【正文】 IGBT 控制的數(shù)字化 PWM 波形產(chǎn)生器的實(shí)現(xiàn)方法；根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，選擇了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制，提高了 系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定度；最后完成了相應(yīng)的電氣控制電路 。然而，直流傳動(dòng)存在的諸如運(yùn)行中產(chǎn)生火花、對(duì)環(huán)境要求叫高、電刷易于磨損、維護(hù)麻煩等等的自身結(jié)構(gòu)上的問題促使人們不斷尋求更好的解決問題的方法。其中變頻調(diào)速是交流電機(jī)調(diào)速中發(fā)展最快、最活躍的一支。變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用范圍已發(fā)展到新階段。 （ 3） 當(dāng)極對(duì)數(shù)不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 與定子電源頻率 f 成正比。 低電磁噪音設(shè)計(jì)變頻器要求在抗干擾和抑制高次諧波方面符合 EMC 國 8 際標(biāo)準(zhǔn)，主要做法是在變頻器輸入側(cè)加交流電抗器或有源功率因數(shù)校正電路，改善輸入電流波形降低電網(wǎng)諧波以及逆變橋采取電流過零的開關(guān)技術(shù)。目前 PWM 技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電氣傳動(dòng)、不間斷電源、有源濾波器等中。 （ 3）磁鏈追蹤型 PWM 法 它是從電動(dòng)機(jī)角度出發(fā)，著眼點(diǎn)是如何使電動(dòng)機(jī)獲得圓磁場(chǎng)。 IPM包含了 IGBT 芯片及外圍的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，有的把光耦也集成于一體，因此是更為好用的集成功率器件。 主電路結(jié)構(gòu)的選擇 主電路是將三相交流電變換成頻率、幅值可調(diào)的交流電壓，能 實(shí)現(xiàn)這一功能的電路有交 交電路和交 直 交電路。根據(jù)中間環(huán)節(jié)采用大電容或大電感濾波可分為交 直 交電壓型和交 直 交電流型兩類。 主電源的選擇 主電源的整流電路包括可控整流和不可控整流。 系統(tǒng)控制方案的確定 控制電路作為交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心部分，在影 響整個(gè)系統(tǒng)的性能方面占有極其重要的地位，而控制系統(tǒng)的性能又取決于其運(yùn)算速度和控制精度，這在某種程度上依賴于實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的電子芯片。 英國 Marconi 公司推出的、可產(chǎn)生三相 PWM控制信號(hào)的大規(guī)模集成電路芯片 MA818 (828/838) , 采用標(biāo)準(zhǔn)雙列直插式 40 腳封裝或 44 腳方形塑料封裝。本課題選用的是交 直 交電壓型 PWM 變頻主電路，它包括不可控整流電路、濾波電路和三相橋式逆變電路 。 2. 整流器件的一般選擇原則 1） 最大反向電壓 RMU mRM UU 2? ，式中 mU 是電源線電壓的振幅值 (3― 1) 2) 最大整流電流 VDMI NVDM II 2? ，式中 NI 為變頻器的額定電流 (3― 2) 3) 整流輸出的平均直流電壓 dU 如果電源的線電壓為 LU ，則三相全波整流后平均直流電壓的大小 dU = U 。電動(dòng)機(jī)在制動(dòng)過程中處于發(fā)電狀態(tài)，由于電路時(shí)處于在斷開情況下，增加的電能無處釋放，使電路電壓不斷升高，將會(huì)損壞電路元件。由于開關(guān)管在開通和關(guān)斷時(shí)，要受集電極電流 Ic 和發(fā)射極間電壓 Vce的沖擊 ，因此要通過緩沖電路進(jìn)行緩解。因而又稱正弦波脈寬調(diào)制（ SPWM）逆變器，成為當(dāng)前最有發(fā)展前途的一種結(jié)構(gòu)形式。實(shí)選 限流電阻 aR 為： WK 9/ ? 。 本章小結(jié) 本章首先介紹了主電路的基本 結(jié)構(gòu)，對(duì)主電路中的整流電路、濾波電路、逆變電路的 工作原理進(jìn)行了分析；然后，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)要求，對(duì)主電路中元器件參數(shù)進(jìn)行了分析、計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇了元器件。同樣，正弦波的負(fù)半周也可用相同的方法來等效。脈沖延遲電路能在同一相的兩個(gè)開關(guān)器件進(jìn)行開、關(guān)切換時(shí) , 提供一個(gè)較短的延遲時(shí)間 , 以使 導(dǎo)通信號(hào)滯后于關(guān)斷信號(hào) , 從而避免同一相上的開關(guān)器件發(fā)生直通短路現(xiàn)象。 ) , 波形被分割為 768 個(gè) 8 位采樣值進(jìn)行存儲(chǔ) , 幅值范圍為 0～ 255。內(nèi)的 768 個(gè)采樣值取反 ,從而得到 全 360176。 