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1、摘 要使异步电动机实现性能好的调速一直是人们的理想,过去如变极调速、绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速均属于有级调速；而调压调速虽能平滑调速,但调速范围不大,耗能多,仅限于小功率,无法和直流调速系统相比。随着新技术、新理论的不断发展,变频调速技术应运而生,其控制方式完全可以和直流调速系统相媲美。因此变频器的应用日益广泛，变频器性能的优劣直接影响着电机的运行特性，所以如何提高变频器的优化控制成为变频技术的关键。在变频调速中关键的一项就是控制端SPWM波的产生,它不仅要求电压和频率变化呈线性关系,而且要求输出波形尽可能接近于正弦波,特别是对于一些性能指标要求较高的全控型开关器件如IGBT等,其开
2、关频率很高,因此就要求SPWM波发生器要达到一定的开关频率,基波频率也要求相对较高。为了解决这个问题,可以利用SLE4520这块集成芯片,来生成满足要求的SPWM波。本设计就是利用AT89C51单片机作为控制主机，与三相PWM集成芯片SLE4520配合工作，设置一种SPWM波生成的算法，通过单片机的定时模块产生脉冲，并将其送入SLE4520中，最后将SPWM脉冲送至逆变桥臂上下的IGBT中来控制逆变电路。本设计的优势在于可以通过键盘/显示来进行变频器的智能控制。在不同的工作状态下，可以显示不同的数据，再配合上各种故障保护电路，可以使得变频器安全的工作。关键词：SLE4520 单片机 SPWM脉
3、冲ABSTRACTTo achieve good performance asynchronous motor speed is ideal, such as speed regulating pole change motor rotor asynchronous and winding speed rotor circuit resistance of all belong to have stepless speed regulation, And although speed regulating speed can be smooth, but not more than energ
4、y-consuming, speed limits, only small power, compared with dc speed control system. With the new technology, the new theory of frequency conversion technology unceasing development, the control mode, and can completely Dc speed control system. But in the frequency conversion control is one of the ke
5、y is the wave of SPWM not only requires the voltage and frequency variation, and the requirements of a linear relationship between output waveform in sine as close as possible, especially for some performance index to demand higher all-controlling switching device IGBT etc, such as the high frequenc
6、y switching, so requires SPWM wave generator to reach a certain switching frequency wave frequency also require relatively high. In order to solve this problem, you can use SLE4520 this integration chip, to meet the requirements of SPWM wave generated.This design is to use AT89C51 as host, and three
7、-phase PWM control SLE4520 integrated chips, setting an SPWM wave generated by MCU timing algorithms, and will produce pulses module to SLE4520, finally will SPWM inverter pulse to bridge the arm upper-and-lower IGBT inverter circuits to control. The design of the keyboard/strengths can display for
