【正文】 E4520集成電路芯片，本系統(tǒng)使用的是SLE4520,現(xiàn)對(duì)SLE4520集成芯片作主要介紹。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收、輸出4個(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。P1口管腳寫(xiě)入1后，被內(nèi)部上拉電阻拉高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。當(dāng)P1口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。具體硬件電路圖見(jiàn)附錄。圖4—1 系統(tǒng)主電路原理圖 變頻器控制電路設(shè)計(jì)控制電路的設(shè)計(jì)是變頻器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的變頻器采用模擬器件實(shí)現(xiàn)，因模擬器件受溫度的影響而嚴(yán)重影響其性能，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)和SPWM專用集成芯片配合來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變控制器6個(gè)IGBT的通斷。圖中，SLE4520為PWM專用集成電路，輸出三相SPWM波，然后通過(guò)光耦驅(qū)動(dòng)接入逆變電路，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。主電路中串聯(lián)的電阻R1在變頻器起動(dòng)時(shí)限制起動(dòng)電流。中間電路一般采用電容進(jìn)行濾波，以提高整流效果。圖3—5 PWM電壓型逆變器的異步電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)V/f控制框圖4 變頻器硬件電路設(shè)計(jì)部分 變頻器主電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)主電路采用交—直—交電壓型結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)變壓變頻控制。當(dāng)速度指令突然增加時(shí)，電機(jī)電流迅速上升到電流限制值，由于電流限制信號(hào)的作用使逆變器的電壓和頻率指令能逐步增長(zhǎng)，讓電機(jī)轉(zhuǎn)速跟上頻率的增長(zhǎng)，不至于使轉(zhuǎn)差頻率超過(guò)最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差頻率。圖中速度指令與速度傳感器檢測(cè)到的實(shí)際速度相比較，速度誤差經(jīng)過(guò)速度調(diào)節(jié)器給出了逆變器的電壓和頻率指令。轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的靜態(tài)特性優(yōu)于轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制，可以使整個(gè)調(diào)速范圍的調(diào)速性能一致，改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這里通過(guò)控制電流型逆變器的電流使輸出電壓滿足壓頻比一定的要求，如果低速時(shí)要對(duì)定子電壓進(jìn)行補(bǔ)償，可以很容易地將補(bǔ)償電壓加在生成的過(guò)程中。圖示的電流型逆變器就是電壓控制模式，加有輸出電壓控制閉環(huán)，同時(shí)保持了電流型逆變器容易實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)和四象限運(yùn)行以及上下橋臂發(fā)生貫穿短路時(shí)開(kāi)關(guān)元件不易損壞的特點(diǎn)。實(shí)際控制系統(tǒng)中可對(duì)定子電流進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)定子電流的大小來(lái)控制的增減，使得轉(zhuǎn)差頻率不至于過(guò)大。電機(jī)減速過(guò)程與加速過(guò)程相仿，可以降低來(lái)減速。U0的大小根據(jù)實(shí)際需要來(lái)定。圖3—3 使用PWM電壓型逆變器的異步電機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)V/f控制在上圖中，為逆變器的頻率指令，為使磁通保持一定，電壓指令要與頻率成正比變化，圖中電壓指令由頻率指令經(jīng)過(guò)增益G產(chǎn)生。1. PWM電壓型逆變器轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)的V/f控制系統(tǒng)圖3—3所示為使用PWM電壓型逆變器的異步電機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)V/f控制的框圖。適用于對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求不高的單片機(jī)或多電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。在V/F控制方式中，會(huì)有許多不同補(bǔ)償程度的U/f線供選擇，如圖3—2所示，圖中，曲線2和曲線3低于基本U/f線，主要用于風(fēng)機(jī)和水泵類等低速時(shí)阻轉(zhuǎn)矩很小的負(fù)載?；綰/f線給出了與額定電壓對(duì)應(yīng)的基本頻率的大小，是對(duì)U/f的比值進(jìn)行調(diào)整時(shí)的基準(zhǔn)線。 