【正文】 ，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。下面分析如何用一系列等幅而不等寬的脈沖代替正弦半波。脈沖越窄，輸出的差異越小。如圖3—1所示，圖3—1a為矩形脈沖，圖3—1b為三角形脈沖，圖3—1c為正弦半波脈沖，它們的面積（即沖量）都等于1。這里所說的效果基本相同，是指該環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。 PWM控制的基本原理[3] 在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論，即沖量相等而形狀不同窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。圖27 IGBT觸發(fā)信號的隔離與放大原理圖3 PWM方法與控制技術(shù)PWM逆變器因功率因數(shù)高，對電網(wǎng)污染小，輸出諧波分量少，在現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)中中獲得廣泛應(yīng)用。圖27為其中一路信號的放大隔離原理圖。一般IPM的驅(qū)動(dòng)電壓必須不小于+15V，且需要有良好的電氣隔離性能和穩(wěn)定性，而AT89C2051單片機(jī)I/O口只能輸出TTL電平，最高電壓為+5V。由于IPM具有很多優(yōu)點(diǎn)，尤其是在發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)?shù)那闆r下也可以保證IPM本身不受損壞，很受用戶歡迎。IPM是一種將功率開關(guān)器件及其驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路等集成在同一封裝內(nèi)的集成模塊。近年來，隨著生產(chǎn)的需要，又推出了IGBT新的系列，這就是智能功率模塊IPM（Intelligengt Power Module）。首先通過計(jì)算機(jī)計(jì)算出符合SPWM規(guī)律的控制字，存儲在單片機(jī)的EPROM中，再從單片機(jī)的I/O口輸出到IGBT的門極G端。只有IGBT管依照正確的規(guī)律觸發(fā)，才能在逆變電路中獲得所需頻率的交流電。IGBT屬于全控器件，在UGE＞0時(shí)，其關(guān)斷和導(dǎo)通可以完全由門極電壓控制。為了保護(hù)管子，在柵極發(fā)射極間加穩(wěn)壓二極管，鉗制GE電壓的突然上升，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為15V時(shí)，二極管的穩(wěn)壓值可以為16V。如果不加這個(gè)電阻，當(dāng)管子導(dǎo)通瞬間，可能產(chǎn)生電流和電壓顫動(dòng)，會增加開關(guān)損耗。②使IGBT關(guān)斷的柵極驅(qū)動(dòng)電壓UGE應(yīng)大于5V，如果這個(gè)負(fù)電壓值太小，可能因?yàn)榧姌O電壓變化率du/dt的作用使管子誤導(dǎo)通或不能關(guān)斷。此外，IGBT的輸出特性還與溫度有關(guān)，溫度升高時(shí)，集電極發(fā)射極飽和壓降也隨著升高。IGBT的輸出特性類似于BJT。此外，本節(jié)的后面將介紹IGBT的驅(qū)動(dòng)模塊，各種驅(qū)動(dòng)模塊都有時(shí)間延遲，因此，IGBT的實(shí)際工作頻率都在100kHz以下，即使這樣，它的開關(guān)頻率、動(dòng)作速度也比BJT要快得多，可達(dá)30～40kHz。新一代的IGBT產(chǎn)品有高速開關(guān)系列（富士產(chǎn)品為L系列）和低導(dǎo)通電壓系列（富士產(chǎn)品為F系列）。富士公司IGBT模塊的UCE(sat) ~。目前富士公司提供給市場的IGBT模塊的電流范圍是8~400A。目前，IGBT的UGES值大部分為+20V，在使用中，設(shè)計(jì)的控制電壓值不能超過此值。通常IGBT的使用手冊給出如下的幾個(gè)主要參數(shù)： ①集電極發(fā)射極額定電壓 UCES 這個(gè)電壓值是廠家根據(jù)器件的雪崩擊穿電壓而規(guī)定的，是柵極發(fā)射極短路時(shí)IGBT能承受的耐壓值，也就是說UCES值小于等于雪崩擊穿電壓。 圖26 IGBT的基本電路由于IGBT性能優(yōu)良，已全面取代了功率晶體管而成為中小容量電力變流裝置中的主力器件，并廣泛用于交流變頻調(diào)速、開關(guān)電源及其他設(shè)備中。絕緣柵雙極性晶體管本質(zhì)上是一種結(jié)合了大功率晶體管GTR和功率場效應(yīng)晶體管MOSFET兩者特點(diǎn)的復(fù)合型器件，它有三個(gè)極：集電極（C）、發(fā)射極（E）、柵極（G），如圖2—6所示。（1）絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）簡介隨著電力電子學(xué)的發(fā)展，一種新的電力開關(guān)器件IGBT已經(jīng)在變頻器中使用。上述分析說明，通過6個(gè)開關(guān)的交替工作可以得到一個(gè)三相交流電，只要調(diào)節(jié)開關(guān)的通斷速度就可調(diào)節(jié)交流電頻率，當(dāng)然交流電的幅值可通過UD的大小來調(diào)節(jié)。2）各相的開關(guān)順序以各相的“首端”為準(zhǔn)，互差2/3電角度。根據(jù)該規(guī)律可得uUV、uVW、uWU波形如圖2—5c所示。用同樣的方法可得：SS6同時(shí)閉合和SS4同時(shí)閉合，得到uVW，SS2同時(shí)閉合和SS6同時(shí)閉合，得到uWU。S1ONS2ONS1ONS4ONS3ONS4ONS5ONS6ONS5ONS1S2S3S4b ）S5S6UU—VUV—WUW—UUn2л3л2л0л3wtwtwt圖2—5 三相逆變電路的原理圖c ）a）結(jié)構(gòu)圖 b）開關(guān)的通斷規(guī)律 c）波形圖圖2—5中，S1～S6組成了橋式逆變電路，這6個(gè)開關(guān)交替地接通、關(guān)斷就可以在輸出端得到一個(gè)相位互相差2/3的三相交流電壓。