（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的空间矢量变频器的研制.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 恒压频比控制( v f ) 是变频器中应用最广泛的一种控制方式，采用这种控制方式研制的 变频器系统结构简单，成本低廉，适用于风机、水泵等对调速系统动态性能要求不高的场 合。目前这种变频器的经济性和通用性深受市场的青睐。鉴于此，本文利用 t m s 3 2 0 l p 2 4 0 7 d s p 作为控制芯片，采用恒压频比的控制方式和空间矢量调制策略研制了 一台变频器的样机，并对一些关键的问题给予理论分析并提出实现的方法。本文主要内容 如下： 1 阐述了电压正弦脉宽调制( s p w m ) 技术和空间矢量脉宽调制( s w w m ) 技术，对 二者的特点进行比较，并将空间矢量脉宽调制技术用于实际变频器系统中。 2 详细分析死区产生的机理和空间矢量p w m 中死区效应对输出电压的影响，并结合 空间矢量图，讨论了输出电压矢量位置与三相电流方向的关系。在此基础上，提出了一种 新型的死区补偿策略，将三相电流分成六个区域，并在每个区域只对其中一相输出电压进 行补偿。该方法通过判断输出电压矢量的角度来获取三相电流的方向，避免了电流检测中 多个零点的现象。 3 以二极管构成三相桥式不可控全波整流电路，并以口m 作为功率器件构成逆变电 路组成的交一直一交电压源型变频系统主电路；同时t m s 3 2 0 l f 2 4 0 为中央处理器，设计 控制电路。 关键词：变频器，数字信号处理器( d s p ) ，空间矢量，死区，智能功率模块( i p m ) 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o n t r o lo fc o n s t a n tv o l t a g ef r e q u e n c yr a t i o ，w h i c hi sa l s oc a l l e dc o n s t a n tv fc o n t r o l ，i s o n eo ft h em o s tp o p u l a rc o n t r o lm o d e si ni n v e r t e ra p p l i c a t i o n w i t hi t ss i m p l es t r u c t u r ea n dl o w c o s t c o n s t a n t 、绳c o n t r o li sa p p l i e dt os o m el o wd y n a m i cp e r f o r m a n c ea p p l i c a t i o n ss u c ha s f a n ，w a t e rp u m pa n ds of o r t h a tp r e s e n t ，t h e r ei sab i gm a r k e tf o rt h i si n v e r t e rd u et oi t s e c o n o m ya n dp o p u l a r i t y i n t h i s p a p e r ，as p e c i m e no ft h ei n v e r t e rs y s t e m a d o p t e da t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s pc h i p 祷i t sc o n t r o l l e rb yu s i n gc o n s t a n t 、僵c o n t r o la n ds p a c ev e c t o rp w m t e c h n i q u ei sd e s i g n e d s o m ek e yp r o b l e m sa r ea n a l y z e di nt h e o r ya n dm e t h o d so ft h e ma r ep u t f o r w a r d t h em a i nc o n t e n ti nt h i sp a p e ri sa sf o l l o w i n g 1 a f t e re l a b o r a t i n gs p w ma n ds v p w m t e c h n o l o g y ，t h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa r ec o m p a r e di n o r d e rt of i n dw h i c hs u i t st h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n f i n a l l y s v p w mt e c h n o l o g yw i l lb ea d o p t e d 2 t h ep a p e re x p a t i a t e so nt h er e a s o no fd e a d t i m ei nt h e o r y a n a l y z e st h ei n f l u e n c eo fd e a d t i m ei ns v p w mo no u t p u tv o l t a g ea n dd i s c u s s e st