【正文】 電路更加復(fù)雜，可靠性和性能都比較差，因此本設(shè)計(jì)采用IGBT 的專用集成驅(qū)動(dòng)電路。（3）為可靠關(guān)閉IGBT，防止發(fā)生鎖定效應(yīng)，給柵極加一偏壓，因此采用雙電源為驅(qū)動(dòng)電路供電。IGBT的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)注意一下幾點(diǎn)：（1）IGBT柵極耐壓一般為20V左右，因此驅(qū)動(dòng)電路輸出端應(yīng)設(shè)有柵極過(guò)電壓保護(hù)電路，通常的做法是再柵極并聯(lián)穩(wěn)壓二極管或者電阻。在柵極串入一只低值電阻有利于減小寄生振蕩，該電阻值應(yīng)隨驅(qū)動(dòng)器件電流額定值的增大而減小。一般IGBT的開啟電壓在25176。通態(tài)時(shí)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻R減小，使通態(tài)壓降減小。它是個(gè)場(chǎng)控器件，通斷由柵極電壓決定。 IGBT 簡(jiǎn)介IGBT采用了MOSFET與GTR的復(fù)合結(jié)構(gòu)，因此被稱為絕緣柵雙極型晶體管。IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向和負(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生。用CD4511實(shí)現(xiàn)LED與單片機(jī)的并行接口方法如圖37:圖37 顯示電路圖37中為P6口數(shù)據(jù)輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)輸給數(shù)碼管。另外，CD4511顯示數(shù)“6”時(shí)，a段消隱；顯示數(shù)“9”時(shí)，d段消隱。LE是鎖存控制端，高電平時(shí)鎖存，低電平時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。BI為消隱功能端，低電平時(shí)使所有段都消隱，正常顯示時(shí)，B1端應(yīng)加高電平。可直接驅(qū)動(dòng)共陰極LED數(shù)碼管CD4511是一片CMOS BCD鎖存/7段譯碼/驅(qū)動(dòng)器，引腳排列下圖36：圖 36 CD4511引腳其中 DA DB DC DD 為 BCD 碼輸入，DA 為最低位。字符的7段，再加上一個(gè)小數(shù)點(diǎn)位，共計(jì)8段。每個(gè)發(fā)光二級(jí)管的陽(yáng)極通過(guò)電阻與輸入端相連。結(jié)構(gòu)如圖 35 。它使用了8個(gè)LED發(fā)光二級(jí)管，其中7個(gè)用于顯示字符，一個(gè)用于顯示小數(shù)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用的是LED數(shù)碼管。行兩者的讀數(shù)來(lái)確定按下的是那個(gè)鍵。該方法比行掃描法速度要快，但在硬件電路上要求行線與列線均需要有上位電阻，故比行掃描法稍復(fù)雜些。單片機(jī)系統(tǒng)中普遍使用的非編碼式鍵盤，非編碼式鍵盤一般采用行列式結(jié)構(gòu)，并按矩陣形式排列，其識(shí)別閉合鍵通常有兩種方法：一種是行掃描法，另一種是線反轉(zhuǎn)法。C8051是沒有ROM的，最小系統(tǒng)Vcc接5V，GND接地。所以要加上顯示；4位LED數(shù)碼管；一片位碼驅(qū)動(dòng)；一片段碼驅(qū)動(dòng)：如74240；鍵盤：多位按鍵，電路可以與顯示合用。復(fù)位電路:電解電容22u+10K電阻。 單片機(jī)的最小系統(tǒng)最小系統(tǒng)通常要包含: xtal1與xtal2之間接有只兩腳晶振。端口I/O，RST和JTAG引腳都允許5V的輸入信號(hào)電壓。FALSH存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程的能力，可用于易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051固件。主要特性如下：高速流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP51內(nèi)核（可達(dá)25MIPS）；控制器局域網(wǎng)（）控制器，具有32個(gè)消息對(duì)象，每個(gè)消息對(duì)象有其自己的標(biāo)識(shí)；全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口；真正12位、100ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)；允許高壓差分放大器輸入到12位ADC，增益可編程；真正8位5000ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)；兩個(gè)12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式；64KB可在系統(tǒng)編程的FALSH存儲(chǔ)器；4352字節(jié)的片內(nèi)RAM；可尋址64KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口；硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBμs/C和兩個(gè)UART串行口；5個(gè)通用16位的定時(shí)器；具有6個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列；片內(nèi)有看門狗定時(shí)器，VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。