异步电动机变频调速系统设计及其MATLAB仿真

1、内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：异步电动机变频调速系统设计及其MATLAB仿真学生姓名：李庆学 号：2004051317专 业：自动化班 级：自2004-3班指导教师：高 鹏 57内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）异步电动机变频调速系统设计及其MATLAB仿真摘  要交流异步电动机因为结构简单、体积小、重量较轻、价格便宜、维护方便等特点，在生产和生活中得到广泛的应用，与其他电机相比，交流异步电机的市场占有率始终居第一位。 近二十年来新型快速的电力电子元件的产生，使得交流异步电动机调速成为可能，并得到迅速地普及。87C196MC电机专用控制芯片的出现，由于其

2、其独特的事件处理阵列EPA和SPWM波形直接输出功能可很好地解决以前由于受CPU速度的限制很难输出高频信号，且硬件电路较为复杂的问题，EPA可以直接处理转速反馈脉冲, 加上SPWM的波形直接输出功能, 既简化了硬件, 又大幅度提高了调速性能。从SIMULINK4.1版开始，有了电力系统模型库（Power System Blockset）, 用该模型库中的模块，可以很方便的进行电力电子电路、电机控制系统的仿真。本系统中电力拖动控制系统的仿真就是在MATLAB/SIMULINK环境下，主要使用电力系统模型库和SIMULINK两个模块库进行的。通过对电机控制系统的仿真，不仅展示了SIMULINK的强

3、大功能，并且可以学习控制系统仿真的方法和技巧，研究电路和系统的原理和性能。关键词：异步电动机；变频调速；87C196MC；MATLAB/SIMULINK；仿真Induction Motor Control System Design and Simulation of MatlabAbstractThe asynchronous motor because of its simple structure, small volume, light weight, cheap price and conveniet maintenance,obtains the widespread applic

4、ation in the production and life, compared with other electrical machinery,the market of asynchronous machine share first ranks throughout. For 20 years new electric power electronic component production,causes the exchange asynchronous motor to result in thevelocity modulation to become possible,an

5、d rapidly become popular.87c196mc electrical machinery special-purpose control chip appearance,andbecause its unique event processes array epa and the spwm profile direct work function perform well to solve before because the cpu speed limit is very difficult to output the high frequency signal,also

6、 hardware electric circuit more complex question,epa may directly process the rotational speed feedback pulse,inaddition spwm profile direct output function,both simplified the hardware,and large scale enhanced the velocity modulation performance.Started from the simulink4.1 version,to have the elec

7、trical powersystem model storehouse (Power System Blockset), with this model storehouse in module, was allowed very convenient to carry on the electric power electronic circuit, the electrical machinery control system simulation. In this system the electric power drives the control system the simula

8、tion is under the matlab/simulink environment, the main electrification system model storehouse and the simulink two module storehouses carry on. Through electrical machinery control system simulation, not only has demonstrated the matlab/simulink formidable function, and may study the control syste

9、m simulation themethod and the skill,studies the electric circuit and the system principle and the performance.Key words: asynchronous motor; frequency conversion velocity modulation; 87c196mc; matlab/simulink; simulation内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘  要IAbstractII第一章 绪 论11.1 变频器技术的发展状况11.2 变频调速技术发展方

10、向31.3 变频调速技术的应用41.4 论文主要任务5第二章 变频调速原理及系统组成62.1 异步电动机变频调速原理62.2 变频调速系统主电路72.2.1 系统主电路72.2.2 交-直部分82.2.3 直-交部分9第三章 IGBT的保护与驱动电路113.1 IGBT的保护113.2 IGBT的驱动电路113.2.1 驱动器的基本要求123.2.2 驱动电路-EXB84113第四章 控制电路及键盘显示164.1 87C196MC芯片简介164.1.1 87C196MC 的基本结构164.1.2 87C196MC的独特功能174.1.3 87C196MC的应用184.2 键盘及显示电路194.

11、2.1 键盘电路194.2.2 显示电路20第五章 检测电路225.1 电压、电流检测电路225.2 霍尔传感器225.3 泵升检测电路245.4 转速检测电路255.4.1 增量式光电码盘255.4.2 速度测量265.5 光电耦合器275.5.1 光电耦合器件简介275.5.2 光电耦合器件6N13728第六章 辅助电路306.1 集成稳压电源306.1.1 由7800系列集成稳压器组成的恒流源电路306.1.2 由LM317组成恒流源电路316.2 时钟及复位电路32第七章 交流变频调速系统的MATLAB仿真357.1 系统仿真综述357.2 SIMULINK中电力系统工具箱和仿真元件简