h er e l a t i o nb e t w e e nt h eo u t p u tv o l t a g ev e c t o r p o s i t i o na n dt h et h r e e - p h a s ec u r r e n td i r e c t i o nb yu s i n gs p a c ev e c t o rg r a p h ，an e wm e t h o d ，w h i c h d i v i d e st h et h r e e - p h a s ec u r r e n ti n t os i xr e g i o n sa n dc o m p e n s a t e so n l yo n ep h a s eo u t p u tv o l t a g e i ne v e r yr e g i o n ，t oc o m p e n s a t et h ed e a d t i m ei sp u tf o r w a r d j u d g i n gt h ea n g l eo f o u t p u tv o l t a g e v e c t o rt oa c q u i r et h ed i r e c t i o no ft h r e e p h a s ec u r r e n t , t h i sm e t h o dc a na v o i da na p p e a r a n c eo f m a n yz e r o sw h e nc u r r e n ti sd e t e c t e d 3 t h r e e p h a s eb r i d g ei n c o n t r o l l a b l e f u l l w a v er e c t i f i e rc k c u i t sa n dt h ei n v e r t e rc i r c u i t c o n s t i t u t et h em a i nc i r c u i to fa c d c - av o l t a g es o u r c ei n v e r t e rs y s t e m i nt h i s s y s t e m ，t h e r e c t i f i e rp a r ti sc o m p o s e do fd i o d e sa n dt h ei n v e r t e rp a r ti sm a d eu po fi p m t h ec o n t r o lp a r t , w h i c ht a k e sat m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 c h i pa st h ec e n t r a lp r o c e s s o r k e y w o r d s ：i n v e r t e rd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，s p a c ev e c t o rd e a d t i m e ，i n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l e ( i p m ) 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 变频器的发展过程 第一章绪论 变频器技术的发展，其中主要以电力电子器件发展、变频器控制方式的发展以及微处 理器的发展为基础。 电力电子器件的发展 电力电子器件作为现代化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。 2 0 世纪8 0 年代中期以前，变频装置功率回路主要采用第一代电力电子器件，以晶闸 管元件为主，这种装置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容量的直流调速装置相比。 8 0 年代中期以后采用第二代电力电子器件g t r 、a r 0 、v d m o s i g b t 等制造的变频装置 在性能和价格比上可以与直流调速装置相媲美。随着向大电流、高电压、高频化、集成化、 模块化方向继续发展，第三代电力电子器件是2 0 世纪9 0 年代制造变频装置的主流产品， 中小功率的变频调速装置0 1 0 0 0 k w l 主要采用i g b t ，大功率的变频调速装置 0 0 0 0 - 1 0 0 0 0 k 哪采用g t o 器件。2 0 世纪9 0 年代末至，电力电子器件的发展进入了第四 代，如高压i g b t 、l g c t 、正g t 、s g c t 、智能功率模块口m 等“1 。 目前，在交流电机的传动控制中应用最多的功率开关器件是i g b t 和智能功率模块 i p m ，它们集g t r 的低饱和电压特性和m o s f e t 的高频开关特性于一体。i g b t 集电极 发射极电压u 。小于3 v ，开关频率可达到2 0 k h z ，内含的集电极发射极间超高速二极管 的培达1 5 0 略，1 9 9 2 年前后在变频器中得到应用，并持续向开关损耗更低、开关速度更快、 耐压更高、容量更大的方向发展，目前己达到单只耐压4 k v 、电流1 2 0 0 a 的水平。