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1、畢業(yè)設(shè)計說明書課題名稱: 交流異步電動機變頻調(diào)速設(shè)計 目 錄摘要3第一章 緒論41.1 變頻調(diào)速技術(shù)簡介41.2 本次設(shè)計方案簡介51.2.1 變頻器主電路方案的選定51.2.2 系統(tǒng)原理框圖及各部分簡介6第二章 交流異步電動機變頻調(diào)速原理及方法72.1 三相異步電機工作的基本原理72.1.1 異步電機的等效電路72.1.2 異步電機變頻調(diào)速原理82.2 變頻調(diào)速的控制方式及選定92.2.1 V/F比恒定控制92.2.2 其它控制方式12第三章 變頻器主電路設(shè)計143.1 主電路的工作原理143.1.1 變頻器主電路設(shè)計的基本工作原理143.2 IGBT及驅(qū)動模塊介紹163.2.1 IGBT簡

2、介及驅(qū)動要求16第四章 控制回路設(shè)計184.1 驅(qū)動電路設(shè)計184.1.1 SPWM調(diào)制技術(shù)簡介184.1.2 SPWM波生成芯片特點和引腳功能194.1.3 SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理214.2 保護(hù)電路224.2.1 過、欠壓保護(hù)電路設(shè)計224.2.2 過流保護(hù)設(shè)計244.3 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)24第五章 變頻器軟件設(shè)計275.1 流程圖275.2 SA4828的編程275.2.1 初始化寄存器編程27參考文獻(xiàn)31摘要近年來,交流電機變頻調(diào)速及其相關(guān)技術(shù)的研究己成為現(xiàn)代電氣傳動領(lǐng)域的一個重要課題,并且隨著新的電力電子器件和微處理器的推出以及交流電機控制理論的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)還將會取得

3、巨大進(jìn)步。本文對變頻調(diào)速理論，逆變技術(shù)，SPWM產(chǎn)生原理進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種新型數(shù)字化三相SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)，以8051控制專用集成芯片 SA4828為控制核心，采用IGBT作為主功率器件，同時采用EXB840構(gòu)成IGBT的驅(qū)動電路，整流電路采用二極管，可使功率因數(shù)接近1，并且只用一級可控的功率環(huán)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)比較簡單。本文在控制上采用恒控制，同時，軟件程序使得參數(shù)的輸入和變頻器運行方式的改變極為方便，新型集成元件的采用也使得它的開發(fā)周期短。另外，本文對SA4828三相SPWM波發(fā)生器的使用和編程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，完成了整個系統(tǒng)控制部分的軟硬件設(shè)計。關(guān)鍵字:變頻調(diào)速，正弦脈寬調(diào)制，控

4、制，SA4828波形發(fā)生器第1章 緒論1.1 變頻調(diào)速技術(shù)簡介變頻調(diào)速技術(shù)是一種以改變交流電動機的供電頻率來達(dá)到交流電動機調(diào)速目的的技術(shù)。大家都知道，目前，無論哪種機械調(diào)速，都是通過電機來實現(xiàn)的。從大的范圍來分，電機有直流電機和交流電機。由于直流機調(diào)速容易實現(xiàn)，性能好，因此過去生產(chǎn)機械的調(diào)速多用直流電動機。但直流機固有的缺點：由于采用直流電源，它的滑環(huán)和碳刷要經(jīng)常拆換，故費時費工，成本高，給人們帶來太大的麻煩。因此人們希望，讓簡單可靠廉價的籠式交流電機也像直流電動機那樣調(diào)速。這樣就出現(xiàn)了定子調(diào)速、變極調(diào)速、滑差調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串極調(diào)速等交流調(diào)速方式。當(dāng)然也出現(xiàn)了滑差電機、繞線式電機、同步

5、式交流電機。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了變頻調(diào)速技術(shù)，它一出現(xiàn)就以其優(yōu)異的性能逐步取代其它交流電機調(diào)速方式，乃至直流電機調(diào)速，而成為電氣傳動的中樞1。變頻調(diào)速被認(rèn)為是一種理想的交流調(diào)速方法。但如何得到一個單獨向異步電動機供電的經(jīng)濟(jì)可靠的變頻電源，一直是交流變頻調(diào)速的主要課題。20世紀(jì)60年代中期，隨著普通的晶閘管、小功率管的實用化，出現(xiàn)了靜止變頻裝置，它是將三相的工頻電源經(jīng)變換后，得到頻率可調(diào)的交流電。這個時期的變頻裝置，多為分立元件，它體積大、造價高，大多是為特定的控制對象而研制的，容量普遍偏小，控制方式也很不完善，調(diào)速后電動機的靜、動態(tài)性能還有待提高，特別是低速的性

6、能不理想，因此僅用于紡織、磨床等特定場合。所謂變頻就是利用電力電子器件(如功率晶體管GTR、絕緣柵雙極型晶體管IGBT)將50Hz的市電變換為用戶所要求的交流電或其他電源。它分為直接變頻(又稱交-交變頻)，即把市電直接變成比它頻率低的交流電，大量用在大功率的交流調(diào)速中;間接變頻(又稱交-直-交變頻)，即先將市電整流成直流，再變換為要求頻率的交流。它又分為諧振變頻和方波變頻。前者主要用于中頻加熱，方波變頻又分為等幅等寬和SPWM變頻。常用的方法有正弦波(調(diào)制波)與三角波(載波)比較的SPWM法、磁場跟蹤式SPWM法和等面積SPWM法等。 本設(shè)計所設(shè)計的題目屬于間接變頻調(diào)速技術(shù)。它主要包括整流部分

7、、逆變部分、控制部分及保護(hù)部分等。逆變環(huán)節(jié)為三相SPWM逆變方式。 1.2 本次設(shè)計方案簡介1.2.1 變頻器主電路方案的選定變頻器最早的形式是用旋轉(zhuǎn)發(fā)電機組作為可變頻率電源，供給交流電動機。隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，靜止式的變頻電源成為了變頻器的主要形式。靜止式變頻器從變換環(huán)節(jié)分為兩大類：交-直-交變頻器和交-交變頻器。1.交-交型變頻器：它的功能是把一種頻率的交流電直接變換成另一種頻率可調(diào)電壓的交流電（轉(zhuǎn)換前后的相數(shù)相同），又稱直接式變頻器。由于中間不經(jīng)過直流環(huán)節(jié)，不需換流，故效率很高。因而多用于低速大功率系統(tǒng)中，如回轉(zhuǎn)窯、軋鋼機等。但這種控制方式?jīng)Q定了最高輸出頻率只能達(dá)到電源頻率的1/3

