永磁同步发电机矢量控制系统设计

1、密级：公开 永磁同步发电机矢量控制系统设计Design of Vector Control System of PMSG学 院：专 业 班 级：学 号：学 生 姓 名：指 导 教 师： （教授） 2012年 6月I 摘 要在永磁同步发电机应用在发电系统中，存在着一些问题。由于无转子励磁电流，所以转子磁场存在着不可控性，也就是说，永磁同步发电机的输出电流和输出电压存在着不可控性。为解决上述问题，提出了利用三相桥式有源逆变电路的控制策略，并基于AT89C51单片机为核心，介绍了三相桥式逆变器的控制单元电路、各种检测保护电路、IGBT驱动电路和软件控制的设计原理与设计过程，应用PWM控制技术和永磁同

2、步电机的矢量控制方法，基于三相电压型逆变电路的工作原理，运用PWM技术使输出电压、电流接近正弦波。逆变器采用89C51单片机及单相PWM集成电路SA4828后，控制电路大为简化、器件减少，结构紧凑、降低了成本，提高了可靠性。并通过编程来有效的控制永磁同步发电机的输出电压及输出电流。通过调试运行取得了比较理想的结果。关键字：永磁同步发电机；三相桥式逆变电路；PWM；单片机；矢量控制AbstractThere is still some problem remaining to be solved when permanent magnet synchronous generator applie

3、s in system. Because of No rotor exciter current, rotor field is uncontrollable, which means the output current and voltage of permanent magnet synchronous generator is uncontrollable. In order to solve the aforementioned problem, someone has come up with this device called three-phase bridge which

4、has a function of reverse current, and uses AT89C51 SCM as a core, three-phase bridge type inverter is introduced. Its Control unit circuit, all kinds of test protection circuit, IGBT driver circuit and the design principle and procedure of the software control, which unitizes PMW control technology

5、 and the vector control method of permanent-magnet synchronous motor, based on the working principle of the three phase bridge inverter circuit, applies PMW technology to enable output voltage, make current close to Sine wave. After 89C51 SCM and Single-phase PWM integrated circuit SA4828 of the con

6、verter is applied, the control circuit has been simplified essentially, component has been reduced, the cost is lowered, and more reliability is ensured. What's more, controlled by programming technology has effectively controlled the output voltage and output current of the permanent magnet syn

7、chronous generator. A satisfactory result is obtained by adjusting the setting. Keywords: PMSG; DSP; adaptive control; direct torque controlI 目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 研究背景、目的和意义11.2 课题国内外研究现状及趋势21.3 论文的主要研究内容51.4 本论文的结构安排5第2章 理论分析和论述62.1 永磁同步发电机数学模型和矢量分析62.2 矢量控制技术92.3 IGBT的工作原理112.4 三相逆变桥电路及其控制1

8、32.5 PWM控制技术172.6 89C51单片机介绍192.7 SA4828芯片介绍23第3章 硬件电路设计263.1 永磁同步发电机基本控制电路263.2 单片机外围电路263.3 检测电路的设计28第4章 永磁同步发电机控制系统的软件设计304.1 控制器主程序设计314.2 控制系统子程序设计32第5章 结论34参 考 文 献35致 谢36沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 研究背景、目的和意义工业自动化技术和装备设计多个学科领域，其中所应用的计算机相当于人的大脑，负责对信息进行数值计算、逻辑推理、决策判断，并发出控制指令。这些控制命令代表着对自动化装备运动规律的希

9、望和要求，然而并不能单靠计算机自身去实现这些命令。虽然计算机可以灵活、快速地发出任何命令，但是，因为其命令自身所携带的能量极为有限，并且没有工具区执行“大脑”的一致实现运动。自动化装备执行计算机发出的运动命令，需要机电机构来完成。接收控制命令，对控制信号运算操作，提高执行能力，驱动执行工具运动，完成特定任务，这就要用到电气、气动、液压、机械等装置。接收控制命令，产生动力，驱动机构完成特定的运动，就是伺服系统的任务。因此可以说，伺服驱动装置是工程自动化不可或缺的基本技术装备。发电装置经过半个多世纪的发展，由于永磁材料的应用，高频大功率开关变流器的发展，高性能微电子器件的普及，电机理论的成熟与自动