第四代 i g b t 采用沟道型栅极技术、非穿通技术等方法，大幅度降低了集电极发射极问的饱和电 压，使变频装置的性能有了很大的提高，具体表现在以下几个方面2 ： ( 1 ) 由于i g b t 的发热减少，将曾占主回路发热5 0 7 0 的器件发热降低了3 0 以 上。 ( 2 ) 由于i g b t 开关速度快，可采用高频载波控制，载波频率达到1 0 2 0 k h z ，超过了 人耳的感受范围，即可实现电机的静音化运行，并使输出电流波形有明显改善。 ( 3 ) 由于i g b t 的驱动功率减少，装置体积明显缩小。 智能功率模块( i p m ) 内包含了i g b t 芯片及外围的驱动电路和保护电路，有的还集成了 霍尔传感器和光电耦合器日本三菱电机公司最近开发的专用智能功率模块( a s i p m ) 就不需 要外接光电耦合器，通过内部自举电路可单电源供电，并采用了低电感封装技术，在实现 系统小型化、专用化、高性能、低成本方面又推进了一步。日立公司开发的变频器专用集 成功率模块( i s p m ) ，将整流电路、逆变电路、逻辑控制、驱动和保护、电源回路全部集成 在一个模块内，从而使变频器整体的元器件数量比原来减少了4 0 以上。因此智能功率模 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 块( i p m ) 是一种高度集成型功率开关器件。目前，模块的最大额定电流可达6 0 0 a ，小型变 频装置中基本上采用i p m 作为主电路，采用i p m 后的变频器综合性能大大提高，其性价 比已超过i g b t ，有很好的经济性。除此之外，其优点有： ( 1 ) 开关速度快，驱动电流小，控制、驱动电路简单。 ( 2 ) 内含电流传感器，可以高效迅速地检测出过电流和短路电流，能够对功率芯片予 以足够的保护，使故障率大大降低。 ( 3 ) 由于在器件内部电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化，所以浪涌电压、门 极震荡、噪声引起的干扰等问题得到了有效控制，可靠性很高。目前，智能功率模块( i p m ) 应用非常广泛，除了用于一般的变频器外，经济型的i p m 开始在一些家用电器，如变频空 调、变频冰箱、变频洗衣机等电器中得到广泛应用。 从电力电子器件的发展历程，我们可以看出电力电子器件正在向高耐压、大电流、小 的正向内阻、智能化的电压控制型器件发展。 1 1 1 脉宽调制( p w m ) 技术的发展 p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 脉宽调制，是一种开关式稳压电源应用，是利用微 处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。 随着电子技术的发展，出现了多种p w m 技术，其中包括：相电压控制p w m 、脉宽 p w m 法、随机p w m 、s p w m 法、线电压控制p w m 等，p w m 码是一种脉宽调制码，它 的组成为9 m s 高电平和4 m s 低电平引导脉冲，1 6 位系统识别码，八位数据正码和8 位数 据反码。 1 9 6 4 年，德国的a s c h o n u n g 等人率先提出了脉宽调制变频的思想，他们把通信系统 中的调制技术推广应用于变频调速中。自2 0 世纪7 0 年代初，对p w m 调速技术的研究引 起了人们的高度重视。到2 0 世纪8 0 年代初，日本学者提出了磁通轨迹控制方法，该方法 以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电动机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的， 一次生成二相调制波形，是、r 、n ，f 技术成为变频调速技术的核心，此后，人们着力于p w m 模式的优化问题，并得出诸多的优化模式，进一步活跃了变频调速技术的发展。4 j d 多年来， p w m 控制技术经历了一个不断创新和不断完善的发展过程。 p w m 技术己经广泛应用到变频器中，利用微处理器实现p w m 技术数字化后，p w m 技术不断优化和翻新，从追求电压波形正弦到电流波形正弦，再到磁通波形正弦；从效率最 优，转矩脉动最小，再到消除谐波噪声等。变频器采用p w m 技术不仅能够及时、准确地 实现变压变频控制要求，而且更重要的意义是抑制变频器输出电压或电流中的谐波分量， 从而降低或消除了变频调速时电机的转矩脉动，提高了电机的工作效率，扩大了调速系统 的调速范围。 目前，实际工程中主要采用的p w m 技术是j 下弦p w m ( s p w m ) ，主要分为电压正弦 p w m 、电流j 下弦p w m 和磁通j 下弦p w m 等三种基本类型。电压j 下弦p w m 着眼于使变频 器输出的电动机定子绕组电流为三相对称正弦电流而得名，它的生成有许多方法，例如自 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 然采样法、规则采样法、正弦波等面积法等。正弦波等面积法是将一个正弦波等分为l 个 区段，区段数l 一定是6 的整数倍，因为三相正弦波各相相位互差1 2 0 0 ，要从一相正弦波 方便地得到其他两相，必须把一个周期分成6 的整数倍，并且l 越大，输出波形越接近于 正弦波。 自然采样法采用正弦波作为调制波，以等腰三角波作为载波，在载波三角波与调制正 弦波的自然交点控制功率开关器件的通断，从而获得幅值相等、面积按正弦规律变化的矩 形脉冲信号。自然采样法虽能准确反映正弦脉宽调制的原始方法，但其开关时刻求取困难， 不适合微机实时控制。