【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 線電壓控制 PWM 前面所介紹的各種 PWM 控制方法用于三相逆變電路時(shí)，都是對(duì)三相輸出相電壓分別進(jìn)行控制的，使其輸出接近正弦波，但是，對(duì)于像三相異步電動(dòng)機(jī)這樣的三相無(wú)中線對(duì)稱負(fù)載，逆變器輸出不必追求相電壓接近正弦，而可著眼于使線電壓趨于正弦。因此，提出了線電壓控制 PWM，主要有以下兩種方法。 馬鞍形波與三角 波比較法 馬鞍形波與三角波比較法也就是諧波注入 PWM 方式 (HIPWM)，其原理是在正弦波中加入一定比例的三次諧波，調(diào)制信號(hào)便呈現(xiàn)出馬鞍形，而且幅值明顯降低，于是在調(diào)制信號(hào)的幅值不超過(guò)載波幅值的情況下，可以使基波幅值超過(guò)三角波幅值，提高了直流電壓利用率。在三相無(wú)中線系統(tǒng)中，由于三次諧波電流無(wú)通路，所以三個(gè)線電壓和線電流中均不含三次諧波。除了可以注入三次諧波以外，還可以注入其他 3 倍頻于正弦波信號(hào)的其他波形，這些信號(hào)都不會(huì)影響線電壓。這是因?yàn)椋?jīng)過(guò) PWM 調(diào)制后逆變電路輸出的相電壓也必然包含相應(yīng)的 3 倍頻于正弦波信號(hào) 的諧波，但在合成線電壓時(shí)，各相電壓中的這些諧波將互相抵消，從而使線電壓仍為正弦波。 單元脈寬調(diào)制法 因?yàn)椋鄬?duì)稱線電壓有 Uuv+Uvw+Uwu=0 的關(guān)系，所以，某一線電壓任何時(shí)刻都等于另外兩個(gè)線電壓負(fù)值之和。現(xiàn)在把一個(gè)周期等分為 6 個(gè)區(qū)間，每區(qū)間60176。，對(duì)于某一線電壓例如 Uuv，半個(gè)周期兩邊 60176。區(qū)間用 Uuv 本身表示，中間 60176。區(qū)間用 (Uvw+Uwu)表示，當(dāng)將 Uvw和 Uwu 作同樣處理時(shí)，就可以得到三相線電壓波形只有半周內(nèi)兩邊 60176。區(qū)間的兩種波形形狀，并且有正有負(fù)。把這樣的電壓波形作為脈寬調(diào) 制的參考信號(hào)，載波仍用三角波，并把各區(qū)間的曲線用直線近似 (實(shí)踐表明，這樣做引起的誤差不大，完全可行 )，就可以得到線電壓的脈沖波形，該波形是完全對(duì)稱，且規(guī)律性很強(qiáng)，負(fù)半周是正半周相應(yīng)脈沖列的反相，因此， 只要半個(gè)周期兩邊 60176。區(qū)間的脈沖列一經(jīng)確定，線電壓的調(diào)制脈沖波形就唯一 的確定了。這個(gè)脈沖并不是開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，但由于已知三相線電壓的脈沖工作模式，就可以確定開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)了。 該方法不僅能抑制較多的低次諧波，還可減小開(kāi)關(guān)損耗和加寬線性控制區(qū)，同時(shí)還能帶來(lái)用微機(jī)控制的方便，但該方法只適用于異步電 動(dòng)機(jī)，應(yīng)用范圍較小。 電流控制 PWM 電流控制 PWM 的基本思想是把希望輸出的電流波形作為指令信號(hào)，把實(shí)際的電流波形作為反饋信號(hào)，通過(guò)兩者瞬時(shí)值的比較來(lái)決定各開(kāi)關(guān)器件的通斷，使實(shí)際輸出隨指令信號(hào)的改變而改變。其實(shí)現(xiàn)方案主要有以下 3 種。 滯環(huán)比較法 這是一種帶反饋的 PWM 控制方式，即每相電流反饋回來(lái)與電流給定值經(jīng) 過(guò)滯環(huán)比較器，得出 的 相應(yīng)橋臂開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，使得實(shí)際電流跟蹤給定電流的變化。該方法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)性能好，輸出電壓不含特定頻率的諧波分量。其缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率不固定造成 較為嚴(yán)重的噪音，和其他方法相比，在同一開(kāi)關(guān)頻率下輸出電流中所含的諧波較多。 三角波比較法 該方法與 SPWM 法中的三角波比較方式不同，這里是把指令電流與實(shí)際輸出電流進(jìn)行比較，求出偏差電流，通過(guò)放大器放大后再和三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM 波。此時(shí)開(kāi)關(guān)頻率一定，因而克服了滯環(huán)比較法頻率不固定的缺點(diǎn)。但是，這種方式電流響應(yīng)不如滯環(huán)比較法快。 預(yù)測(cè)電流控制法 預(yù)測(cè)電流控制是在每個(gè)調(diào)節(jié)周期開(kāi)始時(shí)，根據(jù)實(shí)際電流誤差，負(fù)載參數(shù)及其它負(fù)載變量，來(lái)預(yù)測(cè)電流誤差矢量趨勢(shì)，因此，下一個(gè)調(diào)節(jié)周期由 PWM 產(chǎn)生的電壓矢量必將減小所預(yù)測(cè)的誤差。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，若給調(diào)節(jié)器除誤差外更多的信息，則可獲得比較快速、準(zhǔn)確的響應(yīng)。