8、1/2,所以不能高速運行。2.交-直-交型變頻器：交-直-交變頻器是先把工頻交流通過整流器變成直流，然后再直流變換成頻率電壓可調(diào)的交流，又稱間接變頻器，交-直-交變頻器是目前廣泛應(yīng)用的通用變頻器。它根據(jù)直流部分電流、電壓的不同形式，又可分為電壓型和電流型兩種：（1）電流型變頻器電流型變頻器的特點是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感器作為儲能環(huán)節(jié)來緩沖無功功率，即扼制電流的變化，使電壓波形接近正弦波，由于該直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較大，故稱電流源型變頻器。（2）電壓型變頻器電壓型變頻器的特點是中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件采用大電容器作為儲能環(huán)節(jié)來緩沖無功功率，直流環(huán)節(jié)電壓比較平穩(wěn)，直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較小，相當(dāng)于電壓源，故稱電壓型變

9、頻器。由于電壓型變頻器是作為電壓源向交流電動機提供交流電功率，所以其主要優(yōu)點是運行幾乎不受負(fù)載的功率因數(shù)或換流的影響，它主要適用于中、小容量的交流傳動系統(tǒng)。與之相比，電流型變頻器施加于負(fù)載上的電流值穩(wěn)定不變，其特性類似于電流源，它主要應(yīng)用在大容量的電機傳動系統(tǒng)以及大容量風(fēng)機、泵類節(jié)能調(diào)速中。由于交-直-交型變頻器是目前廣泛應(yīng)用的通用變頻器，所以本次設(shè)計中選用此種間接變頻器，在交-直-交變頻器的設(shè)計中，雖然電流型變頻器可以彌補電壓型變頻器在再生制動時必須加入附加電阻的缺點，并有著無須附加任何設(shè)備即可以實現(xiàn)負(fù)載的四象限運行的優(yōu)點，但是考慮到電壓型變頻器的通用性及其優(yōu)點，在本次設(shè)計中采用電壓型變頻器

10、。1.2.2 系統(tǒng)原理框圖及各部分簡介本文設(shè)計的交直交變頻器由以下幾部分組成，如圖1.1所示。圖1.1 系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)各組成部分簡介：供電電源：電源部分因變頻器輸出功率的大小不同而異，小功率的多用單相220V，中大功率的采用三相380V電源。因為本設(shè)計中采用中等容量的電動機，所以采用三相380V電源。整流電路：整流部分將交流電變?yōu)槊}動的直流電，必須加以濾波。在本設(shè)計中采用三相不可控整流。它可以使電網(wǎng)的功率因數(shù)接近1。濾波電路：因在本設(shè)計中采用電壓型變頻器，所以采用電容濾波，中間的電容除了起濾波作用外，還在整流電路與逆變電路間起到去耦作用，消除干擾。逆變電路：逆變部分將直流電逆變成我們需要的交

11、流電。在設(shè)計中采用三相橋逆變，開關(guān)器件選用全控型開關(guān)管IGBT。電流電壓檢測：一般在中間直流端采集信號，作為過壓，欠壓，過流保護(hù)信號。控制電路：采用8051單片機和SPWM波生成芯片SA4828，控制電路的主要功能是接受各種設(shè)定信息和指令，根據(jù)這些指令和設(shè)定信息形成驅(qū)動逆變器工作的信號。這些信號經(jīng)過光電隔離后去驅(qū)動開關(guān)管的關(guān)斷。第2章 交流異步電動機變頻調(diào)速原理及方法2.1 三相異步電機工作的基本原理 2.1.1 異步電機的等效電路異步電動機的轉(zhuǎn)子能量是通過電磁感應(yīng)而得來的。定子和轉(zhuǎn)子之間在電路上沒有任何聯(lián)系，其電路可用圖2.1來表示3。圖2.1異步電動機的定、轉(zhuǎn)子圖圖2.1中：定子的相電壓；

12、定子的相電流； 定子每相繞組的電阻和漏抗；、分別是轉(zhuǎn)子電路產(chǎn)生的電動勢、電流、漏電抗；每相定子繞組反電動勢，它是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場而產(chǎn)生的。其有效值可計算如下： （2-1）式中: 氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢有效值；定子頻率；定子每相繞組中串聯(lián)匝數(shù)；基波繞組系數(shù)；極氣隙磁通。由電動機的基礎(chǔ)知識可知：轉(zhuǎn)子回路的頻率 ，與轉(zhuǎn)差率成正比，所以轉(zhuǎn)子回路中的各電量也都與轉(zhuǎn)差率成正比。為了方便定量分析定、轉(zhuǎn)子之間的各種數(shù)量關(guān)系，應(yīng)將定子、轉(zhuǎn)子放在一個電路中。由于定子、轉(zhuǎn)子回路的頻率、繞組、匝數(shù)不同，故必須進(jìn)行折算。根據(jù)電機學(xué)原理，在下列假定條件下：a.忽略空間和時間諧波，各繞組的自感和互感都是線性的；

13、b.忽略磁飽和；c.忽略鐵損?？梢缘玫诫妱訖C的T形等效電路圖，由于交流異步電動機三相對稱，所以現(xiàn)只取A相進(jìn)行計算分析。A相的T形等效電路如圖2.2所示。圖2.2 電動機的T形等效電路圖圖2.2中：勵磁電阻，是表征異步電動機鐵心損耗的等效電阻；勵磁電抗，是表征鐵心磁化能力的一個參數(shù)；勵磁電流；機械負(fù)載的等效電阻，在=,在上消耗的功率就相當(dāng)于異步電動機輸出的機械功率；等參數(shù)經(jīng)過折算后的轉(zhuǎn)子參數(shù)。2.1.2 異步電機變頻調(diào)速原理交流異步電動機是電氣傳動中使用最為廣泛的電動機類型。根據(jù)統(tǒng)計，我國異步電動機的使用容量約占拖動總?cè)萘康陌顺梢陨?，因此了解異步電動機的調(diào)速原理十分重要。交流異步電動機是電氣傳動

14、中使用最為廣泛的電動機類型。根據(jù)統(tǒng)計，我國異步電動機的使用容量約占拖動總?cè)萘康陌顺梢陨?，因此了解異步電動機的調(diào)速原理十分重要。交流調(diào)速是通過改變電定子繞組的供電的頻率來達(dá)到調(diào)速的目的的，但定子繞組上接入三相交流電時，定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)的磁場，它與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，出現(xiàn)感應(yīng)電流，此電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。使電動機轉(zhuǎn)起來。電機磁場轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速，用表示： （2-7）式中：為三相交流電源頻率，一般是50Hz；為磁極對數(shù)。當(dāng)=1是，=3000rmin；=2時，=1500rmin。由上式可知磁極對數(shù)越多，轉(zhuǎn)速就越慢，轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速比磁場的同步轉(zhuǎn)速要慢一點，所以稱為

15、異步電動機，這個差別用轉(zhuǎn)差率表示： （2-8）在加上電源轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動瞬間，=0，這時=1；啟動后的極端情況=，則=0，即在01之間變化，一般異步電動機在額定負(fù)載下的 =1%6%。綜合（2-7）和（2-8）式可以得出： （2-9）由式（2-9）可以看出，對于成品電機，其極對數(shù)已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率的變化不大，則電機的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機的同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到異步電機調(diào)速的目的。2.2 變頻調(diào)速的控制方式及選定2.2.1 V/F比恒定控制V/F比恒定控制是異步電動機變頻調(diào)速中最基本的控制方式。它是在改變變頻器輸出電壓頻率的同時改變輸出電壓的幅值，以維護(hù)電機磁通基本恒定