8、converter intelligent control. In different working conditions, can show the different data, combined with the various fault protection circuit, can make the job security. Keywords：SCM（Single Chip Microcomputer） SLE4520 SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 交流电动机调速发展现状11.2
9、 SPWM控制技术介绍31.3 本系统设计的主要内容及意义42 变频器应用电路52.1 变频器的发展动向及技术指标52.1.1 变频器的发展情况52.1.2 变频器技术的发展趋势72.1.3 变频器的技术指标82.2 变频器结构与功能92.2.1 变频器主电路结构及功能92.2.2 变频器控制电路结构及功能152.3 SPWM脉冲生成原理173 变频器V/F控制技术203.1 V/F控制的原理203.2 V/F曲线的选择203.3 转速开环的V/F控制方式213.4 转速闭环的V/F控制方式234 变频器硬件电路设计部分254.1 变频器主电路设计254.2 变频器控制电路设计264.2.1
10、AT89C51单片机264.2.2 SLE4520集成芯片274.2.3 通用键盘显示电路324.2.4 ADC0809模/数转换芯片与AT89C51的接口364.2.5 存储器EPROM2764和EEPROM2864的扩展技术394.3 以速度为控制对象的变频器405 变频器系统软件框架的构建435.1 主程序流程图435.2 单片机与SLE4520相结合形成SPWM脉冲445.3 8279通用键盘和显示电路软件设计495.4 变频器运行过程中参数调整模块设计565.5 变频器采样及故障检测模块设计575.6 定时器中断模块设计58总 结59致 谢60参考文献611 绪论1.1 交流电动机调
11、速发展现状电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，在实际应用中，一是要使电动机具有较高的机电能量转换效率；二是根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能好坏对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。电动机和控制装置一起合成电力传动自动控制系统。以直流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称之为直流调速系统;以交流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称之为交流调速系统。根据交流电机的类型，相应有同步电动机调速系统和异步电动机调速系统。由于直流电动机的转速容易控制和调节，采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此，长期以来在
12、变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位。但是，由于直流电动机的机械式换向器和电刷存在以下弱点，这给直流调速系统带来了不足。 机械式换向器表面线速度及换向电流、电压有极限容许值，这就限制了电机的转速和功率。如果要超过极限容许值，则会极大的增加电机制造难度和成本，并使得调速系统趋于复杂。 机械式换向器必须经常检查和维修，电刷必须定期更换，使得直流调速系统维修工作量大，维修费用高，也直接影响设备正常的生产。 在易燃 、易爆、多粉尘、多腐蚀性气体的生产场合更不宜使用直流电动机。由此可见，这将使得直流调速系统的应用受到限制。然而，采用无换向器的交流电动机组成的交流调速系统代替直流调速系统可以突破这些限
13、制，满足生产发展对调速传动的各种不同的要求。交流电动机，特别是鼠笼型异步电动机，具有结构简单、制造容易、坚固耐用、转动惯量小、运行可靠、很少维修、使用环境及结构发展不受限制等优点。但是长期以来由于受科技发展的限制，把交流电动机作为调速电机所存在的问题未能得到较好的解决，只有一些调速性能差、低效耗能的调速方法，如: 绕线式异步电动机转子外串电阻及机组式串级调速方法。 鼠笼式异步电动机定子调压调速方法(自祸变压器、饱和电抗器)及后来的电磁(滑差离合器)调速方法。20世纪60年代以后，由于生产发展的需要和节省电能的要求，促使世界各国重视交流调速技术的研究与开发。尤其是20世纪70年代以后，由于科学技