而规则采样法是利用载波三角形的正峰值点、负峰值点所对应的正 弦函数值来代替三角波与正弦波自然交点处正弦函数值这一规则求取脉冲宽度来生成 s p w m 波的方法。规则采样法的效果接近自然采样法，用计算机实现又比较方便，运算量 小，实时性好，是人们常用的一种s p w m 方法。 电流正弦p w m 技术本质上是电流闭环控制，实现的方法很多，主要有p i 控制、滞环 控制及无差拍控制等几种，都具有控制简单，动态响应快和电压利用率高的特点。目前实 现电流控制的常用方法是a b p l u n l 【e t t 提出的电流滞环s p w m ，即把正弦电流参考波形和 电流的实际波形通过滞环比较器进行比较，其结果决定逆变器桥臂上下开关器件的导通和 关断，这种方法的主要优点是控制简单、响应快、瞬时电流可以被限制，功率开关器件得 到自动保护；缺点是相对的电流谐波较大。 与电压正弦p w m 不同，磁通正弦p w m 技术是从电机的角度出发的，目的在于使交 流电机产生圆形磁场。它是以三相对称正弦波电源供电时交流电机产生的理想磁链圆为基 准，通过选择逆变器的不同开关模式，使电机的实际磁链尽可能逼近理想磁链圆，从而生 产s p w m 波。这种控制方法是将逆变器和交流电机视为一个整体，它的数学模型是建立在 电机统一理论和电机坐标轴系变换理论基础上的，物理意义直观，数学模型简单，便于微 机实时控制，并具有转矩脉动小、噪声低、电压利用率高的优点，因此在变频器中得到了 越来越广泛的应用。 1 1 2 微处理器的发展 早期交流调速控制器完全由模拟电子器件构成，调节器参数调整困难，受外界环境的 影响很大，因而对控制对象的适应能力差，难于适应各种新型控制策略和控制方法。另外， 由于模拟器件的集成度不高，这就使得整个控制系统的硬件结构变得非常复杂，从而影响 控制装置的可靠性。 随着微机控制技术的迅速发展，交流调速控制领域出现了以微处理器为核心的微机控 制系统。开始采用微机控制时，总要选用c p u 、r o m 、r a m 、定时器、i ，o 、a d 、d a 等芯片，组成最小微机系统。为了适应这种需求，一些公司开始在一块芯片上直接集成这 些器件，构成单片机。 单片机自问世以来就得到了飞速发展，以i - l t e l 公司为例，早期推出的m c s 4 8 系列单 片机功能简单，寻址范围有限，性能较差，这种单片机很快就被稍后推出的m c s 5 1 系列 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 单片机所取代。m c s 5 1 系列单片机功能较强，寻址范围达到6 4 k ，有多级中断处理系统， 片内带有串行f o 口，1 6 位定时计数器，这些性能基本能够满足一般控制系统的需要，故 这类单片机仍是目前应用最为广泛的种单片机。虽然m c s 5 1 单片机目前应用最为广泛， 但在一些比较复杂的控制系统中，由于受计算速度和计算精度的影响，它不得不让位于1 6 位单片机b 1 。 m c s 9 6 系列1 6 位单片机具有丰富的硬件资源和软件资源，其c p u 中不采用常规的累 加器结构，改用寄存器寄存器结构，c p u 操作直接面向2 5 6 字节寄存器，消除了在一般c p u 结构中存在的累加器瓶颈效应。这其中特别是8 x c l 9 6 m x 系列微处理器采用规则采样法产 生波形，其载波调制频率由输入到重装寄存器r e l o a d 中的数值决定，三相脉宽调制由软 件编程计算并分别送到内部的三相s p w m 发生器的比较输出寄存器进行控制。8 x c l 9 6 m x 是把c p u 与p w m 波发生器等功能集成在一起，硬件电路大大简化，进一步提高了系统的抗 干扰能力和可靠性。它除具有1 6 位c p u 的通用功能和s p w m 波形直接输出能力外，芯片内 部还有独特的外部传输服务器it s 、事件处理阵列e p a 等，这些功能使其容易用编码器、 速度传感器等反馈检测元件构成速度环和纯数字电流环，省去了一些硬件处理电路，提高 了响应速度。虽然m c s 9 6 系列处理器的性能优越，但如果要处理复杂的控制系统，比如处 理实时性高和运算精度高的系统，还是有些不足之处。 8 0 年代初期出现的d s p 数字信号处理器采取了一系列措施“1 ，包括集成了硬件乘法器， 提高了系统频率，支持浮点运算等等，这样就增强了微处理器的数据处理能力，提高了运 算精度；同时还在片内集成了大量的外围接口，因而在调速控制系统中得到广泛应用。d s p 通常采用哈佛结构，将程序存储空间与数据存储空间分开，并且各自拥有自己的数据总线 和地址总线：采用流水线技术，使得指令处理的平均速度大大提高：内部增设专门的硬件乘 法器，并将硬件乘法器与累加器以流水线方式连接，从而可以高速连续进行乘法和累加运 算。d s p 在提高速度的同时，片内集成了越来越多的外围接口，从而大大提高了其功能， 有些公司还设计专用的d s p 应用于各种不同的控制场合，比如1 r i 公司的1 m s 3 2 0 u 砣4 0 x 就 是专门用于电机控制的，在与现存的2 4 x d s p 控制器芯片代码兼容的同时，2 4 0 x 芯片具有处 理性能更好、外设集成度更高、程序存储器更大和a d 转换速度更快等特点，是电机控制 的升级产品。本课题即选用1 1 公司的1 m s 3 2 0 u 也4 0 7 型d s p 芯片作为控制器构成变频器系 统的主要控制器件i ”。 