目前，這類調(diào)節(jié)器的局限性是響應(yīng)速度及過(guò)程模型系數(shù)參數(shù)的準(zhǔn)確性。 空間電壓矢量控制 PWM 空間電壓矢量控制 PWM(SVPWM)也叫磁通正弦 PWM 法。它以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，用逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通，由它們的比較結(jié)果決定逆變器的開(kāi)關(guān)，形成 PWM 波形。此法從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)，把逆變器和電機(jī)看作一個(gè)整體，以內(nèi)切多邊 形逼近圓的方式進(jìn)行控制，使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng) (正弦磁通 )。 具體方法又分為磁通開(kāi)環(huán)式和磁通閉環(huán)式。磁通開(kāi)環(huán)法用兩個(gè)非零矢量和一個(gè)零矢量合成一個(gè)等效的電壓矢量，若采樣時(shí)間足夠小，可合成任意電壓矢量。此法輸出電壓比正弦波調(diào)制時(shí)提高 15%，諧波電流有效值之和接近最小。磁通閉環(huán)式引入磁通反饋，控制磁通的大小和變化的速度。在比較估算磁通和給定磁通后，根據(jù)誤差決定產(chǎn)生下一個(gè)電壓矢量，形成 PWM 波形。這種方法克服了磁通開(kāi)環(huán)法的不足，解決了電機(jī)低速時(shí)，定子電阻影響大的問(wèn)題，減小了電機(jī)的脈動(dòng)和噪音。但由于未引入轉(zhuǎn)矩 的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能沒(méi)有得到根本性的改善。 矢量控制 PWM 矢量控制也稱磁場(chǎng)定向控制，其原理是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流 Ia， Ib 及 Ic，通過(guò)三相 /二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流 Ia1及 Ib1，再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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Im1及 It1(Im1 相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流； It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流 )，然后模仿對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度、磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過(guò)控 制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。 但是，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，以及矢量變換的復(fù)雜性，使得實(shí)際控制效果往往難以達(dá)到理論分析的效果，這是矢量控制技術(shù)在實(shí)踐上的不足。此外 ，它必須直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實(shí)現(xiàn)定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配置轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器，這顯然給許多應(yīng)用場(chǎng)合帶來(lái)不便。 直接轉(zhuǎn)矩控制 PWM 直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過(guò)控制電流、磁鏈等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來(lái)控制， 它也不需要解耦電機(jī)模型，而是在靜止的坐標(biāo)系中計(jì)算電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值，然后，經(jīng)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的 BandBand控制產(chǎn)生 PWM 信號(hào)對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，從而在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，能方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器化，有很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高的速度及轉(zhuǎn)矩控制精度，并以新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展 。 