10、控制理论的最新进展，传感器技术的进步，才使得当代交流伺服发电机和数字驱动技术得到了突飞猛进的发展，达到了很高的水平，几近完美。电动伺服技术因具有一系列优点倍受重视永磁伺服发电机驱动技术更是居先，独领风骚。但时代在前进，技术在进步，要求愈来愈高，精益求精，永无止境。现代交流伺服驱动装置也不例外，对于体积、质量、成本与可靠性、灵活性、跟踪的快速性、精确性和抗扰动鲁棒性等方面，也爱不断追求新的高度和目标。【1】永磁发电机有以下优点： 1、结构简单、可靠性高 永磁式发电机省去了励磁式发电机的励磁绕组、碳刷、滑环结构，整机结构简单，避免了励磁式发电机励磁式发电机励磁绕组易烧毁、断线，碳刷、滑环易磨损等故

11、障，可靠性大为提高。 2、体积小、重量轻、比功率大 永磁转子结构的采用，使得发电机内部结构设计排列得很紧凑，体积、重量大为减少。永磁转子结构的简化，还使得转子转动惯量减少，实用转速增加，比功率（即功率、体积之比例）达到一个很高的值。 3、中、低速发电性能好 功率等级相同的情况下，低速时，永磁式发电机要比励磁式发电机的输出功率高一倍，也就是说，永磁式发电机是实际等功率等级的励磁式发电机。 4、能显著地延长蓄电池寿命，减少蓄电池维护工作 主要原因是永磁式发电机采用的是开关式的整流稳压方式，稳压精度高，充电效果好。避免了过电流充电造成的蓄电池寿命缩短。永磁式发电机的开头式整流输出对蓄电池采用小电流脉

12、冲充电，相同的充电电流充电效果更好，从而延长蓄电池的使用寿命。 5、效率高 永磁式发电机是一种节能产品。永磁转子结构免去了产生转子磁场所需的励磁功率和碳刷、滑环之间磨擦的机械损耗，使得永磁式发电机效率大为提高。普通励磁式发电机在1500转/分至6000转/分之间的转速范围内平均效率只有45%至55%，而永磁式发电机则可高达75%至80%。 1.2 课题国内外研究现状及趋势在整个二十世纪，大多数工业，商业设备及家用电器上的传动装置基本上都设计成恒转速运行。对于很多机械负载已证实，若采用变速传动装置将改善其性能、生产效率和用电效率。最近一二十年，电气传动经历了较大的变革，其原因有二：1、由于电力电

13、子开关器件和微处理器控制的发展，使得变速传动得应用成为可能，其成本不断降低；2、由于对目前与将来电能的成本和可利用性的关心不断增加，变速传动装置正日益被用于新系统和现有系统的改造，使系统产品和用电效率两方面更加优化。永磁交流发电机为现代运动控制系统提供了一种具有诸多优点和适用广泛 的装置。采用永久磁铁产生气隙磁通而不需要外部励磁，这样就能设计出具有极好效率特性的永磁同步电机，这种高效率的优点受到了越来越多的重视。另一方面，合理的应用永久磁铁可能带来的低损耗，可使得电机设计获得极高的功率密度以及转矩惯量比。这些特性对哪些要求快速动态响应的加速器和伺服系统具有很大的吸引力。永磁同步电机传动控制的出

14、现是永磁发电机发展过程中两种不同开发路线 汇合的结果。一条路线是早期发展的可直接起动的带有转子鼠笼绕组的永磁电动机，这种电机是为直接由公用交流电网供电的方式运行设计的。这种特殊类型的混合式永磁同步电机的出现可以追溯至50年代，主要应用于一些重要的工业设备，如纺织生产线，这里需要大量的发电机以相同额定速度运行。在其后的70年代，经过设计改进的直接起动型永磁同步发电机，采用了铁氧体和稀土材料，具有很好的效率特性，但其成本高于异步发电机而未能广泛使用。第二条发展路线的标志是永磁直流伺服发电机开始取代传统的带励磁绕组的直流发电机。这种永磁直流伺服发电机在60年代已经用于高性能机床的伺服机构。此时，高强