12、介377.3 变流电路的仿真407.3.1 整流电路仿真407.3.2 三相电压源型SPWM逆变器仿真437.4 转速开环变频调速系统的仿真467.5 小结50结 论52参考文献53致 谢55内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 绪 论1.1 变频器技术的发展状况交流传动与控制技术以其优异的调速和起制动性能、高效率、高功率因数和节能效果、广泛应用的范围及其他许多优点而被国内外公认为最有发展前途及发展最为迅速的技术之一，这是电力电子器件制造技术、变流技术控制技术以及微型计算机和大规模集成电路的高速发展密切相关。交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术，取代模拟控制技术已成为发展趋势。以

13、变频调速器为调速控制器的同步控制系统，比例控制系统和同速系统等已广泛应用于冶金、机械、纺织化工等工业1。1.功率器件变频技术是建立在电力电子技术基础之上的。在低压交流电动机的传动控制中，应用最多的功率器件有GTO、 GTR 、IGBT以及智能模块IPM( In2telligent Power Module) , 而IGBT以及IPM集GTR的低饱和电压特性和MOSFET的高频开关特性于一体，是目前变频器中最广泛使用的主流功率器件。目前，采用沟道型栅极技术、非穿通技术等方法的第4代IGBT也已问世。第4代IGBT的应用使变频器的性能有了很大的提高。IGBT开关器件发热减少；高载波控制，使输出电流

14、波形有明显改善；开关频率提高，实现了电机运行的静音化；驱动功率减少，体积趋于更小。IPM的应用比IGBT晚大约两年，IPM包含了IGBT芯片及外围的驱动和保护电路。有的把光耦也集成于一体，因此是更为好用的集成型功率器件。目前，在模块额定电流10600A范围内的变频器均有采用IPM的趋势。它具有开关速度快、驱动电流小、控制驱动更为简单，内含电流传感器可以高效迅速地检测出过电流和短路电流，能对功率芯片给予足够的保护，故障率大大降低；优化了器件内部电源电路并在驱动电路的配线设计上做到优化，浪涌电压、门极振荡、噪声引起的干扰等问题得到控制，保护功能丰富，如电流保护、电压保护、温度保护一应俱全，随着技术

15、的进步，保护功能将进一步日臻完善；采用IPM后的开关电源容量、驱动功率容量的减小和器件的节省以及综合性能提高等，其性价比已高过IGBT，有很好的经济性。2.控制方式早期变频器大多数为开环恒压比(V/F=常数)的控制方式，其优点是控制结构简单、成本较低，缺点是系统性能不高，比较适合应用在风机、水泵调控场合。具体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变化；转矩响应慢，电势转矩利用率不高，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。电压空间矢量控制以三相波形的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，一次生成二相调制波形，该控制方式基于电机的稳态模型，用直流电流

16、信号重建相电流，以此估算出磁链幅值，并通过反馈控制来消除低速时定子电阻对性能的影响；引入频率补偿控制，以消除速度控制的稳态误差；将输出电压、电流进行闭环控制, 以提高动态负载下的电压控制精度和稳定度, 同时也一定程度上求得电流波形的改善。这种控制方法的另一个好处是对再生引起的过电压、过电流抑制较为明显，从而可以实现快速的加减速。矢量控制，也称磁场定向控制。其基本特点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。但由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，此外它必须直接或间接地得到转

17、子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在控制系统中需要配留转子位置或速度传感器，给许多应用场合带来不便。尽管如此，矢量控制技术仍然融入通用型变频器中。直接转矩控制。与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。其优越性在于：转矩控制是控制定子磁链，本质上不需要转速信息；控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好；所引入的定子磁键观测器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化。这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制；这种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别，通过自动识别运行自动确立电机实际的定子阻抗互感、

18、饱和因素、电动机惯量等重要参数，然后根椐精确的电动机模型估算出电动机的实际转矩、定子磁链和转子速度，这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度。3.PWM技术PWM控制技术一直是变频技术的核心之一。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM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PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，由此在交流传动乃至其他能量变换系统中得到广泛应用。PWM控制技术大致可以分为三类：正弦PWM、

19、优化PWM及随机PWM。多重PWM技术改善了输出电压、电流波形，降低了电源系统谐波，使其在大功率变频器中有独特的优势；优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变频(THD)最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其他特定优化目标。可以说随机PWM技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。1.2 变频调速技术发展方向交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术。其发展的趋势1大致为：1)主控一体化。将功率芯片和控制电路集成在一块芯片上使逆变功率器件和控制电路达到一体化、智能化和高性能化的HVIC(高耐压IC)、SOC(System on Chip)的概念已被用户接受，随着功率做大，此产

20、品在市场上极具竟争力。2)小型化。紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度，功率器件发热的改善和冷却技术的发展已成为重要原因。ABB公司将小型变频器定型为Comp - ACTM ，他向全球发布的全新概念是，小功率变频器应当象接触器、软起动器等电器元件一样使用简单、安装方便、安全可靠。3)低电磁噪音设计。变频器要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC国际标准，主要做法是在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正电路，改善输入电流波形降低电网谐波以及逆变桥采取电流过零的开关技术。而控制电源用的开关电源将推崇半谐振方式，这种开关控制方式在3050MHz时的噪声可降低1520dB。4)基于电动机

