交流异步电动机变频调速设计毕业设计论文.doc

毕业设计说明书课题名称: 交流异步电动机变频调速设计 目 录摘要3第一章 绪论41.1 变频调速技术简介41.2 本次设计方案简介51.2.1 变频器主电路方案的选定51.2.2 系统原理框图及各部分简介6第二章 交流异步电动机变频调速原理及方法72.1 三相异步电机工作的基本原理72.1.1 异步电机的等效电路72.1.2 异步电机变频调速原理82.2 变频调速的控制方式及选定92.2.1 V/F比恒定控制92.2.2 其它控制方式12第三章 变频器主电路设计143.1 主电路的工作原理143.1.1 变频器主电路设计的基本工作原理143.2 IGBT及驱动模块介绍163.2.1 IGBT简介及驱动要求16第四章 控制回路设计184.1 驱动电路设计184.1.1 SPWM调制技术简介184.1.2 SPWM波生成芯片特点和引脚功能194.1.3 SA4828内部结构及工作原理214.2 保护电路224.2.1 过、欠压保护电路设计224.2.2 过流保护设计244.3 控制系统的实现24第五章 变频器软件设计275.1 流程图275.2 SA4828的编程275.2.1 初始化寄存器编程27参考文献31摘要近年来,交流电机变频调速及其相关技术的研究己成为现代电气传动领域的一个重要课题,并且随着新的电力电子器件和微处理器的推出以及交流电机控制理论的发展，交流变频调速技术还将会取得巨大进步。本文对变频调速理论，逆变技术，SPWM产生原理进行了研究，在此基础上设计了一种新型数字化三相SPWM变频调速系统，以8051控制专用集成芯片 SA4828为控制核心，采用IGBT作为主功率器件，同时采用EXB840构成IGBT的驱动电路，整流电路采用二极管，可使功率因数接近1，并且只用一级可控的功率环节，电路结构比较简单。本文在控制上采用恒控制，同时，软件程序使得参数的输入和变频器运行方式的改变极为方便，新型集成元件的采用也使得它的开发周期短。另外，本文对SA4828三相SPWM波发生器的使用和编程进行了详细介绍，完成了整个系统控制部分的软硬件设计。关键字:变频调速，正弦脉宽调制，控制，SA4828波形发生器第1章 绪论1.1 变频调速技术简介变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速目的的技术。大家都知道，目前，无论哪种机械调速，都是通过电机来实现的。从大的范围来分，电机有直流电机和交流电机。由于直流机调速容易实现，性能好，因此过去生产机械的调速多用直流电动机。但直流机固有的缺点：由于采用直流电源，它的滑环和碳刷要经常拆换，故费时费工，成本高，给人们带来太大的麻烦。因此人们希望，让简单可靠廉价的笼式交流电机也像直流电动机那样调速。这样就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速、串极调速等交流调速方式。当然也出现了滑差电机、绕线式电机、同步式交流电机。随着电力电子技术、微电子技术和信息技术的发展，出现了变频调速技术，它一出现就以其优异的性能逐步取代其它交流电机调速方式，乃至直流电机调速，而成为电气传动的中枢1。变频调速被认为是一种理想的交流调速方法。但如何得到一个单独向异步电动机供电的经济可靠的变频电源，一直是交流变频调速的主要课题。20世纪60年代中期，随着普通的晶闸管、小功率管的实用化，出现了静止变频装置，它是将三相的工频电源经变换后，得到频率可调的交流电。这个时期的变频装置，多为分立元件，它体积大、造价高，大多是为特定的控制对象而研制的，容量普遍偏小，控制方式也很不完善，调速后电动机的静、动态性能还有待提高，特别是低速的性能不理想，因此仅用于纺织、磨床等特定场合。所谓变频就是利用电力电子器件(如功率晶体管GTR、绝缘栅双极型晶体管IGBT)将50Hz的市电变换为用户所要求的交流电或其他电源。它分为直接变频(又称交-交变频)，即把市电直接变成比它频率低的交流电，大量用在大功率的交流调速中;间接变频(又称交-直-交变频)，即先将市电整流成直流，再变换为要求频率的交流。它又分为谐振变频和方波变频。前者主要用于中频加热，方波变频又分为等幅等宽和SPWM变频。常用的方法有正弦波(调制波)与三角波(载波)比较的SPWM法、磁场跟踪式SPWM法和等面积SPWM法等。 本设计所设计的题目属于间接变频调速技术。它主要包括整流部分、逆变部分、控制部分及保护部分等。逆变环节为三相SPWM逆变方式。 1.2 本次设计方案简介1.2.1 变频器主电路方案的选定变频器最早的形式是用旋转发电机组作为可变频率电源，供给交流电动机。随着电力半导体器件的发展，静止式的变频电源成为了变频器的主要形式。静止式变频器从变换环节分为两大类：交-直-交变频器和交-交变频器。1.交-交型变频器：它的功能是把一种频率的交流电直接变换成另一种频率可调电压的交流电（转换前后的相数相同），又称直接式变频器。由于中间不经过直流环节，不需换流，故效率很高。因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。但这种控制方式决定了最高输出频率只能达到电源频率的1/31/2,所以不能高速运行。2.交-直-交型变频器：交-直-交变频器是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再直流变换成频率电压可调的交流，又称间接变频器，交-直-交变频器是目前广泛应用的通用变频器。