【正文】 rated by software needed SPWM wave, instead of a special waveform generation chip, greatly reduced the volume of the control circuit. Builtin watchdog circuit to prevent the program error and system error, and to some extent, but also to ensure the normal operation of the system, mainly posed of the following sections: ⑴ lowpower singlephase inverter introduced。 ⑶ The output current measurement and acquisition and temperature acquisition。 ⑸ The design of the CAN munication interface Keywords: inverter control system energysaving IGBT 目錄設(shè)計(jì)總說明： IDesign General Description: IV1 緒論 1 1 1 變頻器的分類 2 2 5 62硬件電路設(shè)計(jì) 8 8 8 SPWM技術(shù)介紹 10 CAN 總線技術(shù)簡介 14 17——DSPIC320F6010A 17 雙上升沿D觸發(fā)器——74HC74芯片 23—MCP2551 24 八同相三態(tài)緩沖器/線驅(qū)動(dòng)——MC54HC244AJ 26—PT100 27 四電壓比較器——LM339 28 29 SPWM輸出電路 29 直流電壓檢測電路 30 31 35 36 373軟件流程圖 38 編程要求 38 編程環(huán)境 38 指令介紹 41 端口選擇 42 43 43 534總結(jié) 60參考文獻(xiàn) 63附錄A 64附錄B 65致謝 831 緒論變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。 圖11 變頻器簡單結(jié)構(gòu)本設(shè)計(jì)的這一變頻器控制系統(tǒng)采用的是交—直—交電力電子變壓變頻的典型結(jié)構(gòu)。再經(jīng)過單相全波逆變電路，逆變電路是由4個(gè)IGBT組成。系統(tǒng)主要功能有直流電壓檢測、輸出電流采集、溫度采集及保護(hù)、短路保護(hù)、過流保護(hù)。此單片機(jī)突出優(yōu)勢是具有集成的A/D轉(zhuǎn)換口，CAN總線接口，SPWM波輸出接口，內(nèi)置看門狗定時(shí)電路等等，而且僅需5V的供電電壓，工作效率高，功耗低。內(nèi)置的看門狗電路，防止了程序的出錯(cuò)及系統(tǒng)的錯(cuò)誤，一定程度上也保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 　 ⑴ 非智能控制方式 　　在交流變頻器中使用的非智能控制方式有V/f協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。V/f控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達(dá)到較高的控制性能，而且，在低頻時(shí)，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時(shí)還加有電流反饋，對頻率和電流進(jìn)行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負(fù)載變動(dòng)有良好的響應(yīng)特性。通過控制各矢量的作用順序和時(shí)間以及零矢量的作用時(shí)間，又可以形成各種PWM波，達(dá)到各種不同的控制目的。目前在變頻器中實(shí)際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式和無速度傳感器的矢量控制方式兩種。因此，基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式比轉(zhuǎn)差頻率控制方式在輸出特性方面能得到很大的改善。 　　無速度傳感器矢量控制是通過坐標(biāo)變換處理分別對勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，然后通過控制電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓、電流辨識(shí)轉(zhuǎn)速以達(dá)到控制勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的目的。 　 ④ 直接轉(zhuǎn)矩控制 　　直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標(biāo)的概念，在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過檢測定子電阻來達(dá)到觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復(fù)雜的變換計(jì)算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計(jì)算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。 　?、?最優(yōu)控制 　　最優(yōu)控制在實(shí)際中的應(yīng)用根據(jù)要求的不同而有所不同，可以根據(jù)最優(yōu)控制的理論對某一個(gè)控制要求進(jìn)行個(gè)別參數(shù)的最優(yōu)化。 　?、奁渌侵悄芸刂品绞?　　在實(shí)際應(yīng)用中，還有一些非智能控制方式在變頻器的控制中得以實(shí)現(xiàn)，例如自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、差頻控制、環(huán)流控制、頻率控制等。在變頻器的控制中采用智能控制方式在具體應(yīng)用中有一些成功的范例。而且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方式可以同時(shí)控制多個(gè)變頻器，因此在多個(gè)變頻器級(jí)聯(lián)時(shí)進(jìn)行控制比較適合。 　?、谀：刂?　　模糊控制算法用于控制變頻器的電壓和頻率，使電動(dòng)機(jī)的升速時(shí)間得到控制，以避免升速過快對電機(jī)使用壽命的影響以及升速過慢影響工作效率。 　?、蹖＜蚁到y(tǒng) 　　專家系統(tǒng)是利用所謂“專家”的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制的一種控制方式，因此，專家系統(tǒng)中一般要建立一個(gè)專家?guī)?，存放一定的專家信息，另外還要有推理機(jī)制，以便于根據(jù)已知信息尋求理想的控制結(jié)果。應(yīng)用專家系統(tǒng)既可以控制變頻器的電壓，又可以控制其電流。學(xué)習(xí)控制不需要了解太多的系統(tǒng)信息，但是需要1~2個(gè)學(xué)習(xí)周期，因此快速性相對較差，而且，學(xué)習(xí)控制的算法中有時(shí)需要實(shí)現(xiàn)超前環(huán)節(jié)，這用模擬器件是無法實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)，學(xué)習(xí)控制還涉及到一個(gè)穩(wěn)定性的問題，在應(yīng)用時(shí)要特別注意。目前節(jié)能降耗的主題已經(jīng)深入人心，世界各國都在紛紛研究開發(fā)節(jié)能電器，但多數(shù)都關(guān)注于大容量（功率）的電氣設(shè)備，而忽略了小容量電器的耗能。因?yàn)榧译姷挠昧糠浅４螅坏┕?jié)能其規(guī)模和數(shù)量是非?？捎^的，因此關(guān)注家用電器的節(jié)能是世界發(fā)展潮流。研發(fā)節(jié)能家電是將來市場的必然需求。統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，我國變頻器總的潛在市場應(yīng)為1200~1800億元，其中常壓變頻器約占市場份額的60％左右，中、高壓變頻器需求數(shù)量相對比較少，但由于單臺(tái)變頻器功率大、售價(jià)高，占市場的40%左右。加之，我國家電產(chǎn)品在全世界的市場占有率高達(dá)80%。另外，我們設(shè)計(jì)的這款變頻器完全可以進(jìn)行優(yōu)化后做到體積很小，質(zhì)量很輕，將會(huì)有很強(qiáng)的市場競爭力。加上價(jià)格上的優(yōu)勢，我們的市場占有率將會(huì)提高。相比普通的單相電機(jī),異步電機(jī)由于具有結(jié)構(gòu)簡單,制造成本較低等優(yōu)點(diǎn),以及單相電機(jī)在諸多領(lǐng)域尤其家用電器中的廣泛應(yīng)用,使得它在工業(yè)控制特別是家用電器行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。文章中詳細(xì)介紹了檢測電路、控制電路及其它外圍電路的設(shè)計(jì)。在研究SVPWM的同時(shí),本人也對當(dāng)今應(yīng)用比較成熟的SPWM控制方法進(jìn)行了研究,通過兩者實(shí)驗(yàn)波形的比較,體現(xiàn)了SVPWM的優(yōu)良性能。20世紀(jì)60年代以后，電力電子器件經(jīng)歷了SCR(晶閘管)、GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)、顯示光電BJT(雙極型功率晶體管)、MOSFET(金屬氧化物場效應(yīng)管)、SIT(靜電感應(yīng)晶體管)、SITH(靜電感應(yīng)晶閘管)、MGT(MOS控制晶體管)、MCT(MOS控制晶閘管)、IGBT(盡緣柵雙極型晶體管)、HVIGBT(耐高壓盡緣柵雙極型晶閘管)的發(fā)展過程，器件的更新促進(jìn)了電力電子變換技術(shù)的不斷發(fā)展。