【文章內(nèi)容簡介】 過滯環(huán)比較器，得出的相應(yīng)橋臂開關(guān)器件的開關(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)是電路簡單，動態(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，通過放大器放大后再和三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM波。此時開關(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)測電流控制法預(yù)測電流控制是在每個調(diào)節(jié)周期開始時，根據(jù)實(shí)際電流誤差，負(fù)載參數(shù)及其它負(fù)載變量，來預(yù)測電流誤差矢量趨勢，因此，下一個調(diào)節(jié)周期由PWM產(chǎn)生的電壓矢量必將減小所預(yù)測的誤差。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)磁場軌跡為目的，用逆變器不同的開關(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)果決定逆變器的開關(guān)，形成PWM波形。此法從電動機(jī)的角度出發(fā)，把逆變器和電機(jī)看作一個整體，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(正弦磁通)。 具體方法又分為磁通開環(huán)式和磁通閉環(huán)式。磁通開環(huán)法用兩個非零矢量和一個零矢量合成一個等效的電壓矢量，若采樣時間足夠小，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)生下一個電壓矢量，形成PWM波形。這種方法克服了磁通開環(huán)法的不足，解決了電機(jī)低速時，定子電阻影響大的問題，減小了電機(jī)的脈動和噪音。但由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善。 矢量控制PWM 矢量控制也稱磁場定向控制，其原理是將異步電動機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia，Ib及Ic，通過三相/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Im1及It1(Im1相當(dāng)于直流電動機(jī)的勵磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模仿對直流電動機(jī)的控制方法，實(shí)現(xiàn)對交流電動機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，分別對速度、磁場兩個分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，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，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)用場合帶來不便。 直接轉(zhuǎn)矩控制PWM直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制，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信號對逆變器的開關(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、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(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，簡稱IRC)，是一種新型非線性控制技術(shù)，其基本思想是控制開關(guān)占空比，在每個周期使開關(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)同時具有調(diào)制和控制的雙重性，通過復(fù)位開關(guān)、積分器、觸發(fā)電路、比較器達(dá)到跟蹤指令信號的目的。單周控制器由控制器、比較器、積分器及時鐘組成，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,它能在一個周期內(nèi)自動消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)誤差，使前一周期的誤差不會帶到下一周期。