调制式功率变换器的微机控制

1、?电气传动计算机控制?第四章 调制式功率变换器的微机控制4.1 调制式功率变换器的微机控制直流PWM变换器的原理型可逆PWM变换器的微机控制的基极驱动功放电路4.2 脉幅调制变频器的微机控制4.3 脉宽调制变频器的微机控制中值规那么采样SPWM控制法 第四章 调制式功率变换器的微机控制4.1 调制式功率变换器的微机控制直流PWM变换器的原理型可逆PWM变换器的微机控制的基极驱动功放电路4.2 脉幅调制变频器的微机控制4.3 脉宽调制变频器的微机控制中值规那么采样SPWM控制法 前言 调制式功率变换器有两类：一类是脉冲宽度调制功率变换器，简称PWM变换器；另一类是脉冲幅值调制功率变换器，简称PA

2、M变换器。利用电力半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，通过控制电压脉冲的宽度或周期到达变压目的，完成直流直流变换。这种变换器称为直流PWM变换器，作为直流功率变换器，广泛应用于直流电气传动系统中。第四章 调制式功率变换器的微机控制前言 利用电力半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成正负交变的电压脉冲列，通过控制正负电压脉冲的宽度、数量和正负交变的周期到达变压变频目的，完成直流交流变换。这种变换器通常称为逆变器，也可直接称为变频器。因控制方式不同，它可以实现变压变频变换，简称VVVF；可以实现恒压恒频变换，简称CVCF；也可以实现变压恒频或恒压变频变换，分别简称为VVCF或CV

3、VF。在交流电气传动中广泛使用的变频器，是按VVVF控制方式进行变换的变频器。这是因为交流电动机在输入频率改变的同时，必须协调地改变其输入电压，否那么电动机将出现过励或欠励磁。第四章 调制式功率变换器的微机控制前言 实现VVVF变换有两种控制方式。一种方式是把VV与VF变换分开完成，先由交流直流变换器(如相控整流器)将交流电变成可变电压的直流电，完成VV变换，再由直流交流变换器(即逆变器)将直流电变成可调频率的交流电，完成VF变换。这种前后分开控制的VVVF控制方式，称为脉冲幅值调制方式，简称PAM方式，把这种变频器称为PAM变频器。另一种方式是将VV与VF变换集中由逆变器完成。由交流到直流的

4、变换由不可控整流器进行，因而直流电压恒定，再由逆变器既完成变频又完成变压。这种集中控制的VVVF方式称为脉冲宽度调制，简称PWM方式，把这种变频器称为PWM变频器。第四章 调制式功率变换器的微机控制前言 早期的VVVF变频器均采用PAM控制方式，这是由于当时的电力半导体开关器件是半控型晶闸管，其关断需换流电路，工作频率不高，逆变器输出的交流电压或电流波形只能是方波。要使输出电压的有效值随输出频率的变化而改变，只能靠改变方波的幅值，即改变直流电压的大小。随着全控型快速电力半导体开关器件GTR(大功率晶体管)、GTO(可关断晶闸管)、IGBT(绝缘栅双极晶体管)、MOSFET(场效应晶体管)等的相

5、继问世，PWM控制方式得到了迅速的开展。采用PWM控制方式整流器无需控制，简化了电路结构和控制装置。以不可控整流代替相控整流还提高了输入端的功率因数，减小高次谐波对电网的影响。第四章 调制式功率变换器的微机控制前言 此外，由于输出电压波形由方波改进为PWM波，使变频器的输出波形有可能接近理想正弦波，为高性能指标的交流电气传动的实现提供了根本条件。因此，PWM控制技术是电气传动自动控制领域中的研究热点之一。从目前的情况看，由于全控型开关器件的电流、电压等级还不够高，且价格较昂贵，为了降低本钱，在数百千瓦以上的大容量变频器中仍需使用以晶闸管为开关器件的PAM控制方式。因此，本章对这两种控制方式的微