20世紀(jì)80年代，作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化題目吸引著人們的濃厚愛好，并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。我國從第一臺(tái)變頻器生產(chǎn)，再經(jīng)過30年不斷的研發(fā)和實(shí)踐，同時(shí)隨著新型電子技術(shù)不斷提高，變頻器的功能設(shè)計(jì)越來越完善，穩(wěn)定性越來越好，變頻器的性價(jià)比越來越高，體積越來越小。 　　變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實(shí)現(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因數(shù)、過流/過壓/過載保護(hù)等功能。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把電源的交流電變換為直流電（DC），這個(gè)過程叫整流。一般逆變器是把直流電源逆變?yōu)橐欢ǖ墓潭l率和一定電壓的逆變電源。變頻器輸出的波形是模擬正弦波，主要是用在三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速用，又叫變頻調(diào)速器。一般變頻電源是變頻器價(jià)格的15－－20倍。 變頻器性能的優(yōu)劣，一要看其輸出交流電壓的諧波對電機(jī)的影響，二要看對電網(wǎng)的諧波污染和輸入功率因數(shù)，三要看本身的能量損耗（即效率）如何？這里僅以量大面廣的交—直—交變頻器為例，闡述它的發(fā)展趨勢： 主電路功率開關(guān)元件的自關(guān)斷化、模塊化、集成化、智能化，開關(guān)頻率不斷提高，開關(guān)損耗進(jìn)一步降低。負(fù)載側(cè)變流器對低壓小容量裝置常采用兩電平的橋式逆變器，而對中壓大容量的裝置采用多電平逆變器。目前，低、中壓變頻器都有這類產(chǎn)品。交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)整控制方法的進(jìn)展主要體現(xiàn)在由標(biāo)量控制向高動(dòng)態(tài)性能的矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制發(fā)展和開發(fā)無速度傳感器的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)方面。近幾年來，國外各大公司紛紛推出以DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）為基礎(chǔ)的內(nèi)核，配以電機(jī)控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內(nèi)的稱為DSP單片電機(jī)控制器，價(jià)格大大降低，體積縮小，結(jié)構(gòu)緊湊，使用便捷，可靠性提高。數(shù)字控制使硬件簡化，柔性的控制算法使控制具有很大的靈活性，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律，使現(xiàn)代控制理論在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，易于與上層系統(tǒng)連接進(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（如有些變頻器具有自調(diào)整功能）。同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)有他控變頻和自控變頻兩大類。傳統(tǒng)的自控變頻同步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)有轉(zhuǎn)子位置傳感器，現(xiàn)正開發(fā)無轉(zhuǎn)子位置傳感器的系統(tǒng)。 2硬件電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生兩對互補(bǔ)的SPWM波來驅(qū)動(dòng)單相IGBT逆變橋，同時(shí)具有IGBT內(nèi)部溫度檢測、直流電壓檢測、輸出電流檢測等功能，并能夠?qū)崟r(shí)地把檢測到的各種參數(shù)通過CAN總線傳輸給上位PC機(jī)，同時(shí)能夠隨時(shí)接收上位PC機(jī)發(fā)送下來的各種命令，如單相電機(jī)的起、停、轉(zhuǎn)速等，并能夠按照收到的命令正確地控制單相電機(jī)工作。一種是使用TI公司的DSP作為控制芯片，它內(nèi)部集成有多個(gè)PWM通道，可以產(chǎn)生控制需要的SPWM波；具有CAN總線模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)和其他CAN總線上的節(jié)點(diǎn)通信；具有10位的ADC模塊，能夠較準(zhǔn)確、較方便地實(shí)現(xiàn)溫度檢測。但是TI公司的DSP芯片一般要求環(huán)境溫度為0~70℃，而本系統(tǒng)需要其工作在150℃的高溫環(huán)境下，這點(diǎn)不能滿足本系統(tǒng)要求。