【正文】 （ a） 的單相橋式逆變電路為例說明其最基本的工作原理 [14]。當(dāng)開關(guān) 1s 、 4s 閉合， 2s 、 3s 斷開時，負載電壓 0u 為正；當(dāng)開關(guān) 1s 、 4s 斷開， 2s 、 3s 閉合時， 0u 為負，其波形如圖 （ b） 所示。這就是逆變電路最基本的工作原理。當(dāng)負載為阻感時， 0i 相位滯后于 0u ，兩者波形的形狀也不同，圖 （ b） 給出的就是阻感負載時的 0i 的波形。在 1t 時刻斷開 1s 、 4s ，同時合上 2s 、 3s ，則 0u 的極性立刻變?yōu)樨?。這是負載電流從直流電源負極流出，經(jīng) 2s 、負載和 3s 流回正極，負載電感中儲存的能量向直流電源反饋，負載電流逐漸減小，到 2t 時刻降為零，之后 0i 才反向并逐漸增大。上面所說是 1s 4s均為理想開關(guān)時的分析，實際電路的工作過程要復(fù)雜一些。圖 為三相電壓型橋式逆變電路的結(jié)構(gòu)原理圖。C+C+u rUu rVu rW2U d2U dVD 5 圖 三相橋式逆變電路結(jié)構(gòu)原理 電壓型逆變器的調(diào)壓方式主要有三種 ： ① 調(diào)節(jié)直流側(cè)電源的電壓，在實際電路中，這種調(diào)壓往往是不可能的，因為實際的操作流程很繁瑣。若換相失敗，仍按遠正常的脈沖順序觸發(fā)可控硅，就會造成直流側(cè)短路 。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 ③ SPWM 技術(shù)，利用 SPWM 技術(shù)來實現(xiàn)調(diào)壓是目前電力電子領(lǐng)域最流行、穩(wěn)定性最好的調(diào)壓方式， SPWM 控制的優(yōu)點是諧波含量低，濾波器設(shè)計簡單，容易實現(xiàn)調(diào)壓、調(diào)頻功能。這種變頻器中的整流器采用不可控的二極管整流橋，逆變器則由具有自關(guān)斷能力的主開關(guān)元件組成。變頻器的脈寬調(diào)制技術(shù) PWM(Pulse Width Modulation)是用一 種參考波(通常是正弦波，有時也用階梯波或方波 )為“調(diào)制波” (modulation wave)，而以 N倍于調(diào)制波頻率的正三角波 (有時也用鋸齒波 )為“載波” (carrier wave)。用開關(guān)量取代模擬量，并通過對逆變器開關(guān)管的通斷控制，把直流電變成交流電，這一技術(shù)就叫做脈寬調(diào)制技術(shù)。 SPWM 控制的基本原理 在采樣理論中有一個重要的結(jié)論 [10]： 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。這里所說的效果相同，指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。例如圖 )、 b)、 c)所示的三個窄脈沖形狀不同，a)為矩形脈沖 ， b)為三角形脈沖， c)為正弦半波脈沖，但它們的面積 (即沖量 )都等于1，那么，當(dāng)它們分別加在 具有 慣性的同一個環(huán)節(jié)上時，其輸 出響應(yīng)基本相同。當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D )的單位脈沖函數(shù) δ (t)時，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。 下面來分析一下如何用一系列等幅而不等寬的脈沖代替一個正弦波。這些脈沖寬度相等，都等于 π/N，邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線， N 個脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化?？梢钥闯?，各脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的。對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到 PWM 波形。 )( tf )( tf )( tf )( tf)( t?0 000 t ttta ) b ) c ) d ) 圖 形狀不同而沖量相同的窄脈沖 ? tOua )b )u? t 圖 PWM 控制的基本原理示意圖 在 PWM 波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可。上面說明了 PWM 控制的基本原理。按照計算結(jié)果控制電路中各開關(guān)部件的通斷，就可以得到所需要的 PWM 波形。較為 實用的方法是采用調(diào)制的方法，即把所希望的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的 PWM 波形。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 SPWM 逆變電路及其控制方法 PWM 控制分為計算法和調(diào)制法，如果給出了逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)， PWM 波形中各脈沖的寬度和時間間隔可以準(zhǔn)確計算出來。