【正文】 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重要的結論，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)中中獲得廣泛應用。圖27為其中一路信號的放大隔離原理圖。一般IPM的驅動電壓必須不小于+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，尤其是在發(fā)生負載事故或使用不當?shù)那闆r下也可以保證IPM本身不受損壞，很受用戶歡迎。IPM是一種將功率開關器件及其驅動電路，保護電路等集成在同一封裝內的集成模塊。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）。首先通過計算機計算出符合SPWM規(guī)律的控制字，存儲在單片機的EPROM中，再從單片機的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，其關斷和導通可以完全由門極電壓控制。為了保護管子，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，當驅動電壓為15V時，二極管的穩(wěn)壓值可以為16V。如果不加這個電阻，當管子導通瞬間，可能產(chǎn)生電流和電壓顫動，會增加開關損耗。②使IGBT關斷的柵極驅動電壓UGE應大于5V，如果這個負電壓值太小，可能因為集電極電壓變化率du/dt的作用使管子誤導通或不能關斷。此外，IGBT的輸出特性還與溫度有關，溫度升高時，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的驅動模塊，各種驅動模塊都有時間延遲，因此，IGBT的實際工作頻率都在100kHz以下，即使這樣，它的開關頻率、動作速度也比BJT要快得多，可達30～40kHz。新一代的IGBT產(chǎn)品有高速開關系列（富士產(chǎn)品為L系列）和低導通電壓系列（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，設計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主要參數(shù)： ①集電極發(fā)射極額定電壓 UCES 這個電壓值是廠家根據(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速、開關電源及其他設備中。絕緣柵雙極性晶體管本質上是一種結合了大功率晶體管GTR和功率場效應晶體管MOSFET兩者特點的復合型器件，它有三個極：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的發(fā)展，一種新的電力開關器件IGBT已經(jīng)在變頻器中使用。上述分析說明，通過6個開關的交替工作可以得到一個三相交流電，只要調節(jié)開關的通斷速度就可調節(jié)交流電頻率，當然交流電的幅值可通過UD的大小來調節(jié)。2）各相的開關順序以各相的“首端”為準，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同時閉合和SS4同時閉合，得到uVW，SS2同時閉合和SS6同時閉合，得到uWU。S1ONS2ONS1ONS4ONS3ONS4ONS5ONS6ONS5ONS1S2S3S4b ）S5S6UU—VUV—WUW—UUn2л3л2л0л3wtwtwt圖2—5 三相逆變電路的原理圖c ）a）結構圖 b）開關的通斷規(guī)律 c）波形圖圖2—5中，S1～S6組成了橋式逆變電路，這6個開關交替地接通、關斷就可以在輸出端得到一個相位互相差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的交流電。而正因為如此，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量的直流電壓，必須對整流電路的輸出進行平滑，以減少電壓或電流的波動。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。能保持晶閘管導通的最小電流稱之為維持電流。③晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不論門極電壓是正還是負，晶閘管保持導通，故導通的控制信號只須正向脈沖電壓，稱之為觸發(fā)脈沖。②當晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下，晶閘管才能導通，正向陽極電壓和正向門極電壓兩者缺一不可。 晶閘管的內部有一個由硅半導體材料做成的管芯，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．晶閘管簡介及其導通規(guī)律 圖24 晶閘管電氣符號晶閘管是電力電子技術上常用的一種交流器件，俗稱可控硅。負載圖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)總的硬件結構如圖2—2所示。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，它被用來實現(xiàn)對異步電動機的調速控制。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所示的基本結構。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）三個主要部分組成。2 變頻器基本原理與系統(tǒng)硬件設計變頻器的發(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構，其實現(xiàn)的基本原理也相同。本設計采用全數(shù)字化方案產(chǎn)生正弦脈寬調制SPWM 信號以控制功率器件的開關，完成優(yōu)化的實時在線的PWM 信號輸出。系統(tǒng)工作過程中電動機的中心頻率、換相周期等參數(shù)由鍵盤設定并通過RS—232串行通訊傳輸給下位機。系統(tǒng)采用兩級計算機控制系統(tǒng)來進行控制。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換成直流電，再由逆變電路將直流電轉換成頻率可調的交流電。