（微电子学与固体电子学专业论文）高精度spwm变频触发的恒压控制器硬件系统设计.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 采用水塔、水箱、压力罐等技术的传统供水方式主要有水压偏低、 水质二次污染、耗电费水、，譬地面积大、建造费用高、管理维护复杂等 诸多缺点。本文采用变频调速技术设计的恒压供水系统有效地解决了以 上诸多问题，而且成本低，操作简单，用水压力恒定，节能效果显著。 本课题在广泛借鉴当今国内外己取得的成果的基础上，采用变频调 速技术进行了高精度s p w m 变频恒压控制器的设计。本文首先根据客户 指定的功能要求，进行了恒压供水系统方案的设计；然后基于s p w m ( 正 弦脉宽调制) 波形发生原理，重点设计了三相s p w m 高精度变频触发核， 并阐述了每个子模块的设计实现过程与部分仿真结果，完成了对该核的 整体功能仿真与f p g a 综合验证；最后，应用于高精度变频恒压控制系 统设计中。 本课题研究的重点与难点是设计一个三相s p w m 高精度变频触发 核，用于扩展一般m c ui p 核的功能。基于该核的设计，最后完成了整 个高精度s p w m 变频恒压控制硬件系统的应用设计。经反复测试改进后 最终形成的产品，达到预定功能要求，并成功应用于实际恒压供水系统 中。 关键字：高精度三相正弦脉宽调制、f p g a 、恒压供水、单片机 电子科技大学硕士学位论文 a b s t ra c t c o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a lw a t e r s u p p l ym e t h o d s ，v a r i e d - f r e q u e n c y s p e e d a d j u s t a b l et e c h n o l o g yi s ag o o dw a yw i t ht h em e r i t ss u c ha sl o wc o s t ， e a s yt ob eu s e d ，a n dt oe c o n o m i z ee n e r g ye f f i c i e n t l y b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h i sa r e a ，ac o n s t a n t p r e s s u r es y s t e m ，w h i c h t a k e sv a r i e d - f r e q u e n c y s p e e d - a d j u s t a b l et e c h n o l o g y , i sd e s i g n e di nt h i sp a p e e f i r s t l y ，as y s t e mp l a n e i s p r e s e n t e da c c o r d i n gt o t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s s e c o n d l y ，a f t e ri n t r o d u c i n ge a c hm o d e lo ft h i ss y s t e m ，t h r e e p h a s ea c c u r a t e s p w mc o r ei s d e s i g n e d m o r e o v e r , f u n c t i o n s i m u l a t i o na n df p g a v e r i f i c a t i o no ft h i si pc o r ei sa l s op r e s e n t e d f i n a l l y ，i ti sa p p l i e df o rt h ed e s i g n o f v a r i e d - f r e q u e n c yc o n t r o ls y s t e m u n d e rc o n s t a n t - p r e s s u r e t h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h et h r e e p h a s ea c c u r a t es p w mm o d e l ，w h i c h i st h em o s td i f f i c u l ta n di m p o r t a n ti nt h e s y s t e md e s i g n a f t e rf u n c t i o n s i m u l a t i o na n df p g av e r i f i c a t i o n ，t h i sm o d e lc a nb eu s e di nm c ui r a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t s ，t h i sc o n s t a n t p r e s s u r ew a t e rc o n t r o ls y s t e mh a s m e tt h ed e m a n d so fc u s t o ma n du s e di nw a t e r s u p p l y i n gs y s t e ms u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：a c c u r a t et h r e e p h a s es p w m ，f p g a ，w a t e rs u p p l y i n g u n d e r c o n s t a n t p r e s s u r e ，m c u - 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：_ j 萼f 色l 日期：立衅月6 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 虢啦导师繇互鲐 e t 期：& 梆主年以月名e t 电子科技大学硕士学位论文 第一章引言 本章作为引言，主要介绍了该课题的国内外研究动态，及在国内市 场的研究意义与价值，最后简要归纳了本课题的研究任务。 