本設(shè)計(jì)采用的是C8051單片機(jī)，它是8位的單片機(jī)。1971年微處理器研制成功不久，就出現(xiàn)了單片機(jī)。同時(shí)設(shè)置了一個(gè)狀態(tài)輸出端，可用于顯示單片機(jī)的應(yīng)答，從而可以方便地實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能。SLE4520另外還集成了一個(gè)RS觸發(fā)器，當(dāng)它的SETSTTATUS(S)端置于高電平時(shí)，則禁止輸出；要開放輸出，只要在CLEARSTATUS174。為了防止從通電到芯片開始正常工作這段時(shí)間內(nèi)輸出信號(hào)電平失去控制，造成逆變主回路短路，在輸出處設(shè)置了一個(gè)“禁止”（INHIBIT）信號(hào)。兩個(gè)4位寄存器用來(lái)接收死區(qū)時(shí)間及分頻因數(shù)。在芯片外部設(shè)置了一個(gè)8位數(shù)據(jù)總線接口。片內(nèi)集成有一些可編程分頻器，可以根據(jù)不同的要求對(duì)晶振頻率進(jìn)行分頻。圖 32 SLE4520的內(nèi)部結(jié)構(gòu)SLE4520內(nèi)部集成了一個(gè)震蕩電路，只要在外部接上一定頻率的晶振，就可以得到相應(yīng)的頻率。由于軟件編程的靈活性，幾乎可以是實(shí)現(xiàn)任意的曲線調(diào)制（正弦波、三角波）和任意的相位關(guān)系。它是一個(gè)8位可編程的脈寬調(diào)制器，可以同時(shí)將三個(gè)8位數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)脈寬的矩形波信號(hào)。改變頻率給定值，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速。3 硬件設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)原理框圖及其總體方案 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖SPWM變頻器的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖31所示：由頻率給定環(huán)節(jié)給出所要求的頻率，該信號(hào)為模擬量，經(jīng)A/，經(jīng)過(guò)軟件控制，單片機(jī)將一組與頻率給定值相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)輸送給SLE4520專用芯片，由該芯片產(chǎn)生相應(yīng)的SPWM調(diào)制波控制三相功率電路。三相異步電動(dòng)機(jī)定子的相電動(dòng)勢(shì)的有效值為式中 ——?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嘀懈袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值，V；——定子頻率，；——定子每相繞組匝數(shù)；——基波繞組系數(shù)；——每極磁通量。這種控制方式使電動(dòng)機(jī)的磁通基本不變。其中常用和主要的控制方式是恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)差率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。（c）當(dāng)載波比N為奇數(shù)時(shí)，一個(gè)調(diào)制波正、負(fù)半個(gè)周期以及半個(gè)周期中的前后1/4周期的脈沖波形具有對(duì)稱性。例如：當(dāng)變高時(shí)，同步變高，從而使開關(guān)頻率變高；而當(dāng)變低時(shí)，同步變低，從而使開關(guān)頻率變低。(a) (b) 圖25 不同調(diào)制波頻率（）時(shí)的異步調(diào)制SPWM波形(3)同步調(diào)制對(duì)于任意的調(diào)制波頻率，載波比保持恒定的脈寬調(diào)制稱為同步調(diào)制。換言之，一個(gè)調(diào)制波正、負(fù)半個(gè)周期以及每半個(gè)周期中的前后1/4周期的脈沖波形不具有對(duì)稱性。例如：當(dāng)變高時(shí)，載波比N變小，即一個(gè)調(diào)制波周期中的脈沖數(shù)變少；而當(dāng)變低時(shí)，載波比N變大，即一個(gè)調(diào)制波周期中的脈沖數(shù)變多。異步調(diào)制具有以下特點(diǎn)：（a）由于固定，因而逆變器具有固定的開關(guān)頻率。其調(diào)制波形如圖24所示:a三角載波SPWM及其脈沖序列 b鋸齒載波SPWM及其脈沖序列圖 24 三角載波和鋸齒載波的SPWM及其脈沖序列其中： ——載波比 ——調(diào)制度 ——為載波頻率 ——為調(diào)制波頻率——調(diào)制波——載波 ——調(diào)制波幅值 ——載波幅值(2)異步調(diào)制對(duì)于任意的調(diào)制波頻率，載波頻率恒定的脈寬調(diào)制稱為異步調(diào)制。 SPWM的調(diào)制方式隨著微處理技術(shù)的發(fā)展，SPWM技術(shù)日趨成熟，但其基本的調(diào)制規(guī)則并沒有改變。對(duì)于圖23所示，有，其中k=0,1,2，…，N1。根據(jù)三角形相似關(guān)系可得； 所以其中，調(diào)制比，t為采樣點(diǎn)時(shí)刻。圖23所示是典型的單極性對(duì)稱規(guī)則采樣法，它只在三角波的峰值時(shí)刻采樣正弦調(diào)制波，并將采樣值保持，分別取保持值作為脈沖寬度時(shí)間。