V/F曲線的選擇由模擬量進(jìn)行頻率給定時(shí)，變頻器給定頻率與給定信號(hào)X之間的關(guān)系曲線,稱為頻率給定線。變頻調(diào)速是以變頻器向交流電動(dòng)機(jī)供電，并構(gòu)成開(kāi)環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)，對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速表達(dá)式為： （3—1）：電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速 ：定子供電頻率 ：極對(duì)數(shù) ：同步轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)差率，改變就可以改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到改變的目的。它的特點(diǎn)是當(dāng)調(diào)制波頻率很低時(shí)，載波頻率也很低，由調(diào)制帶來(lái)的諧波不易濾除；當(dāng)調(diào)制波頻率很高時(shí)，載波頻率會(huì)過(guò)高，使開(kāi)關(guān)器件難以承受。2)同步調(diào)制：載波比N等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號(hào)波保持同步。具體方法是，將載波頻率固定，而調(diào)制波頻率變化，這樣載波比就是變化的，所以稱為異步調(diào)制。根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制。首先引入載波比這樣一個(gè)概念。從圖中可得于是通過(guò)這樣的采樣方式和計(jì)算公式，便可以用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)SPWM控制方式。于是就產(chǎn)生了方波。如圖2—12所示。散熱風(fēng)扇有些事直接接在電源上，變頻器上電后即運(yùn)轉(zhuǎn)，有些是通過(guò)中心控制單元來(lái)控制，散熱器溫度高時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，溫度低時(shí)停止。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①能將主電路和控制電路完全電氣隔離，實(shí)現(xiàn)高低壓分離；②能夠提供足夠的電壓或電流，可靠的開(kāi)關(guān)功率器件； ③能傳遞幾十KHz的脈沖信號(hào)；④電路盡可能簡(jiǎn)單，工作可靠，有較強(qiáng)的抗干擾能力。 6. 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路是中心控制單元和逆變電路之間的聯(lián)系紐帶。5. 控制電源變頻器的控制電源為所有的控制電路提供電源。4. 通信接口變頻器的通信接口提供以通信方式與外部其他設(shè)備交換信息的功能。各種信號(hào)接口電路都在系統(tǒng)板上，系統(tǒng)板上的微處理器的控制程序存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，用戶設(shè)置參數(shù)可以改變程序的計(jì)算參數(shù)和結(jié)構(gòu)。2. 中心控制單元中心控制單元是變頻器的核心器件，它通過(guò)輸入接口和通信接口取得外部控制信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)電路取得電壓、電流、溫度等運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)設(shè)置的運(yùn)行方式，進(jìn)行恒壓頻比控制、矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制，將控制命令傳送給PWM專用集成電路，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，觸發(fā)逆變器工作。3）模擬量輸入接口接收外部參數(shù)，如頻率設(shè)定、速度反饋信號(hào)燈。1）開(kāi)關(guān)量輸入接口接收外部的邏輯控制命令，如起停、正反轉(zhuǎn)、多種速度選擇等。 變頻器控制電路結(jié)構(gòu)及功能由圖2—1可見(jiàn)，常用變頻器控制電路包括：信號(hào)輸入輸出部分、中心控制單元、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)保護(hù)電路、通信接口、控制電源等6部分。逆變電路開(kāi)關(guān)器件通斷的頻率很高，往往達(dá)到幾KHz甚至數(shù)十KHz。（3）逆變電路使用的開(kāi)關(guān)器件 對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，所提供的電壓越接近正弦越好，否則會(huì)有諧波干擾和機(jī)械振動(dòng)。圖2—11 制動(dòng)電路原理圖4. 逆變電路（1）電壓型逆變電路 電壓型逆變電路直流側(cè)一定接有大電容濾波，直流電壓基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗，相當(dāng)于電壓源。一般RB通過(guò)變頻器接線端外接。制動(dòng)電路可由制動(dòng)電阻或斬波制動(dòng)單元構(gòu)成，圖2—11為制動(dòng)電路的原理圖。圖2—10為電流型變頻器的電路框圖。電壓型變頻器的電路圖如圖2—9所示。采用大電容濾波后再送給逆變器，這樣可以使加于負(fù)載上的電壓值不受負(fù)載變動(dòng)的影響，基本保持恒定。為了得到所需的耐壓值和容量，往往需要根據(jù)變頻器容量的要求，將電容進(jìn)行串并聯(lián)使用。