（信号与信息处理专业论文）基于虚拟仪器的spwm信号源的研究.pdf

基于虚拟仪器的s p w m 信号源的研究 摘要 虚拟仪器技术充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测 量数据的分析和显示功能它功能强、精度高、实时性好、具有良好的人机界 面把虚拟仪器技术应用于测试可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理 功能，可以创造出功能更强的仪器本文旨在利用虚拟仪器技术设计可控智能 功率模块的正弦脉宽调制信号源，并利用其对智能功率模块测试系统进行初步 研究，为生产智能功率模块或直接选用其生产变频产品的厂家提供可借鉴的测 试方法，促进智能功率模块的国产化。 本文所做的主要研究工作如下： 综述了电力电子器件和变频调速技术的发展概况，深入研究了智能功率模 块模块的结构和内部控制原理等相关知识。 从多方面阐述了脉冲宽度调制技术；并对脉冲宽度调制控制中的正弦脉宽 调制法进行详细的研究。脉冲宽度调制技术是变频控制中研究热点，可以 极其有效地进行谐波抑制，在频率，效率各方面有着明显的优点，使逆变 电路的技术性能与可靠性得到明显的提高。 重点研究了智能功率模块的控制信号源，采用平均对称规则采样算法，运 用图形化编程语言l a b v i e w 设计了虚拟正弦脉宽调制控制信号源；该信号 源可产生可控智能功率模块的三相六通道且具有智能功率模块自保护功能 的正弦脉宽调制信号。输出信号的载波频率在i o o h z - - i o k h z 范围内连续 可调。 研究了智能功率模块模块的待测参数的特性及测试条件，初步设计了基于 数据采集卡的基本型现代测试系统； 关键词：智能功率模块虚拟仪器测试系统脉冲宽度调制l a b v i e w 数据采 集卡 r e s e a r c ho ns p w m s i g n a ls o u r c eb a s e do n v i r t u a li n s t r u m e n t s a b s t r a c t t h ev i r t u a li n s t r u m e n t s ( v 1 ) t e c h n o l o g ys u f f i c i e n t l ya d o p t st h eg r e a tp o w e ri n i m a g ea n dd a t ap r o c e s s i n go fc o m p u t e r , s u p p l y i n gd a t aa n a l y s i sa n dd i s p l a y i t p o s s e s s e sp o w e r f u lf u n c t i o n ，h i g hp r e c i s i o n ，n i c er e a l - t i m eq u a l i t ya n dw e l l i n t e r f a c e t h ea p p l i c a t i o no fv it ot e s tc o u l de x e r tt h ea b i l i t yo fc o m p u t e ra n d c r e a t em o r ep o w e r f u li n s t r u m e n t s t h i sp a p e ra i m e da tt h ed e s i g no fp w m ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) s i g n a ls o u r c eb a s e do nv i w h i c hc a nc o n t r o li p m ( i n t e l l i g e n t p o w e rm o d u l a t i o n ) a n dt h et e s ts y s t e mo fi p m ，i no r d e rt of i n do u tas of e a s i b l et e s t m e t h o dt h a tt h ec o m p a n i e sp r o d u c i n gi p mc a n e f f i c i e n t l yu s ei t b r i n go ns o m e c h i n e s ec o m p a n i e sc a nm a k ei p mt h e m s e l v e s t h em a i nw o r ka n dc o n t r i b u t i o n so fd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： t ob e g i nw i t h ，w es u m m a r i z e dt h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s a n df r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y , a n dd e e p l yr e s e a r c h e dd e v i c ec h a r a c t e r i s t i c s