（电力电子与电力传动专业论文）基于sa8281的spwm变频调速控制系统.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w m lt h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lt e c h n o l o g y , t h ea p p l i c a t i o no fv a r i a b l ev o l t a g e v 撕a b l ef r e q u e n c y ( v v v dm o t o rd r i v ei su s e dw i d e l v o w i n gt ot h e s ec o n d i t i o n s ，i ti s w o r t h yo fe n h a n c i n gi t sc a p a b i l i t i e sa n da tt h es a m et i m eb r i n g i n gd o w ni t sp r i c e s p w mf r e q u e n c yc o n v e r s i o ua sak i n do fn e w t e c h n i q u ei sr i s e ni nr e c e n ty e a r s w e c a ng e tt h ev o l t a g eo u t p u t ，w h i c hi sc l o s et ot h es i n ew a v eb ya d o p t i n gt h i st e c h n i q u e m e a n w h i l e ，w ec a nc o n t r o lt h ev o l t a g eo l l t p u tb yc h a n g i n gp u l s ew i d t h i th a sv e r yf a s t d y n a m i cr e s p o n s e 佻t h e s i sh a sar e s e a r c ho nt h e s et e c h n o l o g i e s ：v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l e f r e q u e n c ym o t o rd r i v e 。i n v e n e r a n dt h ec r e a t i o np r i n c i p l eo fs p w m b a s e do nt h e r e s u l t so ft h es t u d y , id e s i g n e das y s t e mo fan e wd i g i t a lt h r e ep h a s e sv v 、，fm o t o r d r i v es y s t e m i tu s e sa s i c s a 8 2 8 1c o n t r o l l e db v 钮8 9 c 5 1a sm a i nc o n t r o l l i n gc o r e 。i t u s e si g b ta sp o w e rd e v i c e ，a n du s e si r 2 1 1 0a sd r i v e i tu s e sd i o d e sa sc o n v e r t i n g c i r c u i tu n i t w h i c hm a k e sp o w e rf a c t o rc l o s et o1 b e c a u s eio n l yn e e dt oc o n t r o l i n v e r t e r , t h ew h o l ec i r c u i ti sv e r ys i m p l e ia d o p tt h em e a n so fl i n e a rv fo p e r a t i o n 、d o u b l ee d g e dr e g u l a rs a m p l i n ga n d c o m p e n s a t i o ni nl o wf r e q u e n c y a tt h es a m et i m e ，i ti sv e r yc o n v e n i e n tt oi n p u t p a r a m e t e r so rc h a n g et h ed r i v e so p e r a t i n gm o d ed u et ot h es o f t w a r ep r o c e d u r e m o r e o v e r , o w i n gt ot h ea d v a n t a g e so ft h en e wi n t e g r a t e dp a r t s ，i tc o s t sl e s st i m et o d e v e l o pt h i sm o t o rd r i v e t h i st h e s i sh a sa l s od e t a i li n t r o d u c e dt h em e t h o do ft h eu s a g ea n dt h ep r o g r