16、，從而在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，使電動機的效率、功率因數(shù)不下降。V/F控制是目前通用變頻器中廣泛采用的控制方式。三相交流異步電動機在工作過程中鐵心磁通接近飽和狀態(tài)，從而使鐵心材料得到充分的利用。在變頻調(diào)速的過程中，當(dāng)電動機電源的頻率發(fā)生變化時，電動機的阻抗將隨之變化，從而引起勵磁電流的變化，使電動機出現(xiàn)勵磁不足或勵磁過強。在勵磁不足時電動機的輸出轉(zhuǎn)矩將降低，而勵磁過強時又會使鐵心中的磁通處于飽和狀態(tài)，是電動機中流過很大的勵磁電流，增加電動機的功率損耗，降低電動機的效率和功率因數(shù)。因此在改變頻率進(jìn)行調(diào)速時，必須采取措施保持磁通恒定為額定值。1.基頻以下調(diào)速由式(2-10)可知，要保持不變，當(dāng)頻率從額定

17、值向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低,使=常值只要保持為常數(shù)，就可以達(dá)到維持磁通恒定的目的。因此這種控制又稱為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。根據(jù)電機端電壓和感應(yīng)電勢的關(guān)系式： (2-12) 式中: -定子相電壓； -定子電阻； -定子阻抗； -定子電流。當(dāng)電機在額定運行情況下，電機定子電阻和漏阻抗的壓降較小，和可以看成近似相等，所以保持=常數(shù)即可。由于比恒定調(diào)速是從基頻向下調(diào)速，所以當(dāng)頻率較低時，與 都變小，定子漏阻抗壓降(主要是定子電阻壓降)不能再忽略。這種情況下，可以人為地適當(dāng)提高定子電壓以補償電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。變頻后的機械特性如圖2.4所示。圖2.4 電動機低于額定轉(zhuǎn)速

18、方向調(diào)速時的機械特性從圖2.4中可以看出，當(dāng)電動機向低于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時,曲線近似平行地下降，減速后的電動機仍然保持原來較硬的機械特性；但是臨界轉(zhuǎn)矩卻隨著電動機轉(zhuǎn)速的下降而逐漸減小，這就是造成了電動機負(fù)載能力的下降。變頻后機械特性的降低將是電動機帶負(fù)載能力減弱，影響交流電動機變頻調(diào)速的使用。一種簡單的解決方法就是所示的轉(zhuǎn)矩補償法。轉(zhuǎn)矩補償法的原理是：針對頻率降低時，電源電壓成比例地降低引起的的下降過低，采用適當(dāng)?shù)奶岣唠妷旱姆椒▉肀３执磐亢愣?，使電動機轉(zhuǎn)矩回升，因此，有些變頻器說明書又稱它為轉(zhuǎn)矩提升（Torque Boost）。帶定子壓降補償?shù)膲侯l比控制特性示于圖2.5中的b線，無補償?shù)目刂?/p>

19、特性則為a線。定子降壓補償只能補償于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時的機械特性，而對向高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時的機械特性不能補償。圖2.5 壓頻比控制特性曲線補償后的機械特性曲線如圖2.6所示。圖2.6 補償后的機械特性曲線2.在基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從額定頻率向上增高，但是電壓卻不能超出額定電壓，由式（2-10）可知，這將迫使磁通與頻率成反比例降低。這種調(diào)速方式下，轉(zhuǎn)子升高時轉(zhuǎn)矩降低，屬于恒功率調(diào)速方式。變頻后的機械特性如圖2.7所示。圖2.7 電動機高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時的機械特性當(dāng)電動機向高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時，曲線不僅臨界轉(zhuǎn)矩下降，而且曲線工作段的斜率開始增大，使得機械特性變軟。造成

20、這種現(xiàn)象的原因是：當(dāng)頻率升高時，電源電壓不可能相應(yīng)升高。這是因為電動機繞組的絕緣強度限制了電源電壓不能超過電動機的額定電壓，所以，磁通量將隨著頻率的升高反比例下降。磁通量的下將使電動機的轉(zhuǎn)矩下降，造成電動機的機械特性變軟。以上調(diào)速方式相應(yīng)的特性曲線如圖2.8所示。圖2.8整個頻率調(diào)速的特性曲線注：圖中曲線1在低頻時沒有定子降壓補償?shù)膲侯l曲線和主磁通曲線 圖中曲線2在低頻時有定子降壓補償?shù)膲侯l曲線和主磁通曲線比恒定控制存在的主要問題是低速性能差。其原因一方面是低速時定子的電壓和電勢近似相等條件已不能滿足，所以仍按比恒定控制就不能保持電機磁通恒定，而電機磁通的減小勢必會造成電機的電磁轉(zhuǎn)矩減小。另一

21、方面原因是低速時逆變器橋臂上、下開關(guān)元件的導(dǎo)通時間相對較短，電壓下降，而且它們的互鎖時間也造成了電壓降低，從而引起轉(zhuǎn)矩脈動，在一定條件下這將會引起轉(zhuǎn)速、電流的振蕩，嚴(yán)重時會導(dǎo)致變頻器不能運行。2.2.2 其它控制方式 1.轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速轉(zhuǎn)差率控制方式是控制的一種改進(jìn)，這種控制需要由安裝在電動機上的速度傳感器檢測出電動機的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出時轉(zhuǎn)差率，而變頻器的輸出頻率則有電動機實際轉(zhuǎn)速與所需轉(zhuǎn)差頻率之和決定。它是解決控制靜態(tài)性能較差的一種有效方法。雖然這種方法可以提高調(diào)速精度，但是它需要使用速度傳感器來求取轉(zhuǎn)差角頻率，還要針對具體電機的機械特性調(diào)整控制參數(shù)，因而此方法的通

22、用性較差。2.矢量控制變頻調(diào)速矢量控制變頻調(diào)速的做法是：將異步電動機在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流、通過三相兩相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流、，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流、（相當(dāng)于直流電動機的勵磁電流；相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成比例的電樞電流），然后仿效直流電動機的控制方法，求得直流電動機控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。在高性能的異步電機控制系統(tǒng)中多采用交叉閉環(huán)控制的矢量控制。采用矢量控制方式的目的，主要是為了提高變頻調(diào)速的動態(tài)性能。雖然這一理論的提出是交流傳動理論上的一個飛躍，但是由于它既要確定轉(zhuǎn)子的磁鏈，又要進(jìn)行坐標(biāo)變換，還要考慮轉(zhuǎn)子參