它根据直流部分电流、电压的不同形式，又可分为电压型和电流型两种：（1）电流型变频器电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感器作为储能环节来缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压波形接近正弦波，由于该直流环节内阻较大，故称电流源型变频器。（2）电压型变频器电压型变频器的特点是中间直流环节的储能元件采用大电容器作为储能环节来缓冲无功功率，直流环节电压比较平稳，直流环节内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器。由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以其主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响，它主要适用于中、小容量的交流传动系统。与之相比，电流型变频器施加于负载上的电流值稳定不变，其特性类似于电流源，它主要应用在大容量的电机传动系统以及大容量风机、泵类节能调速中。由于交-直-交型变频器是目前广泛应用的通用变频器，所以本次设计中选用此种间接变频器，在交-直-交变频器的设计中，虽然电流型变频器可以弥补电压型变频器在再生制动时必须加入附加电阻的缺点，并有着无须附加任何设备即可以实现负载的四象限运行的优点，但是考虑到电压型变频器的通用性及其优点，在本次设计中采用电压型变频器。1.2.2 系统原理框图及各部分简介本文设计的交直交变频器由以下几部分组成，如图1.1所示。图1.1 系统原理框图系统各组成部分简介：供电电源：电源部分因变频器输出功率的大小不同而异，小功率的多用单相220V，中大功率的采用三相380V电源。因为本设计中采用中等容量的电动机，所以采用三相380V电源。整流电路：整流部分将交流电变为脉动的直流电，必须加以滤波。在本设计中采用三相不可控整流。它可以使电网的功率因数接近1。滤波电路：因在本设计中采用电压型变频器，所以采用电容滤波，中间的电容除了起滤波作用外，还在整流电路与逆变电路间起到去耦作用，消除干扰。逆变电路：逆变部分将直流电逆变成我们需要的交流电。在设计中采用三相桥逆变，开关器件选用全控型开关管IGBT。电流电压检测：一般在中间直流端采集信号，作为过压，欠压，过流保护信号。控制电路：采用8051单片机和SPWM波生成芯片SA4828，控制电路的主要功能是接受各种设定信息和指令，根据这些指令和设定信息形成驱动逆变器工作的信号。这些信号经过光电隔离后去驱动开关管的关断。第2章 交流异步电动机变频调速原理及方法2.1 三相异步电机工作的基本原理 2.1.1 异步电机的等效电路异步电动机的转子能量是通过电磁感应而得来的。定子和转子之间在电路上没有任何联系，其电路可用图2.1来表示3。图2.1异步电动机的定、转子图图2.1中：定子的相电压；定子的相电流； 定子每相绕组的电阻和漏抗；、分别是转子电路产生的电动势、电流、漏电抗；每相定子绕组反电动势，它是定子绕组切割旋转磁场而产生的。其有效值可计算如下： （2-1）式中: 气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值；定子频率；定子每相绕组中串联匝数；基波绕组系数；极气隙磁通。由电动机的基础知识可知：转子回路的频率 ，与转差率成正比，所以转子回路中的各电量也都与转差率成正比。为了方便定量分析定、转子之间的各种数量关系，应将定子、转子放在一个电路中。由于定子、转子回路的频率、绕组、匝数不同，故必须进行折算。根据电机学原理，在下列假定条件下：a.忽略空间和时间谐波，各绕组的自感和互感都是线性的；b.忽略磁饱和；c.忽略铁损。可以得到电动机的T形等效电路图，由于交流异步电动机三相对称，所以现只取A相进行计算分析。A相的T形等效电路如图2.2所示。图2.2 电动机的T形等效电路图图2.2中：励磁电阻，是表征异步电动机铁心损耗的等效电阻；励磁电抗，是表征铁心磁化能力的一个参数；励磁电流；机械负载的等效电阻，在=,在上消耗的功率就相当于异步电动机输出的机械功率；等参数经过折算后的转子参数。2.1.2 异步电机变频调速原理交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计，我国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上，因此了解异步电动机的调速原理十分重要。交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计，我国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上，因此了解异步电动机的调速原理十分重要。交流调速是通过改变电定子绕组的供电的频率来达到调速的目的的，但定子绕组上接入三相交流电时，定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转的磁场，它与转子绕组产生感应电动势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩。使电动机转起来。电机磁场转速称为同步转速，用表示： （2-7）式中：为三相交流电源频率，一般是50Hz；为磁极对数。当=1是，=3000rmin；=2时，=1500rmin。由上式可知磁极对数越多，转速就越慢，转子的实际转速比磁场的同步转速要慢一点，所以称为异步电动机，这个差别用转差率表示： （2-8）在加上电源转子尚未转动瞬间，=0，这时=1；启动后的极端情况=，则=0，即在01之间变化，一般异步电动机在额定负载下的 =1%6%。