6、机实现均加以介绍。第四章 调制式功率变换器的微机控制 采用全控型开关器件组成的直流脉宽调制变换器(以下简称PWM变换器)与晶闸管相控式整流器相比有一系列优点。目前，它已广泛应用于中、小功率直流电气传动系统，随着开关器件的开展，它的应用领域必然日益扩大。 PWM变换器有不可逆和可逆两类。可逆变换器有T型和H型电路，控制方式有双极模式、单极模式和受限单极模式等。现在以双极模式工作的H型可逆PWM变换器为例介绍其微机控制方法，其它各种PWM变换器的微机控制可用类似方法。 直流脉宽调制变换器的微机控制4.1.1 直流PWM变换原理 H型可逆PWM变换器主电路原理图如以下图，它由四个全控型开关器件GTR

7、和四个续流二极管组成。固定电压的直流电源一般由输出侧加有滤波电容的不可控整流器提供基极驱动电压和电枢电压波形。直流脉宽调制变换器的微机控制4.1.1 直流PWM变换原理 四个GTR分为两组，V1、V4为一组，V2、V3为另一组。按双极模式工作时，同一组中两个GTR同时导通、同时关断，两组GTR之间那么是交替地轮流导通和关断，即同组的GTR基极驱动电压具有同相关系( 、 )，两组间的基极驱动电压具有反相关系( )。设两组通断一次的时间，即PWM变换器的开关周期为 ，V1、V4的导通时间为 ，V2、V3的导通时间那么为 。GTR基极驱动电压及直流电动机电枢电压 波形如以下图。直流脉宽调制变换器的微

8、机控制4.1.1 直流PWM变换原理 两组开关器件交替通断，因而电枢电压瞬时值 为正、负脉冲序列的电压波形。在一个开关周期内，当 时正脉冲比负脉冲宽， 的平均值 为正，在电动运行时电动机正转；当 时正脉冲比负脉冲窄， 的平均值 为负，电动机反转。当 时，正、负脉冲宽度相等， 为零，那么电动机停止。右图所示波形是电动机正转时的情况。直流脉宽调制变换器的微机控制4.1.1 直流PWM变换原理 H型双极模式PWM变换器施加在直流电动机电枢上的电压平均值 可用下式表示 41 显然，在 一定时改变 的大小不仅可以改变 的大小，而且还可以改变 的极性，实现电动机的四象限运行。直流脉宽调制变换器的微机控制4

9、.1.1 直流PWM变换原理 上图所示GTR基极驱动电压波形是理想情况，即认为GTR的导通和关断是同步进行的，实际上，由于导通管关断期的存储时间较长，使关断时间大于开通时间。假设让同侧管的通、断同时切换，必将出现退出管尚未关断、进入管已经导通的情况，这时同时处于导通态的两管将电源 直接短接，产生极大的穿通电流，从而导致GTR损坏。这一现象称为“共态直通，它是PWM变换器不能可靠工作的一个重要原因。为了防止“共态直通，应使饱和导通的GTR关断后，同侧原为截止状态的GTR才能导通。这就需要基极驱动开通电压有一延时，使同侧对管在开关切换期间有一个延时死区。对于GTR，死区时间 大约需要几 。防止“共

10、态直通的基极驱动电压波形如以以下图所示。直流脉宽调制变换器的微机控制4.1.1 直流PWM变换原理直流脉宽调制变换器的微机控制4.1.1 直流PWM变换原理 基于直流PWM变换器的根本原理，用微机来实现脉冲宽度调制通常有两种方法：软件方案和硬件方案。下面介绍一种由软件和硬件相结合来实现PWM基极驱动信号波形的方法，以以下图示出了这一方法的原理电路图。 图44直流脉宽调制变换器的微机控制型可逆PWM变换器的微机控制 其中计数定时器及并行输出位可以是微机的附加外围接口芯片，也可以由单片机(如8031等)内部提供，由所选机型以及系统总体设计决定。两个计数定时器分别对开关周期 和正脉冲宽度 定时，由并

