出地2rsti复位脚，为低时复位芯片11wbiw相下桥臂驱动脚3csi串口片选脚，低通讯有效12vbov相下桥臂驱动脚4cki串口时钟脚，上升沿锁入数据13ubou相下桥臂驱动脚5dai串口数据脚14wtow相上桥臂驱动脚6oei输出控制脚，为高允许pwm输出15vtov相上桥臂驱动脚7inti异常中断脚，下降沿触发16utou相上桥臂驱动脚8wvsi内部波形选择，高效/普通17vddi正电源（5v）9gndi数字地18vddi正电源（5v）图2-11 sm2001内部逻辑框图sm2001设置了三个层次的安全保护。具体保护如下，一个是spwm输出的开启命令：在sm2001的设置中，有一条开启指令，在所有的初始化参数设置完成后，芯片并不是立即产生输出波形，只有在开启命令发布后，spwm波形才会输出，这是为了防止在系统未完成初始化时有错误的波形产生。而一旦开启spwm的输出后，再进行参数设置时，spwm的变化将立即出现，不再需要开启命令了。第二个保护是oe控制端，它是用于单片机的普通输出控制的。在sm2001上有一个使能控制端oe，接受控制系统的控制信号。当oe为高电平时，spwm完整输出波形，否则，输出将保持高电平静止状态。第三重保护是异常中断控制端int，主要是接受系统的异常信号，如输出短路、断相等异常信号。当外部检测电路发现异常，在int上产生一个负电平或负脉冲信号，sm2001的输出将立即截止，且反应时间小于200ns，大大高于普通采用单片机系统产生spwm波形的控制模式。在异常保护出现后，芯片将不能通过命令恢复输出（防止由于单片机的故障而产生错误的开启），只有在重新上电或rst复位后，芯片才能重新接受控制。sm2001有6个pwm输出端口，分别驱动u、v、w三相桥式功率开关，每相的信号由2路与ttl电平兼容的管脚输出。该信号通常是通过外部的隔离器件（如光耦）来驱动桥式电路。2个信号分别驱动某一相的上半桥臂和下半桥臂。本文采用sm2001驱动ir2130。由于sm2001采用了内部的大规模正弦波形发生器，所以输出的正弦波精度高，失真和谐波都很小，且由于采用参数设置的方式，各种微处理器都可以很方便地控制sm2001。由于是全数字化的设计，内部的波形发生器、乘法器、pwm波形产生电路的精度都高于最后实际的输出精度，所以产生的spwm波形具有非常高的准确度和稳定性。而精确的波形可以使功率输出电路的效率得到提高。sm2001完全可以作为微处理器的一个独立的外部电路工作。在设置初始化条件后，sm2001完全自动产生spwm驱动波形。只有当需要改变输出波形或处理异常中断等状态时，才需要微处理器的干预。其与单片机的连接的原理图如图2-12.2-12 sm2001与单片机的连接的原理图第三章 变频电源的软件设计3-1 控制模块设计本系统采用msp430单片机作为主控器件，利用spwm专用芯片sm2001产生spwm信号送驱动芯片ir2130。如第二章2-5所述，本系统采用闭环反馈控制以达到稳压输出的目的。 1. 程序流程图单片机作为主控器件，负责变频电源输出端的信号采集，键盘输入处理，显示界面的显示。单片机发出指令控制sm2001产生spwm信号，频率和末端电压幅值由键盘输入而改变。程序流程图如图3-1。图3-1 程序流程图2. sm2001初始化sm2001的工作状态和输出信号的参数是由内部的寄存器控制。寄存器大小为8bit，地址用3bit的二进制码表示。故通讯数据为11bit。以下对内部控制寄存器进行说明。(1) 频率控制寄存器pfr(地址011)控制三相spwm波的频率，256级选择精度，地址为011。它控制输出的pwm合成的正弦波的频率，三相波形的频率是相同的，通过此寄存器进行选择。b7b6b5b4b3b2b1b0pf7pf6pf5pf4pf3pf2pf1pf0输出的三相波频率fsin由式（1）算出fsin=fclkpfr/(512192256) （1）式中：fclk是系统时钟的频率；pfrpfr寄存器的值(0255)。例如：如果时钟频率为20mhz，pfr=63，则三相正弦波的频率为50.1hz。(2) 调制度控制寄存器ampr(地址010)改变输出三相波的幅度，256级选择精度，地址为010。它控制输出的pwm合成的正弦波的幅度，三相波形的幅度是相同的，通过此寄存器进行选择。b7b6b5b4b3b2b1b0amp7amp6amp5amp4amp3amp2amp1amp0输出的三相波幅度asin由式（2）算出asin=（dc*ampr/255）100 (2)式中：dc为后级功率电路的直流电压, amprampr寄存器的值（1255）。例如：如果后级功率电路的直流电压为60v，ampr=217，选取纯正弦波输出，则输出正弦波的峰值电压为51.05v，有效值电压为36.1v。(3) pwm开关频率和窄脉冲寄存器fpdr（地址001）设置pwm载波的开关频率和要删除的无效窄脉冲宽度，地址为001。pwm的开关频率是后级大功率管或大功率模块的重要参数之一，它往往取决于后级功率电路的开关时间、工作效率等要求。b7b6b5b4b3b2b1b0cf1cf0pd5pd4pd3pd2pd1pd0pwm频率选择位cf1、cf0。当cf1、cf0为11、10、01、00时，其对应的分频系数n则分