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)制軟開關(guān)逆變器，具有反應(yīng)快、開關(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)計變頻調(diào)速技術(shù)是近20年內(nèi)發(fā)展起來的一門新技術(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 的交流電通過整流和逆變轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的電源, 供給異步電動機(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) 起動到50Hz ,可以消除以往工頻50Hz 直接起動對電機(jī)的沖擊, 延長電機(jī)的使用壽命,同時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)能且可延長電機(jī)的使用壽命。 系統(tǒng)工作原理，從結(jié)構(gòu)上主要分為控制部分和執(zhí)行部分。單片機(jī)、時鐘電路、通訊接口、鍵盤與顯示電路、光電耦合、IPM逆變器、整流模塊、轉(zhuǎn)速檢測和故障檢測、報警電路等組成。執(zhí)行部分為三相異步交流電動機(jī)。逆變及驅(qū)動電路檢測電路整流電路M濾 波電 路 人機(jī)接口電路光電隔離相電流檢測測轉(zhuǎn)速檢測計算機(jī)8051 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，經(jīng)光電隔離后進(jìn)入單片機(jī)計數(shù)器，由計數(shù)器值獲得電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，與設(shè)定轉(zhuǎn)速比較，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。霍爾電流、電壓傳感器將檢測到的逆變模塊的三相輸出電流、電壓信號，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。逆變模塊工作時所需要的直流電壓信號由整流電路對380V電源進(jìn)行全橋整流得到。 。本系統(tǒng)采用TI公司的TMS320LF2407A為控制核心，逆變驅(qū)動電路芯片采用美國國際整流公司的IR2I32。主要由主電路（整流電路、逆變和逆變驅(qū)動電路、檢測電路、濾波電路）、光電隔離電路、過壓保護(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三角波載波和一個正弦波進(jìn)行比較，得到一個寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，用它們來驅(qū)動逆變器開關(guān)管的開關(guān)轉(zhuǎn)換。由微控制器來實(shí)現(xiàn)SPWM波形的方法有表格法、隨時計算法和實(shí)時計算法，但前兩種無實(shí)時處理能力。采用實(shí)時計算法要有數(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、對稱規(guī)則采樣法和不對稱規(guī)則采樣法。典型的單極性對稱規(guī)則采樣法，在三角波的峰值時刻采樣正弦調(diào)制波并將采樣值保持，分別取保持值和三角波交點(diǎn)作為脈沖寬度時間。若Ts為三角波的周期，同時也是采樣周期；Ur為三角波的高，正弦波為Ucsinωt。根據(jù)三角形相似關(guān)系，得到所以，其中，M=Uc/Ur為調(diào)制比，t為采樣點(diǎn)（這里為頂點(diǎn)采樣）的時刻。則脈沖寬度為，采樣點(diǎn)時刻t只與載波比N有關(guān)。在對稱規(guī)則采樣情況下，只要知道采樣點(diǎn)時刻t就可以確定這個采樣周期內(nèi)的脈沖寬度TPM和時間間隔Toff，從而可以計算出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簡介C8051F系列單片機(jī)都具有一個可編程計數(shù)器陣列PCA，以C8051F040為例，PCA包含1個專用的16位計數(shù)器/定時器和6個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專用計數(shù)器/定時器的時基信號可有多種選擇，可通過配置相關(guān)的系統(tǒng)控制器的特殊功能寄存器（SFR）來實(shí)現(xiàn)。每個捕捉/比較模塊有自己的I/O線CEXn，可通過配制交叉開關(guān)寄存器（XBR0）將每個模塊的I/O線連接到端口I/O；每個模塊都可配制為獨(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位計數(shù)器/定時器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，模塊的CEXn引腳上的邏輯電平將發(fā)生跳變，并產(chǎn)生一個中斷請求，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，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，同時允許CCF中斷。