a n dc o n t r o lt h e o r yo fi p m t h e nw ee x p o u n d e dp w mt e c h n o l o g yi nm a n yw a y s p w mi st h er e s e a r c h h o t s p o to nf r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y ，w h i c h i se f f e c t i v ei nh a r m o n i c s u p p r e s s i n ga n d h a sa p p a r e n ta d v a n t a g e si nf r e q u e n c y , e f f i c i e n c ya n ds oo n t h u si t i m p r o v e s t h e p e r f o r m a n c e a n d r e l i a b i l i t y o fi n v e r s e c i r c u i t g r e a t l y s p w m ( s i n u s o i d a lp w m ) m o d u l a t i o ni sp a r t i c u l a r l yr e s e a r c h e dn e x t f u r t h e r m o r e ，w em a i n l yr e s e a r c h e dt h es i g n a lg e n e r a t o rw h i c hc a ng e n e r a t e s p w ms i g n a lt oc o n t r o li p ma n db eb a s e do na v e r a g e s y m m e t r y - s a m p l i n g a l g o r i t h ma n dv ie n v i r o n m e n t 。t h i ss i g n a lh a st h r e ep h a s e sa n ds i xc h a n c e sw h i c h c a nb eu s e dt oc o n t r o li p m t h ef r e q u e n c yr a n g eo ft h i ss i g n a li sf r o ml o o h zt o 1 0 k h z l a s tb u tn o tl e a s t ，w es y s t e m i c a l l ys t u d i e dt h ec h a r a c t e ro fi p m ，a n dw h a t c o n d i t i o ni st h ec h a r a c t e ro fi p mc a nb ec o r r e c t l ym e a s u r e d p r i m a r i l yi n t r o d u c e d t h et e s ts y s t e mo fi p mt h a tb a s e do nd a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，w h i c hc a nm e a s u r et h e p a r a m e t e ro fi p mt h r o u g ha n a l o g yt h ed a t aa c q u i r e db yd a t aa c q u i s i t i o nc a r d k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l a t i o n v i r t u a li n s t r u m e n t st e s ts y s t e m p u l s ew i d t hm o d u l a t el a b v i e wd a t aa c q u i s i t i o nc a r d 图l 一 图l 一 图l 一 图l 一 图l 一 图2 图2 一 图2 一 图2 一 图2 一 图2 一 图2 一 圈2 一 图2 一 图2 一 图2 一 图2 一 图2 一 图2 一 图2 一 图2 一 图2 一 图2 一 图2 一 图2 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图目录 l 六合一封装( c ) i p m 电路结构5 2i p m 内部保护电路示意图5 3h f i p m 2 0 a o l 0 6 0 型智能功率模块外形图6 4h f i p m 2 0 a o l 0 6 0 型智能功率模块内部结构图7 5h f i p m 2 0 a o l 0 6 0 型智能功率模块外部连接图8 l 单极性控制与双极性控制1 2 2s p w m 原理图1 7 3 自然采样法1 9 4 规则采样法一2 1 5 三相s p w m 虚拟信号发生器设计结构示意图2 2 6 三相s p w m 虚拟信号发生器前面板2 3 7 具有自保护功能的三相六通道s p w m 波形输出程序2 3 8 平均对称规则采样法原理图2 4 9 开通时间与关断时间的计算2 4 1 0 单通道s p w m 波输出2 5 1 l 加入死区时间的s p w m 波形程序。