a m so f t h et h r e ep h a s e ss p w mw a v eg e n e r a t o rs a 8 2 8 1 t h es o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r eo ft h e c o n t r o lp a r ti ns y s t e mh a v eb e e nc o m p l e t e d h a v i n gd o n et h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ee x p e r i m e n t s ，ig o ta ni d e a lc o n t r o lw a v e f o r mo nt h ec o n t r o lc i r c u i ta tl a s t t h ew a v ef o r m sa l m o s tm e e tt h er e q u e s t st h a tl t h o u g h tb e f o r e t h r o u g l la n a l y z i n gt h ep r o b l e m st h a te x i s tt h r o u g h o u tt h ee x p e r i m e n t s ，i p o i n to u tt h ed e f i c i e n c i e sa n dt h ep r o p o s ef u t u r ed i r e c t i o nf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：m i c r oc o n t r o l l e r , s a 8 2 8 1w a v eg e n e r a t o r , v a r i a b l ef r e q u e n c yc o n t r o l ，s i n ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s p w m ) 佩1 i 亡工繁火港 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：亥狐诹 日期：翻年5 月l 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：亥堍赴 日期：幽司年s 月i 日 指导教师签名 日期：神年 日 湖北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 本章作为引言，主要介绍了p 删控制技术的发展和现状，s p w m 变频技术的应 用以及该课题的研究意义与价值，最后简要归纳了本课题的研究任务并对文章安 排做了简要介绍。 1 1 p w m 控制技术的发展和现状 p w m 控制技术是利用半导体器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电 压脉冲序列，以实现变频、变压及控制和消除谐波为目的的- f l 技术“1 。在自关断 器件出现并成熟后，p w m 控制技术就得到了很快的发展，p w m 型逆变电路获得了广 泛的应用，现在p w m 控制技术已成为电力电子技术中一个非常重要的组成部分， 它对提高电力电子装置的性能，推动电力电子技术的发展起着巨大作用。 p 1 v m 技术的应用克服了相控原理的所有弊端，提高了电机的功率因数和输出功 率。1 。常用的p w m 技术根据形成p 1 v m 波原理的不同，大致可以分为以下几种：矩形 波p w m 、正弦波p w m ( s p v n i ) 、空间相量p 删( s v 劬、特定谐波消除p 删、电流滞环 p 删等。 s p i j y i ( s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 技术，是调制波为正弦波、载波 为三角波或锯齿波的一种脉宽调制法，它是1 9 6 4 年由a s c h o n u n g 和h s t e m l e r 把通讯系统的调制技术应用到逆变器中而产生的，后来由b r i s t o l 大学的s r b o w e r 等于1 9 7 5 年对该技术正式进行了推广应用。 s p w m 正弦脉宽调制法这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有开关频率 固定，控制和调节性能好，能消除谐波使输出电压只含有固定频率的高次谐波分 量，设计简单等一系列优点，是一种比较好的波形改善法。它的出现为中小型逆 变器的发展起了重要的推动作用。s p w m 技术成为目前应用最为广泛的逆变用p 州 技术。 根据生成p w m 波形的实现方式可以分为模拟控制和数字控制两种形式。1 ，传统 的模拟控制在逆变器中应用广泛，技术成熟，控制性能优良，但模拟控制也存在 一些缺陷：元件众多，设计周期长，调试复杂，不易管理维护等。 随着数字信号处理技术的蓬勃发展，数字控制技术已经成功地应用到电力电 子与电力传动控制领域中来，逆变器的数字控制逐渐成为研究热点。各种数字控 制器件中，数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 成为逆变器数字控制 湖北工业大学硕士学位论文 的首选。