1 2 课题研究的意义 利用变频器与交流异步电机结合进行交流变频调速具有很大的优越性，如容易实现对 电机的调速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制，能够连续高频度地起、停、运 行等。在早期，由于电力电子器件和控制技术的限制，在经济上是不可行的，无法为人们 广泛接受，特别是在控制精度要求比较高的场合在很长的一段时间内，根本看不到交流异 步电机的踪影。但是随着电力电子技术的发展，各种功率半导体器件的不断出现，简化了 变频器系统的电路，特别是近几年来发展的复合功率半导体器件和智能性功率半导体器件 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 推出，使交流异步电机变频调速系统的结构更加简单，性能更加优良、可靠，价格逐渐降 低，使交流异步电机调速在经济上的障碍己不复存在，大大地推动了交流异步电机变频调 速的发展。目前每一台电机配备一台变频器的看法己被人们所认同。同时，随着微电子技 术和微控制器的推出，使数字控制技术与功率半导体装置两方面的先进技术结合起来，不 仅提高了变频器的可靠性，也使以前无法实现的多种先进的控制方法和控制策略得以实 现，提高了交流变频调速的控制精度。 利用变频器对异步电机进行变频调速是电力电子技术最大的应用场合之一，过去由于 经济上的原因，人们常常着眼于大的工业用电机的变频调速，但是中小型电机具有极大的 市场，同时。由于近些年来电力电子技术、微电子技术的发展，价格水平已有了较大幅度 的下降，逐渐推动了中小功率的变频器装置的广泛应用。以中国市场为例，1 9 9 7 年中小功 率变频器产品的销售额超过了1 0 亿元人民币，其中日本、西德、台湾等变频器产品占据 了市场的大部分份额。 随着人们生活水平的提高和对能源绿色利用的逐步重视，家用电器、纺织和轻工机械 中应用的电机数量逐渐增大，这一类电动机虽然功率比较小，价格很低，但是数量特别巨 大，据报道我国仅仅空调一项，在2 0 0 0 年己达1 0 0 万台。其它如冰箱、吸尘器、给排风 机、水泵、电动工具等，如果每一台中小功率电机均配备上一台变频器，不仅能够提高产 品的性能，降低噪声，同时对于能源节约也是非常可观。但是由前面的所述可知，国内变 频器的市场占有率很低，对国外依赖性比较大，因此自主研制性能可靠、控制精度高的变 频器产品是提高我国生产自动化水平的必要手段之一。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 2 1 概述 2 , 1 1 变频器的功用“ 第二章变频器的控制原理及策略 变频器的功用是将频率固定( 通常为工频5 0 h z ) 的交流点( 三相的或单相的) 交换成 频率连续可调的三相交流电源。 如图2 1 所示，变频器的输入端( r 、s 、t ) 接至频率固定的三相交流电源，输出端( u 、 v 、w ) 输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电，接至电机。 u r s t v v v f 2 1 2 变频器的类别 图2 , 1 变频器的使用 1 变换环节分： ( 1 ) 交交变频器把频率固定的交流电源直接变换成频率可调的交流电源。其主要优点 是没有中间环节，故变换效率高，但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的1 2 以 下，故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。 ( 2 ) 交直一交变频器先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续 可调的三相交流电。由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此在频率的调节范围 及改善变频后电动机的特性等方面，都具有明显的优势。目前迅速地普及应用的主要是这 一种。 2 电压的调制方式分： ( 1 ) p a m ( 脉幅调制) 变频器输出电压的大小通过改变直流电压的大小来进行调制。在 中小容量变频器中，这种方式几近绝迹。 ( 2 ) p w m ( 脉宽调制) 变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制。 目的普通应用的是占空比按正弦规律安排的正弦脉宽调制( s p w m ) 方式。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 3 按直流环节的储能方式分： ( 1 ) 电流型直流环节的储能元件是电感线圈l f 如图2 2 a 所示。 ( 2 ) 电压型直流环节的储能元件是电容器c f ，如图2 2 b 所示。 l f r 、1 一 u sv t冒 i ) 电流型 r 上 u v s t 白 t ”电压型 图2 2 电流型与电压型的储能方式 ， 1 兰星 i 兰 lf j ( 萎_ 乏玉g _ v - 么z 亭 _ _ _ _ 毒2 v 堂 r ； 事 一 基 乒 = “由由- ：j j 。z 。zv 1 c zzz h r s 一 t 曩口 、 、 亭 一 l。 c乡 = 、 影乒z皿 交一直变换 直一空变换 图2 3 交直交变频器的主电路 交一值一交变频器的主电路如图2 3 所示，现说明如下。 交直部分： 1 整流管v d l v d 6v d l v d 6 组成三相整流桥，将电源的三相交流电全波整流成直流 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 电。