综合（2-7）和（2-8）式可以得出： （2-9）由式（2-9）可以看出，对于成品电机，其极对数已经确定，转差率的变化不大，则电机的转速与电源频率成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。2.2 变频调速的控制方式及选定2.2.1 V/F比恒定控制V/F比恒定控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方式。它是在改变变频器输出电压频率的同时改变输出电压的幅值，以维护电机磁通基本恒定，从而在较宽的调速范围内，使电动机的效率、功率因数不下降。V/F控制是目前通用变频器中广泛采用的控制方式。三相交流异步电动机在工作过程中铁心磁通接近饱和状态，从而使铁心材料得到充分的利用。在变频调速的过程中，当电动机电源的频率发生变化时，电动机的阻抗将随之变化，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁不足或励磁过强。在励磁不足时电动机的输出转矩将降低，而励磁过强时又会使铁心中的磁通处于饱和状态，是电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的功率损耗，降低电动机的效率和功率因数。因此在改变频率进行调速时，必须采取措施保持磁通恒定为额定值。1.基频以下调速由式(2-10)可知，要保持不变，当频率从额定值向下调节时，必须同时降低,使=常值只要保持为常数，就可以达到维持磁通恒定的目的。因此这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。根据电机端电压和感应电势的关系式： (2-12) 式中: -定子相电压； -定子电阻； -定子阻抗； -定子电流。当电机在额定运行情况下，电机定子电阻和漏阻抗的压降较小，和可以看成近似相等，所以保持=常数即可。由于比恒定调速是从基频向下调速，所以当频率较低时，与 都变小，定子漏阻抗压降(主要是定子电阻压降)不能再忽略。这种情况下，可以人为地适当提高定子电压以补偿电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。变频后的机械特性如图2.4所示。图2.4 电动机低于额定转速方向调速时的机械特性从图2.4中可以看出，当电动机向低于额定转速方向调速时,曲线近似平行地下降，减速后的电动机仍然保持原来较硬的机械特性；但是临界转矩却随着电动机转速的下降而逐渐减小，这就是造成了电动机负载能力的下降。变频后机械特性的降低将是电动机带负载能力减弱，影响交流电动机变频调速的使用。一种简单的解决方法就是所示的转矩补偿法。转矩补偿法的原理是：针对频率降低时，电源电压成比例地降低引起的的下降过低，采用适当的提高电压的方法来保持磁通量恒定，使电动机转矩回升，因此，有些变频器说明书又称它为转矩提升（Torque Boost）。带定子压降补偿的压频比控制特性示于图2.5中的b线，无补偿的控制特性则为a线。定子降压补偿只能补偿于额定转速方向调速时的机械特性，而对向高于额定转速方向调速时的机械特性不能补偿。图2.5 压频比控制特性曲线补偿后的机械特性曲线如图2.6所示。图2.6 补偿后的机械特性曲线2.在基频以上调速 在基频以上调速时，频率可以从额定频率向上增高，但是电压却不能超出额定电压，由式（2-10）可知，这将迫使磁通与频率成反比例降低。这种调速方式下，转子升高时转矩降低，属于恒功率调速方式。变频后的机械特性如图2.7所示。图2.7 电动机高于额定转速方向调速时的机械特性当电动机向高于额定转速方向调速时，曲线不仅临界转矩下降，而且曲线工作段的斜率开始增大，使得机械特性变软。造成这种现象的原因是：当频率升高时，电源电压不可能相应升高。这是因为电动机绕组的绝缘强度限制了电源电压不能超过电动机的额定电压，所以，磁通量将随着频率的升高反比例下降。磁通量的下将使电动机的转矩下降，造成电动机的机械特性变软。以上调速方式相应的特性曲线如图2.8所示。图2.8整个频率调速的特性曲线注：图中曲线1在低频时没有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线 图中曲线2在低频时有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线比恒定控制存在的主要问题是低速性能差。其原因一方面是低速时定子的电压和电势近似相等条件已不能满足，所以仍按比恒定控制就不能保持电机磁通恒定，而电机磁通的减小势必会造成电机的电磁转矩减小。另一方面原因是低速时逆变器桥臂上、下开关元件的导通时间相对较短，电压下降，而且它们的互锁时间也造成了电压降低，从而引起转矩脉动，在一定条件下这将会引起转速、电流的振荡，严重时会导致变频器不能运行。2.2.2 其它控制方式 1.转差频率控制变频调速转差率控制方式是控制的一种改进，这种控制需要由安装在电动机上的速度传感器检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出时转差率，而变频器的输出频率则有电动机实际转速与所需转差频率之和决定。它是解决控制静态性能较差的一种有效方法。虽然这种方法可以提高调速精度，但是它需要使用速度传感器来求取转差角频率，还要针对具体电机的机械特性调整控制参数，因而此方法的通用性较差。2.矢量控制变频调速矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流、通过三相两相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流、，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流、（相当于直流电动机的励磁电流；相当于与转矩成比例的电枢电流），然后仿效直流电动机的控制方法，求得直流电动机控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。