2 5 1 2 移相程序2 6 1 3 加入了死区时间的三相s p w m 信号波形一2 6 1 4 保护信号的采集2 7 1 5 通过数字端口输$ p w m 信号2 7 1 6 用数字示波器测得的单相s p w m 信号波形2 8 1 7 单通道s p w m 波形输出l 2 8 1 8 单通道s p w m 波形输出2 2 9 1 9 载波频率为2 k 时频谱图。2 9 2 0 载波频率为4 k 时频谱图3 0 l 测试系统框图3 4 2i p m 测试系统原理框图3 5 3i p m 驱动电路结构图3 6 4 h c p l 4 5 0 4 的外形图与内部结构原理图3 7 5h c p l 4 5 0 4 与双单元i p m 的典型接口电路3 7 6 类三角波控制信号3 9 表目录 表2 一l 不同参数的s p w m 波谐波值比较3 l 表3 一lj s l 5 8 功能说明3 6 表3 2i p m 待测参数表3 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研冤成果，也不包含为获得 佥壁王些盘堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字： 竭瓿咎签字日期：纠7 年厂月勿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 盒魍工些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权佥胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：7 舀蕊龟 签字日期：肿f 月如日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签 签字目 电话 邮编 日 致谢 感谢导师鲁昌华教授! 严谨的治学态度。广博的学识，开朗积极的生活态 度，都深深感染了我，使我收益匪浅，对我以后的生活和工作将产生深远的影 响，激励我不断地学习与进步。 感谢鲁老师和刘老师对我学习上的关心与指导! 其诲人不倦，真诚待人， 给我留下了深刻的印象，他们的言传身教使我终生收益。 感谢我的父母，含辛茹苦，一直陪伴我走过风风雨雨，鼓励支持我。他们 是我坚强的后盾。 感谢实验室所有的同学们，感谢你们陪伴我度过这段难忘的时光。对你们 给予我的无私帮助表示衷心的感谢。 第一章绪论 交频器亦叫电动机变频调速器，是一种静止的频率变换器它可以将输入 为5 0 h z ( 中国的额定频率) 或6 0h z ( 日本、美国的额定频率) 恒定频率的 交流电，变成可调频率的交流电，是一种供普通的交流异步电动机作用电源用 的一种电力电子元器件变频器向前发展，直是随着电力电子器件的发展而 发展只要电力电子器件有了新的飞跃，变频器就一定有个新飞跃，必定有新 的变频器出现p 】当前电力电子技术正向大功率化、模块化、高频化、智能化 方向发展，而采用高速低功耗器件i g b t 的智能功率模块i p m ( i n t e l l i g e n t p o w e r m o d u l a t i o n - - 智能功率模块) 被认为是最能适应这些要求的新一代功率器件 【l ，2 1 。 1 1 电力电子器件的发展概况 电力电子技术的发展史即为电力电子器件的发展史。1 9 5 8 年美国通用电气 公司生产了第一只晶闸管，这标志着电力电子器件及其技术的诞生，电力电子 技术的发展史可分为四个阶段【3 】。 ( 1 ) 电力电子技术的开端 1 9 5 7 年以前，用于电力变换的电子技术已经存在，各种整流、逆变、周波 变流的电流和理论已经成熟并广泛应用。1 9 0 4 年出现了电子管，能在真空中对 电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开了电子技术之先河；后来出 现了水银整流器，其性能和晶闸管很相象。在1 9 3 0 年到1 9 5 0 年代，是水银整 流器发展迅速并大量应用的时期。1 9 4 7 年美国贝尔实验室发明晶体管，引发了 电子技术的一场革命，最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管。 ( 2 ) 晶闸管 1 9 5 8 至1 9 7 0 年代，电力电子器件以晶闸管为主。晶闸管可通过门极控制 开通，但通过门极不能控制关断，属于半控型器件。电力电子技术的概念和基 础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。对晶闸管电路的控制方 式主要是相位控制方式。 ( 3 ) 全控型器件 1 9 7 0 年代后期，出现了全控型器件。全控型器件以门极关断晶闸管g t o ， 功率晶闸管g t r ，电力双极型晶体管，功率m o s f e t 为代表，这些器件可以 通过门极( 或栅极、基极) 控制开通和关断，同时，这些器件可以达到的开关 频率均较高。全控型器件电路常用脉冲宽度调制p w m ( p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n 一脉冲宽度调制) 方式进行控制。 ( 4 ) 复合型器件 1 9 8 0 年代后期，复合型器件技术成熟。