【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 PSIM仿真圖 仿真波形及分析 載波比N=63如圖32（a）所示為載波比N=63時(shí)電機(jī)的三相電流波形，可以看出電流波形比較光滑接近正弦波。如圖32（b）為三相電流波形的FFT分析，可以看出，電流波形僅含載波頻率整數(shù)倍次附近頻率的諧波，諧波次數(shù)高且幅值低，對(duì)電機(jī)影響較小。圖32（a）電機(jī)三相電流波形圖32（b）電機(jī)三相電流波形FFT分析如圖33所示為電機(jī)三相電壓仿真波形，可以看到，輸出波形和理論分析一致為“品”字波形且三相電壓互差120度。圖33電機(jī)三相電壓仿真波形如圖34所示為單片機(jī)發(fā)出SPWM波形仿真，可以看出，波形比較密集，開(kāi)關(guān)頻率高。圖34 單片機(jī)發(fā)出波形仿真 載波比N=33如圖35（a）所示為載波比N=33時(shí)電機(jī)的三相電流波形，可以看出電流波形接近正弦波，相比N=63該波形沒(méi)有那么平滑。如圖35（b）為三相電流波形的FFT分析，可以看出，電流波形僅含載波頻率整數(shù)倍次附近頻率諧波，諧波次數(shù)較高，幅值較低，對(duì)電機(jī)影響較小。圖35（a）N=33時(shí)電機(jī)三相電流波形圖35（b）N=33時(shí)電機(jī)三相電流波形FFT分析如圖36所示為電機(jī)三相電壓仿真波形，可以看出，輸出波形相比變得稀疏，波形仍為“品”字波形，相位保持不變。圖36電機(jī)三相電壓仿真波形如圖37所示為單片機(jī)發(fā)出SPWM波形仿真，可以看到波形相對(duì)稀疏，開(kāi)關(guān)頻率降低，這有效中和了調(diào)制波頻率增加帶來(lái)的開(kāi)關(guān)頻率加大。圖37單片機(jī)發(fā)出波形仿真 載波比N=21如圖38（a）所示為載波比N=21時(shí)電機(jī)的三相電流波形，電流波形接近正弦波但相比來(lái)說(shuō)波形變得更為粗糙，這是因?yàn)檩d波比減小的緣故。如圖38（b）為三相電流波形的FFT分析，可以看出，電流波形含載波頻率整數(shù)倍次附近頻率諧波，諧波幅值相比有所增加但仍然可以接受。38（a）N=21時(shí)三相電流波形38（b）N=21時(shí)三相電流波形FFT分析如圖39（a）所示為電機(jī)三相電壓仿真波形，可以看出，輸出波形形狀良好，相比變得更為稀疏。圖39三相電壓仿真波形如圖310所示為單片機(jī)發(fā)出SPWM波形仿真，可以看到波形相對(duì)稀疏，開(kāi)關(guān)頻率更低，可以看到減小載波比減小了開(kāi)關(guān)頻率，降低了單片機(jī)的壓力，但同時(shí)是以犧牲精度為代價(jià)的。圖310單片機(jī)管腳發(fā)出波形仿真 仿真總結(jié)此次仿真采用PSIM軟件，該軟件繪制原理圖方便，容易上手，仿真主要對(duì)控制系統(tǒng)的原理進(jìn)行了仿真。此次設(shè)計(jì)采用的基本原理是SPWM調(diào)制波形，在仿真中，采用比較器來(lái)生成SPWM波形，其正向輸入為調(diào)制波即正弦波，反向輸入為載波即三角波，當(dāng)調(diào)制波大于載波時(shí)輸出為高，當(dāng)調(diào)制波小于載波時(shí)輸出為低。實(shí)際上仿真中采用的方法是嚴(yán)格的自然采樣法，這種方法生成SPWM是最接近理想值得，然而在實(shí)際中用單片機(jī)發(fā)出SPWM波形是采用規(guī)則采樣法。兩種方法都能很好生成SPWM波形，只是規(guī)則采樣法精度比自然采樣法稍遜，但是對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)，規(guī)則采樣法的計(jì)算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自然采樣法的計(jì)算速度，這是因?yàn)樽匀徊蓸臃ㄔ谇蠼獾倪^(guò)程中需要解出超越方程的根。另外，本次設(shè)計(jì)采用分段同步調(diào)制，仿真中對(duì)不同的載波比都進(jìn)行了仿真，從結(jié)果可以看出，仿真結(jié)果和理論分析幾乎相差無(wú)幾，這對(duì)后面的硬件調(diào)試起到了很好的指導(dǎo)作用。第4章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)包括單片機(jī)控制模塊，PCB電源模塊，驅(qū)動(dòng)電路模塊以及三相逆變電路模塊?？傮w框圖如圖41所示：圖41系統(tǒng)總體框圖 電源模塊設(shè)計(jì)直流電源采用常用的12v電源模塊，經(jīng)過(guò)兩個(gè)降壓芯片7815和7805降壓分別得到5v直流給單片機(jī)供電，和10v直流給驅(qū)動(dòng)電路供電，同時(shí)12v直流電作為逆變電路的直流側(cè)電壓源。