14、术的迅速发展为交流调速的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。从此，交流调速理论及应用技术得到了较快的发展，大致体现在以下几个方面。1. 电力电子器件的蓬勃发展促进了交流技术的迅速发展和交流调速装置的现代化电力电子器件是现代交流调速装置的支柱，其发展直接决定和影响交流调速的发展。20世纪80年代以前，变频装置功率回路主要采用晶闸管元件。装置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容量的直流调速装置相比。80年代中期以后用第二代电力电子器件GTR,GTO,VDMOS-IGBT等制造的变频装置在性能与价格比上可以与直流调速装置相媲美。随着电力电子器件向大电流、高电压、高频化、集成化、模块化方向的继续
15、发展，第三代电力电子器件是20世纪90年代制造变频器的主流产品，中、小功率的变频调速装置(I-1000KW)主要是采用IGBT，中、大功率的变频调速装置(1000-IOO OOKW)采用GTO器件。20世纪90年代末至今，电力电子器件的发展进入了第四代。如:高压IGBT、IGCT、IEGT、SGCT等。2. 脉宽调制(PWM)技术脉宽调制(PWM)技术的发展和应用优化了变频装置的性能，为交流调速技术的普及发挥了重大作用。脉宽调制技术种类很多，并且正在不断发展之中。基本可分四类，即等宽PWM法、正弦PWM法、磁链追踪型PWM法及电流跟踪型PWM法。近年来，新型全数字化专用PWM生成芯片HEF47
16、52,SLE4520,MA818等达到实用化，并己经实际应用。3. 微型计算机控制技术与大规模集成电路的迅速发展和广泛应用为现代交流调速系统提供了重要的技术手段和保证早期的交流调速系统的控制器或系统的控制回路)多为由模拟电子电路组成。近十几年来，由于微机控制技术，特别是以单片机及数字信号处理器DSP为控制核心的微机控制技术的迅速发展和广泛应用以及大规模集成电路的应用，促使交流调速系统的控制回路由模拟控制转向数字控制。当今模拟控制器己被淘汰，全数字化的交流调速系统已经得到普遍应用。微机控制技术及大规模集成电路的应用提高了交流调速系统的可靠性和操作、设置的多样性和灵活性，降低了变频调速装置的成本和
17、体积。以微处理器为核心的数字控制已经成为现代交流调速系统的主要特征之一。用于交流调速系统的微处理器发展情况如下:(1)单片机就组成而言，一片单片机芯片就是一台计算机，大大缩小了控制器的体积，降低了成本，增强了功能。随着单片机性能的不断提高，单片机具有了丰富的硬件资源和软件资源。然而，单片机对大量数据处理或浮点运算能力有限，因此有待于进一步提高运算速度。(2)数字信号处理器(DSP)为了提高运算速度，在20世纪80年代初期出现了数字信号处理器，其中采取了一系列措施，包括集成硬件乘法器、提高时钟频率、支持浮点运算等，以提高运算速度。近几年来，将DSP作成磁芯，把PWM生成、A/D变换器等集成于一个
18、芯片上，使其功能更加强大，应用更为广泛。1.2 SPWM控制技术介绍正弦波脉宽调制（SPWM）技术在变频器中得到广泛的应用。SPWM变频器调压调频一次完成，整流器无需控制，简化了电路结构，而且由于以全波整流代替了相控整流，因而提高了输入端的功率因数，减小了高次谐波对电网的影响。此外，由于输出波形由方波改进为PWM波，减少了低次谐波，从而解决了电动机在低频区的转矩脉动问题，也降低了电动机的谐波损耗和噪声。PWM技术的应用是变频器的发展主流。SPWM的调制原理是使变频器的输出脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内面积相等，改变调制波的频率和幅值即可调节逆变器输出电压的频率和幅值。SPWM变
19、频器的输出电压虽然接近于正弦波，但感应电动机本身因为气隙磁通、转速与转子电流是强藕合的，所以调速性能不如直流电动机，采用矢量控制技术可提高其调速性能。矢量控制的原理是采用坐标变换的方法，以产生相同的旋转磁势和变换后功率不变为准则，建立三相交流绕组，两相交流绕组和直流绕组三者之间的等效关系，从而求出与交流电机等效的直流电机模型，即实现交流电动机的解耦，以便按照对直流电动机的控制方法对交流电动机进行控制，矢量控制要求由磁通观测器测出实际转子磁链幅值及相位，因此如何利用先进理论和技术实现转子磁链位置的精确观测是矢量控制技术的重要课题。1.3 本系统设计的主要内容及意义毕业设计的主要内容：设计一种较为
20、通用的变频器，在变频调速控制系统的设计中，控制器采用AT89C51单片机，对变频的控制算法进行分析设计，利用恒压频比方式控制变频器工作，得出程序算法的流程图和硬件电路设计图。论文主要结构安排：第一章，概论，叙述调速技术与变频的新思想；第二章，介绍变频器发展态势及变频器应用电路的结构等内容；第三章，讲述V/f控制原理及其实现方案；第四章，对设计中用到的芯片及器件进行介绍，并简单叙述一下硬件部分电路原理图；第五章，进行SPWM控制算法及软件编程算法的分析与设计。2 变频器应用电路2.1 变频器的发展动向及技术指标变频器是将固定频率的交流电变换为频率连续可调的交流电的装置，主要应用于交流电动机的调速