如电源的线电压为u l ，则三相全波整流后平均直流电压u p 的大小是 u d = 1 3 5 u l ( 2 1 ) 我国三相电源的线电压为3 8 0 v ，故全波整流后的平均电压是 u d = 1 3 5 3 8 0 = 5 1 3 v ( 2 2 ) 2 滤波电容器c f 其功能是： ( 1 ) 滤平全波整流后的电压纹波； ( 2 ) 当负载变化时，使直流电压保持平稳。 由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成 一组，又由两个电容器组串联而成，如图2 3中的c h 和c v 2 。因为电解电容器的电容 量有较大的离散性，故电容器组c f l 和c v 2 的电容器常不能完全相等，这将使它们承受的 电压u d l 和u d 2 不相等。为了使u d - 和u m 相等，在c f - 和c f 2 旁边各并联一个阻值相 等的电阻r c l 和r c 2 。 3 限流电阻r l 与开关s l ： 当变频器刚合上电源的瞬间，滤波电容器c f 的充电电流是很大的。过大的冲击电流 将可能使三项整流桥的二极管损坏；同时，也使电源电压瞬间下降而受到“污染”。 为了减小冲击电流，在变频器刚接通电源后的一段时间里，电路内串入电阻r l ，其作 用是将电容器c f 的充电电流限制在允许范围以内。 开关s l 的功能是：当c f 充电到一定程度时，令s l 接通，将r l 短路掉。 许多新系列的变频器里，s 。已由晶闸管代替，如图中虚线所示。 4 电源指示h k h l 除了表示电源是否接通，还有一个十分重要的功能，即在变频器切断电源后，表 示滤波电容器c f 上的电荷是否已经释放完毕。 由于c ，的容量较大，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，所以c f 没有快速放电的回路，其放电时间往往长达数分钟。又由于c f 上的电压较高，如不放完， 对人身安全将构成威胁。故在维修变频器时，必须等h l 完全熄灭后才能够接触变频器内 部的导电部分。 直一交部分： 1 逆变管v l v 6v 1 v 6 组成逆变桥，把v d l v d 6 整流所得的直流电再“逆变”成频 率可调的交流电。这是变频器实现变频的具体执行环节，因而是变频器的核心部分。 当前常用的逆变管有绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 、电力晶体管( g t r ) 、门极关断 ( g t o ) 晶闸管以及电力m o s 场效应晶体管( m o s n 玎) 等。 2 续流二极管v d 7 v d l 2 其主要功能有： ( 1 ) 电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分量。v d 7 v d l 2 为无功电流返回直 流屯源时提供“通道”。 ( 2 ) 当频率下降、电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过v d 7 v d l 2 整流后返 回给直流电路。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 ( 3 ) v 。v 6 进行逆变的基本工作过程是，同一桥臂的两个逆变管处于不停地交替导通 和截止的状态。在这交替导通和截止的换相过程中，也不时地需要v d 7 v d 。2 提供通道。 3 缓冲电路( r 0 1 、v d 0 1 、c d l r 0 6 、v 】d 惦、g 嘶) 逆变管在关断和导通的瞬间，其电压 和电流的变换率是很大的，有可能使逆变管受到损坏。因此，每个逆变管旁还应接入缓冲 电路，以减缓电压和电流的变化率。缓冲电路的结构因逆变管的特性和容量等的不同而有 较大差异，图2 。4 所示是比较典型的一种。 图2 4 缓冲电路 各原件的功能如下： ( 1 ) q l r 逆变管v - v 6 每次由导通状态切换成截止状态的关断瞬间，集电极 ( c 极) 和发射极( e 极) 问的电压u c e 将极为迅速地由近乎0 v 升至直流电压值u d 。这 过高的电压增长率将导致逆变管的损坏。因此，c o l r 砸的功能便是减小v 1 v 6 在每次关 断时的增长率。 ( 2 ) r o l r 循v l v 6 每次由截止状态切换成导通状态的接通瞬间，c o l r 循上所充 的电压( 等于u d 。) 将向v - v 6 放电此放电电流的初始值将是很大的，并且将叠加到负 载电流上，导致v l v 6 的损坏因此，r 0 1 r 0 6 的功能是限制逆变管在接通瞬间c 0 1 r 0 6 的放电电流。 ( 3 ) v d 0 1 v d 嘶& 1 r 嘶的接入，又会影响c m r 0 6 在v 1 v 6 关断时减小电压增 长率的效果。v d 0 1 v d 嘶接入后，在v l v 6 的关断过程中，使r o l r 嘶不起作用；而在 v 1 v 6 的接通过程中，又迫使c 0 1 r 0 6 的放电电流流经r o l l k 。 2 2 变频器的控制策略 1 9 “年，德国的a s c h o n u n g 等人率先提出了脉宽调制变频的思想，他们把通信系统 中的调制技术推广应用于变频调速中，为现代交流调速技术的发展和实用化开辟了新的道 路。4 0 多年来，p w m 控制技术作为变频技术的核心技术之一，经历了一个不断创新和完 善的发展过程。