【導(dǎo)讀】們的重視并且近年來(lái)有了較快的發(fā)展。永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的以異步電機(jī)的發(fā)。使得可獨(dú)立運(yùn)行的中小型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)有著很好應(yīng)用前景。制系統(tǒng)的仿真和交直交變流系統(tǒng)的負(fù)載突變的仿真兩部分。的電能，本文進(jìn)行了逆變控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。芯片SA4828，用IPM作為逆變輸出，并采用LC濾波器將IPM輸出波形濾成正弦波，電壓反饋采用真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD736完成電壓樣任務(wù)。調(diào)節(jié)方式采用了增量式PID. 控制，同時(shí)為避免干擾采用了防脈沖干擾平均值濾波。該控制器采用PIC單片機(jī)為核心，通過(guò)檢測(cè)風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、蓄電。文中詳細(xì)介紹了系統(tǒng)仿真和各系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并給出了仿真和試驗(yàn)的結(jié)果。取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包

　　

【正文】 動(dòng)電源和控制信號(hào)即可。電路簡(jiǎn)捷，且驅(qū)動(dòng)可靠。另外 IPM 還具有過(guò)電壓，過(guò)電流，過(guò)熱等故障檢測(cè)電路，將檢測(cè)信號(hào)送給 CPU 就可實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。 （ 5） 專(zhuān)用 PWM 產(chǎn)生器 SA4828 和隔離電路。根據(jù)單片機(jī)提供的輸出 PWM 控制波形的信息，產(chǎn)生供給 IPM 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由于系統(tǒng)強(qiáng)電部分和弱點(diǎn)部分要實(shí)現(xiàn)電氣上的隔離，所以中間需要加上光耦隔離。 （ 6） 檢測(cè)電路主要是通過(guò)真有效值轉(zhuǎn)換芯片 AD736 檢測(cè)輸出的電壓值并傳回單片機(jī)。 SA4828 簡(jiǎn)介 SA4828 的功能特點(diǎn) SA4828 專(zhuān)用大規(guī)模集成電路芯片內(nèi)部包含波形、頻率、幅值等控制信息，控制實(shí)行 全 數(shù)字化，重復(fù)性好，無(wú)溫漂，無(wú)時(shí)漂。其主要功能特點(diǎn)有以下幾方面 [37]： （ 1） 全數(shù)字化 。 SA4828 與微處理器的連接適用兩種總線接日，編程簡(jiǎn)捷方便 ， 全數(shù)字化的脈沖輸出有很高的精度和溫度穩(wěn)定性。 （ 2） 三種 SPWM 調(diào)制波形輸出 ： SA4828 能輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波型，增強(qiáng)型波形和高效型波形。標(biāo)準(zhǔn)正弦波型即一般交流電機(jī)和靜態(tài)逆變器通常采用的波形 ； 增強(qiáng)型波形又稱(chēng)三次諧波， 可 輸出功率提高 20%，三相諧波互相抵消，防止了電機(jī)發(fā)熱 ； 高效型波形又稱(chēng)帶死區(qū)的三次諧波，它是進(jìn)一步優(yōu)化的三次諧波，在一個(gè)周期中，高壓側(cè)和低壓側(cè)的開(kāi)關(guān)保持 60 度的間隙，不但節(jié)省了 33%的開(kāi)關(guān)損耗，而 且 可使用更少，更便宜的功率器件或減少散熱片的體積，提高了功率開(kāi)關(guān)器件的可靠性。 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 21 （ 3） 工作方式靈活： SA4828 具有六個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 TTL 電平輸出，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)逆變器的六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件。