電源模塊部分電路圖如42所示：圖42 電源模塊電路圖 單片機(jī)控制模塊單片機(jī)控制模塊主要應(yīng)用了LS0T52AX的全比較單元模塊，生成6路PWM波形（P20P25）作為驅(qū)動(dòng)電路的輸入。單片機(jī)控制模塊部分電路圖如43所示：圖43 單片機(jī)控制模塊 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)IR2101是雙通道、柵極驅(qū)動(dòng)、高壓高速功率驅(qū)動(dòng)器，該器件采用了高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了邏輯電路對(duì)功率器件的控制要求，同時(shí)提高了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。同時(shí)上管采用外部自舉電容上電，使驅(qū)動(dòng)電源數(shù)目較其他IC驅(qū)動(dòng)大大減少，在工程上減少了控制變壓器體積和電源數(shù)目，降低了產(chǎn)品成本提高了系統(tǒng)可靠性。IR2101主要特性包括：懸浮通道電源采用自舉電路；功率器件柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍10～20V；邏輯電源范圍5～20V，且邏輯電源地和功率地之間允許+5V的偏移量；獨(dú)立的低端和高端輸入通道。美國(guó)IR公司生產(chǎn)的IR2101驅(qū)動(dòng)器，是中小功率變換裝置中驅(qū)動(dòng)器件的首選品種。本次設(shè)計(jì)在驅(qū)動(dòng)電路前級(jí)加上三極管電流放大電路，這樣做的目的是確保有足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，因?yàn)長(zhǎng)S芯片本身管腳驅(qū)動(dòng)電流小。驅(qū)動(dòng)電路模塊電路圖如44所示：圖44 驅(qū)動(dòng)電路模塊電路圖 PCB板的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)中，在確定了各模塊所采取的實(shí)現(xiàn)方法之后，我用Altium Designer 軟件繪制了各模塊的原理圖，之后在西安電氣有限公司的經(jīng)理和同事幫助之下，完成了PCB圖的布線和排版作，以及之后的PCB板的制作都是在該公司的直接幫助下完成的。第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的軟件部分設(shè)計(jì)分模塊進(jìn)化設(shè)計(jì)，這樣以模塊化的思想節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，減小了軟件調(diào)試的工作量。第一部分是SPWM波形的生成程序，這是整個(gè)程序的主體。LS052AX單片機(jī)的全比較單元模塊（通用定時(shí)器1提供基準(zhǔn)）可以產(chǎn)生6路互補(bǔ)PWM波形，可以用來(lái)產(chǎn)生SPWM波形。只要能在定時(shí)器1的中斷中實(shí)時(shí)修改PWM波的占空比和周期，就可以實(shí)時(shí)計(jì)算產(chǎn)生SPWM波。第二部分是是針對(duì)中斷當(dāng)中能實(shí)時(shí)修改占空比和周期所研究的一些策略，硬件方面提高晶振頻率以縮短機(jī)器周期，軟件方面采用分段同步調(diào)制的方法解決了實(shí)時(shí)性的問(wèn)題。這部分是程序當(dāng)中的難點(diǎn)。 三相SPWM原理及算法實(shí)現(xiàn) SPWM介紹與原理分析正弦脈沖寬度調(diào)制(SPWM)的理論基礎(chǔ)是面積等效原理，該理論是采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。SPWM控制方式是用SPWM的脈沖驅(qū)動(dòng)逆變電路中的功率開(kāi)關(guān)器件，使逆變器輸出的PWM脈沖電壓與期望輸出的正弦信號(hào)在每一個(gè)周期內(nèi)面積相等[7]。SPWM調(diào)制技術(shù)的思想是：采用等腰三角波作為載波信號(hào)，用正弦波作為調(diào)制信號(hào)。在載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)的交點(diǎn)處改變開(kāi)關(guān)狀態(tài)，得到脈寬按照正弦波幅值變化的一組等幅不等寬的矩形脈沖序列，用這個(gè)脈沖序列來(lái)改變功率開(kāi)關(guān)器件的通斷。根據(jù)采樣定理，輸出的SPWM波形經(jīng)過(guò)濾波后能得到平滑的正弦波。 SPWM實(shí)現(xiàn)方案對(duì)比a. 硬件調(diào)制法硬件調(diào)制法按使用的元器件的不同，有兩種不同的實(shí)現(xiàn)方法。其一，可以用分立元件搭建。在該方法中，用運(yùn)放等器件產(chǎn)生三角波，再用其他分立器件產(chǎn)生正弦波，將兩種波形同時(shí)輸入比較器來(lái)產(chǎn)生SPWM信號(hào)。