21、。交流电动机变频调速技术具有节能、易维护、高性价比等诸多优点，被普遍认为是最有前途的调速方式。变频器的产生，使得交流调速取代直流调速成为可能。这也是目前发展最为迅速的技术之一。 交流变频调速技术是与电力电子器件制造技术、交流技术、控制技术、微型计算机和大规模集成电路的飞速发展密切相关的。近几年国内变频调速技术也是迅速发展，出现了如华为、森兰等一系列品牌。功率小到数百瓦大至数千瓦，功能简易或复杂，精度低或高，响应慢或快等。2.1.1 变频器的发展情况自20世纪80年代初变频器问世以来，变频器在不断发展完善，现在已大量应用于各行各业。变频器的发展情况可以从以下几个方面来说明。1.应用范围不断扩大变
22、频器不仅在工业的各行业广泛应用，就连家庭也逐渐成为通用变频器的应用场所。正是变频器应用范围的不断扩大，其产品正向三个方面发展变化：其一，向无需调整便能得到最佳运行的多功能与高性能型变频器方向发展；其二，向通过简单控制就能运行的小型及操作方便的变频器方向发展；其三，向大容量、高起动转矩及具有环境保护功能的变频器方向发展。2.电力电子器件不断更新变频器的主电路使用的都是高电压（在交流220V以上）、大电流的电力电子器件作为开关器件，因此电力电子器件是变频器发展的基础。在低压交流电动机的传动控制中，应用最多的的功率器件有GTO、GTR、IGBT及职能模块IPM（Intelligent Power M
23、odule），集GTR的低饱和电压特性和MOSFET的高频开关特性于一体的后两种器件是目前通用变频器中广泛使用的主流功率器件。当前电力电子器件正朝着发热减少、高载波控制、开关频率提高、驱动功率减小的方向发展。3.控制理论的不断发展 变频器的控制方式主要经历了如下3个阶段： 第一阶段：早期通用变频器大多数为变压变频VVVF技术（Variabl Voltage Variabl Frequency）（又称为V/f控制方式），其优点是控制结构简单，成本较低，缺点是系统性能不高，职能应用于调速精度要求不高的场合，如风机、水泵的控制等。具体来说，其控制曲线随着负载变化而变化；转矩响应慢，电动机转矩利用率不
24、高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而使性能下降，稳定性变差。 第二阶段：矢量控制，也称磁场定向控制。它是1972年德国伯拉斯切克（F.Blasschke）等人首先提出，以直流电动机和交流电动机比较的方法阐述了这一原理，由此开创了交流电动机和等效直流电动机控制的先河。矢量控制的基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。 第三阶段：1985年德国鲁尔大学狄普布洛克（Depenbrock）教授和日本塔卡哈什（Takahashi）等人先后提出直接转矩控制理论（Direct Torque Control，简称DTC）。直接
25、转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。转矩控制的优越性在于：转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息，控制上对除定子外所有电动机参数变化特性良好；所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便地实现无速度传感器，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。1995年ABB公司首先推出的ACS600直接转矩控制系列，已达到小于2ms的转矩响应速度，在带测速机时的静态速度精度达0.01%；在不带测速机的情况下，即使受到输入电压的变化或负载突变的影响，同样可以达到0.1%的速度控制精度。 4.控制技术的不断提高 控制技术
26、的发展完全得益于微处理器技术的发展。自从1991年INTEL公司推出8196MC系列以来，专门用于电动机控制的芯片在品种、速度、功能、性价比等方面都有很大的发展。由于脉宽调制PWM（Pulse Width Modulation）可以同时实现变频变压的特点，因此在交流传动乃至其他能量变换系统中得到广泛应用。PWM技术一直是变频技术的核心技术之一。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，PWM在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。2.1.2 变频器技术的发展趋势