23、數(shù)變動帶來的影響，所以系統(tǒng)非常復(fù)雜。矢量控制變頻器通常應(yīng)用于軋鋼、造紙設(shè)備等對動態(tài)性能要求較高的場合。3.直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速日前市場銷售的通用變頻器的控制多半為比恒定控制，它的應(yīng)用比較廣泛，特別是在風(fēng)機，泵及土木機械等方面應(yīng)用較多，比恒定控制的突出優(yōu)點是可以進(jìn)行電機的開環(huán)速度控制。從以上的分析可看出，控制常用于速度精度要求不十分嚴(yán)格或負(fù)載變動較小的場合。由于控制是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，無需速度傳感器，控制電路簡單，負(fù)載可以是通用標(biāo)準(zhǔn)異步電機，所以這種控制方法通用性強、經(jīng)濟(jì)性好，是目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式。由此，在本設(shè)計中采用控制。第3章 變頻器主電路設(shè)計3.1 主電路的工作原理變頻

24、調(diào)速實際上是向交流異步電動機提供一個頻率可控的電源。能實現(xiàn)這個功能的裝置稱為變頻器。變頻器由兩部分組成：主電路和控制電路，其中主電路通常采用交-直-交方式，先將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?整流，濾波)，再將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電（逆變）。在本設(shè)計中采用圖3.1的主電路，這也是變頻器常用的格式4。圖3.1 電壓型交直交變頻調(diào)速主電路3.1.1 變頻器主電路設(shè)計的基本工作原理1.整流電路整流電路是把交流電變換為直流電的電路。本設(shè)計中采用了三相橋式不控整流電路，主要優(yōu)點是電路簡單，功率因數(shù)接近于1，由于整流電路原理比較簡單，設(shè)計中不再做詳細(xì)的介紹5。2.逆變的基本工作原理將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的過程稱為

25、逆變。完成逆變功能的裝置叫做逆變器，它是變頻器的主要組成部分，電壓性逆變器的工作原理如下：（1）單相逆變電路在圖3.2的單相逆變電路的原理圖中：當(dāng)、同時閉合時，電壓為正；、同時閉合時，電壓為負(fù)。由于開關(guān)的輪番通斷，從而將直流電壓逆變成了交流電壓?？梢钥吹皆诮涣麟娮兓囊粋€周期中，一個臂中的兩個開關(guān)如：、交替導(dǎo)通，每個開關(guān)導(dǎo)通電角度。因此交流電的周期（頻率）可以通過改變開關(guān)通斷的速度來調(diào)節(jié)，交流電壓的幅值為直流電壓幅值。圖3.2 單相逆變器原理圖（2）三相逆變電路三相逆變電路的原理圖見圖3.3所示。圖3-3中，組成了橋式逆變電路，這6個開關(guān)交替地接通、關(guān)斷就可以在輸出端得到一個相位互相差的三相交

26、流電壓。當(dāng)、閉合時，為正；、閉合時，為負(fù)。用同樣的方法得：當(dāng)、同時閉合和、同時閉合，得到,同時閉合和、同時閉合，得到。為了使三相交流電、在相位上依次相差；各開關(guān)的接通、關(guān)斷需符合一定的規(guī)律，其規(guī)律在圖3.3b中已標(biāo)明。根據(jù)該規(guī)律可得、波形如圖3.3c 所示。a) 結(jié)構(gòu)圖 b) 開關(guān)的通斷規(guī)律 c) 波形圖圖3.3 三相逆變器原理圖3.2 IGBT及驅(qū)動模塊介紹3.2.1 IGBT簡介及驅(qū)動要求絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)是80年代初功率半導(dǎo)體器件技術(shù)與MOS工藝技術(shù)相結(jié)合研制出的一種復(fù)合型器件。眾所周知，構(gòu)成IGBT的MOSFET和BJT各有其優(yōu)缺點。MOSFET屬于單極型器件，具有開關(guān)頻

27、率高、沒有二次擊穿現(xiàn)象、元件并聯(lián)運行容易、控制功率小的優(yōu)點，缺點是導(dǎo)通電阻大，耐壓水平不容易提高。BJT屬于雙極型器件，具有耐壓水平高、電流大、導(dǎo)通電壓低的優(yōu)點，缺點是開關(guān)時間長，有二次擊穿現(xiàn)象以及控制功率大。因此，兼具M(jìn)OSFET和BJT優(yōu)點的新型復(fù)合器件IGBT應(yīng)運而生，IGBT具有耐壓高、電流大、開關(guān)頻率高、導(dǎo)通電阻小、控制功率小等優(yōu)點。并且，隨著IGBT技術(shù)的發(fā)展，其性能不斷得到改善和提高，使得IGBT在大功率開關(guān)電源設(shè)備中的地位越來越重要，如UPS、電焊機、電機驅(qū)動、特種工業(yè)電源等都使用IGBT模塊。由于IGBT在設(shè)備中所占成本比例較高，所以掌握好IGBT的特性和正確的使用方法，盡量

28、減少IGBT模塊的損壞以降低開發(fā)成本和提高整機可靠性，就成為設(shè)計者和使用者所必須關(guān)心的一個問題.關(guān)于IGBT的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、主要參數(shù)、特性等在電力電子書本里已經(jīng)有詳細(xì)介紹，在這里不在贅述7。IGBT是壓控器件，柵極輸入阻抗高，所需要驅(qū)動功率小，驅(qū)動較為容易。但必須注意，IGBT的特性與柵極驅(qū)動條件密切相關(guān)，隨驅(qū)動條件的變化而變化。(1)隨著柵極正向電壓的增加，通態(tài)壓降減小，開通損耗也減小.若固定不變時，通態(tài)壓降隨集電極電流增大而增大，開通損耗隨結(jié)溫升高而增大。(2)隨著柵極反向電壓的增加，集電極浪涌電流減小，而關(guān)斷損耗變化不大，IGBT的運行可靠性提高。(3)隨著柵極串聯(lián)電阻增加，將使I

29、GBT的開通和關(guān)斷時間增加，從而使IGBT開關(guān)損耗增加；而減小，則又將使增大，從而使IGBT在開關(guān)過程中產(chǎn)生較大的電壓或電流尖峰，降低IGBT運行的安全性和可靠性。通過以上分析可以看出，一個理想的IGBT驅(qū)動電路應(yīng)具有以下基本性能:(1)通常IGBT的柵極電壓最大額定值為20V，若超過此值，柵極就會被擊穿，導(dǎo)致器件損壞。為防止柵極過壓，可采用穩(wěn)壓管作保護(hù)。(2)IGBT存在2.56V(T=25C)的柵極開啟電壓，驅(qū)動信號低于此開啟電壓時，器件是不導(dǎo)通的。要使器件導(dǎo)通，驅(qū)動信號必須大于其開啟電壓。當(dāng)要求IGBT工作于開關(guān)狀態(tài)時，驅(qū)動信號必須保證使器件工作于飽和狀態(tài)，否則也會造成器件損壞。正向柵極