直接通過(guò)軟件設(shè)置載波頻率，電源頻率，波形選擇，最小脈寬，死區(qū)時(shí)間，初始電壓等參數(shù)，調(diào)節(jié)容易。在電路不變的情況卜，通過(guò)修改參數(shù)就可以改變逆變器的性能指標(biāo) ，驅(qū)動(dòng)不同的負(fù)載，或工作于不同的工況，大大節(jié)約了硬件成 本。 SA4828 芯片的工作原理 SA4828 是具有 28 腳的三相脈寬調(diào)制波發(fā)生器芯片 ,采用全數(shù)字化方式 ， 將基準(zhǔn)正弦波與一個(gè)載波三角波相比較 ， 在 三角波的頂點(diǎn)和底點(diǎn)對(duì)正弦波進(jìn)行采樣來(lái)獲得 PWM波。 SA4828 芯片不需增加外圍電路 ， 只通過(guò)數(shù)據(jù)總線就可直接與任意微處理器進(jìn)行通訊 。 其引腳 MUX 是用來(lái)區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)的。若是復(fù)用總線結(jié)構(gòu) ， 則將 MUX 引腳接高電平或懸空 ； 若是獨(dú)立地址數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu) ， 則需將 MUX 引腳接低電平。芯片由寄存器選擇引腳 RS 來(lái)區(qū)分是地址 （ RS=0） 還是數(shù)據(jù) （ RS=1） 。當(dāng) SETTRIP 輸入高電平時(shí) ， 立即封鎖 PWM 輸出 ,且使輸出關(guān)斷狀態(tài)信號(hào) TRIP 為低電平。若不使用 SETTRIP引腳 ， 則應(yīng)將其接地 ， 以防干擾。 SA4828 芯片及其功能 SA4828 芯片是可編程的。通過(guò) 6 個(gè) 臨時(shí)寄存器 R0～ R 2 個(gè) 虛擬寄存器 R1 R15， 對(duì) 48 位的初始化寄存器和控制寄存器進(jìn)行編程 ， 獲得 PWM 波。 對(duì) SA4828 的控制是通過(guò)微處理器接口將數(shù)據(jù)送入芯片和兩個(gè)寄存器 （ 初始化寄存器和控制寄存器 ） 來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 初始化寄存器用于設(shè)定輸出電源頻率范圍 ， 輸出 PWM 波形的死區(qū)時(shí) 間，最小取消脈沖時(shí)間等一些基本參數(shù)，并且在工作時(shí)是不允許改變 ?？刂萍拇嫫髟诠ぷ鬟^(guò)程中控制輸出脈寬調(diào)制波的狀態(tài)，從而進(jìn)一步控制逆變器的運(yùn)行狀態(tài)，通常在工作時(shí)該寄存器內(nèi)容常被改寫(xiě)以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制 [3 39]。 PIC 單片機(jī)與 SA4828 的連接如圖 所示： SA4828 PIC16F877A VSS VDD __WR ___CS MUX RS___RD RB0 RE1 RE0 RD07 AD07 ______TRIP ALE 圖 PIC 單片機(jī)和 SA4828 連接圖 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 22 SA4828 初始化寄存器的參數(shù)設(shè)定 SA4828 初始化寄存器如 表 所示 7 6 5 4 3 2 1 0 R0 FRS2 FRS1 FRS0 CFS2 CFS1 CFS0 R1 PDT6 PDT5 PDT4 PDT3 PDT2 PDT1 PDT0 R2 PDY5 PDY4 PDY3 PDY2 PDY1 PDY0 R3 AC 0 0 WS1 WS0 R4 WD15 WD14 WD13 WD12 WD11 WD10 WD9 WD8 R5 WD7 WD6 WD5 WD4 WD3 WD2 WD1 WD0 （ 1） 載波頻率 （ CFS） 載波頻率定義了脈寬調(diào)制波中三角波的頻率。載波頻率的選擇大多取決于逆變器所使用的半導(dǎo)體功率器件。載波頻率由 下式給出 ： 12512 ??? nCLKCARR ff （ ） 式中 ： CLKf ——為輸入的時(shí)鐘頻率 。 （ 2） 電源頻率范圍 （ FRS） 通過(guò)這個(gè)參數(shù)可以選擇輸出電源頻率的范圍，因此可以提高 SA4828 芯片的頻率分辨率。電源頻率范圍確定了最大的電源頻率。電源頻率范圍由下式給出 ： 384 2 mCARRRANGE ff ?? （ ） （ 3） 脈寬延時(shí)時(shí)間 （ 死區(qū)時(shí)間 ）（ PDY） 對(duì)于每一相 PWM 輸出均有兩路控制信號(hào)，分別控制逆變橋的高端 和低端的功率開(kāi)關(guān)。