以t i 公司的t m s 3 2 0 系列d s p 最具代表性，它通过软件编程生成p w m 。采 用数字化控制，不仅可以大大降低控制电路的复杂程度，提高系统设计和制造的 灵活性，而且可以采用更先进的控制方法，从而提高逆变系统输出波形的质量和 可靠性。 但是，以8 0 c 1 9 6 m c 或t m s 3 2 0 f 2 4 0 “1 为核心组成的控制电路，能实现波形产生 的全数字化控制，但系统较复杂，软件工作量大，研制周期长。而且数字控制器 的运算处理能力毕竟是有限的，当c p u 运算任务繁重或资源不足时，无法完成复 杂的数字调节器运算，若选用功能更强大的c p u ，设计成本就会明显增加，降低了 产品的竞争力。鉴于上述原因，在有些应用场合，模拟数字混合控制逆变器因其 较高的性价比而具有较大的实用价值。 近年来，随着新型全数字化专用p w m 生成芯片h e f 4 7 5 2 、s l e 4 5 2 0 、s a 8 6 6 、m a 8 1 8 等达到实用化，加速了p w m 技术的全数字化进程。在本课题中，我们选用了英国 m i t e l 公司的专用集成芯片s a 8 2 8 1 作为波形发生器，该p w m 波形发生器与微处理 器接口方便，几乎不用加任何的逻辑电路即可构成完整的s p 帆, i 控制电路，而且只 有需要改变初始化寄存器或控制寄存器中的数据时才需要微处理器的直接干预， 电路结构紧凑，提高了系统的集成度和可靠性，利于降低成本。 1 2s p w m 变频技术的应用 今天，电气传动作为一个重要行业，广泛应用于社会生产，生活的各个方面， 一直得到国家的重视。电气传动中电机调速是电力电子技术应用的最大领域之一， 具有极大的吸引力，同时具有较强的挑战性0 1 。 电机调速分为交流调速和直流调速两种方式，随着全球性的能源危机使人们 对能源的绿色利用越来越重视，可节约1 5 2 0 或更多能源的交流变频调速技 术是当今节电改善工艺流程以提高产品质量和改善环境，推动技术进步的一种 主要手段，其发展极其迅猛。变频调速技术在不到2 0 年的时间里，已被国内外公 认为是最理想，最有发展前途的一种调速方式了。 交流变频调速技术”1 是强弱电混合、机电一体的综合性技术，具有优异的调 速启动，制动性好，高效率，高功率因数和节电效果及广泛的适用范围等优点。 交流异步电机变频调速系统种类非常多，也有着各种各样的分类方法，从控制方 法实质的角度可以将交流电机调速系统分为标量控制方法和矢量控制方法。标量 控制方法比较适合于动态和静态性能要求不高的场合，矢量控制方法需要实现转 子参数辨识，控制系统比较复杂，在近几年才逐渐进入实用。目前国内调速系统 2 湖北工业大学硕士学位论文 仍旧是以标量控制方法的系统为主”。 p w m 控制技术一直是变频技术的核心技术之一。1 9 6 4 年a s c h o n u n g 和 1 1 s t e m m l e r 首先把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用 开辟了新的局面。现在的交流电机变频调速系统大多数是采用p w m 调制的方式来 实现各种控制方法。变频调速系统采用p w m 技术不仅能够及时准确地实现变压变 频控制要求，而且更重要的意义是抑制逆变器输出电压或电流中的谐波分量，从 而降低或消除了变频调速时电机的转矩脉动，提高了电机的工作效率，扩大了调 速系统的调速范围。 p w m 控制技术应用面极其广泛，例如机床、电动工具、电力机车、机器人、家 用电器、计算机的驱动器、汽车、船舶、轧钢、造纸和纺织行业等等都是采用了 p w m 逆变技术。另一个主要应用领域就是不问断电源，在通信系统、航空管理系统、 国防系统、医疗系统以及银行、电信等重要用电系统和部门，如果供电突然中断 或者供电质量达不到要求，极易造成数据丢失、系统运行异常甚至瘫痪，从而引 起难以估量和挽回的损失，均要求对其持续提供频率和幅值稳定、无浪涌、无尖 峰干扰的优质交流电源。1 。 1 3 本课题的意义 在电力拖动领域，解决好电动机的无级调速问题具有十分重要的意义，不仅 可以提高工作效率，减少设备的体积与重量，还可以大大节约能源，然而，从总 体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距1 0 1 5 年旧。目前，国内变 频调速系统的研究非常活跃，但是在产业化方面还不是很理想，市场的大部分还 是被国外公司所占据。 综上所述，本课题在节能和实际应用等诸多方面具有极其重要的社会环保意 义和巨大的市场经济价值。 1 4 本文主要内容和主要结构 本人在课题的进行当中，主要作了以下工作： ( 1 ) 通过调研查找了大量与本课题有关的资料，并进行了细致的消化。 ( 2 ) 在消化吸收的基础上，设计了一种三相异步电动机变频调速控制系统，该 系统以a t 8 9 c 5 1 控制专用集成芯片s a 8 2 8 1 为控制核心，采用恒压频比和低压补偿 的控制策略，完成了控制电路硬件和软件的调试，在控制端测到较理想的控制波 形，基本达到了预想的要求。 湖北工业大学硕士学位论文 课题主要结构安排如下： ( 1 ) 第一章作为引言，主要介绍了p w m 控制技术的发展和现状，s p w m 变频技术 的应用，本课题的研究意义与价值，最后简要归纳了本课题的研究任务。 ( 2 ) 第二章是整个课题研究的理论基础。主要有变频调速的工作原理，逆变器 的工作原理以及s p y m 正弦脉宽调制波形发生原理。 ( 3 ) 第三章设计了整个异步电机变频调速控制的系统方案。 ( 4 ) 第四章介绍了专用集成芯片s a 8 2 8 1 ，完成了整个系统控制部分的软硬件设 计，是本课题的关键。 ( 5 ) 第五章是实验取得的波形以及本课题的简要总结，并提出了需要进一步改 进与完善的工作内容。 4 湖北工业大学硕士学位论文 第二章技术理论基础 本章是整个课题研究的技术理论基础。主要分析了变频调速的基础知识，逆 变的基本原理以及s p i 釉i 正弦脉宽调制波形发生原理等相关理论。 2 1 变频调速的基础知识 2 1 1 变频调速的基本原理 由电机学“”可知，交流异步电动机转速公式2 1 ，其转速为： 厅；6 0 f 0 一s 、 ( 2 1 ) p 式中：f 为电机定子供电频率，s 为转差率，p 为电机极对数 从式( 2 1 ) 可以看出，异步电动机的调速方式有三种： ( 1 ) 改变极对数p 的变极调速方式，此方法简单，机械特性较硬，但变极调 速是有级调速，无法实现无级调速。 ( 2 ) 改变转差率s 的调速方式，此方法通过在转子回路串电阻或改变定子端 电压等方式可以实现无极调速，但是这些调速方法多数是耗能型调速方法，效率 低或者可靠性比较差。 ( 3 ) 变频调速方式，调节电源频率f 实现无极调速。实践证明只有变频调速 方法调速范围大，平滑性好，并且具有较高的力能指标，是一种最有前途的较理 想的调速方式。 三相异步电机定子每相电动势有效值是： e s 一4 4 4 f n l k 1 中m ( 2 2 ) 式中k 。：与电动机绕组结构有关的常数； ：定子每相绕组串连匝数为常数。 在调节转速的同时，调速系统应具有优良的机械特性“”。但是我们必须注意 到在单纯调节频率的情况下，如果频率增大，磁通下降，异步电动机电磁转矩将 减小，调速系统会失去恒转矩机械特性，还有可能造成电机堵转。反之，如果磁 通上升，又会使电机磁路饱和，电机铁损增加，电机铁心过热，不仅会使电机输 出效率大大降低，而且有烧毁电机的危险。 上述分析表明：在变频调速过程中，必须随时保持由。不变。频率f 必须与电 湖北工业大学硕士学位论文 动势e 。同步升降即e , f = 常值。 所以，变频的同时也必须变压，这也就是变频器被简称为v v v f ( v a r i a b l e v o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ) 的原因。 然而由于感应电动势e 。难以检测和控制，实际可以检测和控制的是定子电压。 稳态情况下异步电动机定子每相电压与每相感应电势的关系为 u s = 如+ i ，z | h 陋m i - i + ，+ h 皿s l 驰 2 3 ) 式中：i ，为定子相电流：i 。为励磁电流；凡为定子每相绕组电阻；厶为定、转 子之间的互感；厶，为定子绕组每相漏感。 分析式2 3 ，当定子频率f 5 较高时，感应电动势的有效值e s 也较大，这时可 以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降矗z j ，认为定子相电压u s ae s ，即为 u ；f 。= c 。由= c( 2 4 ) 这是电压与频率之比为常数的恒压频比控制方式“”，在实际工程中可以以u s 代替e 。而获得。其控制特性如图2 1 a 线所示： u s u s n 0 f s nf s 图2 1 恒压频比控制特性 由于恒压频比控制方式成立的前提条件是忽略了定子阻抗上的压降。但是在 定子频率f s 较低时，由式( 2 3 ) 可知，定子感应电动势有效值e s 也变小了，式 2 3 中惟有矗凡项并不减小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不再能被忽 略。吐一赢不再成立。为了让u s f s = c 的控制方式在低频情况下也能应用，这时 往往在实际工程采用人为地把定子相电压有效值u s 适当地抬高，以便近似地补偿 定子阻抗压降的影响。带定子压降补偿的后的u s f s = c 的控制特性如图2 1 ( b ) 线 所示。 在基频以下调速时，如果不进行定子阻抗压降补偿，u s f s = c 的控制原则失效， 异步电动机势必处于弱磁工作状态，异步电动机的最大转矩必然严重降低，导致 电动机的过载能力降低。也就是说在低频情况下通过定子阻抗压降补偿后，电动 机的最大转矩得到了提升，因此，通常把定子阻抗压降补偿措施也称之为转矩提 升。 湖北工业大学硕士学位论文 2 1 2 恒压频比控制方式的机械特性 三相异步电动机的机械特性“”方程式为 您曼 q 1 _ o 嫂一 ( 2 5 ) t a l + 等，2 + ? c l ，+ ：，2 】 式中，r ：为折算到定子侧的转子每相电阻；t 为折算到定子侧的转子每相漏感，。 将式( 2 5 ) 对s 求导，并令d t e d s = 0 ，可求出最大电磁转矩t e l i l a x 和对应的转薯 率s 分别如式( 2 6 ) ( 2 7 ) t e m a x 。卜罂丝司 ( 2 6 ) 孙。帆+ 砰+ 讲i 。+ 工：) 2j 砌。! !( 2 7 ) 砰+ ；( 工。+ ：) 2 三相异步电动机的同步转速n o 为 n o 。_ ( 3 0 0 ) i ( 2 8 ) 。