27、 1.模块化 小功率变频器应该像普通开关电器，如接触器、断路器一样，具有使用简单、方便、安全可靠的基本性能。因此由集成电路构成的一体化模块的变频器将在市场上更具有竞争力。 2.小型化 变频器的小型化就是向发热挑战。这就是说，变频器的小型化除了出自支撑部件的安装技术和系统设计的大规模集成化外，功率器件发热的改善和冷却技术的发展已成为小型化的重要因素。小功率变频器应当像接触器、软启动器等电器元件一样使用简单、安装方便、工作安全可靠。 3.专用化 通用变频器中出现专用家族是近年来的事。其目的是更好地发挥变频器的独特功能并尽可能的方便用户。如用于恒压供水、机械主轴传动、电源再生，纺织、机车牵引等的专用
28、系列。 4.系统化 作为发展趋势，通用变频器从模拟式、数字式、智能化、多功能向集中型发展。数字技术和微控制器技术的发展，使这种趋势成为可能。2.1.3 变频器的技术指标 1.输入侧的额定值 输入侧的额定值主要是电压、频率、相数。一般变频器输入侧的额定值有以下几种：(1) 380V/50Hz/三相(2) 230V/50Hz或60Hz/三相(3) 200-230V/50Hz/单相2.输出侧的额定值（1）输出电压UN（V）（2）输出电流IN（A）（3）输出容量SN（KVA） SN与UN和IN的关系为SN=UNIN（4）配用电动机容量PN（KW）（5）过载能力 变频器的过载能力是指其输出电流超过额定电
29、流的允许范围和时间。大多数变频器都规定为150%IN、60s或180%IN、0.5s。3.频率指标（1）频率范围 即变频器工作时能够输出的最高频率fmax与最低频率fmin。（2）频率精度 变频器实际输出频率与设定频率之间的最大误差与最高工作频率之比的百分数来表示。（3）频率分辨率 指变频器输出频率的最小改变量，即每相邻两档频率之间的最小差值。4.控制方式 （1）恒压频比控制方式，最早使用的方式，现在仍在使用。（2）矢量控制方式，现在大部分变频器使用这种控制方式。（3）直接转矩控制方式，是目前最新的控制方式。5.控制端子功能与数量变频器通常设置有多个控制端子，其电路形式和PLC差不多。变频器使
30、用时，通过控制端子实现控制功能。变频器的控制端子一般包括以下几方面：（1） 模拟输入（AI）用作速度给定、反馈等功能，每个端子具体参数可以设置（2） 模拟输出（AO）AO通常用作远程测量仪表的信号，用以显示变频器的输出电流、频率、转速等参数。（3） 开关量输入（DI）用作变频器的起停、正反转、多种速度选择功能。（4） 开关量输出（DO）变频器的运行、故障等信号由此输出。2.2 变频器结构与功能 现在使用的变频器大多数为交直交电压型通用变频器，一般变频器包括主电路、控制电路、操作面板3部分。主电路指的是电源由进线端（R、S、T）输入，经过整流、滤波、逆变，变换成电压、频率连续可调的交流电，由出线
31、端（U、V、W）输出接电动机的电路。主电路所使用的器件都是高电压（一般工作在AC220V以上）大电流，属于强电部分。控制电路的功能是接收控制命令，如起停、正反转、转速给定等，输出控制信号到主电路，控制功率器件工作。一般由单片机系统板或专用计算机系统和驱动电路组成，属于弱电部分。操作面板是人机联系的接口，由按钮、显示器、指示灯、连接线等组成。通用变频器基本结构如图21所示。2.2.1 变频器主电路结构及功能 变频器主电路原理图如图21所示，它由3部分构成：整流电路、中间电路和逆变电路。1. 主电路工作原理 如图22所示，由电源输入的恒压恒频的交流电经R、S、T端输入变频器主电路，经VD1VD6整
32、流后变换成直流电，由于滤波电容CF1、CF2容量很大，所以设置限流电阻R1，上电前，控制K或V1断开，滤波电容电压升图21 变频器基本结构图22 变频器主电路原理图高后，再控制K或V1导通。晶体管VTB和电阻RB组成斩波器，以消耗电动机回馈时的能量，RB一般体积较大，通常安装在变频器的外面。带有阻容吸收电路和二极管续流的晶体管VT1VT6组成逆变电路，将整流、滤波后的直流电通过PWM调制技术转换为频率、电压可调的交流电。交流电动机调速时要通过改变其输入的交流电源频率来进行，在改变频率的同时，电源电压也要同时改变，二者要协调一致。正弦脉宽调制SPWM是现在变频器普遍使用的控制技术。在PWM波形中
33、，各脉冲量的幅值是相等的，也就是在变频中整流电路整流及中间电路稳压后的电压幅值，在变频器工作时一直基本保持不变。要改变等效输出正弦波的频率和幅值，可以采用正弦波和三角波比较的方法。改变由模拟电路或微机产生的正弦波的频率和幅值，三角波维持固定的频率和幅值，二者比较后就可获得基波为正弦波的脉宽调制波形。原理图见图23和图24SPWM通常有单极性方式和双极性方式。采用单极控制方式时在正弦波的半个周期内每相只有一个开关器件开通或关断。控制波形如图25所示，如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式，控制波形如图26所示。 图23 图2