考慮到功率器件工作頻率限制和開(kāi)啟、關(guān)斷次數(shù)的不平衡，為了避免電流通過(guò)上下功率開(kāi)關(guān)管形成短路，所以在改變功率開(kāi)關(guān)表 SA4828初始化寄存器參數(shù)空間分配表 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 23 管的狀態(tài)時(shí)提供一段延時(shí)時(shí)間，此時(shí)上下開(kāi)關(guān)管均處于關(guān)斷狀態(tài)。脈寬延時(shí)時(shí)間由下式給出 ： 51263 ??? CARRpdy f PDYt （ ） （ 4） 脈沖取消時(shí)間 （ PDT） 一個(gè)純 PWM 序列可以包括占空比從 0%到 100%的脈沖。然而過(guò)短的脈沖只會(huì)增加逆變器開(kāi)關(guān)管自身的開(kāi)關(guān)損耗。因此需定義一個(gè)最小的脈沖寬度。在 PWM 序列中，所有脈沖寬度比取消時(shí)間小的脈沖被去除。脈沖取消 時(shí)間由下式給出 ： 512127 ??? CARRpd f PDTt （ ） （ 5） 波形的選擇 SA4828 芯片內(nèi)提供 3 種可選標(biāo)準(zhǔn)波形。單純正弦波用于只注重波的應(yīng)用場(chǎng)合，例如開(kāi)關(guān)電源、不間斷電源和其它波形發(fā)生器。 （ 6） 幅值控制 （ AC） 幅值控制位定義了三相波形幅值的受控方式。三相波形幅值可以統(tǒng)一控制或分別控制。 （ 7） 看門(mén)狗定時(shí)器 （ WD） 看門(mén)狗定時(shí)器包括一個(gè)按照時(shí)鐘頻率的約數(shù)衰減的 16 位可編程計(jì)數(shù)器。當(dāng)計(jì)數(shù)器減少到終點(diǎn)值時(shí)， PWM 輸出被關(guān)斷。定時(shí)時(shí)間由下式給出 ： CLKwd fTIMt 1024?? （ ） 利用看門(mén)狗可提高系統(tǒng)的可靠性。 控制寄存器的參數(shù)設(shè)定 SA4828 控制寄存器如表 所示 表 SA4828控制寄存器參數(shù)空間分配表 7 6 5 4 3 2 1 0 R0 PFS7 PFS6 PFS5 PFS4 PFS3 PFS2 PFS1 PFS0 R1 PFS15 PFS14 PFS13 PFS12 PFS11 PFS10 PFS9 PFS8 R2 RST WTE CR INH F/B R3 RAM7 RAM6 RAM5 RAM4 RAM3 RAM2 RAM1 RAM0 R4 BAM7 BAM6 BAM5 BAM4 BAM3 BAM2 BAM1 BAM0 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 24 R5 YAM7 YAM6 YAM5 YAM4 YAM3 YAM2 YAM1 YAM0 （ 1） 電源頻率 （ PFS） 電源頻率可在最大電源頻率范圍內(nèi)按一定的比例來(lái)選擇。整個(gè)電源頻率范圍被劃分為 65536 等份。電源頻率由下式給出 ： PFSff R A NG EP O W E R ?? 6 5 5 3 6 （ ） （ 2） 電源波形 幅值 （ RAMP、 YAMP、 BAMP） 電源波形幅值定義輸出脈寬調(diào)制波 的有效均值。幅值的百分比計(jì)算公式如下 ： %100255 ?? AA PO W ER （ ） 在 控制系統(tǒng) 運(yùn)行中， A 的值要經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí) 調(diào)整、計(jì)算不 斷 地改寫(xiě) [39~40]。 參數(shù)計(jì)算 （ 1） 時(shí)鐘的確定 。 由于此逆變控制系統(tǒng)為風(fēng)力發(fā)電的一部分，其輸出的頻率應(yīng)為工頻 50Hz， 而 IPM 要求載波頻率應(yīng)為 5～ 20kHz，則根據(jù)公式 （ ） 、 （ ）、（ ） ， 又由于 SA4828 最大載波為 24kHz，經(jīng)計(jì)算得到符合條 件的時(shí)鐘頻率為 或 。實(shí)驗(yàn)用的時(shí)鐘為 。 SA4828 有一路時(shí)鐘輸入 ， 而且該芯片對(duì)時(shí)鐘要求較高，故選擇可靠性及穩(wěn)定性都比較好的有源時(shí)鐘作為 SA4828 的時(shí)鐘輸入。 有源晶振應(yīng)用電路如圖 所示其中 1 腳 為禁止端 （ 工作時(shí)可懸空或接電源 ） 、 2腳 接地、 3 腳 為有源晶振的輸出、 4 腳 接 ～ 5V 的電源。 