【正文】 和 6 個(gè) 16 位捕捉 /比較模塊，可以輸出 6 路 PWM 波形。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)。 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。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。 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，用它們來驅(qū)動(dòng)逆變器 開關(guān)管的開關(guān)轉(zhuǎn)換。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。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。 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。單片機(jī)、時(shí)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(cè)和故障檢測(cè)、報(bào)警電路等組成。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。 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)展起來的一門新技術(shù)。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。該技術(shù)同時(shí)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(hào)的目的。 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。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)合帶來不便。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(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。 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(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。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(shí)，定子電阻影響大的問題，減小了電機(jī)的脈動(dòng)和噪音。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。磁通開環(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 )。 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。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)。但是，這種方式電流響應(yīng)不如滯環(huán)比較法快。 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。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。其實(shí)現(xiàn)方案主要有以下 3 種。 該方法不僅能抑制較多的低次諧波，還可減小開關(guān)損耗和加寬線性控制區(qū)，同時(shí)還能帶來用微機(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。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。區(qū)間的兩種波形形狀，并且有正有負(fù)。區(qū)間用 Uuv 本身表示，中間 60176?，F(xiàn)在把一個(gè)周期等分為 6 個(gè)區(qū)間，每區(qū)間60176。這是因?yàn)?，?jīng)過 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。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。因此，提出了線電壓控制 PWM，主要有以下兩種方法。但由于梯形波本身含有低次諧波，所以輸出波形中含有 5 次、 7 次等低次諧波。該方法是采用梯形波作為調(diào)制信號(hào)，三角波為載波，且使兩波幅值相等，以兩波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷實(shí)現(xiàn) PWM 控制。 ⒈ 等面積法 ⒉ 硬件調(diào)制法 ⒊ 軟件生成法 ⒋ 低次諧波消去法 梯形波與三角波比較法 前面所介紹的各種方法主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的，從而忽視了直流電壓的利用率，如 SPWM 法，其直流電壓利用率僅為 %。 SPWM 法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形即 SPWM 波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的 頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。 SPWM 法 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的、目前使用較廣泛的 PWM 法。 隨機(jī) PWM 其原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪聲 (在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均勻的 )，盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱。等脈寬 PWM 法正是為了克服 PAM 法的這個(gè)缺點(diǎn)發(fā)展而來的，是 PWM 法中最為簡(jiǎn)單的一種。到目前為止，已出現(xiàn)了多種 PWM 控制技術(shù)，根據(jù) PWM 控制技術(shù)的特點(diǎn)，到目前為止主要有以下 幾 類方法。 PWM 控制技術(shù) 以其控制簡(jiǎn)單 ,靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為 電力電子技術(shù) 最廣泛應(yīng)用的控制方式 ,也是人們研究的熱點(diǎn)。 PWM 控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì) 80 年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。 PWM 控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波 或其他所需要的波形。相當(dāng)于基波分量的信號(hào)波（調(diào)制波）并不一定指正弦波，在 PWM 優(yōu)化模式控制中可以是預(yù)畸變的信號(hào)波，正弦信號(hào)波是一種最通常的調(diào)制信號(hào)，但決不是最優(yōu)信號(hào)。在變頻調(diào)速中，前者主要應(yīng)用于 PWM 斬波（ DC－ DC 變換），后者主要應(yīng)用于PWM 逆變（ DC－ AC 變換）。 頻率的下降會(huì)導(dǎo)致磁通的增加，造成磁路飽和，勵(lì)磁電流增加，功率因數(shù)下降， 鐵心和線圈過熱。 通過電工理論分析可知，轉(zhuǎn)矩與磁通量（最大值）成正比，在轉(zhuǎn)子參數(shù)值一定時(shí)，轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比。 但是，為了保持在調(diào)速時(shí)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變，必須維持電機(jī)的磁通量恒定，因此定子的供電電壓也要作相應(yīng)調(diào)節(jié)。如果連續(xù)地改變供電電源的頻率就可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就是變頻調(diào)速的工作原理。 變頻調(diào)速基本原 理 變頻調(diào)速的工作原理 p—— 磁極對(duì)數(shù) 異步電動(dòng)機(jī)是依靠旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用而轉(zhuǎn)動(dòng)的，根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)理論，有下列關(guān)系n1 = 60f / p 式中 n1—— 定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，也叫異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速（ r / min）； f—— 電源頻率（ Hz）； p—— 電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。 