1 1 国内外动态 当前全球经济发展过程中，有两条显著的相互交织的主线：能源和 环境。能源的紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长，也为许多 发达国家带来了相当大的问题。能源工业作为国民经济的基础，对于社 会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要。在高速增长的经济 环境下，中国能源工业面临经济增长与环境保护的双重压力。有资料表 明，受资金、技术、能源价格的影响，中国能源利用效率比发达国家低 很多。能源这一链条正在掣肘整个中国经济的运行发展。国家发展和改 革委员会主任马凯发出警告：“我国己成为世界上电力消费第二大国，我 国主要能源和初级产品的供求格局已发生较大变化，资源对经济发展的 制约作用越来越大”。 由此可见，对能源的有效利用在我国已经非常迫切。作为能源消耗 大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。根据国内外相关方面的 理论表明：交流电机变频调速技术是近年来发展起来的一项高新技术。 其主要原理是：根据电机不同的负荷、工艺或转矩要求，通过交流变频 调速器调节电动机的转速，使其改变电机主轴的输出特性。变频调速技 术应用于水泵风机等流体负载时【2 l ，可使流体的流量、压力根据实际需要 自动恒压或恒流量调节。根据流体力学原理，水泵的流量与电机转速出 正比，压力与电机转速的平方成正比，所以风机水泵采用变频调速技术 后，它在节能效果方面比采用阀门控制压力或流量的方法节电4 0 5 0 ，节水7 ，同时延长设备使用寿命，解决了占地面积大，设备启动 频繁，电流和水压冲击严重，设备维修量大等问题。 又有实验证明：不管一般定速控制系统几次提效，增加变频技术都 可再实现节能超过3 0 以上，因此，变频技术成为最优异的节能技术方 案，是实现节能的最佳技术途径之一。 目前，国内变频调速系统的研究非常活跃，但是在产业化方面还不 是很理想，市场的大部分还是被国外公司所占据。因此，为了加快国内 变频调速系统的发展，就需要对国际变频调速技术的发展趋势和国内的 电子科技人学硕士学位论文 市场需求有一个全面的了解。 ( 1 )国外现状i j j 在大功率交。交变频( 循环变流器) 调速技术方面，法国阿尔斯通已 能提供单机容量达3 万k w 的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功 率无换向器电机变频调速技术方面，意大利a b b 公司提供了单机容量为 6 万k w 的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西 门子公司s i m o v e r ta 电流型晶闸管变频讽速设备单机容量为1 0 - - - 2 6 0 0 k v a 和s i m o v c r tpg t op w m 变频调速设备单机容量为1 0 0 9 0 0k v a 。其 控制系统已实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动。在小功率 交流变频调速技术反面，日本富士b j t 变频器最大单机容量可达7 0 0 k v a ，i g b t 变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。 ( 2 ) 国内现状1 3 1 从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平的差距有1 0 1 5 年。由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性严 重。在大功率交一交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研 单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。 而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组起动及运行、大容量风机、压缩 机和轧机传动、矿井卷场方面有很大需求。在中小功率变频技术方面， 圉内几乎所有的产品都是普通的v f 控制，仅有少量的样机采用矢量控 制，品种与质量还不能满足市场需要，每年需大量进口。 ( 3 ) 未来发展动向 交流变频调速技术( 1j 【4 l 是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要 处理巨大电能的转换( 整流、逆变) ，又要处理信息的收集、变换和传输， 因此该技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有 关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决( 基于 现代控制理论的控制策略和智能控制策略) 的硬、软件开发问题( 在目 前状况下主要全数字控制技术) 。其主要发展方向1 3 堵如下几项： 实现高水平的控制：基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控 制、磁场控制、直接传矩控制和机械扭振补偿等：基于现代理论的 控制策略，有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几 何理论的非线性解耦、鲁棒观察器，在某种指标意义下的最优控制 技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制思想的控制策略， 有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断 技术等。 电子科技大学硕士学位论文 开发清洁电能的变流器：所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因 数为l ，网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公 害和电动机的转矩脉动。