复合型器件以绝缘栅双极型晶体管 i g b t 为代表它集m o s f e t 的驱动功率小、开关速度快的优点和b j t 通态压 降小、载流能力大的优点于一身，性能十分优越，使之成为现代电力电子技术 的主导器件i g b t 的开关频率最高可达3 0 - - 4 0 k h z 。 功率集成电路把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起i p m 作为 p i c 的代表，不仅把功率开关和驱动电路集成在一起，而且还封装有过电压、 过电流、过热等故障监测电路，并将监测信号送给c p u 。i p m 以其高可靠性、 使用方便等优点占有越来越大的市场份额，尤其适合做驱动电动机控制的变频 器。 2 l 世纪电力电子器件发展的目标是：大容量、高频率、易驱动、低损耗、 小体积( 高芯片利用率) 、模块化。新的控制技术的使用，以减小电力电子器 件的开关损耗，如软开关技术：通过谐振电路使得器件在零电压或零电流的状 态下进行开关。电力电子应用系统向着高效、节能、小型化和智能化的方向发 展。 1 2 交频调速技术的发展【1 1 1 变频调速技术是一种以改变电机频率和改变电压来达到电机调速目的的技 术。目前，无论哪种机械调速，都是通过电机来实现的。从大范围来分，电机 有直流电机和交流电机之分。由于直流电机调速容易实现。所以过去的调速， 多数采用直流电机，但直流机有其固有的缺点。因而出现了定子调速、变极调 速、滑差调速、转子串电阻调速、串极调速、液力偶和调速等交流调速方式。 从而出现了滑差电机、绕线式电机、同步机、等交流电机。 交流调速近二十年来取得了惊人的进展首先是由于生产力的发展，生产 机械的功率愈来愈大，1 0 0 0 千瓦以上功率装置愈来愈多。在这样的功率范围内， 直流电动机由于受机械换向器及电刷等工艺制造的限制，很难制造额定电压超 过1 0 0 0 伏的电动机，因而额定电流变得很大，供电须采用专用汇流排，这样供 电电压降和传输损耗增加，相比之下，交流电动机制造超过6 0 0 0 伏以上高压电 机并不困难，从而避免了上述直流电动机制造工艺的难点，换言之，功率愈大， 交流拖动的经济效益优势将更为明显，制造出功率大大超过直流电动机是形势 要求的一个方面；另一方面还要利用先进控制技术使其性能指标达到甚至超过 直流电动机。 其次，石油危机，廉价能源丧失，使人们越来越认识到节能的重要性，许 多传统的工艺过程必须从节能的角度加以重新评价。其直接影响是要求一大批 原来恒速运行的机械改成调速运行，特别是用量很大，通常占总用电量一半左 右的风机、泵类负载，采用调速方式来调节输出流量，与传统的恒速运行节流 阀调节流量的方式相比，可节电3 0 左右；这一事实，促使人们从生产系统总 效率的角度来重新评价交流调速系统的经济技术指标，变频调速系统由于具有 2 显著的节电效果：低廉的运行费用，常可抵消装置价格偏高的不利因素，受到 用户的欢迎。 再者，由于在环境恶劣的生产场合( 如冶金、建材、矿山、化工等工业) 常有防爆或高速运行的要求，目前世界上还很难生产出大功率、高速的防爆直 流电动机，再如水泥行业灰尘大，污染大，直流电动机很不适应，而且直流电 机经常换电刷，维护量大，因而常常停机影响生产。 发展生产力的需要大大促进科学技术的发展，因此自从7 0 年以来，以电子 电子器件、微电子器件技术和控制技术等为基础的变频调速技术，有了突破性 的进展，生产出满足变频调速要求的变频器，从此交流调速进入了一个崭新时 代。 在国外交频调速已广泛在钢铁、有色冶金、油田、炼油、石化、化工、纺 织、印染、医药、造纸、卷烟、高层建筑供水、建材及机械行业应用，功率大 到上万千瓦的轧钢机，小到只有几十瓦的公园喷水头，从工厂装备到家用电器， 应用范围相当广阔，并且还将继续扩大，在日本1 0 0 k v a 的各种变频器销售量在 1 9 8 8 到1 9 9 3 年五年内多数增加了一倍，在我国亦可看到这种销售势头 变频器自八十年代初以来；国际市场已实现产品的商品化，变频技术的发 展主要有以下几个趋势： ( 1 ) 大功率开关器件更新换代速度加快，电压、电流频率定额不断提高， 开关损耗不断减少，开关频率不断提高，最近几年已经推出比双极晶体管( b j t ) 更新的绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 已经在新一代的变频器上大量应用，而且 i g b t 它本身也在换代，最新的是第三代。 ( 2 ) 变频器产品系列化、通用化、小型化，目前在市场已可看到用于一 般产业用和用于风机和泵类的两个系列，功率从0 4 千瓦到2 8 0 千瓦。产品不 同功率都统一了功能，统一了性能，统一了式样，统一了端子符号，统一功能 码内容等；方便了设计和维修。由于集成电路的高密度和冷却技术的高效率， 产品实现了小型化，体积只有过去的6 0 。 ( 3 ) 性能智能化：新产品采用了对电动机的最先进的转矩矢量控制，能 获得与负载自动适应的电机转矩；低速时提高起动转矩，大幅度提高转矩响应 速度等。 ( 4 ) 装置功能多样化：提供便于安全、便于操作的显示器、监视器、测 试器，各种完善的保护环节，便于维护更换的模块和器件等。 1 3i p m 模块 i p m 模块是构成变频器中逆变器的主要部件。i p m 在控制信号的作用下可 以把经过整流和滤波后得到的直流信号变为所需频率的交流信号。