21、和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直接传矩控制和机械扭振补偿等；基于现代理论的控制策略，有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器，在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。5) 数字控制。以高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各控制算法。1.3 变频调速技术的应用我国变频调速技术的应用，是一个由试验到实用，由辅助系统到生产装置，由考虑节能到全面改善工艺水平，由开环手动控制到闭环自动控制，由低压中小容量到高压大容量的过程。多年来

22、，国家有关部门一直致力于变频调速技术的开发及推广应用，并给予重点扶持，并将推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向。国家成立了风机水泵节能中心，开展信息咨询和培训。在国家经贸委“九五”资源节能综合利用工作纲要中，变频调速已被列入重点组织实施的10项资源节约综合利用技术改造示范工程之一。变频调速技术的应用范围已发展到新阶段。在石油、石化、机械、冶金等行业都得到了大量使用和整套装置系统使用，取得了节能、增产的显著效果。变频调速技术已成为节约能源及提高产品质量的有效措施。实践的结果证明，节电率一般在10%30%，有的高达40%，更重要的是生产中一些技术难点也得到解决。变频调速技术

23、作为基础技术、高新技术和节能技术，已经得到广泛应用。开发数字控制的大功率交-交变频器供电的传动设备；风机和泵用高压电动机的节能调速用调速传动后可节约大量电力，特别是电压电动机，容量大，节能效果更显著。应用变频调速技术来改造传统的产业，节约能源及提高产品质量，获得较好的经济效益和社会效益，是今后的重大研究课题。1.4 论文主要任务本论文首先对变频调速技术的发展状况，今后的发展趋势及其在我国相关领域的应用作了简单的阐述。在论文的第二章对变频调速的基本原理进行了详细的分析，并对变频器主电路的各组成环节也作了相应的介绍。第三章是对驱动电路及其保护的介绍，在本设计中用到的驱动电路是日本富士公司的EXB-

24、841。第四章介绍了变频调速系统的控制电路，其中用到的单片机是INTEL公司的87C196MC，其特别适用于异步电动机的控制。第五章是检测电路及其所用到的元器件的介绍。第六章主要介绍了为单片机、驱动电路等提供直流稳压电源的集成电路。第七章是对变频调速电路的MATLAB仿真及其研究分析。本文构造的电动机调速系统仿真模型基本由SIMULINK库中的电力系统模块实现的，与实际系统相对应，结构简单明了，对异步电动机变频调速系统的理论学习、方案设计和故障分析都有很大的帮助。第二章 变频调速原理及系统组成2.1 异步电动机变频调速原理交流异步电机的变频调速原理2，可从异步电机的基本公式中得出。主要公式：同

25、步转速方程：n0=60f/p (2-1)转差率方程：s=(n0-n)/n0 (2-2)感应电势方程：E1=4.44fwk (2-3)从(1)、(2)两式得出其旋转方程： n=(60f/p)(1-s) (2-4)式中：n为转子转速，r/ min；f为电源频率，Hz；p为电机极对数；E1是定绕组产生的感应电势，V。为了分析直观, 设E1约等于三相异步电机的相电压U。为此电势方程可表示为： U=4.44fwk (2-5)式中：U为外加电源电压，V；f为电源频率，Hz；w为定子绕组每相总匝数；k为定子绕组系数；为每极磁通，Wb。根据式(2-4)，只需改变电源频率f，就可改变转速n。尽管f的升高或降低会

26、影响到电机的其它参数，如输入电压U、输入电流I的变化。由于在设计三相异步电机时，电机的额定电压U、额定电流I及相应的额定频率设计值几乎使磁路达到了饱和值，因此由式(2-4)可知，降低f可以降低转速n。但由式(2-5)可知，若保持U不变必须要增大值，由于磁路已趋于饱和，值是不可能增大的，因此U值无法维持不变，必定跟随f的变化而变化，最终保持U/F=常数。正如此关系，变频调速器在改变频率的同时改变了电压，保持了U/F比值恒为常数的特性，因而确保了电机在低速运转时的转矩特性，同时保证了电机在低速运转时不会过流发热，维持了电机的固有特性不变，实现了对交流电机平滑调速。2.2 变频调速系统主电路交流变频