15、度稀士永久磁铁已有效使用。最后在70年代，这两条路线汇合在一起，产生了无转子鼠笼的永磁同步电动机，它与调频逆变器结合在一起实现了高性能的运动控制。首先开发的是梯形永磁同步发电机，这种结构可以简化控制装置，此后在70年代后期以及80年代，高性能的正弦波永磁同步电机控制系统开始飞速发展。70年代末以来，随着电力电子学、微电子学、传感技术、永磁技术和控制理论的惊人发展，永磁交流伺服的研究和应用取得了举世瞩目的发展，已具备了宽调速范围、高稳态精度、快速动态响应及四象限运行等良好性能，其动态、静态性能已可以和直流伺服系统相媲美。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业自动化领域中的应用将越

16、来越厂泛。可以预见，交流伺服系统的研究将继续成为电气传动领域的一个研究热点，并带动相关产业的迅猛发展。永磁电机的发展是与永磁材料的发展密切相关的。我国是世界上最早发现永磁材料的磁特性并把它应用于生产实践的国家。19世纪20年代出现的世界上第一台电机就是由永磁体产生的励磁磁场的永磁电机。但当时所用的永磁材料是天然铁矿石（Fe3O4）,磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大，不久被电励磁电机所取代。20世纪30年代出现的铝镍钴永磁（最大磁能积可达85KJm3）和50年代出现的铁氧体永磁材料（最大磁能积现可达40 KJm3），磁性能有了很大的提高，各种微型和小型电机又纷纷使用永磁体励磁。这段时期在永磁

17、电机设计理论、计算方法、充磁和制造技术等方面也都取得了突破性发展，形成了以永磁体工作图图解法为代表的一套分析研究方法。永磁同步发电机的工作原理与电励磁同步发电机相同，但它以永磁体提供的磁通替代了后者的电励磁绕组励磁，使电机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了发电机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了发电机的效率和功率密度。因此永磁同步电机具有结构简单、运行可靠、损耗小，效率和功率因数高等一系列优点，因而它是近年来应用非常广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。永磁电机由于转子磁场由永磁体产生，制成后难以调节磁场来控

18、制其输出电压和功率因数，同时永磁材料加工工艺的分散性，永磁材料（特别是铁氧体永磁和钕铁硼永磁）的温度系数大，导致电机的输出电压分散，偏离额定电压；采用稀土永磁后，目前价格昂贵。随着电力电子器件的性能价格比不断提高，目前正逐步采用可控整流器和变频器来调节电压，上述缺点可以得到弥补。但是，铝镍钴永磁的矫顽力偏低（36160KAm），铁氧体永磁的剩磁密度不高（0.20.44T），限制了它们在电机中的应用范围。一直到上世纪60年代和80年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁（二者统称稀土永磁）相继问世，它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性的退磁曲线的优异性能特别适合制造电机，从而使永磁电机的发展进入一个新

19、的历史时期。稀土永磁材料的发展大致可以分为三个阶段。1967年美国KJStrnat教授发现的钐钴永磁为第一代稀土永磁，其化学式可以表示成RCO5（其中R代表钐、镨等稀土元素），产品最大的磁能积现已超过199KJm3。1973年又出现了磁性性能更好的第二代稀土永磁，其化学式为R2CO7.产品的最大磁能积现已达258.6KJm3。1983年日本住友特殊金属公司和美国通用汽车公司各自研制成功钕铁硼（NdFeB）永磁，在实验室中的最大磁能积现高达431.3KJm3，商品生产现已达397.9 KJm3，称为第三代稀土永磁。由于钕铁硼永磁的磁性能高于其他永磁材料，价格又低于稀土钴永磁材料，在稀土矿中钕的含

20、量是钐的十几倍，而且不含战略物资钴，因而引起了国内外磁学界的和电机界的极大关注，纷纷投入大量的人力物力进行研究开发。目前正在研究新的更高性能的永磁材料，如钐铁氮永磁、纳米复合稀土永磁等，希望能有更大的突破。永磁同步发电机的工作原理与电励磁同步发电机相同，但它以永磁体提供的磁通替代了后者的电励磁绕组励磁，使电机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了发电机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了发电机的效率和功率密度。因此永磁同步电机具有结构简单、运行可靠、损耗小，效率和功率因数高等一系列优点，因而它是近年来应用非常广泛，几乎遍及航空航天、国防、

