【正文】 FC附近的諧波頻率也相應(yīng)降低，這種頻率較低的諧波通常不易濾除，如果負(fù)載為電動機(jī)，就會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲，給電動機(jī)的正常工作帶來不利影響。 ω tω t圖4 －2 　雙極性PWM 控制原理在本設(shè)計中，采用三相橋式逆變電路，采用雙極性 PWM控制。由圖可知，每半周內(nèi)的脈沖系列也是單極性的。 ： 將圖 4－ 1(a)所示的正弦波半波波形分成 n等份，就可把正弦波看成由 N個彼此相連的脈沖所組成的波形。 各類電氣傳動裝置的控制器由模擬控制轉(zhuǎn)向全數(shù)字控制已經(jīng)成為事實，交流速傳動也不例外。 交流調(diào)速傳動控制技術(shù)之所以發(fā)展得如此迅速，主要是一些關(guān)鍵性技術(shù)得到了突 破性進(jìn)展，如電力電子器件，電力變換技術(shù)，交流電機(jī)的矢量變換控制技術(shù)， PWM技術(shù)及微型計算機(jī)和大規(guī)模集成電路。 與此同時，計算機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路的飛速進(jìn)步，極大簡化了實現(xiàn) SPWM及矢量控制等復(fù)雜技術(shù)的方法，增強(qiáng)和擴(kuò)展了變頻器的 功能，使變頻調(diào)速技術(shù)迅速發(fā)展起來。 20世紀(jì) 80年代，又進(jìn)一步開發(fā)成功了絕緣柵型雙極型晶體管（ IGBT）其工作頻率比 GTR提高了一個數(shù)量級，從而使變頻調(diào)速技術(shù)又向前邁 進(jìn)一步。 變頻調(diào)速是采用可變電壓可變頻率（ VVVF）電源裝置，如逆變器和交－交變頻器，變頻調(diào)速可以充分發(fā)揮感應(yīng)電機(jī)的優(yōu)點，即適應(yīng)性強(qiáng)，堅固耐用，維護(hù)方便，價格低廉。 （ 1） 詳細(xì)了解 SLE4520集成電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，管腳排列及功能、工作原理和使用注意事項； （ 2） 詳細(xì)了解電力電子器件 IGBT的工作原理，元器件參數(shù)、驅(qū)動電路及使用注意事項； （ 3） 討論并確定變頻主回路的電路，并根據(jù)給定的交流電動機(jī)參數(shù)（另行給出），計算，選擇主回 路的元器件； （ 4） 討論由 SLE4520集成電路實現(xiàn) SPWM波的方法，具體接線和相應(yīng)的外圍電路，并考慮信號的測量和控制回路原理，包括各單元電路的原理圖和元器件的選擇； （ 5） 在前述基礎(chǔ)上，確定控制系統(tǒng)的硬件電路，選擇合理的軟件算法，結(jié)合單片機(jī)控制技術(shù)，研究用 8031 實現(xiàn)的方法，并確定由 8031單片機(jī)實現(xiàn)的微機(jī)控制系統(tǒng)程序流程，畫出主程序和中斷服務(wù)程序流程圖； （ 6） 編制、調(diào)試主程序和中斷服務(wù)程序； （ 7） 應(yīng)用 AUTOCAD和 SCH繪制硬件電路和程序流程圖； ４ （ 8） 撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書。具體是以一個正弦波作基準(zhǔn)波（稱為調(diào)制波），用一系列等幅的 三角波（稱為載波）與基準(zhǔn)波相交，由它們的交點確定逆變器的開關(guān)模式，當(dāng)基準(zhǔn)正弦波高于三角波時，使相應(yīng)的開關(guān)器件導(dǎo)通；當(dāng)基準(zhǔn)正弦波低于三角波時，使開關(guān)器件截止，從而使逆變器的輸出電壓波為脈沖列，其特點是：在半個周期中等距、等幅（等高），不等寬（可調(diào)），總是中間的脈沖寬，兩邊的脈沖窄，各脈沖面積與該區(qū)間正弦波下的面積成比例，這樣，輸出電壓中的中低次的諧波分量顯然可以大大減少。 ３ 設(shè)計課題介紹 采用 SLE4520集成電路的三相 SPWM異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計。 主程序包 含初始化，對 8031， SLE4520 的初始化 T0 的初始化，讀 F 的值，由 F值查表得相應(yīng)的 Tw 值， T0定時，判斷 F 是否變化，若變化則去讀 F，沒變則送原來的數(shù)值。 主回路 由三相橋整流后，接入 IPM 的 P， N 兩端，整個部分包括濾波電容，電源指示及整流變壓器，三相異步電機(jī)接在 IPM 的產(chǎn) U， V， W 三腳輸出端。