但直接轉(zhuǎn)矩控制也存在缺點(diǎn)，如逆變器開(kāi)關(guān)頻率的提高有限制。 非線性控制 PWM 單周控制法又稱積分復(fù)位控制 (Integration Reset Control， 簡(jiǎn)稱 IRC)，是一種新型非線性控制技術(shù)，其基本思想是控制開(kāi)關(guān)占空比，在每個(gè)周期使開(kāi)關(guān)變量的平均值與控制參考電壓相等或成一定比例。該技術(shù)同時(shí)具有調(diào)制和控制的雙重性，通過(guò)復(fù)位開(kāi)關(guān)、積分器、觸發(fā)電路、比較器達(dá)到跟蹤指令信號(hào)的目的。單周控制器由控制器、比較器、積分器及時(shí)鐘組成，其中控制器可以是 RS 觸發(fā)器 。單周控制在控制電路中不需要誤差綜合 ,它能在一個(gè)周期內(nèi)自動(dòng)消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)誤差，使前一周期的誤差不會(huì)帶到下一周期。雖然硬件電路較復(fù)雜，但其克服了傳統(tǒng)的 PWM 控制方法的不足，適用于各種脈寬調(diào)制軟開(kāi)關(guān)逆變器，具有反應(yīng) 快、開(kāi)關(guān)頻率恒定、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn) 。 第 四 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 變頻調(diào)速技術(shù)是近 20年內(nèi)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新技術(shù)。隨著電力電子技術(shù)的日益發(fā)展和 PWM控制技術(shù)的成熟 , 利用電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸入電源的頻率是線性關(guān)系這一原理 , 將 50Hz 的交流電通過(guò)整流和逆變轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的電源 , 供給異步電動(dòng)機(jī) ,實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。利用單片機(jī)組成的變頻調(diào)速控制器可以實(shí)現(xiàn)從低頻 (1～2Hz) 起動(dòng)到 50Hz ,可以消除以往工頻 50Hz 直接起動(dòng)對(duì)電機(jī)的沖擊 , 延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命 ,同時(shí)由于變頻器的輸出電壓可以自適應(yīng)調(diào)節(jié) , 使負(fù)載 電機(jī)可以工作在額定電壓以下 ,不僅節(jié)能且可延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。 系統(tǒng)工作原理 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如圖 所示，從結(jié)構(gòu)上主要分為控制部分和執(zhí)行部分。單片機(jī)、時(shí)鐘電路、通訊接口、鍵盤(pán)與顯示電路、光電耦合、 IPM 逆變器、整流模塊、轉(zhuǎn)速檢測(cè)和故障檢測(cè)、報(bào)警電路等組成。執(zhí)行部分為三相異步交流電動(dòng)機(jī)。 圖 基于 8051 的變頻調(diào)速系統(tǒng)原理方框圖 系統(tǒng)的工作原理為 ： 電機(jī)的轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)換成矩形脈沖信號(hào)，經(jīng)光電隔離 后進(jìn)入單片機(jī)計(jì)數(shù)器，由計(jì)數(shù)器值獲得電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，與設(shè)定轉(zhuǎn)速比較，人機(jī)接口電路 光電隔離 相電流檢測(cè)測(cè) 轉(zhuǎn)速檢測(cè) 計(jì)算機(jī) 8051 整流電路 檢測(cè)電路 濾 波 電 路 逆變及驅(qū)動(dòng)電路 M 經(jīng) FuzzyPID 控制 器調(diào)節(jié)后，單片機(jī)產(chǎn)生的 PWM 波經(jīng) 6N137 線性光耦進(jìn)行電氣隔離后作用于逆變模塊 IPM（ intelligent power module），實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)變頻調(diào)速?；魻栯娏?、電壓傳感器將檢測(cè)到的逆變模塊的三相輸出電流、電壓信號(hào)，經(jīng)采樣保持后進(jìn)入單片機(jī)，完成 A/D 轉(zhuǎn)換后，由 CPU 進(jìn)行處理。逆變模塊工作時(shí)所需要的 直流電壓信號(hào)由整流電路對(duì) 380V 電源進(jìn)行全橋整流得到。 基于 8051 的變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案方框圖如圖 所示。本系統(tǒng)采用 TI 公司的 TMS320LF2407A 為控制核心，逆變驅(qū)動(dòng)電路芯片采用美國(guó)國(guó)際整流公司的 IR2I32。