30、驅(qū)動電壓幅值的選取應(yīng)同時考慮在額定運行條件下和一定過載情況下器件不退出飽和的前提，正向柵極電壓越高，則通態(tài)壓降越小，通態(tài)損耗也就越小。對無短路保護(hù)的驅(qū)動電路而言，驅(qū)動電壓高一些有好處，可使器件在各種過流場合仍工作于飽和狀態(tài)。通常，正向柵極電壓取15V。在有短路保護(hù)的場合，不希望器件工作于過飽和狀態(tài)，因為驅(qū)動電壓小一些，可減小短路電流，對短路保護(hù)有好處。此時，柵極電壓可取為13V。另外，為減小開通損耗，要求柵極驅(qū)動信號的前沿要陡。IGBT的柵極等效為一電容負(fù)載，所以驅(qū)動信號源的內(nèi)阻要小。(3)當(dāng)柵極信號低于其開啟電壓時，IGBT就關(guān)斷了。為了縮短器件的關(guān)斷時間，關(guān)斷過程中應(yīng)盡快放掉柵極輸入電容上

31、的電荷。器件關(guān)斷時，驅(qū)動電路應(yīng)提供低阻抗的放電通路。一般柵極反向電壓取為-(50)V。當(dāng)IGBT關(guān)斷后在柵極加上一定幅值的反向電壓可提高抗干擾能力。(4)IGBT柵極與發(fā)射極之間是絕緣的，不需要穩(wěn)態(tài)輸入電流，但由于存在柵極輸入電容，所以驅(qū)動電路需要提供動態(tài)驅(qū)動電流。器件的電流、電壓額定值越大，其輸入電容就越大。當(dāng)IGBT高頻運行時，柵極驅(qū)動電流和驅(qū)動功率也是不小的，因此，驅(qū)動電路必須能提供足夠的驅(qū)動電流和功率。(5)IGBT是高速開關(guān)器件，在大電流的運行場合，關(guān)斷時間不宜過短，否則會產(chǎn)生過高的集電極尖峰電壓。柵極電阻對IGBT的開關(guān)時間有直接的影響。柵極電阻過小，關(guān)斷時間過短，關(guān)斷時產(chǎn)生的集電

32、極尖峰電壓過高，會對器件造成損壞，所以柵極電阻的下限受到器件的關(guān)斷安全區(qū)的限制。柵極電阻過大，器件的開關(guān)速度降低，開關(guān)損耗增大，也會降低其工作效率和對其安全運行造成危險，所以柵極電阻的上限受到開關(guān)損耗的限制。對600VIGBT器件，柵極電阻可據(jù)下式確定：=(I10)625/式中，為IGBT的額定電流值. 柵極電阻的下限取系數(shù)為1，限取系數(shù)為10。對于1200V的IGBT器件，柵極的電阻值可取相同電流額定值的600V器件阻值的一半。(6)驅(qū)動電路和控制電路之間應(yīng)隔離。在許多設(shè)備中，IGBT與工頻電網(wǎng)有直接電聯(lián)系，而控制電路一般不希望如此。驅(qū)動電路具有電隔離能力可以保證設(shè)備的正常工作，同時也有利于

33、維修調(diào)試人員的人身安全.驅(qū)動電路和柵極之間的引線應(yīng)盡可能短，并用絞線，使柵極電路的閉合電路面積最小，以防止感應(yīng)噪聲的影響。采用光耦器件隔離時，應(yīng)選用高的共模噪聲抑制器件，能耐高電壓變化率。(7)輸入輸出信號傳輸盡量無延時。這一方面能夠減少系統(tǒng)響應(yīng)滯后，另一方面能提高保護(hù)的快速性。(8)電路簡單，成本低第4章 控制回路設(shè)計控制回路是為變頻器的主電路提供通斷信號的電路，其主要任務(wù)是完成對逆變器開關(guān)元件的開關(guān)控制?？刂品绞接心M控制和數(shù)字控制兩種，本設(shè)計中采用的是以微處理器為核心的全數(shù)字控制，優(yōu)點是它采用簡單的硬件電路，主要依靠軟件來完成各種控制功能，以充分發(fā)揮微處理器計算能力和軟件控制靈活性高的特

34、點來完成許多模擬量難以實現(xiàn)的功能。設(shè)計控制電路如下：4.1 驅(qū)動電路設(shè)計驅(qū)動電路的作用是逆變器中的逆變電路換流器件提供驅(qū)動信號。主電路逆變電路設(shè)計中采用的電力電子器件是IGBT，故稱為門極驅(qū)動電路。以下將介紹SPWM技術(shù)工作原理和設(shè)計中所選用能產(chǎn)生SPWM波芯片SA4828的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。4.1.1 SPWM調(diào)制技術(shù)簡介脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)是利用全控型電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，實現(xiàn)變壓、變頻控制并消除諧波的技術(shù)。脈寬調(diào)制技術(shù)在逆變器中的應(yīng)用，對現(xiàn)代電力電子技術(shù)、現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展起到了極大的促進(jìn)作用。近幾年來。由于場控自關(guān)斷器件的不斷涌現(xiàn)。相應(yīng)高頻S

35、PWM(正弦脈寬調(diào)制)技術(shù)在電機調(diào)速中得到了廣泛應(yīng)用，不僅能及時、準(zhǔn)確地實現(xiàn)變壓變頻控制技術(shù)，而且更重要地是抑制逆變器輸出電壓或輸出電流中的諧波分量，從而提高了電機的工作效率，擴大了調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍。實際工程中目前主要采用的PWM技術(shù)是正弦PWM(SPWM)，這是因為變頻器輸出的電壓或電流波形更接近于正弦波形。根據(jù)電機學(xué)原理，交流異步電動機變頻調(diào)速時，如果按照頻率與定子端電壓之比為定值的方式進(jìn)行控制，則機械特性的硬度變化較小，所以在變頻的同時，也要相應(yīng)改變定子的端電壓。若采用等脈寬PWM調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)變頻與變壓，由于輸出矩形波中含有較嚴(yán)重的高次諧波，會危害電動機的正常運行。為減小輸出信號中的諧

36、波分量，一種有效的途徑是將等脈寬的矩形波變成信號寬度按正弦規(guī)律變化的正弦脈寬調(diào)制波，即SPWM調(diào)制波。脈寬調(diào)制指的是通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形(含形狀和幅值)。在進(jìn)行脈寬調(diào)制時，使脈沖系列的占空比按照正弦規(guī)律變化。當(dāng)正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔最小；當(dāng)正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，那么這樣的電壓脈沖系列就可以使負(fù)載電流中的高次諧波成分大為減小，這種調(diào)制方式稱為正弦波脈寬調(diào)制。產(chǎn)生SPWM信號的方法是用一組等腰三角波(稱為載波)與一個正弦波(稱為調(diào)制波)進(jìn)行比較，如圖4.1所示，兩波形的交點作為逆變開關(guān)管的開通與關(guān)斷時間。

