【文章內容簡介】 器件的控制規(guī)律相同，當uruc時，給晶體管V1和V4以導通信號，給VV3以關斷信號，輸出電壓u0=Ud。當uruc時，給VV3以導通信號，給V1和V4以關斷信號，輸出電壓u0=—Ud。可以看出，同一半橋上下兩個橋臂晶體管的驅動信號極性相反，處于互補工作方式。在電感性負載的情況下，若V1和V4處于導通狀態(tài)時，給V1和V4以關斷信號，而給VV3以導通信號后，則V1和V4立即關斷，因為感性負載電流不能突變，VV3也不能立即導通，二極管VD2和VD3導通續(xù)流。當感性負載電流較大時，直到下一次V1和V4重新導通前，負載電流方向始終未變，VD2和VD3持續(xù)導通，而V2和V3始終未導通。當負載電流較小時，在負載電流下降到零之前，VD2和VD3續(xù)流，之后V2和V3導通，負載電流反向。不管VD2和VD3導通，還是V2和V3導通，負載電壓都是—Ud。從V2和V3導通向V1和V4導通切換時，VD2和VD4的續(xù)流情況和上述情況類似。在PWM型逆變電路中，使用最多的是圖3—6的三相橋式逆變電路，其控制方式一般都采用雙極性方式。U、V和W三相的PWM控制通常公用一個三角波載波uc，三相調制信號urU、urV、和urW的相位依次相差120176。U、V和W各相功率開關器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以U相為例來說明。當urUuc時，給上橋臂晶體管V1以導通信號，給下橋臂晶體管V4以關斷信號，則U相相對于直流電源假象中點Nˊ的輸出電壓uU Nˊ=Ud/2。當urUuc時，給V4以導通信號，給V1以關斷信號，則uU Nˊ= —Ud/2。V1和圖36 三相橋式逆變電路V4驅動信號始終是互補的。當給V1（V4）加導通信號時，可能是V1（V4）導通，也可能是二極管VD1（VD4）續(xù)流導通，這要由感性負載中原來電流的方向和大小來決定，和單相橋式逆變電路雙極性PWM控制時的情況相同。V相和W相的控制方式和U相相同。uU Nˊ、uVNˊ和uUWNˊ的波形如圖3—7所示。這些波形都只有177。Ud兩種電平。像這種逆變電路相電壓（uU Nˊ、uVNˊ和uUWNˊ）只能輸出兩種電平的三相橋式電路無法實現(xiàn)單極性控制。圖中線電壓uU V的波形可由uU Nˊ—uVNˊ得出。當臂1和6導通時，uU V=Ud，當臂3和4導通時，uU V=—Ud，當臂1和3或4和6導通時，uU V=0，因此逆變器輸出線電壓由177。Ud、0三種電平構成。圖3—7中的負載相電壓uU N可由下式求得： uU N =uU Nˊ—（uU Nˊ+uVNˊ+uUWNˊ）/3 （3—1） 從圖中可以看出，它由（177。2/3）Ud，（177。1/3）Ud和0，共5種電平組成。在雙極性PWM控制方式中，同一相上下兩個臂的驅動信號都是互補的。但實際上為了防止上下兩個臂直通而造成短路，在給一個臂施加關斷信號后，再延遲△t時間，才給另一個臂施加導通信號。延遲時間的長短主要由功率開關器件的關斷時間決定。這個延遲時間將影響輸出的PWM波形，使其偏離正弦波。圖37 三相橋式逆變電路波形 PWM變頻的微型計算機實現(xiàn)[4]由微型計算機來實現(xiàn)PWM控制，根據(jù)其軟件方法的不同，有如下幾種：1．表格法（又稱ROM法） 這種方法是預先將SPWM波的數(shù)據(jù)計算出來，存入ROM中，然后根據(jù)調頻指令再將這些數(shù)據(jù)順序取出，由輸出口輸出，控制逆變器的開關動作。表格法的缺點是占用大量的內存，且無實時處理功能。２．隨時計算法（又稱RAM法） 這種方法的特點是在ROM中只預先存儲一個單位基準正弦波，運行時，根據(jù)指令值的要求，按不同載波比和調幅比的要求，計算出一個周期的開關 模式保持的時間值，寫入RAM1中。