21、工农业生产和日常生活的各个领域。永磁电机由于转子磁场由永磁体产生，制成后难以调节磁场来控制其输出电压和功率因数，同时永磁材料加工工艺的分散性，永磁材料的（特便是铁氧体永磁和钕铁硼永磁）的温度系数大，导致电机的输出电压分散，偏离额定电压；采用稀土永磁后，目前价格昂贵。随着电力电子器件的性能价格比不断提高，目前正逐步采用可控整流器和变频器来调节电压，上述缺点可以得到弥补。【2】1.3 论文的主要研究内容本课题研究了永磁同步发电机的矢量控制系统设计，首先对永磁同步发电机的数学模型、工作原理、各矢量关系及磁场分布进行研究，由于永磁同步发电机与电励磁电机气隙的不同，永磁同步发电机的定子磁势可以忽略不计。

22、其次，对永磁同步发电机的控制电路进行设计，采用三相逆变桥式电路进行控制，通过控制IGBT的通断，来控制输出PWM波形，等效为正弦波，给永磁同步发电机施加反向电压，来控制永磁同步发电机的输出电压的幅值。然后，利用单片机来通过控制IGBT的通断用以控制输出的PWM波形，以便控制永磁同步发电机的输出电压波形，作出单片机的硬件接线图。最后，对该控制系统进行软件设计，画出流程图。1.4 本论文的结构安排1、对永磁同步发电机的矢量控制所应用的到的理论基础进行分析和介绍2、对永磁同步发电机的控制电路进行介绍3、介绍单片机的硬件接线图4、画出控制单片机的软件流程图第2章 理论分析和论述2.1 永磁同步发电机数

23、学模型和矢量分析永磁发电机与励磁发电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁体产生的。永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。永磁体的磁性能不仅与生产厂的制造工艺有关，还与永磁体的形状和尺寸、充磁机的容量和充磁方法有关，具体性能数据的离散性很大。而且永磁体在电机中所能提供的磁通量和磁动势还随磁路其余部分的材料性能、尺寸和电机运行状态而变化。此外，永磁发电机的磁路结构多种多样，漏磁路十分复杂而且漏磁通占的比例较大，铁磁材料部分又比较容易饱和，磁导是非线性的。这些都增加了永磁发电机电磁计算的复杂性，使计算结果的准确度低于电励磁发电机。因此，必须建立新的设计概念，重新分析和改进磁路结构和控制系统；必

24、须应用现代设计方法，研究新的分析计算方法，以提高设计计算的准确度；必须研究采用先进的测试方法和制造工艺。永磁同步发电机的基本原理与电励磁同步发电机一样。从结构上电机分为定子和转子两大部分，转子上由永磁体材料产生恒定的机械旋转磁场。机械旋转磁场由原动机带动以同步转速旋转，其以同步转速切割定子三相对称绕组，在定子绕组中感应出三相对称电势。当定子三相绕组带三相对称负载时感生出三相对称电流，此时发电机就能实现将机械能转化为电能的目的。永磁发电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。这些使永磁发电机的应用范围受到了限制。但是，随着MOSFET、IGBT等电力电子器件的

25、控制技术的迅猛发展，永磁发电机在应用中无需磁场控制而只进行电机输出控制。设计时需要钕铁硼材料，电力电子器件和微机控制三项新技术结合起来，使永磁发电机在崭新的工况下运行。 首先对于永磁同步发电机本身来说，通过空间矢量坐标变化，建立永磁同步发电机d-q轴数学模型。在建立数学模型之前，先做了如下的假设：忽略定、转子铁心的磁阻，不考虑涡流与磁滞损耗；永磁材料的电导率为零，永磁体内部的磁导率与空气相同；永磁体产生的励磁磁场和三相绕组产生的电枢反应磁场在气隙中均为正弦分布；稳态运行时，相绕组中感应电动势波形为正弦波。【3】磁链方程： （2-1） （2-2） （2-3）电磁转矩方程： （2-4）通常把激磁电

26、动势与电枢电流的时间相位差称为内功率因数角，并用0表示，它与电机的内阻抗和负载性质有关。取主极轴线超前于A相轴线90°的时刻来分析永磁同步发电机的矢量，如图2-1所示 图2-1 永磁同步发电机定转子瞬间位置习惯上把转子柱磁极的轴线称为直轴，用d轴表示，把与直轴正交的轴线称为交轴，用q轴表示。在图2.1瞬间，A相绕组交链的主磁通0A为零，但A相绕组切割的主极磁力线最多，因此A相感应的激磁电动势0A达到最大值，此时0A与时轴重合，0A超前0A 90°：一般情况下，电枢电流A滞后0A一个锐角，即0°<0<90°。若把A相相轴与时轴取为重合。由于永磁