另外就是使用Microchip公司生產(chǎn)的DSPIC系列微控制器。而DSPIC30F6010A是Microchip公司生產(chǎn)的一款可適用于電機(jī)控制等領(lǐng)域的數(shù)字信號(hào)控制器，其高溫型標(biāo)稱工作環(huán)境溫度可高達(dá)125℃。另外，DSPIC30F6010A這款控制器內(nèi)部集成有PWM模塊、CAN模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）模塊、輸入捕捉（IC）模塊等，可以很容易的產(chǎn)生SPWM控制信號(hào)，和上位PC機(jī)實(shí)現(xiàn)CAN總線通信，測速測溫電路也可以使用傳感器和簡單的外圍電路實(shí)現(xiàn)。故此，本系統(tǒng)選用DSPIC30F6010A這款微控制器。如圖21為本系統(tǒng)的方案框圖。DSPIC30F6010A這款單片機(jī)具有4個(gè)PWM模塊，可輸出8路的PWM波，即可以為獨(dú)立輸出模式，也可以選擇互補(bǔ)輸出模式。此單片機(jī)具有兩個(gè)CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，本系統(tǒng)中只用了其中的一個(gè)：CAN1。CAN1的數(shù)據(jù)收發(fā)分別對應(yīng)于單片機(jī)的C1RX和C1TX管腳。信號(hào)的采集使用的是TL082差分放大電路，其特點(diǎn)有，較低的輸入電壓和偏移電流；輸出設(shè)有短路保護(hù)；輸入級(jí)具有較高的輸入阻抗；內(nèi)建頻率補(bǔ)償電路；較高的壓擺率。信號(hào)采集使用的是LF353四電壓比較器，在輸入差分放大級(jí)和主電壓放大級(jí)之間是一個(gè)由射極跟隨器構(gòu)成的電流放大級(jí)，用來提高主電壓放大級(jí)的輸入阻抗和共源極差分電路的負(fù)載增益。信號(hào)采集端使用的是IGBT內(nèi)部自帶的NTC，它的阻值不隨溫度呈線性變化，需做適當(dāng)處理，將它們的關(guān)系線性化，這樣就可以直接使用單片機(jī)的ADC模塊檢測IGBT的內(nèi)部溫度。經(jīng)過理論分析和實(shí)踐驗(yàn)證，本系統(tǒng)是符合設(shè)計(jì)要求的。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),對半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。SPWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出,但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約,在上世紀(jì)80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。到目前為止,已出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù),如相電壓控制SPWM、線電壓控制SPWM、電流控制SPWM，其中相電壓控制SPWM又包括等脈寬SPWM法、隨機(jī)SPWM法、梯形波與三角波比較法，本方案應(yīng)用的是其中的SPWM法。在直流PWM控制中，控制信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）只有幅值和極性的變化。SPWM的基本實(shí)現(xiàn)方法是利用三角載波對正弦控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，通過調(diào)節(jié)輸出脈沖的寬度來形成包含正弦波的脈沖調(diào)制波形。調(diào)制信號(hào)為正弦信號(hào)，其重復(fù)周期為，幅值為；載波信號(hào)為雙極性的對稱三角波，其重復(fù)周期為，幅值為，將正弦調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)進(jìn)行比較，其自然交點(diǎn)決定了輸出信號(hào)電平變化的上升或下降沿。設(shè)功率放大器的橋臂直流電壓為U，輸出電壓波形為= +U（≥）或= U（＜）。雖然被調(diào)制的電壓信號(hào)是模擬量，但是調(diào)制后的PWM信號(hào)是數(shù)字的。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。對于自然采樣法，根據(jù)三角載波與正弦調(diào)制波相交點(diǎn)產(chǎn)生SPWM波的原理，當(dāng)三角波在一個(gè)周期變化時(shí)，它與正弦波相交兩次，控制逆變器中的相應(yīng)功率開關(guān)元件導(dǎo)通與關(guān)斷各一次，要準(zhǔn)確生成SPWM波形，就要精確計(jì)算出這兩個(gè)交點(diǎn)的時(shí)間。這些時(shí)間隨正弦調(diào)制波的頻率變化而不同，并隨調(diào)制度而異。圖23自然采樣法生成SPWM波形按照正弦波與三角波交點(diǎn)進(jìn)行脈沖寬度與間