27、调速系统主要由单片机系统、整流电路、逆变电路、驱动电路、检测保护电路及转速测量电路等环节组成3。本设计的SPWM变频调速系统是一种交-直-交调速系统。它的工作原理是：采用三相二极管整流电路将三相交流电变成直流电；整流后的电压波形是脉动的，脉动的直流电经滤波电容的滤波后变为电压恒定的直流电；通过改变IGBT管各组交替导通的时间来改变逆变器输出波形的频率；在每组IGBT控制的周期内，改变他们通断的时间比，即通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压幅值的大小。如果使每组开关元件在其控制周期内反复通断多次，并使每个输出矩形脉冲波电压下的面积接近于对应的正弦波电压下的面积。则逆变器输出电压将很接近三相正弦波

28、。此时的三相正弦波就可作为异步电动机的供电电源，从而实现电机的平滑启动，停车和宽范围调速。下面的章节将详细的介绍一下系统的各个组成部分。2.2.1 系统主电路主电路由整流电路，滤波电路及逆变电路组成。为简化控制电路，减少谐波，整流电路采用三相二极管整流电路整流，系统的调压调频均由逆变电路承担,逆变电路开关器件全部采用绝缘栅双级型晶体管(IGBT)。系统主电路如图2.1所示： 图2.1 变频器主电路2.2.2 交-直部分1.整流电路 整流电路由VD1-VD6组成三相不可控整流桥，它们将电源的三相交流全波整流成直流。整流电路因变频器输出功率大小不同而异。小功率的，输入电源多用单相220V，整流电路

29、为单相全波整流桥；功率较大的，一般用三相380V电源，整流电路为三相桥式全波整流电路。2.中间直流环节 对于电压源型变频器而言，其中间直流环节采用大电容C进行滤波和中间储能。 二极管整流虽然是全波整流电路，但由于整流桥输出端接滤波电容，只有当交流电压超过滤波电容电压时，整流电路才进行充电（往往在交流电压的峰值处才进行充电）。交流电压小于电容电压时，电流为零，这将导致在电网上产生谐波。为了抑制谐波，通常在电网和变频器之间加一个进线电抗器Lm。 由于电容量很大，合闸突加电压时，电容量相当于短路，将产生很大的充电电流，损坏整流二极管。为了限制充电电流，采用限流电阻R0和延时开关KM组成的预充电电路对

30、电容C进行充电。电源合闸后，延时数秒，通过R0对电容C进行充电。电容C的电压升高到一定值后，闭合开关KM将限流电阻R0短接，避免正常运行时的附加损耗。由于二极管整流的电压源型SPWM变频调速系统不能再生制动，对于小容量的通用变频器一般都用电阻吸收制动能量。制动时，变频器整流桥处于整流状态，逆变器也处于整流状态，此时异步电动机进入发电状态，整流桥和逆变器都向电容C充电，当中间直流电压（称为泵升电压）升高到一定值时，通过开关器件VTb接通Rb，将电动机的动能消耗于电阻Rb上。2.2.3 直-交部分 1.逆变电路逆变管V1-V6组成逆变桥，把VD1-VD6整流后的直流电，再“逆变”成频率、幅值可调的

31、交流电。这是变频器实现变频的执行环节，因而是变频器的核心环节。当前常用的逆变管有绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、大功率晶体管（GTR）、可关断晶闸管（GTO）、及功率场效应管（MOSFET）等。本设计所用的逆变管是绝缘栅双极型晶体管（IGBT），因为随着电力电子器件的发展，快速关断器件如门极可关断晶体管GTO、功率双极型晶体管GTR、金属氧化硅晶体管MOSFET和绝缘栅双极晶体管IGBT等相继开发成功。其中IGBT是集MOSEFT和GTR优点于一身。既具有少子器件GTR的通态压降低、耐压高、可承受大电流等优点，又兼有多子器件MOSFET的开关速度快、热稳定性好、无二次击穿、输入阻抗高、驱动微功

32、耗的长处，因此倍受青睐。尤其是在电机控制、中频电源和开关电源以及要求快速、低损耗的领域发展迅速。在大功率全桥变换中，IGBT作为功率开关元器件是非常适合的。2.续流二极管 续流二极管VD7-VD12的主要功能有：电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分量。VD7-VD12为无功电流返回直流电源提供通道。当频率下降，电机处于再生制动状态时，再生电流将通过VD7-VD12返回直流电路。V1-V6进行逆变的基本工作过程：同一桥臂的两个逆变管，处于不停的交替导通和截止状态。在这交替导通和截止的换相过程中，也不时地需要VD7-VD12提供通路。3.缓冲电路4缓冲电路也称为吸收电路。它是大功率变流技术中必

33、不可少的的组成部分。缓冲回路的主要作用是可抑制IGBT的功率开关器件的开关浪涌电压和续流二极管的恢复浪涌电压，减少开关损耗，因此，IGBT主回路要设有缓冲电路，最普遍的是放电阻止型缓冲器，这种类型的缓冲器有三种类型：各模块分别有缓冲电路，6个单元共用缓冲电路，2单元各模块分别有缓冲电路。在本设计中我们选用的是2单元各模块分别有缓冲电路。应指出，缓冲电路之所以可以减小功率器件的开关损耗，是因为将开关损耗从器件本身转移至缓冲器上，目的是使功率器件损耗减小，保证安全工作，但总的损耗并未减小。缓冲电路的工作原理如下所述：逆变管V1-V6每次由导通状态切换截止状态的关断瞬间，集电极和发射极间的电压UCE