它是微电子 技术和电力电子技术最新发展的产品，具有低成本、小型化、高可靠性、易使 用等优点1 6 ，“。 1 3 1i p m 模块的结构 i p m 是在绝缘栅双极性晶体管( i g b t ) 的基础上，采用混合集成电路工艺， 将i g b t 芯片、栅极驱动电路、控制电路和过流、欠压、短路、过热等保护电 路集成为一体的新型控制模块它的智能主要表现在易实现控制功能、保护功 能和接口功能【引。 智能功率模块具有如下优点【7 】 开关速度快。 i p m 内的i g b t 芯片都选用高速型，而且驱动电路紧靠i g b t 芯片，驱动 延时小，所以i p m 开关速度快，损耗小。在小于等于2 0 k h z 时都能稳定工作。 低功耗。 i p m 内部的i g b t 导通压降低，开关速度快，故i p m 功耗小。 快速的过流保护。 i p m 实时检测i g b t 电流，当发生严重过载或直接短路时，i g b t 将被软关 断，同时送出一个故障信号。 过热保护。 在靠近i g b t 的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当基板过热时，i p m 内部控制电路将截止栅级驱动，不响应输入控制信号。 桥臂对管互锁。 在串联的桥臂上，上下桥臂的驱动信号互锁。有效防止上下臂同时导通。 ( 只有部分型号才具有) 抗干扰能力强。 优化的门级驱动与i g b t 集成，布局合理，无外部驱动线。 驱动电源欠压保护。 当低于驱动控制电源( 一般为1 5 v ) 就会造成驱动能力不够，增加导通损 坏。i p m 自动检测驱动电源，当低于一定值超过1 0 u s 时，将截止驱动信号。 i p m 内藏相关的外围电路。缩短开发时间，加快产品上市。大大减少 了元件数目。体积相应变小 智能功率模块采用了许多在i g b t 模块已得到验证的功率模块隔离封装技 术由于使用了新的封装技术，使得内置的栅驱动电路和保护电路能适用的电 流范围很宽，同时使造价维持于合理水平。小功率器件采用一种多层环氧树脂粘 合绝缘系统，中、大功率器件采用陶瓷绝缘。i p m 有四种电路形式：单管封装( h ) 、 双管封装( d ) 、六合一封装( c ) 和七合一封装( r ) ，主要内部电路结构如图1 1 所 示。 事实上每一个i g b t 支路的都含有如图卜一2 所示的结构。由图l 一2 可以 看出i p m 模块将i g b t 芯片、栅极驱动电路、控制电路和过流、欠压、短路、 过热等保护电路集成为一体。更易实现控制功能、保护功能和接e l 功能 4 , 4 3 , 7 j 。 4 c 型 r 型 d 型 图1 1 六合一封装( c ) i p m 电路结构 h 型 图1 2 i p m 内部保护电路示意图 e l h f i p m 2 0 a o l 0 6 0 是厦门宏发声电有限公司生产的变频空调专用功率模块， 该型号i p m 为双列直插式智能功率模块( d i p i p m ) 。其外形图、内部结构图及 外部连接图分别如图l 一3 ，图l 一4 ，图l 一5 所示该型号功率模块是一种集 成度更高、内置功能更强、体积更小、更易使用的智能功率模块，非常适用于 小型化的家电如空调器、电冰箱、洗衣机等，也可应用于变频空调，变频器等马 达控制。其控制端子可直接兼容5 vc m o s t t l 电平，故障输出脉冲宽度可外 部调节，过流保护阈值也可通过外部电阻来设置该型号i p m 模块还具有如下 特性 三相6 0 0 v 2 0 a 输出 内置三相i g b t 逆变单元及其驱动、保护电路，有过流、短路等保护功能。 具有电源欠压检测、保护和故障信号输出功能， 图l 一3h f i p m 2 0 a o l 0 6 0 型智能功率模块外形图 1 3 2i p m 模块的内部控制原理 由上图我们可以清楚得知，i p m 主要包含三大部分：输入控制信号驱动， 大功率开关器件和续流二极管( f w d ) 、保护电路。在图l l c 型结构中，p ， n 为经整流滤波后得到的直流电的正端与负端，u ，v ，w 为输出三相电的相 电压输出端。d l d 6 为续流二极管，起保护i g b t 管的作用。t l t 6 为同一 型号的i g b t 管，它们的理想特性是：当控制端予上的电压超过开通阈值后， i g b t 导通，呈现短路状态，反之则呈现断路状态i p m 在外加驱动的情况下， 在控制信号的作用下将经过整流滤波后得到的直流信号变换为p w m 信号。i p m 工作时如果同一桥臂的上下管同时导通，则形成直流短路，烧毁器件。为避免 短路，理论上要求同一桥臂上下管的电压控制信号极性相反，但由于i g b t 管 的开关需要一定的时间，故通常情况是：一管开通时t 另一管还没有完全关断， 亦可形成直流短路，所以i p m 的控制信号源必须加入一定的延迟时问( 死区时 间) 来保证一管开通时另一管已完全关断。死区时间的长短与i g b t 的制造工 艺有关。 6 图1 4h f i p m 2 0 a o l 0 6 0 型智能功率模块内部结构图 1 4 虚拟仪器技术 1 4 1 虚拟仪器技术( v i v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。这种结合主要 有两种方式：一种是将计算机嵌入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。 