27、同步发电机的电枢磁通势可以忽略不计，可得定子电压方程为 (2-5)整理得， (2-6) 在时间相位上，滞后 90°，所以-超前 90°。可画出永磁同步发电机与控制系统的矢量图如图2-2所示：图2-2 永磁同步发电机矢量图其中是永磁同步发电机基波主磁通，同步发电机的同步电抗；功率角，内功率角，功率因数。为发电机空载电动势，公式为 （2-7）式中：N电枢绕组的每一相串联匝数，绕组因数；气隙磁通的波形系数，每极空载气隙磁通（Wb）。保持系统最优发电状态下的转速，提高发电系统的工作效率，发电机电磁转矩必须要可以进行有效的调节，使其具备良好的机械特性，电机转速能够快速得到响应。当系统

28、采用控制的永磁同步发电机的电磁转矩公式由公式2-3变为 （2-8）因为对于永磁同步发电机来说基波磁通的磁链为定值，当控制PMSG功率因数为常数时，在轴系下发电机的电磁转矩只随着定子电流的转矩电流分量成线性关系。故此，可以通过控制达到调节发电机电磁转矩调节的目的。【4】2.2 矢量控制技术1971年，德国学者Blaschke和Hasse提出了交流电动机的矢量控制理论，它是电动机控制理论的第一次质的飞跃，解决了交流电机的调速问题，使得交流电机的控制跟直流电机控制一样的方便可行，并且可以获得与直流调速系统相媲美的动态功能。其基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定

29、向坐标上，将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。交流电机的矢量控制使转矩和磁通的控制实现解耦。所谓解耦指的是控制转矩时不影响磁通的大小，控制磁通时不影响转矩。这样交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就和直流电动机相似了。因此矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位置(频率和相位)的控制。矢量控制是通过对两个电流分量的分别控制实现的。根据电机方程所确定的电磁关系，一定的转矩和转速对应于一定的id和iq，通过对这两个电流的控制，跟踪相应的给定值，便实现了对电机转矩和转速的控制。而且由于位于d、q轴的电流分量相互正交，

30、使对转矩的控制和对磁场的控制实现了解耦，因此便于实现各种先进的控制策略。对于永磁同步发电机，转子磁通位置与转子机械位置相同，这样通过检测转子实际位置就可以得知电机转子磁链位置，从而使永磁同步电机的矢量控制比起异步电机的矢量控制大大简化。因此，需要借助于坐标变换，使得各个物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，然后，站在同步旋转坐标系上进行观察，发电机的各个空间矢量都变成了静止矢量，在同步坐标系上的各个空间矢量就都变成了直流量，可以根据转矩公式的几种形式，找到转矩和被控矢量的各个分量之间的关系，实时的计算出转矩控制所需要的被控矢量的各个分量值，即直流给定量。由于这些直流给定量在物理上是不存在的，

31、是虚构的，因此，还必须再经过坐标的逆变换过程，从旋转坐标系回到静止坐标系，把上述的直流给定量变换成实际的交流给定量，在三相定子坐标系上对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。5矢量控制技术运用到以下三种坐标系：1)三相定子坐标系(U.V.W坐标系)其中三相交流电机绕组轴线分别为U、V、W，彼此之间互差120度空间电角度，构成了一个UVW三相坐标系。空间任意一矢量在三个坐标上的投影代表了该矢量在三个绕组上的分量。2)两相定子坐标系(坐标系)两相对称绕组通以两相对称电流也能产生旋转磁场。对于空间的任意一矢量，数学描述时习惯采用两相直角坐标系来描述，所以定义一个两相静止坐标系，即坐标系，它的轴和三相