在高性能的异步电机控制系统中多采用交叉闭环控制的矢量控制。采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。虽然这一理论的提出是交流传动理论上的一个飞跃，但是由于它既要确定转子的磁链，又要进行坐标变换，还要考虑转子参数变动带来的影响，所以系统非常复杂。矢量控制变频器通常应用于轧钢、造纸设备等对动态性能要求较高的场合。3.直接转矩控制变频调速日前市场销售的通用变频器的控制多半为比恒定控制，它的应用比较广泛，特别是在风机，泵及土木机械等方面应用较多，比恒定控制的突出优点是可以进行电机的开环速度控制。从以上的分析可看出，控制常用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。由于控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电机，所以这种控制方法通用性强、经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。由此，在本设计中采用控制。第3章 变频器主电路设计3.1 主电路的工作原理变频调速实际上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。能实现这个功能的装置称为变频器。变频器由两部分组成：主电路和控制电路，其中主电路通常采用交-直-交方式，先将交流电转变为直流电(整流，滤波)，再将直流电转变为频率可调的交流电（逆变）。在本设计中采用图3.1的主电路，这也是变频器常用的格式4。图3.1 电压型交直交变频调速主电路3.1.1 变频器主电路设计的基本工作原理1.整流电路整流电路是把交流电变换为直流电的电路。本设计中采用了三相桥式不控整流电路，主要优点是电路简单，功率因数接近于1，由于整流电路原理比较简单，设计中不再做详细的介绍5。2.逆变的基本工作原理将直流电转换为交流电的过程称为逆变。完成逆变功能的装置叫做逆变器，它是变频器的主要组成部分，电压性逆变器的工作原理如下：（1）单相逆变电路在图3.2的单相逆变电路的原理图中：当、同时闭合时，电压为正；、同时闭合时，电压为负。由于开关的轮番通断，从而将直流电压逆变成了交流电压。可以看到在交流电变化的一个周期中，一个臂中的两个开关如：、交替导通，每个开关导通电角度。因此交流电的周期（频率）可以通过改变开关通断的速度来调节，交流电压的幅值为直流电压幅值。图3.2 单相逆变器原理图（2）三相逆变电路三相逆变电路的原理图见图3.3所示。图3-3中，组成了桥式逆变电路，这6个开关交替地接通、关断就可以在输出端得到一个相位互相差的三相交流电压。当、闭合时，为正；、闭合时，为负。用同样的方法得：当、同时闭合和、同时闭合，得到,同时闭合和、同时闭合，得到。为了使三相交流电、在相位上依次相差；各开关的接通、关断需符合一定的规律，其规律在图3.3b中已标明。根据该规律可得、波形如图3.3c 所示。a) 结构图 b) 开关的通断规律 c) 波形图图3.3 三相逆变器原理图3.2 IGBT及驱动模块介绍3.2.1 IGBT简介及驱动要求绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)是80年代初功率半导体器件技术与MOS工艺技术相结合研制出的一种复合型器件。众所周知，构成IGBT的MOSFET和BJT各有其优缺点。MOSFET属于单极型器件，具有开关频率高、没有二次击穿现象、元件并联运行容易、控制功率小的优点，缺点是导通电阻大，耐压水平不容易提高。BJT属于双极型器件，具有耐压水平高、电流大、导通电压低的优点，缺点是开关时间长，有二次击穿现象以及控制功率大。因此，兼具MOSFET和BJT优点的新型复合器件IGBT应运而生，IGBT具有耐压高、电流大、开关频率高、导通电阻小、控制功率小等优点。并且，随着IGBT技术的发展，其性能不断得到改善和提高，使得IGBT在大功率开关电源设备中的地位越来越重要，如UPS、电焊机、电机驱动、特种工业电源等都使用IGBT模块。由于IGBT在设备中所占成本比例较高，所以掌握好IGBT的特性和正确的使用方法，尽量减少IGBT模块的损坏以降低开发成本和提高整机可靠性，就成为设计者和使用者所必须关心的一个问题.关于IGBT的基本结构、工作原理、主要参数、特性等在电力电子书本里已经有详细介绍，在这里不在赘述7。IGBT是压控器件，栅极输入阻抗高，所需要驱动功率小，驱动较为容易。但必须注意，IGBT的特性与栅极驱动条件密切相关，随驱动条件的变化而变化。(1)随着栅极正向电压的增加，通态压降减小，开通损耗也减小.若固定不变时，通态压降随集电极电流增大而增大，开通损耗随结温升高而增大。(2)随着栅极反向电压的增加，集电极浪涌电流减小，而关断损耗变化不大，IGBT的运行可靠性提高。(3)随着栅极串联电阻增加，将使IGBT的开通和关断时间增加，从而使IGBT开关损耗增加；而减小，则又将使增大，从而使IGBT在开关过程中产生较大的电压或电流尖峰，降低IGBT运行的安全性和可靠性。通过以上分析可以看出，一个理想的IGBT驱动电路应具有以下基本性能:(1)通常IGBT的栅极电压最大额定值为20V，若超过此值，栅极就会被击穿，导致器件损坏。为防止栅极过压，可采用稳压管作保护。(2)IGBT存在2.56V(T=25C)的栅极开启电压，驱动信号低于此开启电压时，器件是不导通的。