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。為適應紡織和精密機械等更多領域的高速需求，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32位數(shù)字信號處理器（DSP），提高了計算、檢測和響應的速度，擴充和加強了其處理功能。通用變頻器的發(fā)展趨勢是：（1）數(shù)控化。應用的技術有：脈寬調制（PWM）、滑?？刂?、非線性變換、功能控制及交流電動機矢量控制、直接轉矩控制、模糊控制和自適應控制等。經(jīng)過40多年的發(fā)展，電力電子技術已成為一門多學科的邊緣技術，它包含交流電路、電力電子器件、計算機輔助設計、模擬電子學和數(shù)字電子學、微型計算機、控制理論、超小規(guī)模集成電路、高頻技術和電磁兼容等。第四代電力電子器件，有出現(xiàn)于20世紀80年代末的智能化功率集成電路（PIC）和20世紀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）型自關斷電力電子器件，具有在任意時刻用基極（柵極、門極）信號控制導通和關斷的功能。它是一種電流型自關斷的電力電子器件，可方便地實現(xiàn)變頻、逆變和斬波，其開關頻率只有1～5kHz。它主要是電流控制型開關器件，以小電流控制大功率的變換，但其開關頻率低，只能導通而不能自關斷。第一代以晶閘管為代表的電力電子器件出現(xiàn)于20世紀50年代。如果超導磁懸浮列車、高速鐵路、電動汽車、機器人；采油的調速、超聲波驅油；變頻空調、變頻洗衣機、變頻微波爐、變頻電冰箱；軍事通信、導航、雷達、宇宙設備的小型化電源等。從起初的整流、交直流可調電源等已發(fā)展至高壓直流輸電、不同頻率電網(wǎng)系統(tǒng)的連接、靜止無功功率補償和諧波吸收、超導電抗器的電力儲存等。它通過控制電力電子器件的導通與關斷時間，實現(xiàn)交流無觸點開關、調壓、調光、調速等目的。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；否者稱為無源變頻技術。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（即斬波技術），它是通過改變電力電子器件的通斷時間，即改變脈沖的頻率（定寬變頻），或改變脈沖的寬度（定頻調寬），從而達到調節(jié)直流平均電壓的目的。變頻技術的類型主要有以下幾種：（1）交—直變頻技術（即整流技術），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現(xiàn)交—直（0Hz）功率轉換。[1][1]變頻技術，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、微電子技術、計算機網(wǎng)絡等高新技術的發(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CPU選用美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C2051單片機來實現(xiàn)。本文首先對變頻技術、PWM控制原理等內容進行介紹?！禕BC》評論上提出把這項通訊技術應用到交流傳動中，從此為交流傳動的推廣、應用開辟了新的局面。前 言在現(xiàn)代工業(yè)和經(jīng)濟生活中，伴隨著電力電子技術、微電子技術以及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，變頻技術已廣泛應用于各個領域。PWM控制技術一直是變頻技術的核心技術之一。從最初采用模擬電路完成三角調制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調制SPWM信號以控制功率器件的開關開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實時在線的PWM信號輸出，可以說直到目前為止 ，PWM在各種應用場合仍占主導地位，并一直是人們研究的熱點。在充分了解PWM變頻原理的情況下，設計一個用單片機產(chǎn)生PWM脈沖信號，達到變頻目的的系統(tǒng)。 目錄1. 緒 論…………………………………………………………………………………………………… 1…………………………………………………………………………………………………… 1…………………………………………………………………………………………… 1…………………………………………………………………………………… 2………………………………………………………………………………………………… 2……………………………………………………………………………………………………… 32. 變頻器基本原理與系統(tǒng)硬件設計………………………………………………………………………… 4……………………………………………………………………………… 4 變頻器的基本結構……………………………………………………………………………………… 4……………………………………………………………………………………… 4……………………………………………………………………………………………… 4……………………………………………………………………………………… 5………………………………………………………………………………………………… 5…………………………………………………………………………………………… 6………………………………………………………………………………………………… 63 PWM方法與控制技術……………………………………………………………………………… 11 PWM控制的基本原理……………………………………………………………………………………… 11 PWM變頻的微型計算機實現(xiàn)……………………………………………………………………………… 164 系統(tǒng)程序設計……………………………………………………………………………………… 22…………………………………………………………………………………… 22……………………………………………………………………………………… 22………………………………………………………………… 27……………………………………………………………………………………