通過對本課題的設(shè)計，可以使所學(xué)知識有機(jī)聯(lián)系起來，達(dá)到鞏固，加深知識的目的，還可以拓寬知識面，培養(yǎng)解決實際問題的能力。 功率半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，微電子技術(shù)和微型計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為交流傳動系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展提供了有利的條件。 以晶閘管變流裝置作為電動機(jī)電樞和磁場電源的直流傳動系統(tǒng)和以 PWM 變換器為功率變換裝置的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)由于在起、制動，正、反轉(zhuǎn)，平滑調(diào)速，穩(wěn)速，精度，響應(yīng)速度等方面具有優(yōu)良性能，歷來是電力拖動系統(tǒng)中最通常的選擇方案，但是直流電動機(jī)的機(jī)械式換向器則是它的主要薄弱環(huán)節(jié)，電動機(jī)在制造上費工費料，且維護(hù)麻煩，且不適宜在易燃易爆、塵埃多的場合使用，使得電動機(jī)的單機(jī)容量、過載能力、最高電壓、 最高轉(zhuǎn)速和經(jīng)濟(jì)性能等要重要指標(biāo)都受到了限制。 交流電機(jī)無換向片，結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價格低廉、易于維修、工作可靠，且能在惡劣的環(huán)境下工作。當(dāng)前交流調(diào)速系統(tǒng)，如交流電動機(jī)的串級調(diào)速，各種變頻調(diào)速，無換向器電動機(jī)調(diào)速等，從調(diào)速性能上 已經(jīng)達(dá)到與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的程度。 由于本人知識水平的限制，更兼時間倉促，設(shè)計中出現(xiàn)的錯誤及漏洞，敬請批評指正。 控制回路以單片機(jī) 8031為核心，附加一些外外圍接口電路，如 RAM， EPROM的擴(kuò)展，顯示接口采用 8297， SLE4520 的 P1－ P7 與 8031 的 P0 口相接，向 4520 傳送脈寬寬度值 Tw， SLE4520 的輸出端 6個腳與 IPM 相對應(yīng)腳相連。 T0 的中斷服務(wù)程序首先是保護(hù)現(xiàn)場，送 T0 初值，然后 T0 定時啟 ,交數(shù)送向SLE4520， 判斷有沒有算完，若算完則取新的 Tw 值，沒算完則取原來的 Tw，恢復(fù)現(xiàn)場，中斷返回。 工業(yè)上廣泛應(yīng)用交流異步電動機(jī)作為電力拖動自動控制系統(tǒng)的動力裝置。 SLE4520 是全數(shù)字化的三相 SPWM 波生成集成電路。 ： 型號： YGOL－ 4， PN＝ ， Nn＝ 1400r/min,Ia=,η n=79%,cosΦ＝ ， 轉(zhuǎn)動量＝ ，凈重 27KG， Un＝ 380V，接法：Δ。 近年來，由于微電子技術(shù)，微機(jī)技術(shù)和自關(guān)斷功率開關(guān)器件的進(jìn)步，使得變頻調(diào)速中的核心技術(shù) — －脈沖寬度調(diào)制技術(shù)和矢量控制技術(shù)已經(jīng)成熟并得到廣泛應(yīng)用。目前，中小型的變頻器中的逆變部分，已基本上被 IGBT壟斷，使 20世紀(jì) 70年代提出的正弦波脈寬度調(diào)制技術(shù)（ SPWM）得到不斷完善。 如利用單片機(jī)和 SLE4520集成電路的三相 SPWM異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，是 一個典型的調(diào)速系統(tǒng)。 自關(guān)斷器件的發(fā)展為 PWM技術(shù)鋪平了道路。 由變頻器供電的調(diào)速系統(tǒng)是一個快速系統(tǒng)，在使用數(shù)字控制時要求的采樣頻率較高，通常高于 1KHZ，常需要完成復(fù)雜的操作控制，數(shù)字運算和邏輯判斷，所以要求單片機(jī)具有 較大的存儲容量和較強(qiáng)的實時處理能力。