一旦計算完了，就把RAM1的數(shù)據(jù)輸出。在RAM1的數(shù)據(jù)輸出期間，如指令值發(fā)生了新的變化，則開始重新計算，但將計算結果寫入RAM2中。寫入RAM2的操作一旦完成了，就轉為將RAM2的數(shù)據(jù)輸出。再有新的指令值時，則將計算結果寫入RAM1中。如此輪流地使用兩個RAM。這種方法雖然不必使用大量的ROM，但沒有實時處理功能，動態(tài)響應時間也較慢。3．實時計算法實時計算要有數(shù)學模型。建立數(shù)學模型的方法有多種，如等面積法、采樣型SPWM法以及由此派生出來的許多方法。采樣型SPWM法，分自然采樣法、規(guī)則采樣法。而規(guī)則采樣法中又有對稱規(guī)則采樣法與不對稱規(guī)則采樣法。圖38 自然采樣法①自然采樣法 圖38所示的就是自然采樣法。如前所述，它是將基準正弦波與一個載波三角波相比較，由兩者的交點決定出逆變器開關模式的方法。讓我們來研究一下如何建立適合微型計算機控制的數(shù)學模型。將圖35中的一部分波形重畫在圖38中，其中Tt為三角波的周期，Ur為三角波的高，正弦波為Ucsinωt，Ts稱為采樣周期，Ts=Tt/2。由圖可知：toff=a (32)ton= +a t39。on= +b t39。off=b 利用三角形相似關系，解出a、b，并代入式（32）得到：toff=(1Msinωt1) (33)ton=(1+Msinωt1) t39。on=(1+Msinωt2) t39。off=(1Msinωt2) 其中，M=Uc/Ur為正弦波幅值對三角波幅值之比，稱為調幅比，0M1。M的值越大，則輸出電壓也越高。ω為正弦波角頻率，ω改變，則PWM脈沖列基波頻率也隨之改變,t1 、t2為正弦波與三角波兩個相鄰交點的時刻。脈沖寬度為： tp = ton+ t39。on =[1+( sinωt1+ sinωt2)] （34） 這是一個超越函數(shù)。其中，t1 、t2不但與載波比N=T/Tt(T為正弦波的周期)有關，而且是調幅比M的函數(shù)，求解t1 、t2與M的關系要花費很多時間。這種自然采樣法得到的數(shù)學模型并不適合微機實現(xiàn)實時控制，所以發(fā)展了規(guī)則采樣法。②規(guī)則采樣法（1） 對稱規(guī)則采樣法 圖39所示，它由經(jīng)過采樣的正弦波（實際上是階梯波）與三角波相交，由交點得出脈沖寬度。這種方法只在三角波的頂點位置或底點位置對正弦波采樣而形成階梯波。此階梯波與三角波的交點所確定的脈寬在一個采樣周期Ts（這里，Ts=Tt）內的位置是對稱的，故稱為對稱規(guī)則采樣。由圖39可知： 圖39 對稱規(guī)則采樣法（35）toff= a ton= + a 根據(jù)三角形相似關系，解出a值，并代入式（35）可得：(36)toff= (1Msinωt1) ton= (1+Msinωt1)其中，t1為采樣點（這里為頂點采樣）的時刻。脈沖寬度為： tpw= (1+Msinωt1) (37) = (1+Msinωt1)采樣點時刻t1只與載波比N有關，而與調幅比M無關。對于圖39的情況有：(38) t1=kTt 其中，k=0,1,2…,N1由式（37）、式（38）可知，在對稱規(guī)則采樣的情況下，只要知道一個采樣點t1就可以確定出這個采樣周期內的時間間隔toff與脈沖寬度tpw的值。⑵不對稱規(guī)則采樣法 如果既在三角波的頂點位置又在底點位置對正弦波進行采樣，由采樣值形成階梯波，則此階梯波與三角波的交點所確定的脈寬，在一個三角波的周期內的位置是不對稱的，如圖310所示。因此，這樣的采樣方法稱為不對稱規(guī)則采樣法。請注意，這里采樣周期Ts是三角波周期的1/2，即Ts=Tt/2。