32、定子坐标系的A轴重合，轴逆时针超前轴90度空间电角度。由于轴固定在定子A相绕组轴线上，所以坐标系也是静止坐标系。3)转子坐标系(dq坐标系)转子坐标系d轴位于转子磁链轴线上，q轴逆时针超前d轴90度空间电角度，该坐标系和转子一起在空间上以转子角速度旋转，故为旋转坐标系。对于同步电动机，d轴是转子磁极的轴线。矢量控制亦称磁场定向控制,其基本思路是:通过坐标变换实现模拟直流电机的控制方法来对永磁同步电机进行控制,。矢量控制中用到的变换有:将三相平面坐标系向两相平面直角坐标系的转换(Clarke变换)和将两相静止直角坐标系向两相旋转直角坐标系的变换(Park变换)。其实现步骤如下：1、根据磁势和功率

33、不变的原则通过正交变换,将三相静止坐标变换成二相静止坐标，也就是Clarke变换，将三相的电流先转变到静止坐标系，再通过旋转变换将二相静止坐标变成二相旋转坐标，也就是 Park 变换，Park 变换中定子电流矢量被分解成按转子磁场定向的 2 个直流分量 id、iq(其中 id 为励磁电流分量,iq为转矩电流分量)。2、通过控制器对其速度电流环进行控制,控制 id 就相当于控制磁通,而控制 iq 就相当于控制转矩。Iq 调节参考量是由速度控制器给出，经过电流环调节后得出其 d，q 轴上的电压分量即 ud 和 uq。.3、控制量 ud 和 uq 通过 Park 逆变换。4、根据SVPWM 空间矢量

34、合成方法实现矢量控制量输出，达到矢量控制的目的。【6】2.3 IGBT的工作原理绝缘栅双极晶体管简称IGBT，是由MOSFET和晶体管技术结合而成的复合型器件，是80年代出现的新型复合器件，在电机控制、中频和开关电源，以及要求快速、低损耗的领域备受青睐。IGBT是在功率MOSFET的基础上发展起来的，两者结构十分相似，IGBT是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。不同之处是IGBT多了一个P+层发射极，可形成PN发射结J1，并由此引出漏极；门极和源极与MOSFET相似。IGBT 按缓冲区的有无来分类，缓冲区是介于P发射区和N漂移区之间的N层。无缓冲区N者称为对称型IGBT，也称为非穿痛型

35、IGBT；有N缓冲区者称为非对称型IGBT，也称为穿通型IGBT。因为构造不同造成其特性的不同，非对称型IGBT由于存在N区，反向阻断能力弱，但其正向压降低、关断时间短、关断时尾部电流小。与之相反，对称型IGBT具有正反向阻断能力，其他特性不及非对称型IGBT。IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR，其等效电路如图2-3a所示，N沟道IGBT图形符号如图2-3b所示。对于P沟道IGBT，其图形符号中的箭头方向恰好相反。图中的电阻是厚基区GTR基区内的扩展电阻。IGBT是以GTR为主导元件，MOSFET为驱动元件的达淋顿结构。图示器件为N沟道IGBT，MOSFET为N 沟道型，GTR

36、为PNP型。 a) 等效电路 b) 图形符号图2-3 IGBT的简化等效电路与IGBT的图形符号 IGBT的开通和关断是由门极电压来控制的。门极施以正电压时，MOSFET内形成沟道，并以PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。在门极上施以负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即为关断。当VCE为负时，J3结处于反向偏置状态，类似于反偏二极管，器件呈反向阻断状态。当VCE为正时，有两种可能：1、若门极电压小于开启电压，即VGVT，则沟道不能形成，器件呈反向阻断状态；2、若门极电压大于开启电压，即VGVT，绝缘门极下面的沟道形成，N+区的电子通过沟道进入N

37、漂移区，漂移到J3结，此时J3结是正向偏置，也向N区注入空穴，从而在N区产生电导调制，使器件正向导通。在器件导通之后，若将门极电压突然减至零，则沟道消失，通过沟道的电子电流为零，使漏极电流有所突减，但由于N区注入了大量的电子、空穴对，因而使漏极电流不会马上为零，因而出现一个拖尾时间。除上述IGBT的正常工作情况外，从结构图中可以看出，由于IGBT结构中寄生着PNPN四层结构，存在着由于再生作用而将导通状态锁定起来的可能性，从而导致漏极电流失控，进而引起器件产生破坏性失效。IGBT的锁定现象分为静态锁定、动态锁定和栅分布锁定。静态锁定就是IGBT在稳态电流导通时出现的锁定，此时漏极电压低，锁定发