這些脈沖寬度相等，都等于π /n，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化，如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦面積相等，就可得圖 4－ 1（ b）所示的脈沖序列，這就是 PWM波形，可以看出，各脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的根據(jù)問題相等效果 相同的原理， PWM與正弦半波是等效的，對于正弦波的負(fù)半周，也可以同樣的方法得到 PWM波形，像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而各正弦波等效的 PWM波形，也稱為 SPWM波形。 單極性調(diào)制的工作特點：每半個周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個逆變 器中，只有一個器 件按脈沖系列的規(guī)律時通時斷地工作，另一個完全截止；而在另半個周期內(nèi)，兩個器件的工作情況正好相反，流經(jīng)負(fù)載 ZL的便是正負(fù)交替的交變電流。 ，產(chǎn)生 SPWM 脈寬調(diào)制信號控制方法有兩種： (1).異步調(diào)制 載波信號和調(diào)制信號不保持同步關(guān)系的調(diào)制方式稱為異步方式，異步調(diào)制方式中，調(diào)制信號頻率 FR變化時，通常保持載波頻率 FC固定不變，因而載波比 N＝ FC/FR是變化的，要求 N為 3的整數(shù)倍， 這樣，在調(diào)制信號的半個周期內(nèi)，輸出脈沖個數(shù)不固定，脈沖相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對稱，同時，半周期內(nèi)前后 1/4周期的脈沖也不對稱。 為克服上述缺點，通常都采用分段同頻調(diào)制的方法，即把逆變電路的輸出頻率范圍劃分成若干個頻段，每個段內(nèi)都保持載波比 N為恒定，不同頻段的載波比不同，在輸出頻率的高頻段采用較低的載波比，以使載波 F不致過高，在功率開關(guān)器件所允許的頻率范圍內(nèi)，在輸出頻率的低頻段采用較高的載波比，以使載波頻率不致過低而對負(fù)載產(chǎn)生不利影響，各頻率的載波比都取 3的倍數(shù)且為奇數(shù)。另外，當(dāng)正弦波頻率變化或幅值變化時，各脈沖的寬度也 相應(yīng)變化，要準(zhǔn)確生成 SPWM波形，就要準(zhǔn)確算出正弦波和三角波的交點，這種方法求解時需要花費較多的計算時間，因而難以在實時控制中在線計算。如圖所示，三角波的尖峰時刻 TD對正弦調(diào)制采樣而得到 D點，過 D點作一水平直線和三角波分別交于 A、 B兩點，在 A點的時刻 TA和 B點的時刻 TB控制功率開關(guān)器件的通斷，可以看出，用這種規(guī)則采樣法所得到的脈沖寬度δ和用自然采樣法所得到的脈沖寬度非常接近。在這種方法中，已經(jīng)不用載波和正弦波的比較，但其目的仍是使輸出波形盡可能接近正弦波，因此也是一種 SPWM生成方法。然 １１ 而，只調(diào)節(jié) F１是不行的，因為 E1＝ m≈ U1 當(dāng)定子電壓 U1不變時，Φ m與 F1成反比， F1的升高或降低，會導(dǎo)致磁通Φ m的減小或增大，從而使電動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩減小，嚴(yán)重時將導(dǎo)致電動機(jī)堵轉(zhuǎn)，或者使磁路飽和，鐵耗急聚增加。 由式 T=CmΦ mI2’cos Φ 2 可知，要在整個調(diào)速范圍內(nèi)實現(xiàn)恒磁控制，必須按 E1/F1=cost 來進(jìn)行控制， E1/F1=cost 是維持恒磁通，亦即恒最大轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速的協(xié)調(diào)控制條件。隨著頻率的升高，氣隙磁通會小于額定磁通，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩減小，但頻率升高，速度增加，由 P=Tn/975可知，當(dāng) T減小的倍數(shù)和 n增加的倍數(shù)相等時， P維持不變，故稱這種方式為恒功率控制方式，不過 T和 n不是嚴(yán)格的等比例增減，所以這只能說是一種近似的恒功率控制方式。 I1的恒定可通過電流調(diào)節(jié)器的閉環(huán)控制實現(xiàn)。 三 . 