34、将极为迅速的由近乎0V上升至直流值UD。这过高的电压增长率将导致逆变管损坏。因此，C01-C06的功能便是降低V1-V6在每次关断时的电压增长率。V1-V6每次由截止状态切换成导通状态的接通瞬间，C01-C06上所充的电压将向逆变管V1-V6放电。此放电电流的初始值将是很大的，并且将叠加到负载电流上，导致V1-V6的损坏。因此，R01-R06的功能是限制逆变管在接通的瞬间C01-C06的放电电流。R01-R06的接入，又会影响C01-C06在V1-V6关断时降低电压增长率的效果。当二极管VD01-VD06接入后，在V1-V6的关断过程中，使R01-R06不起作用；而在V1-V6的接通过程中，又

35、使C01-C06的放电电流流经R01-R06。第三章 IGBT的保护与驱动电路3.1 IGBT的保护IGBT作为一种混合型器件，正日益广泛地应用于小体积、低噪音、高性能的电源、逆变器、电机速度控制装置之中。在实际应用中，除考虑其耐压和电流容量外，其保护和驱动电路还应考虑以下几个方面的因素5：（1）短路(过电流)保护发生短路时，IGBT集电极电流增加并超过额定值，使CE间电压剧增。此时，由于在IGBT上被加上了高电压、大电流。因此，必须在短路极限值所规定的时间内关断IGBT。（2）过电压保护由于IGBT开关速度较高，IGBT关断时，产生很高的di/ dt，由于其周围的接线电感，就产生了关断浪涌电

36、压，其值可能超过IGBT的CE间耐压值而造成损坏。为此，在IGBT中装有保护电路可吸收浪涌电压；调整IGBT的驱动电路的Vce或Rg，使di/dt最小。（3）栅极电阻IGBT的输入阻抗很高，且为纯容性阻抗(即存在3000PF左右的极间电容)，静态时不需直流电流，只需对输入电容进行冲放电的动态电流，几乎不消耗功率。为了改善控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡，减少IGBT集电极大的电压尖脉冲，需在栅极串联电阻Rg。当Rg增大时会使IGBT的通断时间延长，能耗增加；而减少Rg又会加大电流变化，可能引起误导通或损坏IGBT,因此应根据电流容量和电压额定值及开关频率的不同, 选择合适的阻值。3.2 IGBT

37、的驱动电路随着电力电子器件的发展 ,快速关断器件如门极可关断晶体管GTO、功率双极型晶体管GTR、金属氧化硅晶体管MOSFET和绝缘栅双极型晶体管IGBT等相继开发成功。其中IGBT是集MOSEFT和GTR优点于一身。即具有少子器件GTR的通态压降低、耐压高、可承受大电流等优点，又兼有多子器件MOSFET的开关速度快、热稳定好、无二次击穿、输入阻抗高、驱动微功耗的长处，因此倍受青睐。尤其是在电机控制、中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域发展迅速。在大功率全桥变换中，IGBT作为功率开关元器件是非常适合的。3.2.1 驱动器的基本要求IGBT是一压控器件。它所需的驱动电流与驱动功率非常小，可

38、直接与模拟或数字功能模块相接，不需加任何附加接口电路而且转换功率也大大提高。IGBT的导通与关断是由栅极电压UGE来控制的。当UGE大于开启电压UGE(th)时，IGBT导通，当栅极和发射极间施加反向或不加信号时，使得IGBT关断。用IGBT作大功率全桥变换的功率元件时，由于工作在高速大功率开关状态，要使它安全可靠地工作，设计好驱动电路是重要环节。一个理想的IGBT驱动器应具有以下基本要求6：（1）能提供适当的正、反向门极电压。为使 IGBT稳定工作，一般要求双电源供电，所以驱动电路要求采用正反偏压的两电源形式。IGBT导通后的管压降与所加栅极电压有关。当UGE增大时，IGBT承受短路或过电流

39、时间减小，对 IGBT安全不利。一般选 UGE要综合考虑，选取 +12V- +20V为好。在 IGBT关断期间，由于电路中其他部分的工作会在栅极电路中产生一些高频振荡信号，这些信号轻则会使本该截止的IGBT处于微通状态，增加管子的功耗。重则将使逆变电路处于短路直通状态，因此恰好给应处于截止状态的IGBT加一反向栅压。一般选取-5V- +15V，使IGBT在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。（2）信号应有足够的功率驱动电路输入的信号作用于IGBT的栅极和射极之间。当UGE很小或为零时，IGBT的C和E之间加很大的电压时IGBT才能导通。这种硬开通会导致IGBT较大的开关损耗，影响IGBT的开关功率