11、行输出位PO1、PO2按逻辑非的关系成对输出理想条件的PWM基极驱动信号(参见右图)，以高电平为有效。硬件电路中RS触发器的输出存在 0 态延时，用于实现开关切换期的延时死区，由此得到防止“共态直通的基极驱动信号。直流脉宽调制变换器的微机控制型可逆PWM变换器的微机控制 改变R1、R2、C1、C2的大小可以方便地改变延时死区时间 。此外，该触发器还具有对两组基极驱动信号实现互锁的功能。微机通过输出位PO3发出的输出信号，用来控制基极驱动信号的封锁或开放，微机上电复位后，PO3应为封锁态输出。图中的保护信号来自系统的过电压、欠电压、过电流、过热(电动机过热、功率转换装置过热)等监测电路。当其中任

12、一现象发生时，此保护信号为低电平，直接将功率级截止，强制系统停止运行。相应地，在截止功率级的同时，应切断系统输入电源，这是在系统总体设计时需考虑的问题。直流脉宽调制变换器的微机控制型可逆PWM变换器的微机控制 下面着重讨论开关周期 和计数定时用计数脉冲频率 的选定问题。 计数定时器的计数脉冲频率为 时，对正脉冲宽度 的定时分辨率为 42 由式(41)知，正脉冲宽度 由0变到 时，对应的电枢电压平均值 由 变到 ， 时，对 定时的时间常数为 。因而，调制电枢电压的分辨率为直流脉宽调制变换器的微机控制型可逆PWM变换器的微机控制43 显然，对电枢电压平均值 的控制精度与 有关。 越小，控制精度才可

13、能越高。然而， 的控制精度还与给定控制信号 的电压分辨率 有关。实际上， 的控制精度是由 和 中较大者决定的。 是传动系统的数字控制器的输出量，其有效位数决定于系统中各相关状态量的检测分辨率和数据处理的精度。设 的有效位数为 且 从 ，对应于 从 ，那么 的电压分辨率可简化为 44 为保证系统控制精度的要求必须使 ，那么由式(43)和式(44)可得 45 式(4-5)便是选定 和 的制约条件。直流脉宽调制变换器的微机控制型可逆PWM变换器的微机控制 GTR的工作频率为15kHz，计数脉冲频率 受微机系统硬件动特性限制，一般为12MHz，假设选用16位8254可编程计数定时器， 可达8MHz。从

14、PWM变换器工作原理知，提高开关频率即减小开关周期 ，可减小电枢电流的脉动。但当 选定后，减小开关周期 将增大分辨率 ，影响控制精度。同时， 的减小还受有效位数 即分辨率 的制约。例如， ， ，因而 。假设取 ，那么应有 。由式(43)可知，只有在开关频率小于2kHz时才有 。由此可见，假设用减小开关周期、提高开关频率的方法来减小电枢电流脉动时，在计数定时器允许的情况下应相应增大 值，否那么将影响系统的控制精度。直流脉宽调制变换器的微机控制型可逆PWM变换器的微机控制 开关周期 定时时间常数为固定值，其计算式为 (4-6) 正脉冲宽度 与给定控制信号 的关系可简化为 (4-7) 由式47及式4

15、2可得正脉冲宽度 定时时间常数计算式直流脉宽调制变换器的微机控制型可逆PWM变换器的微机控制(4-8) 利用图44所示电路产生双极模式PWM基极驱动信号的程序流程图如图45和图46所示。图45是开关周期T定时器的中断效劳程序，主要完成输出V1、V4及撤除V2、V3的基极驱动信号。图46是正脉冲宽度 定时器的中断效劳程序流程图，主要完成输出V2、V3及撤除V1、V4的基极驱动信号。直流脉宽调制变换器的微机控制型可逆PWM变换器的微机控制4546 由PO1、PO2输出的基极驱动信号是否经驱动功放电路作用到GTR那么由输出位PO3单独控制。成对的两个驱动信号转换期的延时死区由接口硬件实现，虽然上述两