調(diào)制法是把希望輸出的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作 為載波，通過信號波的調(diào)制得到所期望的 PWM 波形。因為等腰三角波上任一點的水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對稱，當(dāng)它與任何一個平緩變化的調(diào)制信號波相交時，如果在交點時刻對電路中開關(guān)器件的通斷進行控制，就可以得到寬度正比于信號波幅值的脈沖，這正好符合 PWM 控制的要求。這種情況運用最廣， 下面結(jié)合具體電路對這種方法作進一步介紹。 信號波載波調(diào)制電路U d+V 1V 2V 3V 4VD 1VD 2VD 3VD 4u oR Lu ru c 圖 單相橋式 PWM 逆變電路 設(shè)負載為阻感負載，其控制規(guī)律如下 ： （ 1）單極性控制方式 在 ru 和的 cu 交點時刻控制 IGBT 的通斷， ru 正半周 ， 1V 保持通， 2V 保持?jǐn)?： 當(dāng)ru cu 時使 4V 通， 3V 斷， 0u = dU ；當(dāng) ru cu 時使 4V 斷， 3V 通， 0u =0。這樣就得到 SPWM 波形 0u ，如圖 所示。 dU 兩種電平，仍在調(diào)制信號 ru 和載波信號 cu 的交邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 10 點控制器件的通斷， ru 正負半周，對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同， 當(dāng) ru cu 時 ，給 1V和 4V 導(dǎo)通信號，給 2V 和 3V 關(guān)斷信號，如 0i 0， 1V 和 4V 通，如 0i 0， 1VD 和 4VD 通， 0u = dU ；當(dāng) ru cu 時 ，給 2V 和 3V 導(dǎo)通信號，給 1V 和 4V 關(guān)斷信號， 如 0i 0， 2V 和 3V 通，如 0i 0，2VD 和 3VD 通， 0u = dU 。 目前 SPWM 波形的生成和控制多用微機來實現(xiàn)。 （ 1）自然采樣法 按照正弦波與三角波的交點進行脈沖寬度與間隙時間（功率器件關(guān)斷區(qū)間的 采樣，從而生成 SPWM 波形，叫做自然采樣法。但是由于求解脈沖寬度時，需要解超越方程，求解費時較長，實時性差，工程應(yīng)用中常采用規(guī)則采樣法。規(guī)則采樣可以對三角波正峰值和負峰值時刻采樣，對正峰值采樣，脈沖寬度明顯偏小控制誤差大，因而人們普遍采用負峰值采樣。這種調(diào)制得到的脈沖 同自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近，時間上略有差異。?? 39。由此可以求出脈沖 寬度 (1 sin ( ))2c DT Mt???? （ ） 可以看出負峰值時刻即采樣點時刻 Dt 只與載波比 N 有關(guān)，而與調(diào)制比 M 無關(guān)。則 ? =2 CNT? ，從而 （ ） 式可具體化為 2(1 s in ( ))2cT Mk N?? ?? （ ） 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 12 在三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊的間隙寬度 12( ) (1 si n ( ) )24 cc TT M k N???? ? ? ? ? （ ） 對于三相橋式逆變電路，應(yīng)該形成三相 SPWM 波形，通常三角載波是三相公用的，三相正弦調(diào)制波依次相差 120176。設(shè)在同一 個 三角波周期內(nèi)三相的脈沖寬度分別為 a? 、 b? 、 c? ，其間隙寬度分別為 a?? 、 b?? 、 c?? ，由于在同一時刻三相正弦調(diào)制波電壓之和為零，故由式 （ ） 式有 a? + b? + c? =32 cT （ ） 同理，由式 （ ） 式有 a?? + b?? + c?? =34 cT （ ） 這樣，在實際變頻裝置開發(fā)中，可以利用微機計算出 A 相波形所需的數(shù) a? 和 a?? ，在編制控制程序采用移相的方法就可以得到所有的三相 SPWM 波形數(shù)據(jù)。其代價就是犧牲了調(diào)制精度，跟隨精度不如自然采樣法高。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 13 3 基于單片機和 SA828 的 SPWM 波形發(fā)生器的設(shè)計 本章 重 點介紹基于單片機 和 SA828 的 SPWM 波形發(fā)生器的設(shè)計，主要內(nèi)容包括系統(tǒng)的整體方案設(shè)計及系統(tǒng)的硬件電路、軟件編程等，最后搭建實驗平臺，進行實驗 ，并分析了實驗結(jié)果。 設(shè)計采用 89S51 單片機 作為核心 處理器 ， 用 74HC373 設(shè)計一個 I/O口擴展電路， 實現(xiàn) 了 A/D 轉(zhuǎn)換輸出 的 數(shù)據(jù) 與 SA828 輸入控制數(shù)據(jù)的選通 。 