40、与输出能力，因此，为使合格元件能正常工作，驱动信号可以大于栅极规定的电压、电流，并留有一定的余量。（3）信号具有一定的前沿陡度和宽度IGBT的门源特性呈电容性，与开关速度有关，因此驱动器须具有足够的瞬时电流的吞吐能力，才能使IGBT栅、射电压建立或消失的足够快，从而使开关损耗降较低的水平。（4）驱动电路必须与主电路隔离在许多电路(如桥式逆变器)中的IGBT的工作电位差别很大，不允许控制电路与其直接耦合，为了保证驱动电路和主电路之间信号传输的畅通无阻，常采用光电耦合和变压器耦合。（5）输出与输入必须有很好的跟随性输入、输出信号传输无延时，一方面能减小系统的响应滞后，另一方面能提高系统保护的快速性

41、。（6）驱动电路简单、成本低。（7）驱动电路自身应有一定的保护功能。IGBT栅极驱动实用电路最好自身对IGBT具有保护功能，并有较强的抗干扰能力。在出现短路、过流的情况下，能迅速发出过流保护信号供控制电路进行处理。（8）防止同一桥臂上的IGBT误导通。3.2.2 驱动电路-EXB841IGBT常用的驱动模块有许多种，其中EXB系列应用最广。EXB84系列为日本富士公司推出的IGBT专用驱动芯片，能驱动高达300A/1200V的IGBT。它具有隔离强度高、反应速度快、参数一致性好、具有防擎住效应的缓关断电路等优点，并可以对IGBT实施过流保护。模块内功能较全，用+20V直流电源供电，能产生+15

42、V开栅电压和-5V关栅电压，内装TLP550高速光耦信号隔离电路7。如图3.1所示。电路的内部还集成有过流检测电路和慢速过流切断电路，其过流检测电路按驱动与集电极电压之间的关系检测过流。当流过IGBT的电流超过内部设定值时，慢速切换电路以不使IGBT损坏的较慢速度关断IGBT。其中，为了防止IGBT集电极产生大的电压尖脉冲，在栅极串联电阻 RG、47VF电解电容器吸收由于电流源接线电阻引起的供电电压变化，而不是电源滤波的电容器。图3.1 EXB841驱动电路该电路在使用时应注意以下几个方面：（1）被驱动的IGBT栅-射极驱动回路往反接线必须小于1M，且栅-射极接线应采用绞线。（2）如在IGBT

43、集电极产生较大的电压尖脉冲，那么可增加IGBT栅极串联电阻RG。（3）图中电容C用来吸收由电源接线阻抗引起的供电电压变化，它不是电源滤波电容器。 （4）图中R1的选择应满足EXB840，EXB841输入电流为本10MA的要求，EXB850，为方便用4MA。（5）电容C的选用EXB840，EXB850为33VF，而对EXB841为47VF。第四章 控制电路及键盘显示4.1 87C196MC芯片简介近几年来，大功率开关器件得到迅速发展，交流变频调速系统的应用也越来越广泛。通常变频调速是由微处理器和SPWM逆变器共同完成的。控制电机用的SPWM信号通常是由微处理器根据算法计算、查表、定时输出三路波形

44、，然后再通过外部硬件电路进行延时互锁变成三相六路脉冲，这样的硬件电路复杂，容易引入干扰，系统的可靠性较低。Intel公司最近推出的高性能16位微处理器87C196MC8，是专门为三相异步电机和直流无刷电机设计的，它除了具有16位单片机的通用功能外，还有独特的事件处理阵列EPA，使电机控制更加简单，提高了系统的稳定性。4.1.1 87C196MC 的基本结构87C196MC与Intel公司的8096、8XC196KC、8XC196KB等16位单片机均属MCS296 系列，它主要包括算术逻辑运算部件RALU、寄存器集、内部阵列EPA、三相互补SPWM 波形发生器WG以及看门狗、时钟、中断逻辑等电路

45、。87C196MC有512个字节的寄存器集，其中的低24位专为特殊功能寄存器SFR保留, 不能用作通常目的的RAM。RALU拥有256个累加器，能直接对寄存器集中的低256位进行操作，从而避免了其它单片机常有的因只使用一个累加器而造成的“瓶颈”效应；寄存器集的高256字节用作寄存器RAM，直接访问这些高端寄存器使得编程容易、执行速度快。标准SFR位于存储空间1F00H-1FFFH，在使用SFR时,通常采用视窗技术切换到寄存器区，可以加快操作进度。87C196MC内部自带13路的10位/8位的高速A/D转换器，转换时间可编程设置在1. 3940.2s之间，A/D也可作为可编程的比较器，在输入跨过