要使器件导通，驱动信号必须大于其开启电压。当要求IGBT工作于开关状态时，驱动信号必须保证使器件工作于饱和状态，否则也会造成器件损坏。正向栅极驱动电压幅值的选取应同时考虑在额定运行条件下和一定过载情况下器件不退出饱和的前提，正向栅极电压越高，则通态压降越小，通态损耗也就越小。对无短路保护的驱动电路而言，驱动电压高一些有好处，可使器件在各种过流场合仍工作于饱和状态。通常，正向栅极电压取15V。在有短路保护的场合，不希望器件工作于过饱和状态，因为驱动电压小一些，可减小短路电流，对短路保护有好处。此时，栅极电压可取为13V。另外，为减小开通损耗，要求栅极驱动信号的前沿要陡。IGBT的栅极等效为一电容负载，所以驱动信号源的内阻要小。(3)当栅极信号低于其开启电压时，IGBT就关断了。为了缩短器件的关断时间，关断过程中应尽快放掉栅极输入电容上的电荷。器件关断时，驱动电路应提供低阻抗的放电通路。一般栅极反向电压取为-(50)V。当IGBT关断后在栅极加上一定幅值的反向电压可提高抗干扰能力。(4)IGBT栅极与发射极之间是绝缘的，不需要稳态输入电流，但由于存在栅极输入电容，所以驱动电路需要提供动态驱动电流。器件的电流、电压额定值越大，其输入电容就越大。当IGBT高频运行时，栅极驱动电流和驱动功率也是不小的，因此，驱动电路必须能提供足够的驱动电流和功率。(5)IGBT是高速开关器件，在大电流的运行场合，关断时间不宜过短，否则会产生过高的集电极尖峰电压。栅极电阻对IGBT的开关时间有直接的影响。栅极电阻过小，关断时间过短，关断时产生的集电极尖峰电压过高，会对器件造成损坏，所以栅极电阻的下限受到器件的关断安全区的限制。栅极电阻过大，器件的开关速度降低，开关损耗增大，也会降低其工作效率和对其安全运行造成危险，所以栅极电阻的上限受到开关损耗的限制。对600VIGBT器件，栅极电阻可据下式确定：=(I10)625/式中，为IGBT的额定电流值. 栅极电阻的下限取系数为1，限取系数为10。对于1200V的IGBT器件，栅极的电阻值可取相同电流额定值的600V器件阻值的一半。(6)驱动电路和控制电路之间应隔离。在许多设备中，IGBT与工频电网有直接电联系，而控制电路一般不希望如此。驱动电路具有电隔离能力可以保证设备的正常工作，同时也有利于维修调试人员的人身安全.驱动电路和栅极之间的引线应尽可能短，并用绞线，使栅极电路的闭合电路面积最小，以防止感应噪声的影响。采用光耦器件隔离时，应选用高的共模噪声抑制器件，能耐高电压变化率。(7)输入输出信号传输尽量无延时。这一方面能够减少系统响应滞后，另一方面能提高保护的快速性。(8)电路简单，成本低第4章 控制回路设计控制回路是为变频器的主电路提供通断信号的电路，其主要任务是完成对逆变器开关元件的开关控制。控制方式有模拟控制和数字控制两种，本设计中采用的是以微处理器为核心的全数字控制，优点是它采用简单的硬件电路，主要依靠软件来完成各种控制功能，以充分发挥微处理器计算能力和软件控制灵活性高的特点来完成许多模拟量难以实现的功能。设计控制电路如下：4.1 驱动电路设计驱动电路的作用是逆变器中的逆变电路换流器件提供驱动信号。主电路逆变电路设计中采用的电力电子器件是IGBT，故称为门极驱动电路。以下将介绍SPWM技术工作原理和设计中所选用能产生SPWM波芯片SA4828的基本结构和工作原理。4.1.1 SPWM调制技术简介脉宽调制(PWM)技术是利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，实现变压、变频控制并消除谐波的技术。脉宽调制技术在逆变器中的应用，对现代电力电子技术、现代调速系统的发展起到了极大的促进作用。近几年来。由于场控自关断器件的不断涌现。相应高频SPWM(正弦脉宽调制)技术在电机调速中得到了广泛应用，不仅能及时、准确地实现变压变频控制技术，而且更重要地是抑制逆变器输出电压或输出电流中的谐波分量，从而提高了电机的工作效率，扩大了调速系统的调速范围。实际工程中目前主要采用的PWM技术是正弦PWM(SPWM)，这是因为变频器输出的电压或电流波形更接近于正弦波形。根据电机学原理，交流异步电动机变频调速时，如果按照频率与定子端电压之比为定值的方式进行控制，则机械特性的硬度变化较小，所以在变频的同时，也要相应改变定子的端电压。若采用等脉宽PWM调制技术实现变频与变压，由于输出矩形波中含有较严重的高次谐波，会危害电动机的正常运行。为减小输出信号中的谐波分量，一种有效的途径是将等脉宽的矩形波变成信号宽度按正弦规律变化的正弦脉宽调制波，即SPWM调制波。脉宽调制指的是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形(含形状和幅值)。在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按照正弦规律变化。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔最小；当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，那么这样的电压脉冲系列就可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，这种调制方式称为正弦波脉宽调制。产生SPWM信号的方法是用一组等腰三角波(称为载波)与一个正弦波(称为调制波)进行比较，如图4.1所示，两波形的交点作为逆变开关管的开通与关断时间。当调制波的幅值大于载波的幅值时，开关器件导通，当调制波的幅值小于载波的幅值时，开关器件关断。虽然正弦脉宽调制波与等脉宽PWM信号相比，谐波成份大大减小，但它毕竟不是正弦波。