37、當(dāng)調(diào)制波的幅值大于載波的幅值時，開關(guān)器件導(dǎo)通，當(dāng)調(diào)制波的幅值小于載波的幅值時，開關(guān)器件關(guān)斷。雖然正弦脈寬調(diào)制波與等脈寬PWM信號相比，諧波成份大大減小，但它畢竟不是正弦波。提高載波(三角波)的頻率，是減小SPWM調(diào)制波中諧波分量的有效方法。而載波頻率的提高，受到逆變開關(guān)管最高工作頻率的限制。第三代絕緣柵雙極型晶體管IGBT的工作頻率可達(dá)30KHz，用IGBT作為逆變開關(guān)管，載波頻率可以大幅度提高，從而使正弦脈寬調(diào)制波更接近正弦波?？捎赡M電路分別產(chǎn)生等腰三角波與正弦波，并送入電壓比較器，輸出即為SPWM調(diào)制波。圖4.1為SPWM波生成方法10：圖4.1 SPWM波生成方法采用模擬電路的優(yōu)點是完

38、成三角波與正弦波的比較并確定輸出脈沖寬度的時間很短，幾乎瞬間完成。缺點是電路所用硬件較多，改變參數(shù)和調(diào)試比較困難。若用單片機直接產(chǎn)生SPWM信號，由于需要通過計算確定正弦脈寬調(diào)制波的寬度，使SPWM信號的頻率及系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)都較慢。對于調(diào)速精度、調(diào)速方式要求較高的交流異步電動機，可以采用各項性能指標(biāo)都非常完善，但價格也比較昂貴的通用變頻器；對一般交流電動機的變頻調(diào)速，可以直接采用三相SPWM調(diào)制信號專用芯片構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)。在本設(shè)計中選用SA4828。SA4828是MITEL公司推出的一種專用于三相SPWM信號發(fā)生和控制的集成芯片，可以和單片機接口，完成對交流電動機的變頻調(diào)速。4.1.2 SPWM

39、波生成芯片特點和引腳功能1.SA4828的特點全數(shù)字控制，兼容Intel等多系列單片機，輸入調(diào)制波頻率范圍04kHz，16位調(diào)速分辯率，載波頻率最高可達(dá)24kHz，內(nèi)部ROM 固化3種可選波形，最小脈寬和延時時間可調(diào)，可單獨調(diào)整各相輸出以適應(yīng)不平衡負(fù)載，具備看門狗定時器功能等。2.SA4828引腳功能SA4828采用28腳封裝。下圖給出了其引腳排列示意圖和原理框圖11。圖4.2 SA4828引腳排列示意圖各引腳的功能說明如下：（1）輸入類管腳說明AD0AD7：8位地址與數(shù)據(jù)復(fù)用總線。SET TRIP：通過該引腳，可以快速關(guān)斷全部SPWM信號輸出，高電平有效。：復(fù)位端，低電平有效。CLK：時鐘信

40、號輸入端。MUX ：總線選擇端。當(dāng)MUX為高電平時，使用地址和數(shù)據(jù)共用的總線，這時，地址/數(shù)據(jù)管腳RS不用；當(dāng)MUX為低電平時，使用地址和數(shù)據(jù)分開的總線，這時，地址鎖存器ALE接低電平，RS引腳要與一條地址線相連，來區(qū)分輸入的字節(jié)是地址（低電平），還是數(shù)據(jù)（高電平），通常先地址后數(shù)據(jù)。：片選輸入，該控制線可使SA8282與其他外圍接口芯片共享同一組總線，低電平有效。、：Intel(Motorola)總線控制write、read信號。ALE：地址鎖存允許。VDD：供電電源正端(+5V)。Vss：供電電源負(fù)端(0V)。（2）輸出類管腳說明RPHB、YPHB、BPHB：這些引腳通過驅(qū)動電路控制逆變橋

41、的R、Y、B相的下臂開關(guān)管。RPHT、YPHT、BPHT：這些引腳通過驅(qū)動電路控制逆變橋的R、Y、B相的上臂開關(guān)管。以上引腳都是標(biāo)準(zhǔn)TTL輸出，每一個輸出都有12mA的驅(qū)動能力，可以直接驅(qū)動光耦。：輸出封鎖狀態(tài)指示，低電平表示禁止輸出。ZPPR：零相位脈沖輸出端。Wss：波形采樣同步端口。RS：寄存器選擇端。4.1.3 SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理SA4828為28引腳的DIP或SOIC封裝的控制芯片，內(nèi)部具有總線控制及譯碼電路，有多種寄存器和相控邏輯電路。外部時鐘輸入經(jīng)分頻器分成設(shè)定的頻率，并生成三角形載波，三角載波與所選定的片內(nèi)三種調(diào)制波形進(jìn)行比較，自動生成SPWM輸出脈沖，然后通過脈沖

42、刪除電路刪除窄脈沖（如圖4.3）圖4.3 脈沖序列中的窄脈寬因為這種脈沖不起任何作用，只會增加開關(guān)管的損耗。通過脈沖延遲電路生成死區(qū)，從而保證橋上的管子不會在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間導(dǎo)通短路。看門狗定時器用來防止程序跑飛，當(dāng)條件滿足時快速封鎖輸出。SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理框圖如圖4.4所示。圖4.4 SA4828原理框圖SA4828的設(shè)置是通過單片機接口將數(shù)據(jù)送入SA4828芯片內(nèi)的兩個寄存器(初始化寄存器和控制寄存器)來實現(xiàn)的。初始化寄存器用于設(shè)定與交流電動機有關(guān)的基本參數(shù)，這些參數(shù)要在PWM輸出端允許輸出前設(shè)定，系統(tǒng)工作以后不允許改變?？刂萍拇嫫魇窃诠ぷ鬟^程中控制輸出脈寬調(diào)制波的狀態(tài)，從而進(jìn)一步控制交

43、流電動機的運行狀態(tài)，通常在工作時，該寄存器的內(nèi)容常被改寫，以實現(xiàn)實時對交流電動機的速度進(jìn)行控制。參數(shù)的設(shè)定是通過8個暫存器、來傳送的。其中和是兩個虛擬的寄存器，實際上并不存在。初始化參數(shù)要先寫入，然后通過對的寫操作將參數(shù)送入初始化寄存器，再將控制參數(shù)寫入，并通過對的寫操作將參數(shù)送入控制寄存器。SA4828各控制寄存器的地址見表4.1所列。表4.1 各寄存器地址寄存器AD3AD2AD1AD0地址 R0000000 H R1000101 H R2001002 H R3001103 H R4010004 H R5010105 H R1411100E H R1511110F H4.2 保護(hù)電路4.2.