1．逆變原理在組成交—直—交變頻器的各電路中，逆變電路的工作較為復(fù)雜，現(xiàn)通過下述模型予以說明。[3]逆變電路將整流電路所得的直流變成頻率可調(diào)的交流電。而正因?yàn)槿绱?，直流中間電路也被稱為平滑電路。因此，為了保證逆變電路和控制電源能夠得到較高質(zhì)量的直流電壓，必須對整流電路的輸出進(jìn)行平滑，以減少電壓或電流的波動(dòng)。雖然利用整流電路可以從電網(wǎng)的交流電源得到直流電壓，但這種電壓含有頻率為電源頻率六倍的電壓紋波。能保持晶閘管導(dǎo)通的最小電流稱之為維持電流。③晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極電壓是正還是負(fù)，晶閘管保持導(dǎo)通，故導(dǎo)通的控制信號只須正向脈沖電壓，稱之為觸發(fā)脈沖。②當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓時(shí)，僅在門極承受正向電壓的情況下，晶閘管才能導(dǎo)通，正向陽極電壓和正向門極電壓兩者缺一不可。 晶閘管的內(nèi)部有一個(gè)由硅半導(dǎo)體材料做成的管芯，它是四層（P、N、P、N）三端（A、K、G）器件，它決定了晶閘管的性能。1．晶閘管簡介及其導(dǎo)通規(guī)律 圖24 晶閘管電氣符號晶閘管是電力電子技術(shù)上常用的一種交流器件，俗稱可控硅。負(fù)載圖23 變頻器主電路[3]在一般的SPWM逆變電路中，使用的是二極管不可控整流，而本系統(tǒng)采用的是晶閘管三相橋全控整流。系統(tǒng)總的硬件結(jié)構(gòu)如圖2—2所示。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，它被用來實(shí)現(xiàn)對異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。逆變電路是變頻器最主要的部分之一。它的主要作用是對工頻的外部電源進(jìn)行整流，并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。結(jié)合圖2—1簡單介紹一下變頻器各部分電路的基本作用。變頻器基本上都有著圖21所示的基本結(jié)構(gòu)。主回路由整流器（整流模塊）、濾波器（濾波電路）和逆變器（大功率晶體模塊）三個(gè)主要部分組成。2 變頻器基本原理與系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)變頻器的發(fā)展已有數(shù)十年的歷史，在變頻器的發(fā)展過程也曾出現(xiàn)過多種類型的變頻器，但是目前成為市場主流的變頻器基本上有著相同的基本結(jié)構(gòu)，其實(shí)現(xiàn)的基本原理也相同。本設(shè)計(jì)采用全數(shù)字化方案產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM 信號以控制功率器件的開關(guān)，完成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線的PWM 信號輸出。系統(tǒng)工作過程中電動(dòng)機(jī)的中心頻率、換相周期等參數(shù)由鍵盤設(shè)定并通過RS—232串行通訊傳輸給下位機(jī)。系統(tǒng)采用兩級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來進(jìn)行控制。所控制的變頻器采用交流—直流—交流的變頻方式，主電路由整流電路和逆變電路兩部分組成，即先由整流電路將工頻交流電轉(zhuǎn)換成直流電，再由逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的交流電。由過去的指示燈、發(fā)光二極管、LED數(shù)碼管，發(fā)展到目前的液晶顯示（LCD），顯示行數(shù)有4行等。為適應(yīng)紡織和精密機(jī)械等更多領(lǐng)域的高速需求，變頻器的頻率已由過去的0～50～120 Hz，發(fā)展到400 Hz，目前已提高到600～1000 Hz，甚至3 kHz以上。對于小于等于22 kW變頻器采用一個(gè)32位數(shù)字信號處理器（DSP），提高了計(jì)算、檢測和響應(yīng)的速度，擴(kuò)充和加強(qiáng)了其處理功能。通用變頻器的發(fā)展趨勢是：（1）數(shù)控化。應(yīng)用的技術(shù)有：脈寬調(diào)制（PWM）、滑模控制、非線性變換、功能控制及交流電動(dòng)機(jī)矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制和自適應(yīng)控制等。經(jīng)過40多年的發(fā)展，電力電子技術(shù)已成為一門多學(xué)科的邊緣技術(shù)，它包含交流電路、電力電子器件、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、模擬電子學(xué)和數(shù)字電子學(xué)、微型計(jì)算機(jī)、控制理論、超小規(guī)模集成電路、高頻技術(shù)和電磁兼容等。第四代電力電子器件，有出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代末的智能化功率集成電路（PIC）和20世紀(jì)90年代的智能功率模塊（IPM）、集成門極換流晶閘管（IGCT）。它是一種電壓（場控）型自關(guān)斷電力電子器件，具有在任意時(shí)刻用基極（柵極、門極）信號控制導(dǎo)通和關(guān)斷的功能。它是一種電流型自關(guān)斷的電力電子器件，可方便地實(shí)現(xiàn)變頻、逆變和斬波，其開關(guān)頻率只有1～5kHz。它主要是電流控制型開關(guān)器件，以小電流控制大功率的變換，但其開關(guān)頻率低，只能導(dǎo)通而不能自關(guān)斷。第一代以晶閘管為代表的電力電子器件出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代。