随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强 大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机，以 通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指 这种基于计算机的结合方式。它的特点主要有： ( 1 ) 尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。 ( 2 ) 可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能 更强的仪器。 ( 3 ) 用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研 究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域 内，使用较为广泛的计算机语言是美国n i 公司的l a b v i e w 。 1 ，4 2 虚拟仪器技术的发展i l 2 j 2 0 世纪8 0 年代中期，美国国家仪器公司首先提出了“软件就是仪器”这一 虚拟仪器概念。这个概念为用户定义、构造自己的仪器系统提供了完美的解决 一一哪弹一一唧押 一研优 硼科鞭榭 哪 一 刁 乜 n _ l口 鼍重 弋 m w - 垤 c = 一 - _ _ 弋 ，- - n 哪 曷 ，气 坷 w w t i 西 盈 h 谨 l - 羁 盈 丑! 鸳 蛰 w- t 隔 d 图1 5h f i p m 2 0 a o l 0 6 0 型智能功率模块外部连接图 途径。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从 而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大 大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分 析处理。从发展史看，电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器。 当硬件平台i o 接口设备与计算机确定后，编制某种测量功能的软件就成为该 种功能的测试仪器。因为虚拟仪器可与计算机同步发展，与网络及其他周边设 备互联，用户只需改变软件程序就可以不断赋予它或扩展增强它的测量功能。 这就是说，仪器的设计制造不再是厂家的专利。虚拟仪器开创了仪器使用者可 以成为仪器设计者的时代，这将给仪器使用者带来无尽的收益。+ 虚拟仪器从概念的提出到目前技术的日趋成熟，体现了计算机技术对传统 工业的革命。大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶 段又可以说是同步进行的。 第一阶段利用计算机增强传统仪器的功能。由于g p i b 总线标准的确立， 计算机和外界通信成为可能，只需要把传统仪器通过g p i b 和r s 2 3 2 同计算机 连接起来，用户就可以用计算机控制仪器。随着计算机系统性能价格比的不 l 断上升，用计算机控制测控仪器成为一种趋势。这一阶段虚拟仪器的发展几乎 是直线前进。 第二阶段开放式的仪器构成。仪器硬件上出现了两大技术进步：一是插入 式计算机数据处理卡( p l u g - i np c d a q ) ；二是v x i 仪器总线标准的确立这 些新的技术使仪器的构成得以开放，消除了第一阶段内在的由用户定义和供应 商定义仪器功能的区别。 第三阶段虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。软件领域面向对象技术把 任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来。许多行业标准在硬件和软件 领域以产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准 工具。发展到这一阶段，人们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪 器控制系统实现自动化的关键。 在虚拟仪器技术发展中有两个突出的标志，一是v x i 总线标准的建立和推 广；二是图形化编程语言的出现和发展前者从仪器的硬件框架上实现了设 计先进的分析与测量仪器所必须的总线结构，后者从软件编程上实现了面向工 程师的图形化而非程序代码的编程方式，两者统一形成了虚拟仪器的基础规范。 1 5 课题意义及主要研究内容 规模化生产必须具备完善的测试方法及相关的测试系统。可是究竟如何检 测i p m ? 如何提高i p m 的可测试性? 这是生产商面临的关键性技术问题。 国外知名的变频器供应商自身也是大功率器件i g b t 的制造商，拥有i p m 的测试系统，因此他们生产的i p m 质量可靠，在市场占绝对优势。 在国内，变频电器生产厂家一般直接选用国外生产的i p m ，相应的对于i p m 的研究也主要在应用层次。各公司、高等院校、研究所在i p m 的应用领域研究 比较深入，对于i p m 的测试系统尚处于理论研究阶段，公开发表的文献很少， 尚未成为产品。由于知识产权的问题，使用国外产品时，对其内部原理不是很 清楚，并不能达到最优化配置及最优性能。 