因此，必須對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行濾波，以減少電壓或電流的波動(dòng)。圖2—7 不可控整流電路 圖2—8（a） 圖2—8（b）三相橋式全控整流電路 三相橋式半控整流電路3. 中間電路變頻器的中間電路有濾波電路、制動(dòng)電路和諧振電路等不同的形式。如圖2—7所示，為不可控橋式整流電路，大部分通用變頻器屬于此種類型。供逆變電路使用，整流電路在變頻器當(dāng)中有不可控整流電路和可控整流電路兩種?？刂撇ㄐ稳鐖D2—5所示，如果在正弦調(diào)制波半個(gè)周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負(fù)之間變化，叫做雙極性控制方式，控制波形如圖2—6所示。原理圖見(jiàn)圖2—3和圖2—4SPWM通常有單極性方式和雙極性方式。要改變等效輸出正弦波的頻率和幅值，可以采用正弦波和三角波比較的方法。正弦脈寬調(diào)制SPWM是現(xiàn)在變頻器普遍使用的控制技術(shù)。帶有阻容吸收電路和二極管續(xù)流的晶體管VT1—VT6組成逆變電路，將整流、濾波后的直流電通過(guò)PWM調(diào)制技術(shù)轉(zhuǎn)換為頻率、電壓可調(diào)的交流電。1. 主電路工作原理 如圖2—2所示，由電源輸入的恒壓恒頻的交流電經(jīng)R、S、T端輸入變頻器主電路，經(jīng)VD1—VD6整流后變換成直流電，由于濾波電容CFCF2容量很大，所以設(shè)置限流電阻R1，上電前，控制K或V1斷開(kāi)，濾波電容電壓升圖2—1 變頻器基本結(jié)構(gòu)圖2—2 變頻器主電路原理圖高后，再控制K或V1導(dǎo)通。通用變頻器基本結(jié)構(gòu)如圖2—1所示。一般由單片機(jī)系統(tǒng)板或?qū)Ｓ糜?jì)算機(jī)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電路組成，屬于弱電部分。主電路所使用的器件都是高電壓（一般工作在AC220V以上）大電流，屬于強(qiáng)電部分。 變頻器結(jié)構(gòu)與功能 現(xiàn)在使用的變頻器大多數(shù)為交—直—交電壓型通用變頻器，一般變頻器包括主電路、控制電路、操作面板3部分。（3） 開(kāi)關(guān)量輸入（DI）用作變頻器的起停、正反轉(zhuǎn)、多種速度選擇功能。變頻器使用時(shí)，通過(guò)控制端子實(shí)現(xiàn)控制功能。（3）直接轉(zhuǎn)矩控制方式，是目前最新的控制方式。 （1）恒壓頻比控制方式，最早使用的方式，現(xiàn)在仍在使用。（2）頻率精度 變頻器實(shí)際輸出頻率與設(shè)定頻率之間的最大誤差與最高工作頻率之比的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。大多數(shù)變頻器都規(guī)定為150%IN、60s或180%IN、。一般變頻器輸入側(cè)的額定值有以下幾種：(1) 380V/50Hz/三相(2) 230V/50Hz或60Hz/三相(3) 200230V/50Hz/單相（1）輸出電壓UN（V）（2）輸出電流IN（A）（3）輸出容量SN（KV數(shù)字技術(shù)和微控制器技術(shù)的發(fā)展，使這種趨勢(shì)成為可能。如用于恒壓供水、機(jī)械主軸傳動(dòng)、電源再生，紡織、機(jī)車(chē)牽引等的專用系列。 通用變頻器中出現(xiàn)專用家族是近年來(lái)的事。這就是說(shuō)，變頻器的小型化除了出自支撐部件的安裝技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大規(guī)模集成化外，功率器件發(fā)熱的改善和冷卻技術(shù)的發(fā)展已成為小型化的重要因素。因此由集成電路構(gòu)成的一體化模塊的變頻器將在市場(chǎng)上更具有競(jìng)爭(zhēng)力。從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM信號(hào)以控制功率器件的開(kāi)關(guān)開(kāi)始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線的PWM信號(hào)輸出，PWM在各種應(yīng)用場(chǎng)合仍占主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點(diǎn)。由于脈寬調(diào)制PWM（Pulse Width Modulation）可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓的特點(diǎn)，因此在交流傳動(dòng)乃至其他能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 控制技術(shù)的發(fā)展完全得益于微處理器技術(shù)的發(fā)展。轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性在于：轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息，控制上對(duì)除定子外所有電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化特性良好；所引入的定子磁鏈觀測(cè)器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器，這種控制被稱為無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。 第三階段：1985年德國(guó)魯爾大學(xué)狄普布洛克（Depenbrock）教授和日本塔卡哈什（Takahashi）等人先后提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論（Direct Torque Control，簡(jiǎn)稱DTC）。