= 一 z 8 j 上7 7 j p 带负载时的转速降落血为： a n - - s n o 。旦j q ( 2 9 ) 4 矾口 当o s s m 时，由于s 很小，可将式( 2 5 ) 变形后忽略中分母中含有s 的各项， 并可以推导出 ”蕊 知( 二) 2 l ( 2 1 0 ) 由此可见，当u 1 w ，一c 时，对于同一转矩t e ，跚 是基本不变的，因而转速 降落血( 缈) 也是基本不变的见式2 9 。这就清楚地说明了，在恒压频比控制条件 下，当频率由基频向下降低时，其机械特性曲线基本上是平行下移( 降低) 的， 或者说随着频率的降低，机械特性是一簇平行下移的曲线，如图2 2 所示。 在恒压频比的情况下，即u 。o j ，一c 式( 2 6 ) 可以变化关系式为： t e m a ) 【。挈( 马： ! ( 2 1 1 ) 2 、甜t r 1 + 、隔：也+ 工：) z 7 湖北工业大学硕士学位论文 由式( 2 1 1 ) 可以看到，t e m a x 是随着，的降低而减小如图2 2 中实线所示。 频率很低时，t e m a x 太小将限制调速系统的带载能力。 同时由式( 2 6 ) 可以看出，当u s f s = c 时，初始启动转矩( s = 1 ，n = o ) 在 低频很低时也变小。如图2 2 中w 。所示的特性曲线。 对于上述两种情况，如前面所述，可采用定子阻抗压降补偿措施，即适当提高 电压u s ，以改善低频时的机械特性，如图2 2 中虚线所示。 图2 2 恒压频比控制方式的机械特性 2 1 3 其它控制方式 1 转差频率控制 它是解决v f 控制静态性能较差的一种有效方法。虽然这种方法可以提高调 速精度，但是它需要使用速度传感器来求取转差角频率，还要针对具体电机的机 械特性调整控制参数，因而此方法的通用性较差“。 2 矢量控制 在高性能的异步电机控制系统中多采用交叉闭环控制的矢量控制。采用矢量 控制方式的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。虽然这一理论的提出是 交流传动理论上的一个飞跃，但是由于它既要确定转子的磁链，又要进行坐标变 换，还要考虑转子参数变动带来的影响，所以系统非常复杂。矢量控制变频器通 常应用于轧钢、造纸设备等对动态性能要求较高的场合。 国内现在使用的变频器多数采用的是v f 控制方式“，这不仅仅是技术上的 原因，而是由中国的国情决定的。采用矢量控制的高性能变频器调速精度高，性 能优越，但价格昂贵，且在许多场合并不需要非常高的精度。而采用v f 控制的 变频器则便宜得多，调速精度也足以满足般负载的要求，从而对于国内许多老 8 湖北工业大学硕士学位论文 设备的调速改造极为有利，为其在中国的大规模应用打开了方便之门。 2 2s p w m 的基本原理 脉宽调制( p 删) 技术是利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电压变 成一定形状的电压脉冲序列，实现变压、变频控制并消除谐波的技术。 脉宽调制技术在逆变器中的应用，对现代电力电子技术、现代调速系统的发 展起到了极大的促进作用。近几年来由于场控自关断器件的不断涌现相应的 高频s p w m ( 正弦脉宽调制) 技术在电机调速中得到了广泛应用，不仅能及时、准确 地实现变压变频控制技术，而且更重要地是抑制逆变器输出电压或输出电流中的 谐波分量，从而提高了电机的工作效率，扩大了调速系统的调速范围。 实际工程中目前主要采用的p w m 技术是正弦p _ | v m ( s p w m ) ，这是因为变频器输出 的电压或电流波形更接近于正弦波形“。 2 2 1s p w m 基本原理 在采样控制理论中有一个冲量等效原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在 具有惯性的环节上时如作用于l 、r 电路时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的 面积；这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。这一结论 是p w m 控制的重要理论基础。 名为s p b i ，就是期望其输出电压是纯粹的正弦波形，下面来分析一下如何用 一系列等幅而不等宽的脉冲代替一个正弦波，即s p w m 控制方式的原理。 如图2 3 ( a ) 所示，这些脉冲宽度相等，都等于n n ，但幅值不等，且脉冲项 部为曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等 幅而不等宽的矩形脉冲序列来代替，使矩形脉冲的中点和对应正弦等分的中点重 合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积( 冲量) 相等，就得到图2 3 ( b ) 所示的脉 冲序列，这就是p w m 波形。 可以看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变化的，根据冲量相等效果相同的原 理，p w m 波形和正弦波是等效的。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等 效的p w m 波形，也称为s p w m 波形“”。 