圖 有源時(shí)鐘電路 （ 2） CFS 的確定 _________INHIBIT VCC GND VCC OUT CLK +5V 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 25 由于時(shí)鐘頻率為 ，故當(dāng) n=1 時(shí)載波頻率為 ， 符合 5~20kHz 的要求，所以 CFS=001。 （ 3） FRS 的確定 設(shè)輸出最大頻率為 100Hz，則由式 （ ） 得 m=3，所以 FRS=110。 （ 4） PDY 的確定 死區(qū)時(shí)間定為 5μs ,則由式 （ ） 得 PDY=100110。 （ 5） PDT 的確定 將最小取消脈沖定為 10μs ，則由式 （ ） 得 PDT=1001101。 （ 6） PFS 的確定 由于最大輸出電源頻率范圍定為 100Hz， 而輸出電源頻率固定為 50Hz，則由式（ ） 得 PFS=0x8000。 IPM驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) IPM 需要 4 組隔離的 +15V 的電源，本實(shí)驗(yàn)使用的是穩(wěn)壓電源。變壓器采用原邊一個(gè)繞組，副邊多個(gè)獨(dú)立的繞組，副邊每一個(gè)繞組經(jīng)過(guò)整流、濾波再經(jīng)過(guò) LM7815 及濾波得到 +15V 的電壓輸出，圖 是一路 電源 電壓輸出 電路 圖。 圖 IPM電源電路 1000uF C1 C2 + Vin GND Vout C3 C4 + 200uF LM7815 +15V 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 26 IPM 的驅(qū)動(dòng)相對(duì) IGBT 來(lái)說(shuō)要簡(jiǎn)單得多，只需 要提供驅(qū)動(dòng)電源和開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。需要注意的是 IPM 在控制脈沖為高電平時(shí)關(guān)斷，低電平時(shí)導(dǎo)通。驅(qū)動(dòng)電源的典型電壓值為 15V，每一內(nèi)含 IGBT 的驅(qū)動(dòng)功率約為 ，故總驅(qū)動(dòng)功率 小于 2W。考慮到 IPM的高頻開(kāi)關(guān)工作能力，開(kāi)關(guān)控制信號(hào)的傳輸隔離電路應(yīng)具有盡可能短的傳輸延遲時(shí)間，盡量在 ，以提高驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)的一致性。針對(duì)以上特點(diǎn)及要求，本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路如圖 所示。 SA4828 輸出的 PWM 波形不能直接驅(qū)動(dòng) IPM，須經(jīng)過(guò)光耦隔離。實(shí)驗(yàn)中光耦采用6N137，該器 件是一種快速光耦，高電平傳輸延遲時(shí)間和低電平傳輸延遲時(shí)間均小于75ns，該光耦能夠滿足 IPM 高頻驅(qū)動(dòng)要求。 由于 6N137 是 OC 門(mén)電路，雖然其高速性能很好，但負(fù)載增加后，輸出電流加大，將會(huì)導(dǎo)致其關(guān)斷能力有所下降，容易造成其驅(qū)動(dòng) IPM 的 PWM 波形的上升沿、下降沿不陡，使得 IPM 無(wú)法有效關(guān)斷，這將導(dǎo)致 IPM 發(fā)生短路現(xiàn)象燒毀 IPM。 MC1413 是集成了 7 個(gè)達(dá)林頓管的電流驅(qū)動(dòng)芯片，它能夠使 6N137 可靠開(kāi)通、關(guān)斷，保證 IPM 的 可靠運(yùn)行。 電壓采樣電路的設(shè)計(jì) 在逆變控制中，為實(shí)現(xiàn)輸出恒壓恒頻必須對(duì) IPM 輸出 進(jìn)行電壓采樣，本文中采用真有效值轉(zhuǎn)換芯片 AD736 來(lái)完成電壓反饋的檢測(cè)。下面對(duì) AD736 作一簡(jiǎn)要介紹： （ 1） AD736 轉(zhuǎn)換器的性能 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 GND Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 K 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 GND NC ANODE CATHODE 1 2 3 4 NC VCC VE VO 8 7 6 5 GND 6N137 U1 U2 +5V +5V R1 C1 R2 330 GND Port Port 圖 驅(qū)動(dòng)隔離電路 沈陽(yáng)工業(yè)大