這種純硬件的方法使用器件多、線路復(fù)雜、控制精度受影響程度大且輸出頻率和占空比不好控制。其二，可以使用集成芯片，如HEF4752芯片。該芯片不需要控制器配合就可以產(chǎn)生SPWM。使用集成芯片方式的靈活性較低，不宜實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。因而，本系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)更智能化，不采用集成芯片的方式，期望從控制器直接輸出SPWM。b. 軟件生成法SPWM控制方式的逆變器中，控制器可以用邊查表邊作簡(jiǎn)單計(jì)算的方式生產(chǎn)SPWM。由于控制器的發(fā)展很快，其運(yùn)算速度不斷提高，使得生成SPWM波形變得比較容易，因此，軟件生成法也就被主泛應(yīng)用到實(shí)際中。本設(shè)計(jì)采用軟件生成法，其實(shí)就是用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制產(chǎn)生SPWM的方法。LS052AX的速度比普通51快，再通過(guò)策略以邊查表邊計(jì)算的方式實(shí)現(xiàn)SPWM波的生成。軟件生成法有兩種基本算法：即自然采樣法和規(guī)則采樣(1) 自然采樣法自然采樣法是以載波三角波和調(diào)制波正弦波的自然交點(diǎn)控制MOS管的開(kāi)通關(guān)斷。當(dāng)調(diào)制波幅值大于載波三角波的幅值時(shí)，MOS管開(kāi)通；當(dāng)調(diào)制波幅值小于載波三角波的幅值，MOS管關(guān)斷。這種在自然交點(diǎn)處控制MOS管關(guān)斷的方法，需要實(shí)時(shí)求解一個(gè)超越方程。而且由于交點(diǎn)具有任意性，控制器計(jì)算負(fù)荷重。當(dāng)然，自然采樣法輸出的正弦波也實(shí)際正弦波更接近。(2) 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法，其效果接近自然采樣法，但計(jì)算量卻比自然采樣法小得多。規(guī)則采樣法說(shuō)明圖如圖51所示。圖51 規(guī)則采樣法說(shuō)明取三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期Tc，使每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）為對(duì)稱。在三角波的負(fù)峰時(shí)刻tD對(duì)正弦信號(hào)波采樣而得到D點(diǎn)，過(guò)D點(diǎn)作一水平直線和三角波分別交于A點(diǎn)和B點(diǎn)，在A點(diǎn)時(shí)刻tA和B點(diǎn)時(shí)刻tB控制功率開(kāi)關(guān)器件的通斷?？梢钥闯?，用這種規(guī)則采樣法得到的脈沖寬度δ和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。設(shè)正弦調(diào)制信號(hào)波為 Ur=αsinωrt (51)式中，a稱為調(diào)制度，0≤a1；wr為正弦信號(hào)波角頻率，從圖51中得如下關(guān)系式 1+αsinωrtDδ2=2Tc2 (52)因此可得 δ=Tc21+αsinωrtD (53)則占空比 D=δTc=1+αsinωrtD2 (54)比較值為 CMP=TpwmD*Tpwm (55)式（54）是規(guī)則采樣法單相SPWM波占空比的算法公式，依此可容易得到其他兩相的占空比公式，思路是在A相角頻率的基礎(chǔ)上讓角頻率滯后120度、240度。考慮到LS052A微控制器的實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)處理有幾個(gè)技巧，其一，將正弦值先用Excel計(jì)算出來(lái)，再算出來(lái)某一相的比較值存儲(chǔ)在ROM中，計(jì)算的時(shí)候，只要查表并作簡(jiǎn)單計(jì)算即可，部分正弦表及比較值如表51所示，其中載波比分別取6321。其二，雖然LS052AX能夠處理浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，但由于微機(jī)處理浮點(diǎn)時(shí)的耗時(shí)較長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性不夠，所以將算出來(lái)的數(shù)據(jù)縮小十倍，在實(shí)時(shí)計(jì)算的公式中擴(kuò)大十倍，只讓單片機(jī)去計(jì)算整形數(shù)據(jù)，節(jié)約微機(jī)的處理時(shí)間，提高實(shí)時(shí)性。表51 部分正弦表及比較值 調(diào)制方式選擇a. 單極性和雙極性SPWM調(diào)制方式可分為單極性調(diào)制方式和雙極性調(diào)制方式