提高载波(三角波)的频率，是减小SPWM调制波中谐波分量的有效方法。而载波频率的提高，受到逆变开关管最高工作频率的限制。第三代绝缘栅双极型晶体管IGBT的工作频率可达30KHz，用IGBT作为逆变开关管，载波频率可以大幅度提高，从而使正弦脉宽调制波更接近正弦波。可由模拟电路分别产生等腰三角波与正弦波，并送入电压比较器，输出即为SPWM调制波。图4.1为SPWM波生成方法10：图4.1 SPWM波生成方法采用模拟电路的优点是完成三角波与正弦波的比较并确定输出脉冲宽度的时间很短，几乎瞬间完成。缺点是电路所用硬件较多，改变参数和调试比较困难。若用单片机直接产生SPWM信号，由于需要通过计算确定正弦脉宽调制波的宽度，使SPWM信号的频率及系统的动态响应都较慢。对于调速精度、调速方式要求较高的交流异步电动机，可以采用各项性能指标都非常完善，但价格也比较昂贵的通用变频器；对一般交流电动机的变频调速，可以直接采用三相SPWM调制信号专用芯片构成调速系统。在本设计中选用SA4828。SA4828是MITEL公司推出的一种专用于三相SPWM信号发生和控制的集成芯片，可以和单片机接口，完成对交流电动机的变频调速。4.1.2 SPWM波生成芯片特点和引脚功能1.SA4828的特点全数字控制，兼容Intel等多系列单片机，输入调制波频率范围04kHz，16位调速分辩率，载波频率最高可达24kHz，内部ROM 固化3种可选波形，最小脉宽和延时时间可调，可单独调整各相输出以适应不平衡负载，具备看门狗定时器功能等。2.SA4828引脚功能SA4828采用28脚封装。下图给出了其引脚排列示意图和原理框图11。图4.2 SA4828引脚排列示意图各引脚的功能说明如下：（1）输入类管脚说明AD0AD7：8位地址与数据复用总线。SET TRIP：通过该引脚，可以快速关断全部SPWM信号输出，高电平有效。：复位端，低电平有效。CLK：时钟信号输入端。MUX ：总线选择端。当MUX为高电平时，使用地址和数据共用的总线，这时，地址/数据管脚RS不用；当MUX为低电平时，使用地址和数据分开的总线，这时，地址锁存器ALE接低电平，RS引脚要与一条地址线相连，来区分输入的字节是地址（低电平），还是数据（高电平），通常先地址后数据。：片选输入，该控制线可使SA8282与其他外围接口芯片共享同一组总线，低电平有效。、：Intel(Motorola)总线控制write、read信号。ALE：地址锁存允许。VDD：供电电源正端(+5V)。Vss：供电电源负端(0V)。（2）输出类管脚说明RPHB、YPHB、BPHB：这些引脚通过驱动电路控制逆变桥的R、Y、B相的下臂开关管。RPHT、YPHT、BPHT：这些引脚通过驱动电路控制逆变桥的R、Y、B相的上臂开关管。以上引脚都是标准TTL输出，每一个输出都有12mA的驱动能力，可以直接驱动光耦。：输出封锁状态指示，低电平表示禁止输出。ZPPR：零相位脉冲输出端。Wss：波形采样同步端口。RS：寄存器选择端。4.1.3 SA4828内部结构及工作原理SA4828为28引脚的DIP或SOIC封装的控制芯片，内部具有总线控制及译码电路，有多种寄存器和相控逻辑电路。外部时钟输入经分频器分成设定的频率，并生成三角形载波，三角载波与所选定的片内三种调制波形进行比较，自动生成SPWM输出脉冲，然后通过脉冲删除电路删除窄脉冲（如图4.3）图4.3 脉冲序列中的窄脉宽因为这种脉冲不起任何作用，只会增加开关管的损耗。通过脉冲延迟电路生成死区，从而保证桥上的管子不会在状态转换期间导通短路。看门狗定时器用来防止程序跑飞，当条件满足时快速封锁输出。SA4828内部结构原理框图如图4.4所示。图4.4 SA4828原理框图SA4828的设置是通过单片机接口将数据送入SA4828芯片内的两个寄存器(初始化寄存器和控制寄存器)来实现的。初始化寄存器用于设定与交流电动机有关的基本参数，这些参数要在PWM输出端允许输出前设定，系统工作以后不允许改变。控制寄存器是在工作过程中控制输出脉宽调制波的状态，从而进一步控制交流电动机的运行状态，通常在工作时，该寄存器的内容常被改写，以实现实时对交流电动机的速度进行控制。参数的设定是通过8个暂存器、来传送的。其中和是两个虚拟的寄存器，实际上并不存在。初始化参数要先写入，然后通过对的写操作将参数送入初始化寄存器，再将控制参数写入，并通过对的写操作将参数送入控制寄存器。SA4828各控制寄存器的地址见表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 保护电路4.2.1 过、欠压保护电路设计过压、欠压保护是针对电源异常、主回路电压超过或低于一定数值时考虑的。通用变频器输入电源电压允许波动的范围一般是额定输入电压的士10%。通常情况下，主回路直流环节的电压与输入电压保持固定关系。当输入电源电压过高，将使直流侧电压过高。过高的直流电压对IGBT的安全构成威胁，很可能超过IGBT的最大耐压值而将其击穿，造成永久性损坏。当输入电压过低时，虽不会对主回路元件构成直接威胁，但太低的输入电压很可能使控制回路工作不正常，而使系统紊乱，导致SA4828输出错误的触发脉冲，造成主回路直通短路而烧坏IGBT。而且较低的输入电压也使系统的抗干扰能力下降。因此有必要对系统的电压进行保护。图 4.5为本文介绍的变频器过压保护电路。图4.5 过电压保护电路它直接对直流侧电压进行检测。其中电压信号的取样是通过电阻和分压得到的，电容起滤波抗干扰作用，防止电路误动作。过压设定值从电位器上取出。运放接成比较器的形式。当取样电压高于设定值时(异常情况下)，比较器输出高电平，光耦器件导通，输出低电平保护信号。