从最初采用模拟电路完成三角载波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 s p w m 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p w m 信号输出，p w m 在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。 p w m 就是把每半个周期内，输出电压的波形分割成若干个脉冲波，每个脉冲的宽度 为t l ，每两个脉冲间隔宽度为1 2 ，则脉冲的占空比a 为 a 。上( 2 3 ) f l + 乞 这时，电压的平均值和占空比的大小成正比，所以在调节频率时，不改变直流电压的 幅值，而改变输出电压脉冲的占空比，也同样可以实现变频也变压的效果。 2 2 1 正弦波脉宽调制( s p w m ) 在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值，脉 冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小。反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而 脉冲间的间隔则较大。这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的谐波成分大为减小，故称 为正弦波脉宽调制。 s p w m 法是从电源的角度出发，着眼于如何生成一个可以调压的三相正弦波电源。 s p w m 波形的生成有许多方法，例如等效面积法、自然采样法、规则采样法等。自然采样 s p w m 法采用正弦波作为调制波，以等腰三角波作为载波，利用比较法以正弦波和三角波 瞬时值相等的时刻即两个波形交点作为跳变时刻，获得经调制的幅值相等、面积按正弦规 律变化的矩形脉冲信号。规则采样法的基本思想是，将三角载波周期的中点( 三角波的负 峰值或正峰值) 时刻对正弦波采样形成阶梯波来代替正弦波t 3 1 ( 1 ) 自然采样法 由s p w m 的工作原理可知，三角载波在一个周期内与正弦波相交两次，相应的逆变器 开关导通与关断各一次玎1 。要准确地生成这样的s p w m 波形，就应尽量地计算出功率器 件导通和关断时刻。功率器件导通的区间就是脉冲宽度，其关断区间就是脉冲的间隙时间， 这些区间的大小在不同的正弦波频率下是不一样的，并随调制度而异。但对于微型计算机 来说，时间可以由软件实现。自然采样法如图2 5 所示。 a 7n p t曩 i 粼lv 、 b ：t i , ：i土 o t + l 一 图2 5s p w m 自然生成法 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 图中显示了任意一段正弦调制波和三角载波的几个周期的相交情况：其中t c 为三角载 波周期，正弦波函数表达式为m s i n ，交点a 是器件开通的时刻，交点b 是器件关断的 时刻，在三角载波的一个周期t c 内，a 和b 之间的时间t 1 是逆变器功率开关器件导通工作 的区间，称为脉冲时间，而其余的时间均为器件的关断工作区间，称为间隙时间，它在脉 冲前后各有一段，分别用t 2 和t 3 来表示。由于a ，b 两点对三角载波中心线的不对称性， 可以把脉冲时间t 1 分成x l ，x 2 两部分分别进行求解，由图2 5 可知 i 而一等( 1 + m s i n 毗) i； l 垆等( “肌i n ) ( 2 4 ) 脉冲宽度为： 一五+ 毛一等( 1 + 膨( s i n 乞+ s i n 臼气) 2 ) ( 2 5 ) 在上式中，除了t c 、m 为已知外，t | 、“是未知数，要计算出各个脉冲的开通和 关断时间，必须计算出k 、t b ，是由于三角波和正弦波的交点方程是一个超级方程，难以求 解，因此给实时计算带来了困难。由此可见。自然采样法虽然能真实地反映脉冲产生与结 束的时刻，得出的波形精确度较高，却难于用于实时控制中。为了适应数字控制实时运算 的要求，由此提出了规则采样法，它包括对称规则采样法和不对称规则采样法。 ( 2 ) 规则采样法 规则采样法的主要思想是在三角载波的每一周期内的固定时刻，找到正弦调制波上对 应的电压值，然后用这个值对三角载波进行采样，以决定功率开关器件的导通和关断时刻， 而不管在采样点上三角波和正弦波是否相交嵋1 。 对称规则采样法只在三角波的顶点位置或底点位置对正弦波采样，采样形成的阶梯波 与三角波的交点所确定的脉宽在一个采样周期内的位置是对称的，如图2 6 所示。 i。烈，。! 。| 属；v 。 茸o hj 一i 錾 + t c i 一 图2 6 对称规则采样法 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 经计算得： 因此脉冲宽度为： 经推导采样公式为： ( 2 6 ) ( 2 7 ) f l ，弘ms i n 叱) 一扣m s i n 叽) ( 2 - 8 ) 一弘ms 血研。) t 扣m s 抽嘶) - 弘ms i n ( 噶- 1 2 0 ) ) - m s i n ( 嘞- 1 2 0 ) ) ( 2 9 ) - 弘m s i n ( 嘶+ 1 2 0 ) ) 一弘m s i n ( 嘶+ 1 2 0 ) ) 式中：t t 为采样周期值，t c 为三角波周期值，这里t t = t c 。采样时刻t d 只与载波t l n 有关， 而与调幅l l m 无关，且t d = k t t ( k = 0 ，1 ，2 n 1 ) 。 