它是1972年德國(guó)伯拉斯切克（）等人首先提出，以直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)比較的方法闡述了這一原理，由此開(kāi)創(chuàng)了交流電動(dòng)機(jī)和等效直流電動(dòng)機(jī)控制的先河。具體來(lái)說(shuō)，其控制曲線隨著負(fù)載變化而變化；轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而使性能下降，穩(wěn)定性變差。當(dāng)前電力電子器件正朝著發(fā)熱減少、高載波控制、開(kāi)關(guān)頻率提高、驅(qū)動(dòng)功率減小的方向發(fā)展。變頻器的主電路使用的都是高電壓（在交流220V以上）、大電流的電力電子器件作為開(kāi)關(guān)器件，因此電力電子器件是變頻器發(fā)展的基礎(chǔ)。變頻器不僅在工業(yè)的各行業(yè)廣泛應(yīng)用，就連家庭也逐漸成為通用變頻器的應(yīng)用場(chǎng)所。 變頻器的發(fā)展情況自20世紀(jì)80年代初變頻器問(wèn)世以來(lái)，變頻器在不斷發(fā)展完善，現(xiàn)在已大量應(yīng)用于各行各業(yè)。近幾年國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)也是迅速發(fā)展，出現(xiàn)了如華為、森蘭等一系列品牌。這也是目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一。交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)具有節(jié)能、易維護(hù)、高性價(jià)比等諸多優(yōu)點(diǎn)，被普遍認(rèn)為是最有前途的調(diào)速方式。論文主要結(jié)構(gòu)安排：第一章，概論，敘述調(diào)速技術(shù)與變頻的新思想；第二章，介紹變頻器發(fā)展態(tài)勢(shì)及變頻器應(yīng)用電路的結(jié)構(gòu)等內(nèi)容；第三章，講述V/f控制原理及其實(shí)現(xiàn)方案；第四章，對(duì)設(shè)計(jì)中用到的芯片及器件進(jìn)行介紹，并簡(jiǎn)單敘述一下硬件部分電路原理圖；第五章，進(jìn)行SPWM控制算法及軟件編程算法的分析與設(shè)計(jì)。矢量控制的原理是采用坐標(biāo)變換的方法，以產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)和變換后功率不變?yōu)闇?zhǔn)則，建立三相交流繞組，兩相交流繞組和直流繞組三者之間的等效關(guān)系，從而求出與交流電機(jī)等效的直流電機(jī)模型，即實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)的解耦，以便按照對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制方法對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，矢量控制要求由磁通觀測(cè)器測(cè)出實(shí)際轉(zhuǎn)子磁鏈幅值及相位，因此如何利用先進(jìn)理論和技術(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁鏈位置的精確觀測(cè)是矢量控制技術(shù)的重要課題。SPWM的調(diào)制原理是使變頻器的輸出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)面積相等，改變調(diào)制波的頻率和幅值即可調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的頻率和幅值。此外，由于輸出波形由方波改進(jìn)為PWM波，減少了低次諧波，從而解決了電動(dòng)機(jī)在低頻區(qū)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題，也降低了電動(dòng)機(jī)的諧波損耗和噪聲。 SPWM控制技術(shù)介紹正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)在變頻器中得到廣泛的應(yīng)用。(2)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為了提高運(yùn)算速度，在20世紀(jì)80年代初期出現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)處理器，其中采取了一系列措施，包括集成硬件乘法器、提高時(shí)鐘頻率、支持浮點(diǎn)運(yùn)算等，以提高運(yùn)算速度。隨著單片機(jī)性能的不斷提高，單片機(jī)具有了豐富的硬件資源和軟件資源。以微處理器為核心的數(shù)字控制已經(jīng)成為現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的主要特征之一。當(dāng)今模擬控制器己被淘汰，全數(shù)字化的交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。3. 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用為現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)提供了重要的技術(shù)手段和保證早期的交流調(diào)速系統(tǒng)的控制器〔或系統(tǒng)的控制回路)多為由模擬電子電路組成。基本可分四類，即等寬PWM法、正弦PWM法、磁鏈追蹤型PWM法及電流跟蹤型PWM法。2. 脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的