(2) SPWM波形生成方法利用C8051的PCA計數(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數(shù)器/定時器相匹配時就得到相應(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/比較寄存器PCA0CP0中，并且將16位計數(shù)器/定時器PCA0H和PCA0L清零，然后啟動PCA計數(shù)器；當(dāng)捕捉/比較寄存器的數(shù)值與計數(shù)器/定時器的數(shù)值相等時，CEX0引腳就會由原來的低電平跳變?yōu)楦唠娖?，并且產(chǎn)生一個CCF中斷；在CCF中斷程序中，將h0累加到PCA0CP0上；中斷過程中，計數(shù)器的數(shù)值是連續(xù)增加的，當(dāng)其值與改變過后的捕捉/比較寄存器的數(shù)值相等時，又會使得CEX0引腳由原來的高電平跳變?yōu)榈碗娖?，并且產(chǎn)生一個CCF中斷；然后在中斷過程中又將l1累加到PCA0CP0上。這樣，周而復(fù)始，CEX0引腳上不斷產(chǎn)生交替的高低電平，從而在其所對應(yīng)的端口I/O上得到準(zhǔn)確的SPWM波形。 (3)程序流程，在系統(tǒng)初始化過后首先通過鍵盤設(shè)置輸出頻率，然后進(jìn)入SPWM脈寬計算程序，根據(jù)所設(shè)置頻率選擇調(diào)制比N，計算脈寬并確定max。在SPWM輸出程序中，對PCA特殊功能寄存器進(jìn)行設(shè)置并啟動計數(shù)器運(yùn)行，開始輸出SPWM波形。在中斷服務(wù)程序中，首先根據(jù)CCFn的值來判斷發(fā)生匹配的捕捉/比較模塊，然后根據(jù)該模塊CEX引腳上的電平狀態(tài)判斷是將SPWM波形的高電平脈寬值還是低電平脈寬值累加到捕捉/比較模塊寄存器上；同時，根據(jù)脈寬數(shù)據(jù)指針與max是否相等來確定一個SPWM周期的結(jié)束和下一個周期的開始，以便正確載入對應(yīng)數(shù)據(jù)。當(dāng)載波比N發(fā)生變化時，max的值會發(fā)生變化。開始 中斷服務(wù)子程序初始化鍵盤子程序YSE NOSPWM脈沖計算程序SPWM輸出程序輸出頻率變化否 程序流程圖應(yīng)該注意的一點(diǎn)是，CCFn位和CF位（計數(shù)器/定時器溢出標(biāo)志）由硬件置位，但不能由硬件自動清0，必須在中斷程序中用軟件清0。 主電路的設(shè)計主電路為單相全橋逆變電路，主開關(guān)管采用GTR，輸出100V，50400Hz頻率可調(diào)的交流電壓。由單片機(jī)輸出兩路互補(bǔ)（有一定死區(qū)時間）單極性SPWM波來控制該逆變電源。對輸出SPWM波的最小脈沖問題進(jìn)行了處理，采用匯編語言對中斷服務(wù)子程序進(jìn)行編程，使得SPWM波形中最小脈沖的寬度達(dá)到了3μs，這個寬度（時間）基本達(dá)到實(shí)驗中所用GTR的最小開關(guān)周期。，以8051為控制核心，采用交直交電壓源變頻器結(jié)構(gòu)。 整流電路設(shè)計采用三相橋式不可控整流電路將交流電整流為直流電。通過二極管的峰值電流為：Im =2 =2= （）流過二極管電流的有效值： （）二極管電流定額：In =()Id/= （）考慮濾波電容充電電流的影響，需要留有較大的電流余量，選用IN=2A，整流二極管電壓定額：Ud =(2or3)Um =(2or3)220=622or933V （）根據(jù)上面計算的電壓和電流以及市場價格和供貨情況，實(shí)際選用的整流二極管為5A、1000V。 逆變電路的設(shè)計逆變電路的功率器件選用6個GTR和6個快速續(xù)流二極管。IGBT正反向峰值電壓為： Um=220=311V （）考慮到2～3倍安全系數(shù)，取耐壓值為1000V。通態(tài)峰值電流： Im=2In=2= （）～2倍安全系數(shù)，取電流定額為5A。續(xù)流二級管的耐壓和續(xù)流計算與上相同，考慮到市場價格供貨和價格的情況實(shí)際選 用GTR為GT25Q101，續(xù)流二極管為MUR860。 逆變驅(qū)動電路的設(shè)計一個理想的GTR驅(qū)動器應(yīng)具有以下基本性能：(1)動態(tài)驅(qū)動能力強(qiáng)，能為GTR柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動脈沖；(2)有足夠的輸入輸出電隔離能力；(3)具有柵壓限幅電路，保護(hù)柵極不被擊穿；(4)輸入輸出信號傳輸無延時；(5)在出現(xiàn)短路、過流的情況下，迅速發(fā)出過流保護(hù)信號，供控制回路進(jìn)行處理。在功率變換裝置中，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，其功率開關(guān)器件一般采用直接驅(qū)動和隔離驅(qū)動兩種方式，采用隔離驅(qū)動方式時需要將多路驅(qū)動電路、控制電路、主電路互相隔離，以免引起災(zāi)難性的后果。電磁隔離可分為光隔離驅(qū)動和電隔離兩種方式。 IR2132驅(qū)動三相逆變橋光電隔離具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但存在共模抑制能力差，傳輸速度不是很快，一般快速光耦的速度可達(dá)幾十KHz。電磁隔離用高頻脈沖變壓器作為隔離元件，具有響應(yīng)速度快（脈沖的前沿和后沿），原副邊的絕緣強(qiáng)度