運(yùn)行時(shí)，根據(jù)指令的要求，由單片機(jī)計(jì)算出調(diào)制系數(shù)及給定的頻率的開關(guān)點(diǎn)，然后由單片機(jī)采用軟硬件結(jié)合的方法得到所需調(diào)制系數(shù)及頻率下的SPWM信號(hào)。這種方法要占用大量的內(nèi)存，無(wú)法實(shí)時(shí)處理。由單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)SPWM控制，根據(jù)軟件編制的方法不同分為表格法和實(shí)時(shí)計(jì)算法兩種方法。其中脈沖寬度按正弦規(guī)律變化的PWM則稱為SPWM即正弦脈寬調(diào)制技術(shù)。 SPWM原理脈寬調(diào)制技術(shù)簡(jiǎn)稱PWM，通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要的波形。PWM被用于中間電路電壓可變的變頻器，頻率控制時(shí)，輸出電壓頻率通過(guò)逆變器改變工作周期來(lái)調(diào)節(jié)。 變頻器的電路圖本設(shè)計(jì)變頻器的電路框圖，變頻器采用單片機(jī)控制，為了使用和操作方便，可增加紅外線遙控電路。本設(shè)計(jì)的功率開關(guān)元器件使用的是絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）。而變頻器的逆變器屬于無(wú)源逆變，也是變頻器的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，由6個(gè)全控功率開關(guān)元和6個(gè)反向并聯(lián)的二級(jí)管組成。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。其中有電流源型和電壓源型兩種中間環(huán)節(jié)。（三）中間電路中間電路是整流器與逆變器中間的控制電路，是一個(gè)能量的存儲(chǔ)裝置，不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的中間電路有不同的附加功能，在交——直——交變頻器中，由于逆變器的負(fù)載都是感性的，無(wú)論電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)還是發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，器功率因數(shù)總不會(huì)為1，在中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無(wú)功功率的交換，因此在中間直流電路中需要有儲(chǔ)存無(wú)功能量的原件。從線電壓方面看，不管正負(fù)半周，都能使相應(yīng)晶閘管導(dǎo)通，從而使三相的線電壓能夠整流出六脈波的直流電壓。圖 21 中的整流部分是由VD1到VD6組成的三相橋式整流電路，是共陰極與共陽(yáng)極組的串聯(lián)。由二極管構(gòu)成的是不可控整流器，由經(jīng)扎管構(gòu)成的是可控整流器。整流器有可控與不可控的兩種類型。即整流器就是將交流電變換為直流電的整流裝置。微處理技術(shù)的高速發(fā)展和進(jìn)步也減少變頻器的體積，并且，數(shù)字控制使硬件簡(jiǎn)化，而柔性的控制算法又使控制具有很大的靈活性，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的系統(tǒng)連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，便于故障診斷、加強(qiáng)保護(hù)和監(jiān)視功能，使系統(tǒng)智能化。由于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是快捷系統(tǒng)，特別是交流電動(dòng)機(jī)高性能的控制需要存儲(chǔ)多種數(shù)據(jù)和快速實(shí)時(shí)處理大量信息。簡(jiǎn)單說(shuō)，就是控制電路要控制變頻器的半導(dǎo)體器件，進(jìn)行變頻器與周邊電路的數(shù)據(jù)交換并收集和處理故障信息還要執(zhí)行對(duì)變頻器和電動(dòng)機(jī)的保護(hù)功能。交——直——交變頻器的電路可分為控制電路、整流電路、中間電路和逆變電路四個(gè)主要部分。 交——直——交變頻 交——直——交變頻是現(xiàn)代我們常使用的變頻器，因此，本章主要以交——直——交變頻器為例，來(lái)介紹變頻器的結(jié)構(gòu)及其原理。有時(shí)為了突出其變頻功能，也稱為周波變換器。用量不斷增加，價(jià)格不斷降低，行業(yè)組合兼并的結(jié)果，有向國(guó)外拓展的可能。 變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域交流電機(jī)變頻調(diào)速已成為當(dāng)代電動(dòng)機(jī)調(diào)速的潮流，它以體積小、重量輕、轉(zhuǎn)矩大、精度高、功能強(qiáng)、可靠性高、操作簡(jiǎn)便、便于通信等功能優(yōu)于以往的任何調(diào)速方式，因而在鋼鐵、有色、石油、石化、化纖、紡織、機(jī)械、電力、電子、建材、煤炭、醫(yī)藥、造紙、注塑、卷煙、吊車、城市供水、中央空調(diào)及污水處理行業(yè)得到普遍應(yīng)用。（2）按變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域分有通用變頻器和專用變頻器等。 變頻器的分類（1）按變頻器的結(jié)構(gòu)分變頻器可分為直接變頻（交——交變頻）和間接變頻（交——直——交變頻）。從變頻器技術(shù)發(fā)展來(lái)看，電動(dòng)機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)將成為今后工業(yè)自動(dòng)化的主要發(fā)展對(duì)象之一，是當(dāng)今節(jié)能、節(jié)電、改善工藝流程，以及提高產(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。