44、1 過、欠壓保護(hù)電路設(shè)計過壓、欠壓保護(hù)是針對電源異常、主回路電壓超過或低于一定數(shù)值時考慮的。通用變頻器輸入電源電壓允許波動的范圍一般是額定輸入電壓的士10%。通常情況下，主回路直流環(huán)節(jié)的電壓與輸入電壓保持固定關(guān)系。當(dāng)輸入電源電壓過高，將使直流側(cè)電壓過高。過高的直流電壓對IGBT的安全構(gòu)成威脅，很可能超過IGBT的最大耐壓值而將其擊穿，造成永久性損壞。當(dāng)輸入電壓過低時，雖不會對主回路元件構(gòu)成直接威脅，但太低的輸入電壓很可能使控制回路工作不正常，而使系統(tǒng)紊亂，導(dǎo)致SA4828輸出錯誤的觸發(fā)脈沖，造成主回路直通短路而燒壞IGBT。而且較低的輸入電壓也使系統(tǒng)的抗干擾能力下降。因此有必要對系統(tǒng)的電壓進(jìn)行

45、保護(hù)。圖 4.5為本文介紹的變頻器過壓保護(hù)電路。圖4.5 過電壓保護(hù)電路它直接對直流側(cè)電壓進(jìn)行檢測。其中電壓信號的取樣是通過電阻和分壓得到的，電容起濾波抗干擾作用，防止電路誤動作。過壓設(shè)定值從電位器上取出。運放接成比較器的形式。當(dāng)取樣電壓高于設(shè)定值時(異常情況下)，比較器輸出高電平，光耦器件導(dǎo)通，輸出低電平保護(hù)信號。其中電阻是正反饋電阻，它的接入使正反饋有一定回差，防止取樣信號在給定點附近波動時比較器抖動，這里將過壓保護(hù)的動作值整定為額定輸入電壓的110%。 欠壓產(chǎn)生的原因有兩種：一是輸入的交流電壓長時間低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值。另一種是瞬時停電或瞬時電壓降低。欠電壓導(dǎo)致逆變器開關(guān)器件驅(qū)動功率不足而

46、燒壞開關(guān)器件。一般欠壓信號從直流端取樣，這樣既能在欠電壓，過電壓時檢測出信號進(jìn)行保護(hù)，又不會因為短時間因為在欠電壓，過電壓并未構(gòu)成危險時而保護(hù)誤動作。欠壓保護(hù)電路的原理與過壓保護(hù)電路類似。其電壓取樣與過壓取樣相同，欠壓設(shè)定值由上取出。運放接成比較器的形式。當(dāng)取樣電壓高于設(shè)定值時(正常情況下)，比較器輸出高電平，光耦器件不導(dǎo)通，輸出高電平。當(dāng)取樣電壓低于設(shè)定值時(欠壓情況下)，比較器輸出低電平，光耦器件導(dǎo)通，輸出低電平保護(hù)信號。其電路下圖所示。動作值整定為輸入電壓的85%。圖4.6欠壓保護(hù)電路本系統(tǒng)的故障自診斷是指在系統(tǒng)運行前，變頻器本身可以對過載、過壓、欠壓保護(hù)電路進(jìn)行診斷，檢測其保護(hù)電路是否

47、正常。因此故障自診斷功能就是由單片機控制發(fā)出各種等效故障信號，檢測對應(yīng)的保護(hù)電路是否動作，若動作則說明保護(hù)電路正常，反之說明保護(hù)電路本身有故障，應(yīng)停機對保護(hù)電路進(jìn)行檢查，直到顯示器顯示正常為止。故障自診斷電路工作過程如下：單片機控制HSO.2口發(fā)出一高電平，經(jīng)非門整形后輸出低電平，光耦器件導(dǎo)通，有電流流過三極管的基極，三極管導(dǎo)通輸出低電平，輸出的低電平自診斷信號分別送至過壓、欠壓保護(hù)電路。因SA4828的SET TRIP端為高電平有效,所以應(yīng)加上一個反相器,使其反相后輸出高電平。以下的過流信號也是如此.故障自診斷電路如圖4.7所示13：圖4.7 故障自診斷電路4.2.2 過流保護(hù)設(shè)計變頻器在諸

48、如直流短路、橋臂短路、輸出短路、對地短路等情況下，電流變化非常迅速，元件將承受極大的電壓和電流，而IGBT器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了它在足夠大的電流下會出現(xiàn)鎖定現(xiàn)象，造成管子失控?zé)o法關(guān)斷，以至燒壞，所以過流之前必須使IGBT關(guān)斷以切斷電流，雖然在IGBT的驅(qū)動模塊EXB840中已經(jīng)有過流保護(hù)，但考慮到過大時IGBT還未來得及關(guān)斷已經(jīng)發(fā)生鎖定現(xiàn)象的可能性，必須采取輔助斷流措施。這里采用瑞士LEM 公司生產(chǎn)的霍爾效應(yīng)磁場補償式電流傳感器來進(jìn)行電流的檢測。在此傳感器的輸出端串電阻R，則R上的壓降反應(yīng)了被測的電流。過流發(fā)生時，R上的壓降大于過流保護(hù)動作整定值，比較器LEM324輸出低電平去封鎖IGBT的驅(qū)動

49、電路的輸入信號，即可使橋臂上的所有IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)實現(xiàn)過流保護(hù)的功能。過流保護(hù)的電路示意圖如4.8圖所示：圖4.8 過流保護(hù)電路4.3 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)單片機在整個控制系統(tǒng)中起著核心作用，從電流電壓的檢測到參數(shù)的計算、存儲和傳送，再到人機接口的實現(xiàn)，都是單片機在其中穿針引線，控制、協(xié)調(diào)各部分的工作。它的性能的好壞及工作的正常與否對整個控制系統(tǒng)有著重要的影響。在本設(shè)計中選用單片機課程學(xué)習(xí)到的Intel公司的8051單片機。8051是高性能的單片機，因受到引腳數(shù)目的限制，它屬于地址與數(shù)據(jù)復(fù)用的單片機，可以與SA4828直接接口。其內(nèi)部有4KB的ROM，以下是它的引腳圖14。圖4.9 8051引腳

50、圖因8051已經(jīng)比較常見和熟悉，這里不再詳細(xì)介紹。圖4.10是單片機的系統(tǒng)圖15。 模擬量的頻率給定通過ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀入8051，轉(zhuǎn)化為SA4828的控制字，以控制觸發(fā)信號的波形。ADC0809是一種8路模擬輸入的8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器件，電位器的輸出接其輸入IN0（當(dāng)51單片機沒有當(dāng)5l單片機沒有外擴RAM和I/O口時，ADC0809就可以在概念上作為一個特殊的唯一的外擴RAM單元。因為它是唯一的，就沒有地址編號，也就不需要任何地址線或者地址譯碼線。只要單片機往外部RAM寫入，就是寫到ADC0809的地址寄存器中。只要單片機從外部RAM讀取數(shù)據(jù)，就是讀取ADC0809的轉(zhuǎn)換結(jié)

51、果。）EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號經(jīng)一非門接8031外部中斷1（P3.3）。8051通過地址線P2.0和讀寫信號來控制轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入通道地址鎖存，啟動允許輸出。圖4.10 單片機系統(tǒng)圖因8051的復(fù)用總線結(jié)構(gòu)，SA4828的MUX引腳應(yīng)該接高電平或懸空不接。8051的P0口與SA4828的AD口連接，提供8位數(shù)據(jù)和低8位地址，SA4828芯片中的地址鎖存器可以鎖存來自8051的低八位地址，從而將AD口輸入的地址和數(shù)據(jù)分開，SA4828的地址鎖存器由8051的ALE引腳控制，同時連接的控制信號還有讀，寫信號,.SA4828的片選信號用8051的P2.7引腳來控制，這樣SA4828的8個寄存器的地址為：