s p v m i 控制方式的原理图，如图2 3 所示： 湖北工业大学硕士学位论文 图2 3 ( a ) 正弦电压( b ) s p w m 等效电压 2 2 2s p w m 的控制模式及其实现 在微机控制技术迅速发展的今天，使数字控制成为s p w m 目前最常用的控制方 法“”，即软件生成s p 删波形。常用方法有：自然采样法，规则采样法，低次谐波 消去法。 自然采样法和低次谐波消去法所得的波形也很接近正弦波，但是计算复杂， 工作量大，因而在工程上实际使用并不多；规则采样法是一种应用较广的工程实 用方法，它的效果与前者接近，但计算量却小的多。 从提高系统力能指标考虑，s p w m 生成时应注意以下几点， 调制比应为3 的整数倍 尽可能抑制3 k 一1 次谐波电压( k 为整数) ，尤其是低次 下面介绍一种采用规则采样法生成调制波的一种方法： 产生正弦脉宽调制s p w m 的基本原理是：用一组等腰三角形波与一个正弦波进 行比较，如图2 4 所示，其相交的时刻( 即交点) 来作为开关管“开”或“关” 的时刻。弦波大于三角波时，使相应的开关器件导通：当正弦波小于三角载波时， 使相应的开关器件截止。 将这组等腰三角形称为载波；而正弦波则称为调制波。正弦波的频率和幅值 是可控制的。如图2 4 所示，改变正弦波的频率，就可以改变输出电源的频率， 从而改变电动机的转速；改变正弦波的幅值，也就改变了正弦波与载波的交点， 使输出脉冲系列的宽度发生变化，从而改变了输出电压。 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 0 图2 4s p w i 被生成原理 按照s p w m 控制的基本原理，s p w m 控制波形的产生一般有以下方式“”： ( 1 ) 用分立元件电路产生。可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发 生电路，主要由三角波发生器、正弦波发生器和比较器组成。用比较器来确定它 们的交点，在交点时刻对功率开关器件进行控制，就可以生成s p w m 波形。但这种 模拟电路结构复杂，难以实现精度的控制，因此一般很少采用。 ( 2 ) 用专用集成芯片产生。专用集成芯片功能强大，输出波形质量高，应用 比较广泛。目前国内外厂家普遍采用传统的以h e f 4 7 5 2 。1 和s l f a 5 2 0 为主控芯片组 成的三相脉宽调制逆变器控制电路，1 1 e f 4 7 5 2 由于开关频率较低，只能用于6 t r 电 路，现在已基本淘汰o ”；s l f a 5 2 0 虽可用于开关频率较高的i g b t ，但由于采用单 缘调制性能不够理想，需由微处理器逐个开关周期提供脉宽数据，c p u 负担仍较重。 且这两种控制电路都具有需要较多的外围元件，且编程较复杂等缺点。本文介绍 了一种新型的产生三相p w m 波形的专用集成电路s a 8 2 8 1 ，是英国m i t e l 半导体公 司最近独家生产的新型三相s p 州交流电机用脉宽调制芯片( 详细介绍见第四章) ， 该p w m 波形发生器与微处理器接口方便，简化硬件电路和软件设计，降低成本，提 高可靠性，对系统资源占用极少，在低成本逆变器中有着广阔的应用前景。 2 3 逆变原理 逆变( d c a c ) 技术是电力电子技术的重要组成部分，是把直流电变成交流电的 过程，完成逆变功能的电路称为逆变电路。这种能量的变换对节能、减小环境污 染、改善工作条件、节省原材料、降低成本和提高产量等方面均起着非常重要的 作用。众所周知，交一直一交逆变器具有较易地把直流电逆变成交流电的性能， 1 1 湖北工业大学硕士学位论文 因此，在频率的调节范围以及改善变频后电动机的特性等方面，都具有明显的优 势，其应用十分广泛1 。 逆变电路根据直流侧电源性质不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压 型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。它们也分别被称为电压源 型逆变电路和电流源型逆变电路。 电压型逆变电路在直流侧接有大电容，相当于电压源，直流电压基本无脉动， 直流回路呈现低阻抗的特点。本节主要介绍电压型逆变电路的基本构成，并分析 其工作原理。 2 3 1 单相全桥逆变电路 首先通过单相逆变桥的工作情况来看一下直流电是如何“逆变”成交流电的。 单相逆变桥的构成如图2 5 所示，它共有两个桥臂，可以看成由两个半桥电路组 合而成。t 1 t 4 接成桥形电路，两端加直流电压v 。，负载x 接至两“桥臂”的中 点a 与b 之间。 如图2 5 单相逆变电路 现在对负载进行分析是怎样得到交变电压的。把t l 和t 4 作为一对，t 2 和t 3 作为一对，成对的两个管子同时导通，并且各交替导通1 8 0 。 1 、前半周期 令t 1 和t 4 为通态，t 2 和t 3 为断态，则负载的电压为a “+ ”、b “一”， 设这时的电压为“+ ”。 2 、后半周期 令t 2 和t 3 为通态，t 1 和t 4 为断态，则负载的电压为a “一”、b r 。 电压的方向与前半周期相反，为一”。 上述两种状态如能不断地交替进行，则负载上所得到的便是交变电压了，这 就是把直流电“逆变”成交流电的工作过程，所得到的负载电压波形如图2 6a 。 湖北工业大学硕士学位论文 这就是逆变最基本的原理“。 当负载为电阻性时，负载电流i 。