46、一个门槛电平时产生中断。87C196MC采用CHMOS工艺，有三种封装方式可供选择：SDIP(642L)、PLCC(842L)、EIAJ/QFP(802L)，工作温度-40+85，它支持16kb的EPROM，晶振频率为16MHz，完成16位乘以16位的乘法只要1.75s，32位除以16位除法只要3.0s，非常适合于控制系统的快速性要求。87C196MC有七个I/O口，每个端口的管脚都是多功能的, 可用作标准I/O口或用来传送特殊信号。4.1.2 87C196MC的独特功能（1）SPWM三相波形发生器(WFG)三相波形发生器WFG9是87C196MC的一大特色。它有3个主要部件即时基发生器、相位

47、驱动通道和相位控制电路。时基发生器产生载波周期，相位驱动通道决定占空比，而控制电路决定工作模式和控制中断发生器。它的内部设置了一个三相互补的SPWM波形发生器(WFG)，通过P6口直接输出用于逆变器驱动的6路SPWM信号，驱动电流可达20mA，驱动信号频率可达8MHz，每路的SPWM信号都可独立编程。它也可以采用规则取样法产生波形，三相脉宽由软件编程计算。为了防止逆变桥同一桥臂上下两个功率管发生直通造成短路，该SPWM发生电路通过编程设置死区互锁时间，使驱动同一桥臂上下两功率器件的SPWM脉冲信号具有互补功能，且在电平切换时设置皆为高电平的死区时间，以确保同一桥臂的上下功率器件不会同时导通。采

48、用16MHz晶振时，死区时间可设定为0.125125s之间。三相异步电动机与87C196MC的连接方法如图4.1所示。波形发生器的每一对输出WGX和WGX#经过功率驱动电路接至逆变器，逆变器每一个桥臂由一对互补IGBT功率管VT1和VT2组成，VT1对应WGX，VT2对应WGX#。为了避免同时导通而造成短路，在波形发生器中必须加有无信号时间。当出现外部过电流等故障中断信号时，保护电路立即封锁SPWM的输出，并发出软件中断请求，向CPU报告外部故障的发生。图4.1 三相异步电动机与87C196MC的连接方法 （2）事件处理阵列EPAEPA主要执行输入、输出功能。输入方式时, EPA监视输入管脚的

49、信号变化, 在事件发生时记录其时间值, 这个过程称为捕捉。输出方式时, 等到定时器符合一个储存的时间值，就设置、清除或触发输出管脚。这是一个比较事件。捕捉和比较事件都能产生正常服务流程或中断, 87C196MC有四个捕捉/比较模块和四个只比较模块。EPA10还含有两个16位的双向定时/计数器T1和T2。定时器T1可按外部时钟源计时，在这种工作方式下，EPA可以直接处理位置传感器(如光电码盘)输出的两路在相位上互差90°的脉冲信号，从而监视电机的运转速度和方向。（3）外部事件处理服务器PTS87C196MC的中断处理系统有两类：可编程中断控制器和PTS。可编程中断可以被设置成PTS中断

50、服务方式，PTS拥有数种微指令码化的硬件中断服务流程，可与CPU并行工作，能完成数据块传递、处理多路A/D转换、控制串行通讯等功能。4.1.3 87C196MC的应用本设计是用87C196MC构成的变频调速控制系统9，功率管采用德国SEMIKRON公司的IGBT(IC=100A,VCE=1200V)，功率管驱动模块采用日本富士公司的EXB841，三相异步电机功率为10kw。87C196MC的P6口发出的六路SPWM信号直接接到IGBT的六个驱动模块EXB841的15脚上，不需要外加隔离器件，因为EXB841自身带有光电隔离器件。EXB841采用20V单电源供电，内部还有自动保护电路和温度检测电

51、路，当出现故障时可以及时封锁，同时这个故障信号也送往单片机的EXTINT端，封锁六路SPWM信号输出。电机的速度检测由光电码盘完成, 光电码盘输出的A、B两路相位差90°的脉冲经光电隔离分别送到单片机的T1CLK和T1DIR的两引脚，利用87C196MC的晶振时钟模式检测反馈信号，当T1CLK管脚上信号的上升沿先于T1DIR信号的上升沿时，T1加计数，反之，T1减计数，由此来判别电机的转向，采用变M/T法可算出转速。4.2 键盘及显示电路微机控制系统中除了与生产过程进行信息传递的过程输入，输出通道与接口外，还要有与操作人员进行信息交换的输入，输出设备或器件，这种人机联系的设备或器件称