不对称规则采样法比对称规则采样法更精确，这是因为不对称规则采样法是在每个三 角波周期内用三角波的正峰值和负峰值时刻对正弦波的采样而形成的阶梯波来代替正弦 波的，而对称规则采样只是在正峰值或负峰值时刻对正弦波进行采样。但由于不规则采样 法的采样次数比规则采样的增加了一倍，对于微机处理系统来说，增大了数据处理量，当 载波频率较高时，微机速度将成为问题。 由上面分析知，规则采样法采用阶梯波代替正弦波后，脉宽的计算方法变得比较简单， 很适合微机实现。在微机实现中一般都是离线计算出相应的脉宽t 。或ms i n 耐，写入e p r o m ， 然后由微机通过查表和运算求出各相脉宽时间和间隙时间，这种方法叫做查表法。另一种 方法是实时计算法，它先在内存中存储正弦函数值和t c 2 ，控制时取出正弦值和调制深度 相乘，然后通过一系列实时计算运算得到脉宽时间t ，按查表法或实时计算所得到的脉冲 数据送入定时器，利用定时器中断向外部接口电路送出相应的高低电平，从而产生s p l v m 的一系列脉冲。 、，“、z l 互4 墨4 e 尸 4 b ，气 = h 也 ，一， 、j 、j 嘞 嘞 - 口 暑 m m 恤 玉2 玉4 h 也 ，?l【 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 3 1 死区分析 第三章死区分析和补偿 在桥式逆变系统中，同一桥臂上的两个功率器件工作在互补状态，为了防止同一桥臂 上的两个功率开关器件发生直通，必须在其驱动信号中设置一段死区时间，使应开通的器 件延时所设定的死区时间后再开通，死区时间的设置由所选开关功率器件特性决定，一般 取3 1 0 l l s 。死区效应是影响逆变器电压和电流输出的重要非线性因素，会使得低速轻载时 的电压及电流发生严重畸变，引起转矩脉动和谐波瞎1 ，死区如图3 1 所示。 秃一巾门r 辱 上 m 问 有 死 区 时 间 图3 1 死区分析示意图 由于逆变器所带负载以感性的电机负载为主，这里就以感性负载对死区效应进行定性 分析。规定电流从逆变器流向电机为参考方向的正方向，那么电流从电机流向逆变器时电 流为负，如图3 2 所示。 ( 1 ) 当电流i a 为正，开关器件t 1 由导通到关断，t 2 由关断到导通时，死区时间内电流经 d 2 续流，a 点的电位和砭导通时电位相同，此时输出的电压极性与实际控制所期望输出极 性相同，因此死区对输出电压不影响。 ( 2 ) 当电流i a 为正，开关器件t 1 由关断到导通，t 2 由导通到关断时，死区时间内电流 经d 2 续流，a 点的电位u a - u 以，而t 1 实际导通时u a - u 以，由于死区的影响将导致输出电 压减小。 ( 3 ) 当电流i a 为负，开关器件t 1 由导通到关断，t 2 由关断到导通时，死区时间内电流经 d l 续流，a 点的电位u a = u 以，而t 1 实际导通时u a = u a = u 以，由于死区的影响将导致输出 电压增加。 ( 4 ) 当电流j n 为负，开关器件t 1 由关断到导通，几由导通到关断时，死区时间内电流经 d l 续流，a 点的电位和t 1 导通时电位相同，此时输出的电压极性与实际控制所期望输出极 性相同，因此死区对输出电压不影响。 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 u u 图3 2 三相逆变器电流方向 由于死区效应的影响，实际输出电压与理想电压之间存在一个幅值为u d 、宽度等于死 区时间t d 的脉冲误差电压，在电流的正半周，所有的正脉冲宽度都减少t d ，而所有的负 脉冲宽度都增加t d ，在电流的负半周，所有的正脉冲宽度都增加t d ，而所有的负脉冲宽度 都减少t d 。这种误差电压的累计效应可导致变频调速系统的电流波形畸变。 3 。2 死区对输出电压的影响 3 2 1 无死区s p w m 谐波分析 p wm 逆变电路可以使输出电压、电流接近正弦波，但由于使用载波对正弦波进行调 制，也产生了和载波有关的谐波分量。这些谐波分量的频率和幅值是衡量p w m 逆变电路性 能的重要指标之一，因此对p w m 波形的谐波分析有着重要意义9 1 。 下面就对无死区的s p w m 波采用自然规则采样法进行谐波分析。图3 3 是三角载波l l c 、 正弦调制波u 。和p w m 输出波u 。间的关系图，图中取三角波两个正峰值之间为一个载波周期 2 p ，取三角波负峰值时刻为( o t 轴的零点0 1 和0 2 ，设正弦调制波1 1 1 = m s i n o l t ( m 为调制度，o = m n “。 则p w m 输出波u a 可表示为： 叫嚣? 。， 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 y瀚弋， vv 。净 u d 2 卜什+ 一仉2 图3 3 载波、调制波和p w m 输出波的关系 将古长进行傅立叶展开，可以得到i 苏一三1 ”弘咖删n 州) 2 ， 式中 卜托尚砷砷( 训 1 - z 尚咖( 蚋( 吖) 把式( 3 1 ) 代入( 3 3 ) 可得 ( n = o 一12 。) ( n - 0 12 。) ( 3 3 ) 1 口。一孝+ q 一岛) 石 ”a s i i l ( 疗0 2 ) “n ( 咀) 】 n 坛) ( 3 4 ) 吃一丢【鲫慨) 一c o s ( n 只) 】 蛾。) 比。2 ：霎： 一f o o s w d 可得 ( 3 6 ) “n 卜q 矿 ，i n n ( 吼 m m 如 p m 万一2 x。 ：1 2 = q 吃