其中电阻是正反馈电阻，它的接入使正反馈有一定回差，防止取样信号在给定点附近波动时比较器抖动，这里将过压保护的动作值整定为额定输入电压的110%。 欠压产生的原因有两种：一是输入的交流电压长时间低于标准规定的数值。另一种是瞬时停电或瞬时电压降低。欠电压导致逆变器开关器件驱动功率不足而烧坏开关器件。一般欠压信号从直流端取样，这样既能在欠电压，过电压时检测出信号进行保护，又不会因为短时间因为在欠电压，过电压并未构成危险时而保护误动作。欠压保护电路的原理与过压保护电路类似。其电压取样与过压取样相同，欠压设定值由上取出。运放接成比较器的形式。当取样电压高于设定值时(正常情况下)，比较器输出高电平，光耦器件不导通，输出高电平。当取样电压低于设定值时(欠压情况下)，比较器输出低电平，光耦器件导通，输出低电平保护信号。其电路下图所示。动作值整定为输入电压的85%。图4.6欠压保护电路本系统的故障自诊断是指在系统运行前，变频器本身可以对过载、过压、欠压保护电路进行诊断，检测其保护电路是否正常。因此故障自诊断功能就是由单片机控制发出各种等效故障信号，检测对应的保护电路是否动作，若动作则说明保护电路正常，反之说明保护电路本身有故障，应停机对保护电路进行检查，直到显示器显示正常为止。故障自诊断电路工作过程如下：单片机控制HSO.2口发出一高电平，经非门整形后输出低电平，光耦器件导通，有电流流过三极管的基极，三极管导通输出低电平，输出的低电平自诊断信号分别送至过压、欠压保护电路。因SA4828的SET TRIP端为高电平有效,所以应加上一个反相器,使其反相后输出高电平。以下的过流信号也是如此.故障自诊断电路如图4.7所示13：图4.7 故障自诊断电路4.2.2 过流保护设计变频器在诸如直流短路、桥臂短路、输出短路、对地短路等情况下，电流变化非常迅速，元件将承受极大的电压和电流，而IGBT器件的内部结构决定了它在足够大的电流下会出现锁定现象，造成管子失控无法关断，以至烧坏，所以过流之前必须使IGBT关断以切断电流，虽然在IGBT的驱动模块EXB840中已经有过流保护，但考虑到过大时IGBT还未来得及关断已经发生锁定现象的可能性，必须采取辅助断流措施。这里采用瑞士LEM 公司生产的霍尔效应磁场补偿式电流传感器来进行电流的检测。在此传感器的输出端串电阻R，则R上的压降反应了被测的电流。过流发生时，R上的压降大于过流保护动作整定值，比较器LEM324输出低电平去封锁IGBT的驱动电路的输入信号，即可使桥臂上的所有IGBT处于截止状态实现过流保护的功能。过流保护的电路示意图如4.8图所示：图4.8 过流保护电路4.3 控制系统的实现单片机在整个控制系统中起着核心作用，从电流电压的检测到参数的计算、存储和传送，再到人机接口的实现，都是单片机在其中穿针引线，控制、协调各部分的工作。它的性能的好坏及工作的正常与否对整个控制系统有着重要的影响。在本设计中选用单片机课程学习到的Intel公司的8051单片机。8051是高性能的单片机，因受到引脚数目的限制，它属于地址与数据复用的单片机，可以与SA4828直接接口。其内部有4KB的ROM，以下是它的引脚图14。图4.9 8051引脚图因8051已经比较常见和熟悉，这里不再详细介绍。图4.10是单片机的系统图15。 模拟量的频率给定通过ADC0809模数转换器读入8051，转化为SA4828的控制字，以控制触发信号的波形。ADC0809是一种8路模拟输入的8位逐次逼近型A/D转换器件，电位器的输出接其输入IN0（当51单片机没有当5l单片机没有外扩RAM和I/O口时，ADC0809就可以在概念上作为一个特殊的唯一的外扩RAM单元。因为它是唯一的，就没有地址编号，也就不需要任何地址线或者地址译码线。只要单片机往外部RAM写入，就是写到ADC0809的地址寄存器中。只要单片机从外部RAM读取数据，就是读取ADC0809的转换结果。）EOC转换结束信号经一非门接8031外部中断1（P3.3）。8051通过地址线P2.0和读写信号来控制转换器的模拟量输入通道地址锁存，启动允许输出。图4.10 单片机系统图因8051的复用总线结构，SA4828的MUX引脚应该接高电平或悬空不接。8051的P0口与SA4828的AD口连接，提供8位数据和低8位地址，SA4828芯片中的地址锁存器可以锁存来自8051的低八位地址，从而将AD口输入的地址和数据分开，SA4828的地址锁存器由8051的ALE引脚控制，同时连接的控制信号还有读，写信号,.SA4828的片选信号用8051的P2.7引脚来控制，这样SA4828的8个寄存器的地址为：寄存器R0R5的地址：0000H0005H。虚拟寄存器R14,R15的地址：000EH，000FHSA4828的STTRIP引脚接8051的P1.0，使单片机能在异常情况下封锁SA4828的输出，ZPPR引脚接8051的P3.2（ ）,测量调试波的频率，用于显示。因8051的复位端为高电平有效，而SA4828为低电平有效，所以在两者中间需要加上反相器。SA4828的引脚接一个发光二极管，当SA4828的输出被封锁时，发光二极管亮，用于指示封锁状态。SA4828的六个输出引脚分别通过各自的驱动电路来驱动逆变桥的六只开关管。第5章 变频器软件设计5.1 流程图软件设计的流程图如图5.1。图5.1 程序设计流程图5.2 SA4828的编程5.2.1 初始化寄存器编程初始化是用来设定与电动机有关的参数。包括载波频率设定，调制波频率范围设定，脉冲延时时间设定，最小删除脉宽设定，调制波形选择，幅值控制，看门狗时间常数设定等。下表为初始化编程时，R0R5各寄存器的内容17。