控制方式的選擇 為了使異步電動機(jī)變頻調(diào)速取得最好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果，不同類型的負(fù)載根據(jù)具體要求應(yīng)選擇不同的控制方式，控制方式應(yīng)滿足的條件是： （ 1） 電動機(jī)的過載能力不低于額定值，以防堵轉(zhuǎn)。 （ 5） 充分利用電動機(jī)的容量，盡可能使磁能保持額定值，以充分利用鐵心；盡可能使電流保持額定值，以充分利用繞組導(dǎo)線；盡可能使功率因數(shù)保持額定值，以免降低電動機(jī)出力。 (1) 轉(zhuǎn)速平方型負(fù)載： 這類負(fù)載的性質(zhì)是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的平方成正比。 (2) 恒功率型負(fù)載 恒功 率型負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比。采用恒磁通控制方式，顯然可使電動機(jī)鐵心獲得充分利用，另外，恒功率負(fù)載隨著轉(zhuǎn)速的增加，負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小，電流也隨之減小，電流和轉(zhuǎn)速成反比。在低速點，磁通和電流均為額定值，隨著轉(zhuǎn)速增加，磁通和電流均減小，和磁通不變的控制方式相比，鐵耗要小而銅耗要大，因此，比較適合于負(fù)載輕的場合。 在額定頻率以上，負(fù)載皆為恒功率負(fù)載，一般采用恒壓控制方式（即近似恒功率控制方式）。 １４ (1)帶低頻補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，框圖如圖 45所示，轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，結(jié) 構(gòu)簡單，調(diào)試容易，并且異步 電動機(jī)在不同供電頻率下的機(jī)械特性硬度變化不大，所以開環(huán)變頻調(diào)速控制獲得廣泛應(yīng)用，但開環(huán)控制不能保證必要的調(diào)速精度，而且在動態(tài)過程中由于不能保持所需的轉(zhuǎn)矩，動態(tài)性能較差，因此開環(huán)控制方案只能用于對調(diào)速精度和動態(tài)性能要求不高的場合。通過矢量變換控制，能使交流電動機(jī)和直流電動機(jī)一樣的調(diào)速性能。然后根據(jù)地址譯碼，由微機(jī)輸出的 SPWM脈寬數(shù)據(jù)分別寫入 SLE4520中的 3個 8位數(shù)據(jù)鎖存器，經(jīng) SLE4520處理后產(chǎn)生脈沖來控制 IGBT，由于 IGBT必需要有一定的驅(qū)動功率及一定的保護(hù)電路，而 IPM內(nèi)部主要是 IGBT、驅(qū)動電路、檢測電 路，可以大大簡化電路，故采用了 IPM模塊。通過控制 IGBT的 通斷和截止，從而使電機(jī)得電，開始起動。 在單相交 — 交變頻器中，如果輸入電壓為三相電源，可控整流器為三相全橋式接法，要得到單相輸出交流電共需 12個晶閘管元件。 １８ 圖5－2 　交－直－交變頻的工作原理圖L 變頻電源的選擇 在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，變頻器的負(fù)載通常是異步電動機(jī)，無論它處于電動還是發(fā)電狀態(tài)，功率因數(shù)都不會等于 1。因此，輸出電流波形接近 １９ 于矩形波，屬于電流強(qiáng)制方式。因此，整流元件 D1與 D4受 URS正向陽極電壓作用而串聯(lián)導(dǎo)通，其通路為： A－ VD1－ VD4－ B，其它整流元件受反向電壓作用而不導(dǎo)通，整流輸出電壓為線電壓 URS，在 WT2－ WT3范圍內(nèi)， R相仍然為最大值，而 T相電壓變?yōu)樨?fù)相最大值，線電壓 ２０ UR7最大，因此，整流元件 VD1與 VD6串聯(lián)導(dǎo)通，其通路為： A－ VD1－ RFZ－ D6－ C，其它整流元件受反向電壓作用不導(dǎo)通，整流輸出電壓為線電壓 URT同理，在 各期間內(nèi)整流元件導(dǎo)通情況歸納如下： WT1－ WT2 URS最大 VD1與 VD4導(dǎo)通 WT2－ WT3 URT最大 VD1與 VD6導(dǎo)通 WT3－ WT4 UST最大 VD3與 VD6導(dǎo)通 WT4－ WT5 USR最大 VD3與 VD2導(dǎo)通 WT5－ WT6 UTR最大 VD5與 VD2導(dǎo)通 WT6－ WT7 UTS最大 VD5與 VD4導(dǎo)通 在整流的 WT1－ WT2其間，由上圖可知，二極管 VD1與