系統(tǒng)整體方案 如圖 所示， 相應(yīng)電路 原理圖見附 錄 1。單片機 最小 系統(tǒng)包括晶振、復(fù)位、電源、系統(tǒng)的輸入控制、輸出顯示，以及其他外圍模塊（如通信、數(shù)據(jù)采集等 ） [17]，如圖 所示。設(shè)計一個高效、可靠 、 抗干擾能力強的電源 ， 對于整個電子設(shè)備的穩(wěn)定工作是必不可少的環(huán)節(jié)。 大部分的電子元件的工作電壓都是 +5V，單片機正 常工作或者對片內(nèi) EPROM寫入程序時， 接 +5V電源， 5V電源的電路原理圖如 圖 。 為了達到最佳的濾波效果，除了選擇合理的電路結(jié)構(gòu)以外 ， 在安裝時，應(yīng)盡量將濾波器的輸 入和輸出端遠離 開 端 ， 并剪短電容器的導(dǎo)線 ， 遵循導(dǎo)線貼地布線的原則。較為經(jīng)濟的做法是采用負載分離供電的方法。 電源接地是一種較為簡便易行的抗干擾措施 ， 但同時 ， 它又是需要很多實 踐經(jīng)驗和分析能力的技術(shù)。 （ 2） 時鐘電路 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 15 時 鐘電路，即晶振 電路。單片機內(nèi)部的時鐘電路組成，晶振的頻率越高，單片 機處理數(shù)據(jù)的速度越快，系統(tǒng)功耗也會相應(yīng)增加，穩(wěn)定性也會下降。其中， 在串口通信系統(tǒng)中經(jīng)常用到。 C 1C 2X 1Crystal89 S 51XTAL 230 pF30 pFXTAL 2 圖 常用的時鐘電路 晶振在 ~12MHz 之間選擇， 微調(diào)電容 C C2 可在 5pF~60pF 之間選擇。因此，必須可靠解決這一矛盾體。 （ 3）復(fù)位電路 復(fù)位是單片機初始化的操作， 他的功能是把 PC 初始化為 0000H，使單片機進入正常的初始化 操作或在由于程序運行出錯、 操作錯、操作錯誤而死鎖時 ， 擺脫困境。 實際應(yīng)用中 ， 圖 所示的加入施密特電路的復(fù)位電路，特別適用于現(xiàn)場干擾強、電壓波動大的工作環(huán)境。否則 ， 將導(dǎo)致程序失控 ， 電源瞬間斷電干擾會使程序“跑飛”或進入“死循環(huán)”。還要說明的是電源的穩(wěn)定與否也會影響單片機的復(fù)位 ， 若電源電壓上升緩慢 ， 穩(wěn)定過渡時間過長 ， 將會導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位不可靠。 由于現(xiàn)在單片機內(nèi)部的 flash 容量都很大，因此基本都是從內(nèi)部的存儲器讀取程序，即不需要外接 ROM 來存儲程序，因此， EA 腳必須接高電平。其可與單片機的 I/O 口直接相連，為提高單片機的帶負載能力可加一個上拉電阻 ，一般取 5~10k 即可 ； WR ： CPU 寫 選通信號 ； 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 17 RD ： 讀選通信號，設(shè)計中如果不需從 SA828 內(nèi)部讀取數(shù)據(jù)可其引腳接高電平 ； ALE： 地址鎖存允許端 ； CS ： 片選信號輸入； CLK： 外部時鐘輸入，當(dāng) CLK 為 時，載波頻率最高可達 24kHz； RPHT、 RPHB、 YPHT、 YPHB、 BPHT、 BPHB： 三相 PWM 波輸出端，每一輸出端的第一字母 R、 Y、 B 對應(yīng)于逆變器的 U、 V、 W 三相，最后一個字母T、 B 表示該項的上下兩個橋臂。 WSS： 波形同步采樣信號。該信號以零相位脈沖一起可用來檢測電機轉(zhuǎn)子的位置。該端可接逆變器故障檢測輸出。 此階梯波與三角波的交點所確定的脈寬 ： 1 1 22puT T qs??? ? ? 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 18 = 12( sin ) 4 2 ( sin ) 4t t tT M t T T M t???? 式中， M： 正弦波幅值與三角波幅值之比 ； tT ： 三角波周期 ； 1t ： 頂點采樣時刻 ； 2t ： 底點采 樣時刻 。它比對稱規(guī)則采樣法更接近正弦波，諧波小。 通過頻率給定電位器（電壓給定電位器）給波形發(fā)生器發(fā)出頻率參考值，經(jīng)過 AD 轉(zhuǎn)換后以中斷的方式使單片機獲得了給定信號，然后從 ROM 中讀取預(yù)先設(shè)定的相關(guān)參數(shù)寫給 SA828， SPWM 波形便可產(chǎn)生。單片機的外部中斷 0 留給從外部故障檢查電路的反饋用，一旦發(fā)生意外，立即以中斷的方式對六路觸發(fā)脈沖進行封鎖。它采用獨立的標(biāo)準(zhǔn)微處理器接口 ， 是 一種通 用可編程微機的外圍接口芯片。其全數(shù)字化的脈沖輸出具有很高的精度和穩(wěn)定性。電路的載波頻率、調(diào)制頻率、調(diào)制比、最小脈寬、死區(qū) 時間 等工作參數(shù)均可直接通過 軟件設(shè)定 ， 而不需要任何外接電路 ， 從而降低了 硬件 成本。 總線控制地 址 / 數(shù) 據(jù) 總 線R 0R 1