38、生在稳态电流密度超过某一数值的时候。动态锁定发生在开关过程中，在大电流、高电压的情况下，以及由于过大的dvdt引起的位移电流造成的。栅分布锁定是由于绝缘栅的电容效应，造成在开关过程中个别先开通或后关断的IGBT之中的电流密度过大而形成局部锁定。应当采取各种工艺措施提高IGBT的锁定电流，克服由于锁定而产生失效。【7】IGBT的特性和参数特点可以总结如下：1、IGBT开关速度高，开关损耗小。有关资料表明，在电压为1000V以上时，IGBT的开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当；2、在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力；3、IG

39、BT的同台压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域；4、IGBT的输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似；5、与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和同流能力还可以进一步提高，同时可保持开关频率高的特点。根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗可以确定IGBT在导通工作状态的参数极限范围，即正向偏置安全工作区；根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCEdt，可以确定IGBT在阻断工作状态下的参数极限范围，即反向偏置安全工作区。【8】2.4 三相逆变桥电路及其控制与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变。当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源

40、时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。逆变电路的应用非常广泛。在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电动机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。当然，逆变电路也可以通过其输出的电压来改变发电机输出的电压的波形。用三个单相逆变电路可以组成一个三相逆变电路。但在三相逆变电路中，应用最广的还是三相桥式逆变电路。采用IGBT作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图2-4所示。图2-4 三相电压型桥式逆变电路9电压型逆变电路有以下主要特点：1、直

41、流侧位电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗；2、由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出的电流波形和相位因负载阻抗情况不同而不同；3、当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。10图2-4电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了分析方便，画作串联的两个电容器并标出假想终点N。三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是180°到点方式，即每个桥臂的导电角度为180°，同一相（即同一半

42、桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度一次相差120°。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同事导通。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。下面来分析三相电压型桥式逆变电路的工作波形。对于U相来说，当桥臂1导通时，uUN=Ud/2,当桥臂3导通时，uUN= Ud/2。因此，uUN的波形是幅值为Ud/2的矩形波。V、W两项的情况和U相类似，uVN 、uWN的波形形状和uUN相同，只是相位依次差120°。uUN 、uVN 、uWN的波形如图2.5a、b、c所示。所以负载线电压、为 （2-9）负载相电压、为 （2-10）负载中点和电源中点间电压为 （2-

43、11）负载三相对称时有 （2-12）于是 （2-13）所以也是矩形波，其频率为的3倍，幅值为其1/3，即Ud/6。三相逆变输出的电压与电流分析类似，负载参数已知，以U相为例，负载的阻抗角不一样，的波形形状和相位都有所不同，在阻感负载下时，从通态转换到断态时，因负载电感中电流不能突变，先导通续流，待负载电流降为零，才开始导通。负载阻抗角越大，导通时间越长。在时，时为导通，时为导通；在时，时导通，时为导通。、的波形与形状相同，相位一次相差。将三个桥臂电流相加可得到直流侧电流。【11】图2-5 三相电压型桥式逆变电路的工作波形2.5 PWM控制技术PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一

44、系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展的比较成熟，从而确定了它在电力电子技术中的重要地位。近年来，PWM技术在整流电路中也开始应用，并显示了突出的优越性。在采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加载具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出相应波形基本相同。其中，脉冲的宽度按争先规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称

45、SPWM波形。要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变各脉冲的宽度即可。PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种。由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波，由于直流电源电压幅值基本恒定，因此PWM波是等幅的。不管是等幅PWM波还是不等幅PWM波，都是基于面积等效原理来进行控制的，因此其本质是相同的。本文用调制法对PWM逆变电路进行控制。所谓调制法，就是把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波。因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制波相交时，

46、如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形，这种情况应用最广。当调制信号不是正弦波，而是其他所需要的波形时，也能得到与之等效的PWM波。图2-6是三相桥式PWM逆变电路，这种电路都是采用双极性控制方式。图2-6 三相桥式PWM逆变电路三相PWM控制公用uc，三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120°。U相的控制规律：当urU>uc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN´=Ud/2，当urU<uc时，给V4导通信号，给V1关断信号，u

47、UN´=-Ud/2；V1 和V4的驱动信号始终是互补的。当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是二极管VD1(VD4)续流导通。V相及W相的控制方式都和U相相同。uUN´、uVN´和uWN´的PWM波形只有±Ud/2两种电平，uUV波形可由uUN´-uVN´得出，当1和6通时，uUV=Ud，当3和4通时，uUV=Ud，当1和3或4和6通时，uUV=0。输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成，负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成。电路的