52、寄存器R0R5的地址：0000H0005H。虛擬寄存器R14,R15的地址：000EH，000FHSA4828的STTRIP引腳接8051的P1.0，使單片機能在異常情況下封鎖SA4828的輸出，ZPPR引腳接8051的P3.2（ ）,測量調(diào)試波的頻率，用于顯示。因8051的復(fù)位端為高電平有效，而SA4828為低電平有效，所以在兩者中間需要加上反相器。SA4828的引腳接一個發(fā)光二極管，當(dāng)SA4828的輸出被封鎖時，發(fā)光二極管亮，用于指示封鎖狀態(tài)。SA4828的六個輸出引腳分別通過各自的驅(qū)動電路來驅(qū)動逆變橋的六只開關(guān)管。第5章 變頻器軟件設(shè)計5.1 流程圖軟件設(shè)計的流程圖如圖5.1。圖5.1

53、程序設(shè)計流程圖5.2 SA4828的編程5.2.1 初始化寄存器編程初始化是用來設(shè)定與電動機有關(guān)的參數(shù)。包括載波頻率設(shè)定，調(diào)制波頻率范圍設(shè)定，脈沖延時時間設(shè)定，最小刪除脈寬設(shè)定，調(diào)制波形選擇，幅值控制，看門狗時間常數(shù)設(shè)定等。下表為初始化編程時，R0R5各寄存器的內(nèi)容17。表5.1 初始化編程時R0R5各寄存器內(nèi)容76543210R0FRS2FRS1FRS0CFS2CFS1CFS0R1PDT6PDT5PDT4PDT3PDT2PDT1PDT0R2PDY5PDY4PDY3PDY2PDY1PDY0R3AC00WS1WS0R4WD15WD14WD13WD12WD11WD10WD9WD8R5WD7WD6W

54、D5WD4WD3WD2WD1WD0 (1)載波頻率設(shè)定。載波頻率(三角波頻率)設(shè)定字由CFS0CFS2這3位組成。理論上，載波頻率越高越好，但頻率越高損耗會越大，另外，還受開關(guān)管最高頻率的限制，因此要合理設(shè)定。載波頻率的計算式為： （5-1）式中：為時鐘頻率，的二進(jìn)制數(shù)即為載波頻率設(shè)定字。(2)調(diào)制波頻率范圍設(shè)定。調(diào)制波頻率范圍設(shè)定字是由FRS0FRS2這三位組成。調(diào)制波頻率決定了電動機的轉(zhuǎn)速，因此應(yīng)先根據(jù)電動機的調(diào)速范圍，計算調(diào)制波頻率范圍。調(diào)制波頻率范圍為： （5-2）式中：m值的二進(jìn)制數(shù)即為調(diào)制波頻率范圍設(shè)定字。(3)最小刪除脈寬設(shè)定。該設(shè)定字由PDT0PDT6這7位組成。最小刪除脈寬為

55、： （5-3）式中：的二進(jìn)制數(shù)即是最小刪除脈寬設(shè)定字?？紤]到延遲（死區(qū)）的因素，在延遲時，通常的做法是在保持原頻率不變的基礎(chǔ)上，使開關(guān)管延遲導(dǎo)通，如圖5.2所示，圖5.2 延遲前后的脈寬關(guān)系實際輸出的脈寬=延遲前的脈寬-延遲時間。SA4828的工作順序是先刪除最窄脈沖，然后在延遲，應(yīng)是延遲前的最小刪除脈寬。它等于實際輸出的最小脈寬加上延遲時間，即：=實際輸出的最小脈寬+18。 (4)脈沖延遲時間設(shè)定。該設(shè)定字由PDY0PDY5這6位組成。脈沖延時為: （5-4）式中：的二進(jìn)制數(shù)即是脈沖延遲時間設(shè)定字。(5)調(diào)制波形選擇。調(diào)制波形選擇是通過波形選擇字WS0、WS1這2位來完成的。根據(jù)WS0、WS

56、1可選擇純正弦波、增強型波、高效波三種調(diào)制波形。其波形的選擇如表5.2所示：表5.2 波形選擇對應(yīng)波形WS1WS2波形00純正弦波01增強型10高效型(6)幅值控制。幅值控制通過對AC位的設(shè)定來選擇控制寄存器中的幅值，以適應(yīng)平衡負(fù)載或不平衡負(fù)載。 控制寄存器的作用主要是對調(diào)制波頻率(調(diào)速)、調(diào)制波幅值選擇(調(diào)壓)、正反轉(zhuǎn)選擇、輸出禁止位控制等進(jìn)行控制。其方法是通過對R0R5寄存器輸入并暫存，當(dāng)向R15虛擬寄存器進(jìn)行寫操作時，才將這些數(shù)據(jù)送人控制寄存器。R0R5各寄存器的內(nèi)容見下表。表5.3 控制寄存器編程時R0R5各寄存器內(nèi)容76543210R0PFS7PFS6PFS5PFS4PFS3PFS2

57、PFS1PFS0R1PFS15PFS14PFS13PFS12PFS11PFS10PFS9PFS8R2RSTWTE/RR3Ramp7Ramp6Ramp5Ramp4Ramp3Ramp2Ramp1Ramp0R4Bamp7Bamp6Bamp5Bamp4Bamp3Bamp2Bamp1Bamp0R5Yamp7Yamp6Yamp5Yamp4Yamp3Yamp2Yamp1Yamp0（1）調(diào)制波頻率選擇調(diào)制波頻率選擇由PFS0PFS15這16位組成，通過下式求得: （5-6）式中，值的二進(jìn)制數(shù)即為調(diào)制波頻率選擇字。 （2）調(diào)制波幅值選擇改變調(diào)制波幅值是用來改變輸出電壓，以達(dá)到變頻同時變壓的目的。調(diào)制波幅值是借助

58、于8位幅值選擇字(Ramp、Yamp、Bamp)來實現(xiàn)的，其每一相都可以通過下式來計算： （5-7）式中值的二進(jìn)制數(shù)即為調(diào)制波幅值選擇字。（3）正反轉(zhuǎn)選擇正反轉(zhuǎn)選擇位 /R控制三相PWM輸出的相序。/R =0時正轉(zhuǎn)，相序是R-Y-B；/R =1時反轉(zhuǎn)，相序是B-Y-R。正反轉(zhuǎn)期間輸出波形連續(xù)。（4）輸出禁止位控制。輸出禁止位。當(dāng)=0時，關(guān)斷所有的SPWM信號輸出。（5）計數(shù)器復(fù)位控制 計數(shù)器復(fù)位。當(dāng)=0時，使內(nèi)部的相計數(shù)器置為（R相）。（6）軟復(fù)位控制RST是軟復(fù)位位，它與硬復(fù)位有相同的功能，高電平有效。參考文獻(xiàn)1 何超.交流變頻調(diào)速技術(shù).北京：北京航空航天出版社,2006.1-65.2 梁昊

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