主要由主電路（整流電路、逆變和逆變驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路、濾波電路）、光電隔離電路、過(guò)壓保護(hù)電路、 8051 控制電路和人機(jī)接口電路組成。 SPWM 技術(shù)原理 SPWM 技術(shù)的基本原理是利用一個(gè)三角波載波和一個(gè)正弦波進(jìn)行比較，得到一個(gè)寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，用它們來(lái)驅(qū)動(dòng)逆變器 開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換。由微控制器來(lái)實(shí)現(xiàn) SPWM 波形的方法有表格法、隨時(shí)計(jì)算法和實(shí)時(shí)計(jì)算法，但前兩種無(wú)實(shí)時(shí)處理能力。采用實(shí)時(shí)計(jì)算法要有數(shù)學(xué)模型，其中一種較為常用的是采樣型 SPWM 法，它分為自然采樣法、對(duì)稱規(guī)則采樣法和不對(duì)稱規(guī)則采樣法。典型的單 極性對(duì)稱規(guī)則采樣法， 在三角波的峰值時(shí)刻采樣正弦調(diào)制 波并將采樣值保持，分別取保持值和三角波交點(diǎn)作為脈沖寬度時(shí)間。 若 Ts 為三角波的周期，同時(shí)也是采樣周期； Ur 為三角波的高，正弦波為 Ucsinωt。根據(jù)三角形相似關(guān)系，得到rcT U wtUtSsin2on ? 所以 ， wtMTt son ? ， 其中 ， M=Uc/Ur 為調(diào)制比 ， t 為采樣點(diǎn)（這里為頂點(diǎn)采樣）的時(shí)刻。則脈沖寬度為 wtMTT SPM sin? ， 采樣點(diǎn)時(shí)刻 t只與載波比 N 有關(guān)。 在對(duì)稱規(guī)則采樣情況下，只要知道采樣點(diǎn)時(shí)刻 t 就可以確定這個(gè)采樣周期內(nèi)的脈沖寬度 TPM和時(shí)間間隔 Toff，從而可以計(jì)算出 SPWM波形高、低脈沖的寬度。 C8051 實(shí)現(xiàn) SPWM 波形的原理及算法 (1) C8051F 系列單片機(jī) PCA 簡(jiǎn)介 C8051F 系列單片機(jī)都具有一個(gè)可編程計(jì)數(shù)器陣列 PCA，以 C8051F040 為例，PCA 包含 1 個(gè)專用的 16 位計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器和 6 個(gè) 16 位捕捉 /比較模塊，可以輸出 6 路 PWM 波形。如圖 2 所示， 16 位 PCA 專用計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器的時(shí)基信號(hào)可有多種選擇，可通過(guò)配置相關(guān)的系統(tǒng)控制器的特殊功能寄存器 （ SFR） 來(lái)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)捕捉 /比較模塊有自己的 I/O 線 CEXn，可通過(guò)配制交叉開(kāi)關(guān)寄存器 （ XBR0） 將每個(gè)模塊的 I/O 線連接到端口 I/O；每個(gè)模塊都可配制為獨(dú)立工作，有四種工作方式：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時(shí)器、高速輸出或脈寬調(diào)制器。本文中，產(chǎn)生頻率可變的 SPWM 波形是使用了捕捉 /比較模塊的高速輸出工作方式， 其原理如下： 當(dāng) PCA 的 16 位計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器 PCA0H（高 8 位）和 PCA0L（低 8 位）與16 位捕捉 /比較模塊寄存器 PCA0CPHn（高 8 位）和 PCA0CPLn（低 8 位）發(fā)生匹配時(shí)，模塊的 CEXn 引腳上的邏輯電平將發(fā)生跳變，并產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求，即將控制寄存器 PCA0CN 中相應(yīng)的 CCFn 位置位，當(dāng) CCF 中斷被允許時(shí)， CPU 將轉(zhuǎn)向 CCF 中斷服務(wù)程序。如果將相應(yīng)模塊的 I/O 線 CEXn 連接到端口 I/O，單片機(jī)相應(yīng)端口輸出電平即發(fā)生變化，這就可實(shí)現(xiàn) PWM 脈沖的高、低電平輸出。置位 PCA0CPMn 寄存器中的 TOGn、 MATn、 ECOMn 和 ECCFn 位，將允許高速輸出方式，同時(shí)允許 CCF 中斷。 (2) SPWM 波形生成方法 利用 C8051 的 PCA 計(jì)數(shù)器產(chǎn)生 SPWM 波形的基本原理是：在高速輸出并且允許 CCF 中斷方式下，不斷在 CCF 中斷服務(wù)程序中將事先計(jì)算好的 SPWM 波形的脈沖寬度累加到捕捉 /比較模塊寄存器 PCA0CPn（高 8 位 PCA0CPHn 和低 8位 PCA0CPLn）中，這樣在捕捉 /比較模塊寄存器和計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器相匹配時(shí)就得到相應(yīng)的 SPWM 波形不斷交替的高低電平。 如果選用捕捉 /比較模塊 0 輸出此路 SPWM，則首先將 l0 裝入 16 位捕捉