SST89E58CD2特性如下： 3個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； 驅(qū)動(dòng)電路 EXB841 介紹 驅(qū)動(dòng)電路是將控制電路產(chǎn)生的 PWM 信號(hào)加以隔離、放大，形成驅(qū)動(dòng)各開關(guān)器件開關(guān)信號(hào)動(dòng)作的電路。 A/D 轉(zhuǎn)換器 因?yàn)閱纹瑱C(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，如果電動(dòng)機(jī)的這些過程信號(hào)是模擬量，必須先經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換所得到的數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)處理。 模擬輸入范圍為 0~5V，單一 +5V供電。 不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整。EOC電平由低變高表示 A/D轉(zhuǎn)換。 本章小結(jié) 本章對(duì)控制電路進(jìn)行了具體的分析、設(shè)計(jì)，主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容： 29 1．觸發(fā)電路框圖 2． SPWM 的生成原理 3． MA818 結(jié)構(gòu)及工作原理 4． 單片機(jī) SST89E58RD2 的特性 5．驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 6． A/D 轉(zhuǎn)換器 通過對(duì)以上電路的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了 一種交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制回路，并給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)上述電路所需的軟硬件。以 T 作為采樣 周期， k 作為采樣序號(hào)，則離散采樣時(shí)間 kT 對(duì)應(yīng)著連續(xù)時(shí)間 t，用求和的形式代替積分，用增量的形式代替微分 ，可作如下近似變換： kTt? （ k=0， 1， 2， 占用的資源： A， B， R0~R7， CY， F0。所謂數(shù)字濾波，就是通過一定軟件計(jì)算或者判斷來減少干擾在有用信號(hào)中的比重，達(dá)到減弱或者消除干擾的目的。 （ a）程序框圖 (b) 算法原理圖 程序如下： SMFM： MOV A， R0 ；將 R0~R3 中的數(shù)據(jù)暫存 R4~R7 MOV R4， A MOV A， R1 MOV R5， A MOV A， R2 MOV R6， A MOV A， R3 MOV R7， A MOV A， R1 35 MOV A， R3 MOV R0， A ； R0 指向第 2 個(gè)數(shù)據(jù)存放的首地址 MOV A， R2 DEC A ；數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)減 1 MOV B， R3 MUL AB ；（數(shù)據(jù)個(gè)數(shù) 1） *字長(zhǎng) MOV R3， A ；存入 R3 LCALL XFER ；移動(dòng)數(shù)據(jù) MOV A， R7 MOV R3， A MOV A， R4 MOV R0， A LCALL XFER ；移入新數(shù)據(jù) MOV R0， 00H ；新數(shù)據(jù)高字節(jié)后的單元預(yù)清 0 DEC R2 ；開 始求和運(yùn)算。這時(shí)計(jì)算隊(duì)列中各數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，這個(gè)算術(shù)平均值就是測(cè)量值 y。屏蔽高 2位 MOV R7， A ；存入 R7 PIDJ12 ： CLR A ；階數(shù)為負(fù)時(shí) INC A ANL A， 3FH ；屏蔽高 2位 33 MOV R7， A ；存入 R7 DL1： DJNZ R7， DL1 DEC 4EH ； ku? 1 CJNE A， 4EH， PID1 ； ku? 是否為 0，等于 0退出 CJNE A， 4DH， DL1 RET LPDM： MOV R7， 03H ；取 A、 B、 C值子程序 LPDM0： MOV A， R2 MOVC A， A+PC MOV R1， A INC R2 INC R1 DJNZ R7， LPDM0 RET OM： DB XXH， XXH， XXH ； A值 DB XXH， XXH， XXH ； B值 DB XXH， XXH， XXH ； C值 數(shù)字濾波技術(shù) 在電動(dòng)機(jī)數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)中，測(cè)量值 y 是通過對(duì)系統(tǒng)的輸出量進(jìn)行采樣而得到的。實(shí)際運(yùn)行 經(jīng)驗(yàn)和理論分析均表明，運(yùn)用這種控制規(guī)律對(duì)許多工業(yè)過程進(jìn)行控制時(shí)，都能得到 滿意的效果。該信號(hào)可連接在一起，方便控制。 轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時(shí)鐘頻率。 具有鎖存控制的 8路模擬開關(guān)。 A/D 轉(zhuǎn)換器即模擬、數(shù)字轉(zhuǎn)換器，是將輸入的模擬信號(hào)的器件。 