48、波形如图2.7所示。【12】图2-7 三相桥式PWM逆变电路波形2.6 89C51单片机介绍单片机全称单片微型计算机，又称MCU，是将计算机的基本部分微型化，使之集成在一块芯片上的危机。片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、定时/计数器、A/D、D/A、中断控制、系统时钟及系统总线等，它本身就是一个嵌入式系统，同时也是其他嵌入式系统的核心。运算器的功能是进行算术、逻辑运算。它可以对半字节、单字节等数据进行操作。例如，能完成加、减、乘、除、加1、BCD码十进制调整、比较等运算，完成与、或、异或、求反、循环等逻辑操作，操作结果的状态信息送至状态寄存器。运算器还包括一个布尔处理器，用来处理位操

49、作。它以近卫标志位C为累加器，可执行置位、复位、取反、位判断转移，可在进位标志位与其他可位寻址的位之间进行位数据传送等操作，还可以完成进位标志与其他可寻址的位之间进行逻辑与或操作。程序计数器PC是一个自动加1的16位寄存器，用来存放即将要取出的指令码的地址，可对64KB程序存储器直接寻址。取指令码时，PC内容的低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。取指令码后，PC寄存器的内容自动加1，指向下一指令码地址。指令寄存器用于存放指令代码。CPU执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送入指令寄存器，经指令译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。存储器用于存放程序和数据，半导体

50、存储器由一个个存储单元组成，每个单元有个编号（称为地址），一个单元存放一个8位的二进制数（即一个字节）；当一个数据多于8位时，就需要多个单元存放。ROM用来存放程序、表格和始终要保留的常数，单片机中称其为程序存储器；RAM通常用来存放程序运行中所需要的数据（常数和变量）或运算的结果，单片机中称其为数据存储器。单片机的寻址方式分为立即寻址、直接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、变址寻址、相对寻址和位寻址。本文重点介绍89C51单片机，89C51单片机引脚图如图2-8所示。 图2-8 89C51单片机引脚图各管脚作用如下：VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/

51、O口，每脚可接收8个TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/ 地址的第八位。在FLASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个T

52、TL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流

53、，这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： P3.0/XD：串行输入口P3.1/XD：串行输出口 P3.2/：外部中断0 P3.3/：外部中断1 P3.4/ T0：记时器0外部输入 P3.5/T1：记时器1外部输入 P3.6/：外部数据存储器写选通 P3.7/：外部数据存储器读选通 P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/:当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频

54、率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 ：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取址期间，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。 /VPP：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此间内部程

55、序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。【13】AT89C51的编程方法如下：1、在地址线上加上要编程单元的地址信号； 2、在数据线上加上要写入的数据字节；3、激活相应的控制信号；4、在高电压编程方式时，将EA/Vpp 端加上+12V 编程电压；5、每对Flash 存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个ALE/PROG 编程脉冲。每个字节写入周期是自身定时的，通常约为1.5ms。重复15 步骤，改变编程单元的地址和写入的数据，直到全部文件编程结束。14

56、2.7 SA4828芯片介绍逆变器中开关管的开关时间要由调制波与载波的交点来确定。在调制波的频率、幅值和载波的频率这三个参数中，不论哪一个发生变化，都将使得载波与调制波的交点发生变化。因此，在每一次变频调整时，都要重新计算交点的坐标。这是一组超越方程，单片机的计算能力和速度显然难以胜任。过去最常用的办法是，把各种频率和电压对应的交点坐标事先计算好，用表格的形式存放起来，使用时通过查表来调用。这样将占用大量的存储器和CPU的资源，使其无法发挥更好的作用。近年来一些厂家研制出了专门用于生成三相SPWM波控制信号的大规模集成电路芯片，如SA4828等。采用这样的集成电路芯片，可以大大地减轻CPU的负担，仅当需要改变频率和电压时，单片机才去干预SA4828，使控制系统可以空出更多的时间用于检测和监控。SA4828是由英国MITEL公司推出的一种三相脉宽调制波发生器，它采用不对称规则采样SPWM算法，通过存储在片内ROM中的调制波与片内产生的