和电压v a b 的波形形状相同，相位也相同见 图2 6 a 所示。 当负载为感性时，我们对负载电流进行分析：前半周期t 1 时刻以前t 1 和t 4 为通态，t 2 和t 3 为断态。t 1 时刻给t l 和t 4 关断信号，给t 2 和t 3 开通信号， 则t l 和t 4 关断，但感性负载中的电流i 。不能立即改变方向，于是d 2 和d 3 导通 续流。当t 2 时刻i 。降为零时，d 2 和d 3 截止，t 2 和t 3 开通，i 。开始反向。同样 后半周期也需要d l ，d 4 续流。这样i 。相位落后于v a b ，两者的波形形状也不同， 波形图见图2 6 b 所示。 2 3 2 三相电压型逆变电路 图2 6 ( b ) 感性负载电流 三相交流负载需要三相逆变器，在三相逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆 变电路口盯。采用i g b t 作为可控元件的电压型三相逆变电路如图2 7 所示，可以看 出电路由三个半桥组成。 图2 7 三相逆变电路 湖北工业大学硕士学位论文 电压型三相逆变桥的基本工作方式与单相逆变桥相同，也是1 8 0 0 导电方式， 即每个桥臂的导电角度为1 8 0 0 ，同一相( 同一半桥) 上下两个臂交替导电，各相 开始导电的时间依次相差1 2 0 。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可 能是上面一个臂，下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为 每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此，也被称为纵向换流。 用t 记为周期，只要注意三相之间互隔t 3 ( t 是周期) 就可以了，即b 相比a 相滞后t 3 ，c 相又比b 相滞后t 3 。 具体的导通顺序如下： 第1 个t 6 ：y l ，v 6 ，v 5 导通，v 4 ，v 3 ，v 2 截至： 第2 个t 6 ：v 1 ，v 6 ，v 2 导通，v 4 。v 3 ，v 5 截至： 第3 个t 6 ：v l ，v 3 ，v 2 导通，v 4 ，v 6 ，v 5 截至： 第4 个t 6 ：v 4 ，v 3 ，v 2 导通，v 1 ，v 6 ，v 5 截至： 第5 个t 6 ：v 4 ，v 3 ，v 5 导通，v 1 ，v 6 ，v 2 截至： 第6 个t 6 ：v 4 ，v 6 ，v 5 导通，v 1 ，v 3 ，v 2 截至。 下面来分析电压型三相桥式逆变电路的工作波形。 1 对于a 相输出来说，当桥臂l 导通时，u 。一去吼； 二 1 当桥臂4 导通时，u a d - 一去玑。 二 1 因此，【，。的波形是幅值为妄玑的矩形波。b ，c 两相的情况和a 相类似，【厂。，( 厂c d 二 的波形形状和u 。相同，只是相位依次相差1 2 0 。 三相逆变电路输出电压波形如图2 8 所示。 图2 8 三相逆变电路输出电压波形 图中可以看出，这种逆变器每个开关器件在一个开关周期中仅通、断状态转 换一次，输出线电压每半周中仅一个脉波电压( 1 2 0 。方波) ，相电压为阶梯波， 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 逆变器输出电压中的基波仅取决于直流电压v 。的大小而不能调节控制，且谐波含 量大。 对于三相逆变器可以采用s p w m 控制方式。“，在输出电压的每一个周期中，各 开关器件通、断转换多次，既可实现调节、控制输出电压的大小，又可消除低次 谐波而改善输出电压波形。通常采用三相调制参考正弦波电压与三角载波相比较 产生驱动信号去控制六个全控开关器件，从而控制逆变器输出的三相交流电压的 瞬时值。a 、b 、c 三相相电压波形如图2 9 所示。 图2 9 三相逆变器s p m , t 控制原理 在上述1 8 0 。导电方式单相和三相电压型逆变电路中，为了防止同一相上下两 桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源短路，要采取“先断后通”的方法“”。 即应先给关断的器件关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，然后再给应开通 的器件发出开通信号，在两者之间应留一个短暂的死区时间。死区时间的长短要 视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快，所留的死区时间就越短。 湖北工业大学硕士学位论文 第三章系统硬件电路设计 该系统以a t 8 9 c 5 1 为核心，采用新型三相s p w m 专用芯片s a 8 2 8 1 组成的三相 脉宽调制逆变器控制电路组成性能良好的新型全数字化逆变器调速系统，该系统 具有不仅需少量的外围元件，而且无需繁杂的软件编程等优点，实验结果良好。 3 1 系统控制结构 作者根据国内外有关变频调速的最新研究成果及研究动向，参阅大量的文献、 资料，本着先进性与成熟性兼顾、标准化、可靠性、连续性、及时性的系统设计 原则，设计了如图3 i 所示的系统硬件总的实验电路原理结构图。 3 i 系统框图 功率流程：市电输入经输入保护电路滤除噪声后，进行整流、滤波变成直流 电压，然后这个直流电压输入到桥式逆变电路，通过三相逆变器再经输出变压器 隔离后将整流后的直流电转换为可进行压频协调控制交流电压。 