EXB841 是一種高速驅(qū)動(dòng)集成電路，最高使用頻率為 40KHz，能驅(qū)動(dòng)150A/600V 或者 75A/1200V 的 IGBT，驅(qū)動(dòng)小于 s? ，采用單電源 20V 供電。 10個(gè)中斷源， 4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)； 5V的工作電壓，操作頻率為 040MHz； 768 個(gè)采樣值分成 1536 個(gè) 4 位采樣值存儲(chǔ) , 其中低 4 位部分分別存儲(chǔ)在 0000H～ 0300H 單元中 , 高 4 位部分分別存儲(chǔ)在 0400H～ 0700H 單元中 , MA818 自動(dòng)地讀取這兩個(gè) 部分 ,并在內(nèi)部拼成一個(gè) 8 位采樣值?！?180176。 2． 工作原理 MA818 在工作之前 , 兩個(gè) 24 位寄存器 (初始化寄存器和控制寄存器 ) 要先從微機(jī)中輸入命令字。 可得脈寬時(shí)間： t 2a =T/2[1+MSin(w1 te )] t2b =T/2[1+MSin(w1 te 120)] t2c =T/2[1+MSin(w1 te +120)] 24 而間隙時(shí)間： t1a =t 3a =(Tta )/2 t1b =t 3b =(Ttb )/2 t1c =t 3c =(Ttc )/2 MA818 結(jié)構(gòu)及工作原理 1． MA818 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 及工作特點(diǎn) 圖 5 MA818內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 MA818 主要由三部分組成 :第一部分為接收并儲(chǔ)存微處理器命令的控制字部分。它作為交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心部分，在影響整個(gè)系統(tǒng)的性能方面占有極其重要的地位，它主要是向變頻主電路提供各種控制信號(hào)，以使主電路安全、 可靠的工作。但它熱時(shí)間常數(shù)小，承受過載能力差；因此，在實(shí)際的應(yīng)用時(shí)，應(yīng)從負(fù)載最嚴(yán)重的情形來選擇功率器件。系統(tǒng)所用參數(shù)如下： 電動(dòng)機(jī)參數(shù) ：電動(dòng)機(jī)型號(hào)： Y100L2 型 ， 2P=4, KWPN ? , AIN ? , %88?N? ， ?? , min1440 rnN ? , ? ? ?過載能力倍數(shù)m? , ? ? ?啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)QK , ? ? ?啟動(dòng)電流倍數(shù)fK 19 電源電壓： 380V ，頻率： 50HZ 逆變部分采用 IGBT SPWM 型逆變器， FV 控制方式，過載倍數(shù) ?? /分鐘。所以增加電阻（ R1~R6），限制電容的放電電流。制動(dòng)時(shí)，通過控制電路使開關(guān) Tc 導(dǎo)通，形成放電通路。整流后的直流電壓： dU = U = 380V=315V 濾波電容 Cr 濾除整流后的電壓波紋，并在負(fù)載變化時(shí)保持電壓平穩(wěn)。 交 直變換電路 該變換電路的 任務(wù)是將電源的三相交流電變換為平穩(wěn)的直流電。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 圖 2 系統(tǒng)總體電路框圖 15 本設(shè)計(jì)所要完成的主要工作 課題的目標(biāo)是完成交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路和控制電路兩部分設(shè)計(jì)。當(dāng)控制電路設(shè)計(jì)完成后 ,就是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng) ,調(diào)節(jié)、控制方式不能再更改 ,系統(tǒng)的總體協(xié)調(diào)功能差。而不可控整流的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)電網(wǎng)的干擾較小，整流得到的直流諧波小，電壓穩(wěn)定，因而輸入功率因數(shù)高；缺點(diǎn)是直流電壓不可控，要想控制輸出電壓值，只有通過后面環(huán)節(jié)（逆變器可以控制電壓大小）。 由于電壓源型變頻電路是作為電壓源向交流電機(jī)提供電功率的，因此，其主要優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行幾乎不受負(fù)載功率因數(shù)和換流的影響；缺點(diǎn)是當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)短路或過流時(shí)，必須采取保護(hù)措施。當(dāng)正向組工作在整流狀態(tài)，反向組工作在逆變狀態(tài)時(shí)，交流電機(jī)得到的是正電壓；反之，電機(jī)繞組得到的是負(fù)電壓。它具有開關(guān)速度快，驅(qū)動(dòng)電流小，控制驅(qū)動(dòng)更為簡(jiǎn)單，保護(hù)功能更為豐富等優(yōu)勢(shì)。 （ 4）電流跟蹤型 PWM 法 電力電子技術(shù) 變頻技術(shù)是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。如在整流電路中，采用自關(guān)斷器件進(jìn)行 PWM 控