34、4 图25 单极控制方式 图26 双极控制方式2. 整流电路整流电路的功能是将交流转换为直流。供逆变电路使用，整流电路在变频器当中有不可控整流电路和可控整流电路两种。（1）不可控整流电路 不可控整流电路使用的器件为电力二极管，不可控整流电路按输入交流电源相数不同分为单相整流电路、三相整流电路和多相整流电路。如图27所示，为不可控桥式整流电路，大部分通用变频器属于此种类型。对单相整流电路，通过计算可得到负载RL上的平均电压为 对三相整流电路： 式中为相电压的有效值（2）可控整流电路 在变频器中，为了控制整流电压，采用晶闸管整流桥，三相桥式可控整流电路有三相桥式全控整流和三相桥式半控整流两种，如图
35、28所示。图27 不可控整流电路 图28（a） 图28（b）三相桥式全控整流电路 三相桥式半控整流电路3. 中间电路变频器的中间电路有滤波电路、制动电路和谐振电路等不同的形式。（1）滤波电路 虽然利用整流电路可以从电网的交流电源得到直流电压或直流电流，但这种电压或电流含有频率为电源频率6倍的纹波，影响逆变电路。因此，必须对整流电路的输出进行滤波，以减少电压或电流的波动。1）电容滤波：由于电容量比较大，所以常采用电解电容。为了得到所需的耐压值和容量，往往需要根据变频器容量的要求，将电容进行串并联使用。电容串并联使用时为了使各电容上电压相等而给电容并联电阻，电阻阻值为几十千欧，即所谓“平衡电阻”，
36、如图29所示，平衡电阻的另一个作用是在变频器断电后给电容放电提供通道。采用大电容滤波后再送给逆变器，这样可以使加于负载上的电压值不受负载变动的影响，基本保持恒定。该变频器电源类似于电压源，因而称为电压型变频器。电压型变频器的电路图如图29所示。29 电压型变频器的主电路框图2）电感滤波：由于经电感滤波后加在逆变器的电流值稳定不变，所以输出电流基本不受负载的影响，电源外特性类似电流源，因而称为电流型变频器。图210为电流型变频器的电路框图。图210 电流型变频器的主电路框图（2）制动电路 利用设置在直流回路中的制动电阻吸收电动机的再生电能的方式称为斩波制动或再生制动。制动电路可由制动电阻或斩波制
37、动单元构成，图211为制动电路的原理图。制动电路介于整流器和逆变器之间，接在整流后的直流回路中，图中的制动单元包括晶体管VB和制动电阻RB。一般RB通过变频器接线端外接。在制动时能量经逆变器回馈到直流侧，使直流侧滤波电容上的电压升高，也就是通常所说的“泵升电压”，当该值超过设定值时，控制电路即自动给VB基极施加占空比可变的斩波信号，使之高频的导通关断，则存储于电容C中的再生能量经RB消耗掉。图211 制动电路原理图4. 逆变电路（1）电压型逆变电路 电压型逆变电路直流侧一定接有大电容滤波，直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗，相当于电压源。（2）电流型逆变电路 电流型逆变电路在直流侧串接有大
38、电感，使直流电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗，相当于电流源。（3）逆变电路使用的开关器件 对电动机来说，所提供的电压越接近正弦越好，否则会有谐波干扰和机械振动。这就要用SPWM的方法来控制逆变电路开关的通断。逆变电路开关器件通断的频率很高，往往达到几KHz甚至数十KHz。在实际应用中，逆变电路中的开关器件是各种电力电子器件，在中小功率通用变频器中使用最多的事BJT和IGBT两种，在大中功率通用变频器中使用最多的是IGCT、GTO及IGBT 3种。2.2.2 变频器控制电路结构及功能由图21可见，常用变频器控制电路包括：信号输入输出部分、中心控制单元、驱动电路、检测保护电路、通信接口、控制电源
39、等6部分。1. 信号输入输出部分变频器的信号输入输出部分，包括模拟量的输入输出和开关量的输入输出，用于变频器和外围控制电路的联系。1）开关量输入接口接收外部的逻辑控制命令，如起停、正反转、多种速度选择等。2）开关量输出接口向外部提供变频器运行、故障等信号。3）模拟量输入接口接收外部参数，如频率设定、速度反馈信号灯。4）模拟量输出接口向外部提供变频器的工作频率、电机电流等信息。2. 中心控制单元中心控制单元是变频器的核心器件，它通过输入接口和通信接口取得外部控制信号，通过检测电路取得电压、电流、温度等运行参数，根据设置的运行方式，进行恒压频比控制、矢量控制或直接转矩控制，将控制命令传送给PWM专
40、用集成电路，通过驱动电路，触发逆变器工作。中心控制单元包括一个功能完善的计算机或单片机系统和一个专用的SPWM集成电路。各种信号接口电路都在系统板上，系统板上的微处理器的控制程序存储在存储器中，用户设置参数可以改变程序的计算参数和结构。3. 检测保护电路变频器内部有一系列检测元件，将检测到的信号送给中心控制单元，为其提供控制和保护信息。4. 通信接口变频器的通信接口提供以通信方式与外部其他设备交换信息的功能。变频器的所有控制、状态判断都可以通过通信接口来实现，与输入输出接口不同的是，通信可以交换更多的信息。5. 控制电源变频器的控制电源为所有的控制电路提供电源。一般的变频器为交-直-交电压型，