圖 變頻器原理圖 首先是將單相或三相交流電流電源通過整流器并經(jīng)電容濾波后形成幅值基本穩(wěn)定的直流電壓加在逆變器上，利用逆變器功率元件的通斷控制，使逆變器輸出端獲得一定形狀的矩形脈沖波形。在變頻調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩 Tmax =Cm (u／ f)2 式中： Cm電 動(dòng)機(jī)常數(shù)；u電源電壓； f電源頻率。電源裝置變頻調(diào)速的主裝置的主回路由充電接觸器、進(jìn)線電抗器、充電電容、平波電容絹和 6組 SKIIP模塊組成。 (6)對(duì)于一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，如高溫，高海拔，此時(shí)會(huì)引起變頻器的降容， 變頻器容量要放大一擋。因此用于高速電機(jī)的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機(jī)的選型 。 ③ 轉(zhuǎn)矩匹配；這種情況在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或有減速裝置時(shí)有可能發(fā)生。 ② 電流匹 配；普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機(jī)的額定電流相符。 (2)變頻器的負(fù)載類型；如葉片泵或容積泵等，特別注意負(fù)載的性能曲線，性能曲線決定了應(yīng)用時(shí)的方式方法。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為 IGBT 三相橋式逆變器，且輸出為 PWM 波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無(wú)功功率。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交 — 直 — 交方式（ VVVF 變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源 以供給電動(dòng)機(jī)。 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 本課題 主要是研究電壓型三相交流 SPWM 變頻技術(shù)的基本原理、實(shí)現(xiàn)方法及軟硬件設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。其次，對(duì)于新型器件的應(yīng)用做了說明，根據(jù)新型功率器件的特點(diǎn)和應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)出了逆變器的驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路，使得新型功率器件的應(yīng)用更加安全。 設(shè)計(jì)本課題的總思路 本文對(duì)于逆變器供電的變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了一 種以 MCS51系列單片機(jī)為基礎(chǔ)生成的 SPWM 來控制逆變器的控制系統(tǒng)。 PWM 變頻調(diào)速系統(tǒng) 利用電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，在轉(zhuǎn)差率 S 很小的范圍內(nèi)，當(dāng)磁通 Φ 不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差角頻率成正比的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的較高性能調(diào)速，但其動(dòng)態(tài)性能不夠。 變頻調(diào)速的主要類型 目前，應(yīng)用較為廣泛的變頻調(diào)速系統(tǒng)主要有以下幾種： 所謂轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速就是采用開環(huán)、恒壓頻比，并且?guī)У皖l電壓補(bǔ)償?shù)目刂品绞健? 有關(guān)資料表明，采用變頻調(diào)速技術(shù)確實(shí)能夠取得非常明顯的節(jié)能、增產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量的效果，節(jié)電率一般在 10%~30%，有的高達(dá) 40%，更重要的是生產(chǎn)中一些技術(shù)難點(diǎn)也得到解決。與之配套的功率器件冷卻方式的改變（如冷水、蒸發(fā)冷卻和熱管），也有利于整機(jī)體積的減小。 （ 3） 進(jìn)一步增加器件的集成度，縮小變頻裝置整體的尺寸 ，更加提高系統(tǒng)可靠性。 （ 2） 進(jìn)一步提高變頻器的功率因素，降低網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)的諧波，以減少對(duì)電網(wǎng)的污染和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)?；诂F(xiàn)代理論 的有滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)、模型參考自適應(yīng)技術(shù)、采用微奈奎斯特陣列設(shè)計(jì)方法等；基于自能控制思想上網(wǎng)模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò) 、專家系統(tǒng)和各種各樣的自優(yōu)化、自診斷技術(shù)等。鑒于這兩方面，未來變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展方向主要有以下幾點(diǎn)： （ 1） 各種控制方法的深入研究和實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步提高變頻調(diào)速性能。功率級(jí)部分是解決高電壓、大電流方面的技術(shù)問題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問題 。 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展方向 交流變頻調(diào)速技術(shù)是強(qiáng)、弱電混合，機(jī)電一體化的綜合性技術(shù)。 (3) 相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后。國(guó)內(nèi)交流變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)狀況表現(xiàn)如下 : (1) 變頻器的整機(jī)技術(shù)落后，國(guó)內(nèi)雖有很多單位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并沒有形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模。而這方面產(chǎn)品在諸如抽水蓄能電站機(jī)組起動(dòng)及運(yùn)行、大容量風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和軋機(jī)傳動(dòng)、礦井卷場(chǎng)方面有很大需求。 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 從總體上看我國(guó)電氣傳動(dòng)的技術(shù)水平較國(guó)際先進(jìn)水平差距 10 ~ 15 年。 (3) 控制理論和微電子技術(shù)的發(fā)展。 國(guó)外交流變頻調(diào)速技術(shù)高速發(fā)展有以下特點(diǎn) ： (1) 市場(chǎng)的大量需求。在中功率變頻調(diào)速技術(shù)方面，德國(guó)西門子公司 Simovert A 電流型晶閘管變頻調(diào)速設(shè)備單機(jī)容量為 10 ~ 2600 kVA 和 Simovert P GTO PWM 變頻調(diào)速設(shè)備單機(jī)容量為 100 ~ 900 kVA，其控制系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)全 數(shù)字化，用于電力機(jī)車、風(fēng)機(jī)、水泵傳動(dòng)。 國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀對(duì)比 國(guó)外現(xiàn)狀 在大功率交 交變頻（循環(huán)變流器）調(diào)速技術(shù)方面，法國(guó)阿爾斯通已能提供單機(jī)容量達(dá) 3 萬(wàn) kW 的電氣傳動(dòng)設(shè)備用于船舶推進(jìn)系統(tǒng)。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)間效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式 ，成為 當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。 在我們現(xiàn)在日常生活中，高速電力機(jī)車、汽車、電梯、音樂噴泉、冰箱、洗衣機(jī)、