在交流变频调速系统中，主回路作为直接执行机构，其可靠性及稳定性直接 影响整个系统的运转。主电路采用i g b t 作为可控元件的电压型三相逆变电路。工 作原理详见2 3 。 p w m 发生器在单片机的控制下，输出六路p w m 波形，分别控制三相逆变桥的六 个i g b t ，通过驱动电路对输出脉冲进行调制就可改变输出电压和频率，电机的转 速就会随之变化。变频器工作在0 6 1 h z 的范围内，其中设定5 0 h z 为基频，即电 机从0 h z 到5 0 h z 变化时，输出电压是遵循压频比协调变换的，此时系统工作在恒 湖北工业大学硕士学位论文 转矩区；当频率超过5 0 h z ，输出电压不再上升，此时系统工作在恒功率区。 、 整个电路分为四大部分：整流滤波、全桥逆变电路、驱动电路以及用单片机 控制p 州产生器的控制电路，另外在输入和输出端还有过流检测，电压电流取样 电路以及保护电路，使得系统工作更稳定、可靠。 本系统针对的三相异步电机，其参数为： 电机额定功率：p n 。2 2 k w 额定定子电压：u 。一3 8 0 v 额定定子电流：i 。一5 a 额定转速：甩n 一1 4 2 0 r m i n 3 2 整流滤波电路的设计 为了给逆变器提供一个稳定的直流电压，需要将电网输入的交流电进行整流。 通常整流电路可分为可控整流和不可控整流啪1 。可控整流可以使系统的功率因数 接近l ，并且具有较小的纹波，频率高，可降低较小幅值的滤波电容。但是采用可 控整流电路会使得系统成本上升，并且控制电路复杂。 a b c d 1d 3d j lll 圭c 【 ； d 踟d 口 一l一l一k 图3 2 整流电路 目前比较经济可靠的方案，一般都是采用二极管整流，使电网功率因数与逆变 输出电压无关而接近于1 。在本系统中，我们采用了三相二极管不可控整流，如图 3 2 所示，采用它无需控制电路驱动，电路简单、可靠，成本低，缺点就是纹波较 大，需采用较大幅值的滤波电容。 3 2 1 整流二极管的参数 通过二极管的峰值电流为： i m = 2 、f 2 i = 2 压x 5 ；1 4 2 4 ( 3 1 ) 湖北工业大学硕士学住论文 流过二极管电流的有效值： 小拙”珈( 们) 一去h f f i 8 2 a ( 3 2 ) 二极管电流定额： ，一l ( 1 n2 ) 裔。7 8 圳钏 ( 3 3 ) 考虑滤波电容充电电流的影响，需要留有较大的电流余量，选用i e = 2 0 a 整流二极管电压定额： u d 一( 2 3 ) v 。一( 2 3 ) 4 2 x 3 8 0 ；1 3 1 6 1 9 7 4 v ( 3 4 ) 根据上面计算的电压和电流以及市场价格和供货情况，实际选用的整流二极管为 2 0 a 。1 5 0 0 v 。 3 2 2 滤波电容参数 p w m 控制方式( 由逆变器同时完成w v f ) ，要求中间直流电路是电压源，所以 一般采用电容器滤波1 。 整流电路输出的直流电压的脉动成分较大，此外逆变器部分产生的脉动电流 及负载变化也使直流电压脉动，因此在整流电路后面，我们并了一个大电容，它 的作用主要有： 。 1 ) 滤掉整流电压中的交流成分； 2 ) 当市电突然中断时，电容电压不能突变 3 ) 抑制噪声，大电容处于整流器和逆变器之间，既能阻止电网噪声通过逆变 桥传到负载，又能防止逆变桥自身产生的噪声传到电网。 未加加滤波电容三相全桥整流后的平均直流电压是： u 。- 1 3 5 u 。一1 3 5 3 8 0 ；5 1 3 矿 ( 3 5 ) 加上滤波电容后u 。的最大电压可以达到交流电压的峰值 u d 一2 x u 。一2 3 8 0 。5 3 7 v ( 3 6 ) 理论上滤波电容值越大越好，但考虑到体积和价格，我们在实际应用中采用 的电容值是2 2 0 0 u f 4 0 0 v 的电容相串连，总耐压为8 0 0 v ，电容量为1 l o o u f 。另外 在变频器停止工作后，由于电容容量较大，如果没有泄放回路的话，储存的能量 释放很慢，往往达数分钟之久。为此我们在电容两端并联了一个1 0 0 k 3 w 的电阻， 构成一条泄放回路，使得电荷能较快泄放。 1 8 湖北工业大学硕士学位论文 3 3 逆变电路 3 3 1 功率开关器件的选择 电力电子器件是电力电子技术的基础，在实际需要的推动下，随着理论研究 和半导体制造技术工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面得到 了很大发展，一代一代的电力电子器件相继问世。 功率开关器件是逆变电路的核心之一，逆变器的发展和应用依赖于功率电子 器件的发展。现阶段常用的功率开关器件有功率晶体管、功率场效应管和i g b t 。 复合型半导体器件绝缘栅双极型晶体管i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 便是在g t r 和m o s f e t 之间取其长，避其短而出现的具备功率晶体管和功率场效应 管两者优点的新器件。它实际上是用m o s f e t 驱动双极型晶体管，兼有m o s f e t 的 高输入阻抗和g t r 的低导通压降两方面的优点，即高电压、大电流、开关速度快， 电压驱动，驱动功率小，可采用低成本的集成驱动电路控制，具有安全工作区宽， 较高的耐短路电流的能力，是一种理想的新型电力电子器件。功率电子