表5.1 初始化编程时R0R5各寄存器内容76543210R0FRS2FRS1FRS0CFS2CFS1CFS0R1PDT6PDT5PDT4PDT3PDT2PDT1PDT0R2PDY5PDY4PDY3PDY2PDY1PDY0R3AC00WS1WS0R4WD15WD14WD13WD12WD11WD10WD9WD8R5WD7WD6WD5WD4WD3WD2WD1WD0 (1)载波频率设定。载波频率(三角波频率)设定字由CFS0CFS2这3位组成。理论上，载波频率越高越好，但频率越高损耗会越大，另外，还受开关管最高频率的限制，因此要合理设定。载波频率的计算式为： （5-1）式中：为时钟频率，的二进制数即为载波频率设定字。(2)调制波频率范围设定。调制波频率范围设定字是由FRS0FRS2这三位组成。调制波频率决定了电动机的转速，因此应先根据电动机的调速范围，计算调制波频率范围。调制波频率范围为： （5-2）式中：m值的二进制数即为调制波频率范围设定字。(3)最小删除脉宽设定。该设定字由PDT0PDT6这7位组成。最小删除脉宽为： （5-3）式中：的二进制数即是最小删除脉宽设定字。考虑到延迟（死区）的因素，在延迟时，通常的做法是在保持原频率不变的基础上，使开关管延迟导通，如图5.2所示，图5.2 延迟前后的脉宽关系实际输出的脉宽=延迟前的脉宽-延迟时间。SA4828的工作顺序是先删除最窄脉冲，然后在延迟，应是延迟前的最小删除脉宽。它等于实际输出的最小脉宽加上延迟时间，即：=实际输出的最小脉宽+18。 (4)脉冲延迟时间设定。该设定字由PDY0PDY5这6位组成。脉冲延时为: （5-4）式中：的二进制数即是脉冲延迟时间设定字。(5)调制波形选择。调制波形选择是通过波形选择字WS0、WS1这2位来完成的。根据WS0、WS1可选择纯正弦波、增强型波、高效波三种调制波形。其波形的选择如表5.2所示：表5.2 波形选择对应波形WS1WS2波形00纯正弦波01增强型10高效型(6)幅值控制。幅值控制通过对AC位的设定来选择控制寄存器中的幅值，以适应平衡负载或不平衡负载。 控制寄存器的作用主要是对调制波频率(调速)、调制波幅值选择(调压)、正反转选择、输出禁止位控制等进行控制。其方法是通过对R0R5寄存器输入并暂存，当向R15虚拟寄存器进行写操作时，才将这些数据送人控制寄存器。R0R5各寄存器的内容见下表。表5.3 控制寄存器编程时R0R5各寄存器内容76543210R0PFS7PFS6PFS5PFS4PFS3PFS2PFS1PFS0R1PFS15PFS14PFS13PFS12PFS11PFS10PFS9PFS8R2RSTWTE/RR3Ramp7Ramp6Ramp5Ramp4Ramp3Ramp2Ramp1Ramp0R4Bamp7Bamp6Bamp5Bamp4Bamp3Bamp2Bamp1Bamp0R5Yamp7Yamp6Yamp5Yamp4Yamp3Yamp2Yamp1Yamp0（1）调制波频率选择调制波频率选择由PFS0PFS15这16位组成，通过下式求得: （5-6）式中，值的二进制数即为调制波频率选择字。 （2）调制波幅值选择改变调制波幅值是用来改变输出电压，以达到变频同时变压的目的。调制波幅值是借助于8位幅值选择字(Ramp、Yamp、Bamp)来实现的，其每一相都可以通过下式来计算： （5-7）式中值的二进制数即为调制波幅值选择字。（3）正反转选择正反转选择位 /R控制三相PWM输出的相序。/R =0时正转，相序是R-Y-B；/R =1时反转，相序是B-Y-R。正反转期间输出波形连续。（4）输出禁止位控制。输出禁止位。当=0时，关断所有的SPWM信号输出。（5）计数器复位控制 计数器复位。当=0时，使内部的相计数器置为（R相）。（6）软复位控制RST是软复位位，它与硬复位有相同的功能，高电平有效。参考文献1 何超.交流变频调速技术.北京：北京航空航天出版社,2006.1-65.2 梁昊.最新变频器标准实施和设计.北京：电力出版社，2005.125-136.3 李发海，朱东起.电机学.第三版.北京：科学出版社，2001.326-395.4 王晓明.电动机的单片机控制.第二版.北京:北京航空航天出版社，2007.157-1825 王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2007.1-165.6 杜金城.电气变频调速设计技术.北京：中国电力出版社，2001.195-205.7 李敬梅.电力拖动控制与技术训练.第三版.北京：中国劳动社会保障出版社，2001.401-428.8 张毅刚.单片机原理和应用.北京:高等教育出版社，2007.10-115.9 童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2001.171-201.10 阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，1998.11 张兆东.新型高频变频调速系统的研究J.黑龙江纺织，2003,(03)12 孙立志.PWM与数字电动机控制技术应用.北京：中国电力出版社，2008. 1-2213 周志敏，周纪海，纪爱华.变频调速系统设计及维护.北京：中国电力出版社，2007.1-83.14 张建军.浅谈我国变频器发展技术.科技情报发展与经济，2005.134-135.15 陈伯时，陈敏逊.交流调速系统.北京：机械工业出版社，1998.5-35.16 罗春民.我国变频调速技术的发展概况J.广东科技，2007,(04)16 叶斌.电力电子应用技术.北京：清华大学出版社，2006.199-236.18 王占奎.交流电机变频调速的应用J.电工技术杂志，2004.12-125.19 胡志文.实用交流电机智能变频调速系统J.电子世界，2005.158-184.20 王占奎.交流电机变频调速的应用J.电工技术杂志，2004