具體包括SPWM波形生成，可編程計(jì)數(shù)器陣列PCA的設(shè)置，16位的SPWM軟件編程，頻率的捕捉，程序流程圖和最小脈沖問(wèn)題分析；最后，給出變頻器的相應(yīng)的結(jié)論及展望。這樣可以使編程簡(jiǎn)單，但增加了投入，鑒于此，本變頻器采用C8051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)輸出頻率可變的SPWM波形，并將輸出的SPWM波形去控制交流電機(jī)。數(shù)字方法在可靠性、靈活性、可控性等方面具有模擬方法無(wú)法相比的優(yōu)越性。電壓型正弦脈寬調(diào)制（SPWM）變頻器以其獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)而的到快速的發(fā)展和使用。伴著變頻器的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，其產(chǎn)品也有兩個(gè)方向，一是無(wú)需調(diào)整就能得到最佳運(yùn)行的高性能變頻器，另一是通過(guò)簡(jiǎn)單的控制就能運(yùn)行的小型及操作方便的變頻器。據(jù)有關(guān)資料分析，我國(guó)能源利用率為30%，比國(guó)外先進(jìn)水平低約20%，估計(jì)節(jié)能潛力約為每年3億噸煤，再加上我國(guó)存在大量可利用的工業(yè)“三廢”和可利用的再生資源，環(huán)境管理也要求節(jié)能防污染，推廣節(jié)能為主的方針確實(shí)是國(guó)家的頭等大事。其現(xiàn)階段發(fā)展情況主要表現(xiàn)如下：技術(shù)開發(fā)起步早，并具有相當(dāng)大的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模；能夠提供特大功率的變頻器，目前已超過(guò)10000KW；變頻調(diào)速產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比較完備；與變頻器相關(guān)的配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)初具規(guī)模；能夠生產(chǎn)變頻器中的功率器件，如IGBT、IGCT、SGCT等；高壓變頻器在各個(gè)行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益；產(chǎn)品國(guó)際化，當(dāng)?shù)鼗觿。恍录夹g(shù)，新工藝層出不窮，并被大量的、快速的應(yīng)用于產(chǎn)品中。ABB公司的Power Flex 800A/1500A的SGCT (Symmetrical Gate Commutated Thyristors)器件，功率范圍為150KW6770KW， kV6 kV，兀需熔斷器，有12脈沖整流和PWM整流兩種整流方式，提供AFE有源前端技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。ABB公司的ACS1000系列采用了IGCT（Intergrated Gate Commutated Thyristors）器件，功率范圍為315KW5000KW， kV6 kV，電壓源型三電平結(jié)構(gòu)并提供有源前端( AFE，Active kV4 kV，采用電壓型三電平結(jié)構(gòu)，并提供有源前端( AFE，Active Front End)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)。例如，國(guó)外各大品牌的產(chǎn)品正加緊占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，并加快了本地化的步伐；具有研發(fā)能力和產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的逐年增加；國(guó)產(chǎn)高壓變頻器的功率也越做越大，國(guó)內(nèi)高壓變頻器的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還有待規(guī)范；與變頻器相關(guān)的產(chǎn)業(yè)很不發(fā)達(dá)；生產(chǎn)工藝一般，可以滿足變頻器產(chǎn)品的技術(shù)要求，價(jià)格相對(duì)低廉；變頻器中使用的功率半導(dǎo)體關(guān)鍵器件完全依賴進(jìn)口，而且相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)還會(huì)依賴進(jìn)口；與發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)差距在縮小，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品正應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中；已經(jīng)研制出具有瞬時(shí)掉電再恢復(fù)、故障再恢復(fù)等功能的變頻器；部分廠家已經(jīng)開發(fā)出四象限運(yùn)行的高壓變頻器，矢量控制的高壓變頻器也已經(jīng)在使用。在中小功率變頻技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)幾乎所有的產(chǎn)品都是普通的V/F控制，僅有少量的樣機(jī)采用矢量控制，品種與質(zhì)量還不能滿足市場(chǎng)需要，每年大量進(jìn)口。在數(shù)字化系統(tǒng)可靠性方面與