如果超導(dǎo)磁懸浮列車、高速鐵路、電動(dòng)汽車、機(jī)器人；采油的調(diào)速、超聲波驅(qū)油；變頻空調(diào)、變頻洗衣機(jī)、變頻微波爐、變頻電冰箱；軍事通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、宇宙設(shè)備的小型化電源等。從起初的整流、交直流可調(diào)電源等已發(fā)展至高壓直流輸電、不同頻率電網(wǎng)系統(tǒng)的連接、靜止無功功率補(bǔ)償和諧波吸收、超導(dǎo)電抗器的電力儲存等。它通過控制電力電子器件的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)交流無觸點(diǎn)開關(guān)、調(diào)壓、調(diào)光、調(diào)速等目的。如果輸出的交流電頻率、相位、幅值與輸入的交流電相同，稱為有源變頻技術(shù)；否者稱為無源變頻技術(shù)。振蕩器利用電子放大器件將直流電變成不同頻率的交流電甚至電磁波。（2）直—直變頻技術(shù)（即斬波技術(shù)），它是通過改變電力電子器件的通斷時(shí)間，即改變脈沖的頻率（定寬變頻），或改變脈沖的寬度（定頻調(diào)寬），從而達(dá)到調(diào)節(jié)直流平均電壓的目的。變頻技術(shù)的類型主要有以下幾種：（1）交—直變頻技術(shù)（即整流技術(shù)），它是通過二極管整流，二極管蓄流或晶閘管、功率晶體管可控整流實(shí)現(xiàn)交—直（0Hz）功率轉(zhuǎn)換。[1][1]變頻技術(shù)，簡單地說就是把直流電逆變成不同頻率的交流電，或是把交流電變成直流電再逆變成不同頻率的交流電，或是把直流電變成交流電再把交流電變成直流電。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)的發(fā)展，變頻器的控制方式今后將向數(shù)字控制變頻器等方向發(fā)展。；下位機(jī)CPU選用美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C2051單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。本文首先對變頻技術(shù)、PWM控制原理等內(nèi)容進(jìn)行介紹?！禕BC》評論上提出把這項(xiàng)通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中，從此為交流傳動(dòng)的推廣、應(yīng)用開辟了新的局面。前言在現(xiàn)代工業(yè)和經(jīng)濟(jì)生活中，伴隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)以及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，變頻技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。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信號以控制功率器件的開關(guān)開始，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信號輸出，可以說直到目前為止 ，PWM在各種應(yīng)用場合仍占主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點(diǎn)。在充分了解PWM變頻原理的情況下，設(shè)計(jì)一個(gè)用單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖信號，達(dá)到變頻目的的系統(tǒng)。 目錄1. 緒 論…………………………………………………………………………………………………… 1…………………………………………………………………………………………………… 1…………………………………………………………………………………………… 1…………………………………………………………………………………… 2………………………………………………………………………………………………… 2……………………………………………………………………………………………………… 32. 變頻器基本原理與系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)………………………………………………………………………… 4……………………………………………………………………………… 4 變頻器的基本結(jié)構(gòu)……………………………………………………………………………………… 4……………………………………………………………………………………… 4……………………………………………………………………………………………… 4……………………………………………………………………………………… 5………………………………………………………………………………………………… 5…………………………………………………………………………………………… 6………………………………………………………………………………………………… 63 PWM方法與控制技術(shù)……………………………………………………………………………… 11 PWM控制的基本原理……………………………………………………………………………………… 11 PWM變頻的微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)……………………………………………………………………………… 164 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)……………………………………………………………………………………… 22…………………………………………………………………………………… 22……………………………………………………………………………………… 22………………………………………………………………… 27……………………………………………………………………………………