因此，从经济及科技发展的角度来看，研究i p m 的测试技术是非常有必要 的。只有解决了这个技术难题，才有可能批量化生产，才能为变频器生产厂家 及变频技术的理论研究者提供更开放的平台和更有力的技术支持。 虚拟仪器技术充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测 量数据的分析和显示功能。本文旨在利用虚拟仪器技术设计可控i p m 的s p w m ( s i n u s o i d a lp w m 一正弦脉宽调制) 信号源，并利用其对i p m 测试系统进行初步 研究，为生产i p m 或直接选用i p m 生产变频产品的厂家提供可借鉴的测试方法， 促进i p m 的国产化。 9 第二章基于虚拟仪器的s p w m 信号发生器 i p m 测试或工作时，控制端需要加p w m 控制信号，控制信号的优劣直接 决定测试的效果。1 9 6 4 年a s c h o n u n g 和h s t e m m l e r 首先在b b c 评论上提出把 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 1 1 5 , 2 0 , 2 1 1 , 5 3 。 从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生s p w m 信 号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在 线的p w m 信号输出，可以说到目前为止，p w m 在各种应用场合仍占主导地位， 并一直是人们研究的热点。本文利用虚拟仪器设计s p w m 信号发生器。 2 1p w m 技术现状 在交流变频调速系统中，用变频器进行的是“功率变频”。但变频的同时 也必须协调地改变电动机的端电压，否则电动机将出现过励磁或欠励磁。为此， 应用于交流变频调速系统中的变频器实际上是一种变压变频，即 v v v f ( v a r i a b l cv o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ) 。所以，通常也把这种变频器叫做 v v v f 装置或v v v f v v v f 控制技术分为两种：一种是v v 与v f 分开完成， 这种控制技术被称为脉冲幅值调制，简称p a m 方式；另一种是将v v 与v f 集 中于逆变器一起来完成，这种控制技术称为脉冲宽度调制方式，简称p w m 方 式【1 0 , 1 4 1 。在工程上实现时，利用相当于基波分量的信号波对三角载波进行调制， 达到调节输出脉冲宽度。下面从几方面对p w m 进行详细的叙述。 2 1 1 异步调制与同步调制 在p w m 生成电路中，载波频率z 与调制波频率z 之比n = 正i f , 称为载波 比，反映出在一个调制信号周期内所包含的三角载波的个数。通常采用等腰三 角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高成线性关系且左右对称，当它与 任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如在交点时刻控制电路中各开关器件 的通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲在变频过程中，即调制信 号周期变化过程中，载波个数相应变化的调制称为异步调制，载波个数不变的 调制称为同步调制i l ”。 ( 1 ) 异步调制 在异步调制方式中，调制信号频率z 变化时，通常保持载波频率正固定不 变，因而载波比n 是变化的这样，在调制信号的半个周期内，输出脉冲的个 数不固定，脉冲相位也不固定，正负半周的脉冲不对称，同时，半周期内前后 1 “周期的脉冲也不对称。 当调制信号频率较低时，载波比n 比较大，半周期内的脉冲数较多，正负 1 0 半周期脉冲不对称和半周期内前后不对称影响都较小，输出波形接近正弦波 当调制信号频率增高时，载波比n 就减小，半周期内的脉冲数就减小，输出脉 冲的不对称性影响就变大，还会出现脉冲的跳动，同时，输出波形和正弦波的 差异也变大。因此，在采用异步调制方式时，希望尽量提高载波频率，以使在 调制信号频率较高时仍能保持较大的载波比，改善输出特性。 ( 2 ) 同步调制 在同步调制方式中，调制信号频率变化时载波比n 不变。调制信号的半个 周期内输出脉冲的个数是固定的，脉冲相位也是固定的这种调制的优点是， 在开关频率较低时可以保证输出波形的对称性。在三相p w m 逆变电路中，通 常公用一个三角载波信号，且取载波比n 为3 的倍数，以使三相输出波形严格 对称，同时，为了使一相波形正负半周镜像对称，n 应取为奇数。 当逆变电路输出频率较低时，因为在半周期内的脉冲数目是固定的，所以 由p w m 调制而产生的正附近的谐波频率也相应的降低。这种频率较低的谐波 通常不容易滤除，如果负载为电动机，就会产生较大的转矩脉冲和噪声，给电 动机的正常工作带来不利的影响。 为了克服上述缺点，通常都采用分段同步调制的方法，即把逆变电路的输 出频率范围分成若干个频段，每个频段内都保持载波比n 为恒定，不同频段的 载波比不同。在输出频率的高频段采用较低的载波比，以使载波频率不致过高， 在功率开关器件所允许的频段范围内。