41、其滤波电容比较大，存有较多的电能，能够在变频器断电后维持一段时间的电压，这个特点对于控制电路很有用处，在突然停电时，中心控制单元可以利用电容存储的电能完成停机的处理工作。6. 驱动电路驱动电路是中心控制单元和逆变电路之间的联系纽带。中心控制单元计算出的脉宽调制波通过驱动电路放大后加在逆变器上，所以驱动电路视逆变器的不同而不同。驱动电路设计时应注意以下几点：能将主电路和控制电路完全电气隔离，实现高低压分离；能够提供足够的电压或电流，可靠的开关功率器件； 能传递几十KHz的脉冲信号；电路尽可能简单，工作可靠，有较强的抗干扰能力。7. 散热控制电路变频器的散热是由安装在散热器上的风扇来解决的。散热风
42、扇有些事直接接在电源上，变频器上电后即运转，有些是通过中心控制单元来控制，散热器温度高时运转，温度低时停止。2.3 SPWM脉冲生成原理1. SPWM技术的要点 采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现上述的SPWM控制。如图212所示。图中比较器的A端输入正弦交流信号（前面讲的调制波）；B端输入三角波信号（如前所述的载波）；经过比较器比较由采样法则得出当AB时输出高电平的信号,如果AB,则输出为低电平信号。于是就产生了方波。 图 2122. 采样原理 三角波两个正峰值之间，为一个采样周期Tc，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化，如图213给出的原理图中所示 图213
43、正弦波信号式中，M 称为调制度，0 a 1；wr为信号波角频率。从图中可得于是通过这样的采样方式和计算公式，便可以用计算机实现SPWM控制方式。3. 调制方法 通过改变调制波的频率和幅值，来改变输出的频率和幅值。首先引入载波比这样一个概念。载波比N=载波频率 fc与调制信号频率 fr 之比，即 N = fc / fr。根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。1)异步调制：载波信号和调制信号不同步的调制方式。具体方法是，将载波频率固定，而调制波频率变化，这样载波比就是变化的，所以称为异步调制。他的特点是在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也
44、不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称；当调制波频率较低时，载波比较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；当调制不频率增高时，载波比减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大。2)同步调制：载波比N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。具体方法是:保持载波比不变而改变调制波频率，于是为了保持载波比需要将载波频率改变，信号波一个周期内输出的脉冲个数是固定的。它的特点是当调制波频率很低时，载波频率也很低，由调制带来的谐波不易滤除；当调制波频率很高时，载波频率会过高，使开关器件难以承受。以上的都是单相的PWM调制，用于实际于是就扩充
45、为三相的如图214所示 图 214 三相PWM调制波形3 变频器V/F控制技术3.1 V/F控制的原理V/f控制就是保证输出电压V跟频率f成正比的控制方式，这样可以使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生，多用于风机、泵类节能型变频器。变频调速是以变频器向交流电动机供电，并构成开环或闭环系统，对于异步电动机，其转速表达式为： （31）：电动机实际转速 ：定子供电频率 ：极对数 ：同步转速：转差率，改变就可以改变电机的同步转速，从而达到改变的目的。由于异步电动机定子每相电压为： （32）:定子相电压 ：定子相电势 :每相绕组匝数 ：基本绕组系数 :每极气隙磁通当定子电压不变时，改变则势
46、必要发生变化，如果过大，会使磁路饱和，导致过大的励磁电流，所以降低时必须同时降低，使得保持不变，这就是所谓的恒转矩控制：即 =恒量，也就是通常说的恒磁通控制，又称恒压频比控制方式。3.2 V/F曲线的选择1.频率给定线的概念由模拟量进行频率给定时，变频器给定频率与给定信号X之间的关系曲线,称为频率给定线。2.基本频率给定线在给定信号X从0增大至最大值的过程中，给定频率线性的从0增大至的频率给定线称为基本频率给定线。3.基本U/f线基本U/f线给出了与额定电压对应的基本频率的大小，是对U/f的比值进行调整时的基准线。在图31中，曲线1是=50Hz时的基本U/f线；曲线2和曲线3分别是=60Hz和=75Hz时的基本U/f线。4.任选U/f线的功能在V/F控制方式中，会有许多不同补偿程度的U/f线供选择，如图32所示，图中，曲线2和曲线3低于基本U/f线，主要用于风机和水泵类等低速时阻转矩很小的负载。图31 基本U/f线 图32可供选择的U/f线线1是时的基本U/f线 线1是未做补偿的U/f线线2是时的基本U/f线