52、为人机接口。由人机接口输入程序或数据，可完成各种操作控制，显示生产过程的工艺状况与运行结果。这种人机接口的典型装置是一个操作显示台或操作显示面板。由于生产过程要求控制和管理的内容不同，操作显示台或操作显示面板也有较大的差异。操作台上除开关、旋钮、拨盘及各种打印机、绘图仪类I/设备外，一般必不可少的是键盘与LED显示器或CRT显示器。4.2.1 键盘电路键盘11是由若干个按键组成的开关矩阵，它是单片机最简单的信息输入装置。操作员通过键盘向单片机系统输入数据或命令，实现简单的人机通信，按键是以开关的状态来设置控制功能和输入数据的。若键盘上闭合键的识别是由专用硬件实现的，则称为编码键盘；若靠软件实现

53、的，则称为非编码键盘。非编码键盘是由一些按键排列成的一个行、列矩阵。按键的作用只是简单地实现开关的接通或断开，但必须有一套相应的程序与之配合，来完成按键的识别，防止抖动以及键值的产生等工作。因此，键盘接口电路和软件程序必须解决以下问题：（1）检查是否有键按下。（2）若有键按下，判断是哪个键按下并确定键号或键值。（3）去抖动。 （4）处理多键同时按下。对于同时有两个以上的键按下的情况，有三种处理方法：第一，双键同时按下。用软件扫描键盘处理，当只有一个键按下时才读取键盘的输出，并认为最后按下的键为有效键。第二，键锁定。只处理一个键，任何其他按下又松开的键不产生任何键值。通常第一个被按下的键或最后一

54、个被松开的键产生键值，这种方法简单实用。第三，软件处理。当有键按下时，单片机应能实现该按键所设功能。非编码键盘可分为独立连接的非编码键盘和矩阵式连接的非编码键盘。独立式的连接是指，每一个按键单独占用一根I/O线，每根I/O线上的按键工作状态不会影响其他I/O线的工作状态。这种键盘结构的优点是简单，软件识别方便；缺点是占用较多的I/O线。在系统配置中需要的按键较少时，常采用这种按键方式。矩阵式键盘又称行列式键盘。在按键数量较多是，可以减少占用I/O线。用I/O线组成行，列结构，行列线不相通，而是通过一个按键设置在行列的交叉点上来连通。在这个设计中用的是矩阵式连接非编码键盘，采用了16个按键的配置

55、，即十个数字键和6个功能键。数字键为0-9，功能键为：R/S启动/停止键，PIDPID参数设置键，RESET系统复位键，SPEED电机转速设置键，ENTER设置确认键，P/N正反转控制键。P3.4p3.6接译码器74LS138的输入端，译码器的输出Y0Y7作为键盘列扫描线，查询线接单片机的p4.0、p4.1。4.2.2 显示电路LED显示器12有两种显示方式：静态显示和动态显示。（1）LED静态显示方式所谓静态显示就是将N位共阴极LED显示器的阴极连在一起接地，每一LED是N位LED要求有N*8位I/O线，占用I/O线太多，故多在显示位数较少时使用。（2）LED动态显示方式所谓动态显示方式就是

56、用扫描方式一位一位地轮流点亮LED显示器的各个位。特点是：将多个LED显示器同名端的段选线复接在一起，只用一个8位I/O线控制各个LED显示器公共阴极轮流点亮接地的方法，逐一扫描点亮，使每位LED显示该位应当显示的字符。恰当地选择点亮LED的时间间隔，会给人一种视觉暂停效应，似乎多位LED都在同时点亮。为了精确的显示电机转速等系统的运行参数，以及能详尽的描述系统的启动，制动等运行状态。本系统采用8位8段共阴极的LED显示器。LED的位选线由74LS138译码器经驱动器产生，段选线由P3.0P3.4通过驱动器CD4511提供。第五章 检测电路 5.1 电压、电流检测电路电压检测采用运算放大器配合

57、光电耦合器件与单片机实现接口；电流检测采用霍尔传感器检测直流电流；一旦检测到电压或电流超过设定的参数，单片机则立刻产生中断处理，即刻封锁输出给IGBT的PWM信号。5.2 霍尔传感器近年来, 新一代功率半导体器件大量进入电力电子、交流变频调速、逆变装置及开关电源等领域。原有的电流、电压检测元件已不适应中高频、高di/dt电流波形的传递和检测。霍尔电流、电压传感器/变送器13模块是近十几年发展起的测量控制电流、电压的新一代工业用电量传感器, 是一种新型的高性能电气检测元件。霍尔电流、电压传感器/变送器由于具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失被测电路能量等诸多优点，因而被广泛应用于变频调速装置、逆变装置、逆变焊机、变电站、电解电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测大电流、电压的各个领域中。在电力电子产品中，对大电流、电压进行精确的检测和控制也是产品安全可靠运行的根本保证。1.霍尔传感器/变送器的性能特点霍尔电流、电压传感器/变送器模块具有优越的电性能