在输出频率的低频段采用较高的载波比， 以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。各频段的载波比都取3 的倍数 且为奇数。 同步调制方式比异步调制方式复杂些，但使用计算机控制时还是容易实现 的。也有的电路在低频输出时采用异步调制方式，而在高频处输出时切换到同 步调制方式，这种方式可把两者的优点结合起来，和分段同步效果接近 1 4 , 1 5 , 5 2 】。 2 1 2 单极性调制与双极性调制 按照调制方式的不同可产生单极性s p w m 波和双极性s p w m 波，如图2 1 所示。以单相波为例。被调制的的波形是正弦波，上桥臂载波是高电平为u ， 低电平为0 的高频三角波，下桥臂载波是高电平为0 ，低电平为- u 的高频三角 波。调制波正半周时，当调制波电压高于载波电压时，上桥臂导通，输出正的 脉冲电压，下桥臂截止，输出为0 ，调制波负半周时下桥臂导通，上桥臂截止。 由此看出，单极性p w m 调制在半周内的脉冲电压只在正和零( 或负和零) 电 平之间变化，电路每相只有一个开关器件反复通断。因此，元件的利用率不高， 且正负信号的交替控制有一定的复杂性。故三相逆变器中已很少用单极性调制， 而用双极性调制来代替。 在双极性p w m 控制方式中，加在上下管的载波是高电平为u ，低电平为 u 的高频三角波，且同步，傲到这一点用同一个时钟信号就可以了同一相上 下两个臂的驱动信号都是互补的，在半周内上下桥臂交替导通和关断，两桥臂 电压差则是正半周为+ u d 和0 ，负半周为u d 和0 ，与单极性调制相同。实际上 为了防止上下同一桥臂上下两管直通而造成短路，常在给一管施加关断信号后， 再延迟t 时间，才给另一臂施加导通信号延迟时间的长短主要由功率器件的 关断时问决定，这个延迟时间将会给输出的p w m 波形带来影响，使其偏离正 弦波。 皿阳胛n 个抖削1 r 魂 斯硼口n0800r j 【j 00 【j 口必目 f 圈2 一t 单极性控制与双极性控制 2 1 3p w m 控制方法 根据p w m 控制技术的特点，到目前为止主要有以下8 类方法1 5 5 1 。 l 相电压控制p w m ，分为以下四种方法： ( 1 ) 等脉宽p w m 法 v v v f 装置在早期是采用p a m ( p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 控制技术来实 现的，其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压。等脉宽p w m 法正是为了克服队m 法的这个缺点发展而来的，是p w m 法中最为简单的一种。 它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为p w m 波，通过改变脉冲列的周期 可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压 与频率协调变化。相对于p a m 法，该方法的优点是简化了电路结构，提高了 输入端的功率因数，但同时也存在输出电压中除基波外，还包含较大的谐波分 量。 ( 2 ) 随机p w m 法 在上世纪7 0 年代开始至上世纪8 0 年代初，由于当时大功率晶体管主要为 1 2 双极性达林顿三极管，载波频率一般不超过5 k h z ，电机绕组的电磁噪音及谐波 造成的振动引起了人们的关注为求得改善，随机p w m 方法应运而生其原 理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声( 在线性频率坐标系 中，各频率能量分布是均匀的) ，尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率 为特征的有色噪音强度大大削弱正因为如此，即使在i g b t 已被广泛应用的 今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机p w m 仍然有其特殊的 价值；另一方面则说明了消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作 频率，随机p w m 技术正是提供了一个分析、解决这种闯题的全新思路。 ( 3 ) s p w m 法 s p w m 法是一种比较成熟的、目前使用较广泛的p w m 法。本文就采用此 法，将在后面详述。 ( 4 ) 梯形波与三角波比较法 前面所介绍的各种方法主要是以输出波形尽量接近正弦波为目的，从而忽 视了直流电压的利用率，如s p w m 法，其直流电压利用率仅为8 6 6 。因此， 为了提高直流电压利用率，提出了一种新的方法梯形波与三角波比较法。 该方法是采用梯形波作为调制信号，三角波为载波，且使两波幅值相等，以两 波的交点时刻控制开关器件的通断实现p w m 控制。 由于当梯形波幅值和三角波幅值相等时，其所含的基波分量幅值已超过7 三角波幅值，从而可以有效地提高直流电压利用率。但由于梯形波本身含有低 次谐波，所以输出波形中含有5 次、7 次等低次谐波。 2 线电压控制p w m 对于像三相异步电动机这样的三相无中线对称负载，逆变器输出不必追求 相电压接近正弦，而可着眼于使线电压趋于正弦。因此，提出了线电压控制 p w m ，主要有马鞍形波与三角波比较法和单元脉宽调制法两种。 ( 1 ) 马鞍形波与三角