16、个中断效劳程序占用CPU的时间都不多，但在一个开关周期内CPU需分别处理一次。假设 较小，对于速度不太高的8位微机，CPU的剩余时间不多。为了兼顾系统控制运算的实时性可采用多微机方案，用单片机以最小配置专门实现PWM信号的形成。直流脉宽调制变换器的微机控制型可逆PWM变换器的微机控制 PWM变换器GTR基极驱动功放电路的作用，是将微机输出的基极驱动脉冲信号放大到足以鼓励GTR。基极驱动功放电路的优劣和功能的完善程度，对GTR的工作性能和可靠性有直接关系。它所提供的驱动脉冲幅度和波形关系到GTR的饱和压降，存储时间，开通和关断瞬间集电极电压、电流的上升、下降速率等运行特性，直接影响其损耗和发热，

17、对PWM变换器的性能和平安可靠有很大影响。因此，应仔细分析和选择电路结构。除已有多种分立元件组成的驱动功放电路外，近年来国外推出了功能很强的大规模集成驱动电路，如UAA4002等。以下介绍一种具有关断反偏的单电源GTR驱动功放电路。其它驱动电路，可查阅有关文献。直流脉宽调制变换器的微机控制基极驱动功放电路直流脉宽调制变换器的微机控制基极驱动功放电路 图47所示驱动功放电路采用光电耦合器实现主电路和控制电路之间的电气隔离，功放电源由变压器隔离。当 为低电平时，V1导通，V2、V5截止，V3、V4导通，加速电容C1使基极驱动电流具有较陡的前沿，并有一定的过冲，加快GTR的开通，减小开通损耗。当 为

18、高电平时，V1截止，V2、V5导通，V3、V4截止，电容C2放电，为GTR提供反向偏置基极电流，减小存储时间，加快关断速度，减小关断损耗。直流脉宽调制变换器的微机控制基极驱动功放电路 脉宽调制变频器即PWM变频器，它是一种交直交功率变换器，其主电路示意图如图412所示。它的交直变换为不可控整流器；中间直流环节采用大电容器滤波，可视直流电压为恒定；直交变换那么是利用PWM控制方式，由逆变器既完成变压又完成变频(即VVVF)。脉宽调制变换器的微机控制 对PWM变频器的控制也就是对逆变器的控制。由全控型开关器件GTR和续流二极管组成的逆变器，其主电路原理图如以以下图所示。脉宽调制变换器的微机控制 实

19、现逆变器PWM控制方式的方法很多，并且还在不断开展中。PWM控制技术主要着眼于两个方面：一是如何使变频器的输出电压尽可能逼近三相对称的正弦波，即如何把输出电压的谐波分量，特别是低次谐波分量尽可能减小或消除；另一方面那么是如何使控制装置简单。为此，组成逆变器的GTR基极的PWM控制信号通常由微机产生。随着大规模集成技术的开展，现已出现由专用的集成电路芯片产生PWM波。本节主要讨论由微机产生PWM控制信号的两种典型的控制方法。脉宽调制变换器的微机控制 SPWM法是从电源的角度出发，着眼于如何生成一个可以调压调频的正弦型电源。中值规那么采样SPWM法是从自然采样SPWM法演变开展得出的一种PWM控制法。自然采样SPWM法采用正弦波作为调制波，采用上下宽度线性对称变化的等腰三角波作为载波，利用比较法以正弦波和三角波瞬时值相等的时刻即两个波形的相交点作为跳变时刻，获得经调制的幅值相等、面积按正弦规律变化的矩形脉冲列信号。因而把这种PWM控制法称为正弦波PWM控制法，简称SPWM法。中值规那么采样SPWM控制法脉宽调制变换器的微机控制中值规那么采样SPWM控制法脉宽调制变换器的微机控制 三角载波的频率 和正弦调制波的频率 之比即 ，称为载波比。用生成的SPWM波控制逆变器开关器件的通断，可得到等幅且脉冲