圖310 不對稱規(guī)則采樣法當在三角波的頂點采樣時，由圖310可知：(39)toff=a ton= +a而當在三角波的底點采樣時，由圖可知：(310) t39。on= +b t39。off=b 利用三角形相似關系，可以解出式（39）中的a和式（310）中的b，代入之后得到：toff=(1Msinωt1) (311)ton=(1+Msinωt1) t39。on=(1+Msinωt2) t39。off=(1Msinωt2) 脈沖寬度為：tpu=ton+t’on (312)=[1+( sinωt1+ sinωt2)]式（312）與式（34）在形式上一樣，但實質上已有區(qū)別，式（314）中，t1 、t2均與調幅比無關。對于圖39所示的情況有：(313)t1= k(當k=0,2,4,6,…) t2= k(當k=1,3,5,7,…)其中，k=0、…，k為偶數(shù)時是頂點采樣，k為奇數(shù)時是底點采樣。 不對稱規(guī)則采樣所形成的階梯波比對稱規(guī)則采樣時更接近于正弦波。分析表明，用不對稱規(guī)則采樣法在載波比N等于3或3的倍數(shù)時，逆變器輸出電壓中不存在偶次諧波分量，其他高次諧波分量的幅值也較小。 當由微機實現(xiàn)對稱或不對稱規(guī)則采樣法SPWM控制時，可把幅值為1的基準正弦波sint預先算出，存儲在微機系統(tǒng)的ROM中，形成基準正弦函數(shù)表，以備查用。4系統(tǒng)程序設計下位機選用AT89C2051單片機，是實時產生IGBT觸發(fā)脈沖的控制主體。頻率、參數(shù)由上位機通過鍵盤輸入的。因此單片機還要能完成與上位機通訊的功能，接收各種參數(shù)。下位機程序是采用匯編語言編制的。下位機硬件電路見附錄。[5]由于此系統(tǒng)比較小，信號的輸入與輸出也相對少， AT89C2051，它由ATMEL公司生產，是一種在小型單片機系統(tǒng)最常用的單片機，它片內有FPEROM只讀存儲器，并且I/O口可直接驅動LED顯示器，所以由它組成的小系統(tǒng)硬件非常簡單。而且2051片內還有精確的模擬比較器，加上一些與8051相同的片內資源，可應用于各種控制場合。所以本處采用只有20腳（DIP20）的AT89C2051單片機系統(tǒng)。AT89C2051也稱89C2051（以下簡稱2051）是一種低功耗、高性能的8位CMOS微處理器芯片，片內帶2KB的快閃可編程及可擦除只讀存儲器（FPEROM）。它與MCS51指令系統(tǒng)兼容，片內FPEROM允許對程序存儲器在線重新編程，也可用常規(guī)的EPROM編程器編程。ATMEL的2051具有多種功能的8位CPU與FPEROM結合在同一芯片上，為很多嵌入式控制應用提供了高度靈敏且價格適宜的方案（市場價格在10元左右）。2051還增加了在零頻下工作的靜態(tài)邏輯方式兩種軟件可選的省電模式，其中，在閑置模式下，CPU停止工作，但RAM、定時器/計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)仍然在工作。在掉電模式下，只保存RAM的內容，振蕩器停振，關閉芯片的所有其它功能，直到下一次硬件復位為止。 2051主要性能如下：⑴ 與MCS51產品兼容。⑵ 2KB的在線可重復編程快閃存儲器，壽命可達一千次寫/擦除周期。⑶ ~6V。⑷ 全靜態(tài)工作方式：0Hz~24MHz。⑸ 兩極程序存儲器加密。⑹ 1288位SRAM。⑺ 15條可編程I/O線。⑻ 2個16位定時器/計數(shù)器。⑼ 5個中斷源。⑽ 可編程串行通道。⑾ 可直接驅動LED。⑿ 有片內精密模擬比較器。⒀ 低功耗的閑置與掉電模式。2051的引腳分布如圖41所示。 圖41 2051引腳分布圖引腳功能說明如下：Vcc—供電電源。GND—電路地。P1口