基于电动机机械模型的控制策略，有矢量 控制、磁场控制、直接转矩控制机械扭振补偿等；基于现代理论的 控制策略有模型参考自适应技术、采用微分集合理论的非线性解耦、 鲁棒观察器，在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列 设计方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神经元 网络、专家系统和各种各样的自动化、自诊断技术等。 频率的p w m 控制是有效的。对大容量变流器，在常规的开关频率 下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。 缩小装置的尺寸：紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成 度，其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开 关电源，以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电 容器。功率器件冷却方式的改变( 如水冷、蒸发冷却和热管) 对缩 小装置的尺寸也很有效。 高速度的数字控制：以3 2 位高速微处理器为基础的数字控制模板有 足够的能力实现各种控制算法，w i n d o w s 操作系统的引入使得可自 由设计，图形编程的控制技术也有很大的发展。 模拟与计算机辅助设计( c a d ) 技术：电机模拟器、负载模拟器以 及各种c a d 软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支 持。 1 2 课题意义和价值 本课题在实际应用方面具有极其重要的节水节能绿色环保意义，并 具有非常广泛的市场应用价值，特别适用于各种水( 包括生活用水、污 水、消防用水、灌溉用水、锅炉给水等) 、气( 包括蒸汽、天然气、空气 流通等) 、油等流体供应输送系统之恒量控制设备中，有效达到恒压、定 速、定量之功能口j 。以下仅以本课题基于高楼自来水恒压供应之应用为例， 具体分析本课题在实际应用方面的意义和价值。 国家建设部城市供水行业2 0 0 0 年技术进步发展规划要求城市取 消屋顶水箱供水方式，并进行全面技术改造，建议采用调频水泵恒压供 水技术。 究其原因分析如下： 居民生活供水，先前都用水塔、水箱、压力罐等方式提高水位。水 电予科技大学硕士学位论文 池满时供水压力大，水池低时供水压力低，甚至供不上水。还经常出现 用水高峰期水压偏低、水质二次污染、耗电费水、占地面积大、建造费 用高、管理维护复杂等诸多缺点。而采用恒压变频供水技术具有咀下显 著优点【2 1 3 1 ： 高效节能：按供水管网设置点的设置压力，自动检索供水系统的瞬 时水量，根据用水情况自动控制电机泵组的转速和运行台数，保持 恒压供水，满足用水高峰时最大用水量及管网最不利地点的供水压 力要求。当对泵组出口实行可变控制可进一步扩展泵组的调速范围， 并且水泵始终在高效区运转，因此节电效果显著，比恒速泵及气压 罐供水节电可高达2 0 5 0 。符合国家能源节约与资源综合利用“十 五”规划要求。 用水压力恒定：设备采用变频调速供水技术，无论管网用水量有何 变化，均能使供水系统的服务压力恒定，大大提高了供水质量。 投资省，占地小，水质优：与建造水塔，高位水箱比较，节省基建 投资7 0 9 0 ；可取代气压给水设各；泵房占地面小：消除了噪音 和频繁启动的困扰；降低了给水工程投资和长期运行费用，缩短了 建设工程周期，经济效果显著。由于变频调速泵供水去除了传统水 泵中的水塔，高位水箱等产生二次污染的设备。所以水质洁净，卫 生。 延长设备的使用寿命：对多台泵组均能进行软启动，大大延长设备 的电气、机械寿命。 运行可靠，操作简单，管理方便：设备由程序控制，自动运行，自 动化程度高。并具有变频自动，变频手动，工频自动，工频手动， 四种操作运行方式，互为备用。在设备自动运行有故障时，能手动 运行使供水系统不断水。 应用范围如下i ”： 居民区、住宅楼、村镇的集中生活供水及消防用水系统 高层建筑、宾馆、饭店等生活供水及消防用水系统 综合市场、写字楼、商务楼宇的生活供水及消防用水系统 自来水厂、供水加压泵站 工矿企业的生产、生活供水、恒压流量供水工艺流程等 生活区、高层建筑等热水供给和热水采暖系统 各种类型中央空调的循环泵、冷却水供应系统 深井泵( 深井泵、潜水泵) 一应压供水系统 电子科技大学硕士学位论文 污水处理厂、排水站的自动控制供水系统 老式供水系统( 气压，水塔，高水位水箱供水) 改造 工业锅炉补水系统 农业排灌，喷灌及音乐喷泉等 石油化工等行业的流体负载的流量、压力控制系统 各种环保型变频家电，如空调、冰箱、洗衣机等 各类鼓风机、引风机、排风机、空调风机、冷却塔风机等。 综上所述，本课题在节能和实际应用等诸多方面具有极其重要的社 会环保意义和巨大的市场经济价值。 1 3 课题的研究任务 本课题系上海某水电气部门供水系统的恒压变频供水系统项目之 一。在广泛借鉴当今国内外己取得的成果的基础上，结合实际科研任务， 对高精度p w m 变频恒量控制系统的设计与实现进行了系统的研究，取 得了一些经验与成果。课题研究重点是设计三相s p w m 高精度变频触发 核，用于扩展一般m c ui p 核的功能，并基于该模块进行变频恒压控制 硬件系统的应用设计。 课题主要研究内容安排如下： ( 1 ) 第一章作为引言，主要介绍了该课题的国内外研究动态，及在国 内市场的研究意义与价值，最后简要归纳了本课题的研究任务。 ( 2 ) 第二章是整个课题研究的理论基础。主要有变频调速的工作原理 及s p w m 正弦脓宽调制波形发生原理。同时还介绍了电力电子的 相关知识。 ( 3 ) 第三章根据客户指定的功能要求，初步设计了整个高精度p w m 变 频恒量控制系统应用于恒压供水领域的系统方案。 ( 4 ) 第四章设计了三相s p w m 高精度变频触发核，是本课题的关键， 也是难点，同时也是第五章系统应用的基础。首先根据第二章系 统方案对该模块进行了系统级的设计与模块的划分；然后再具体 对主电路部分及接口部分进行了模块的细化，并较详细地阐述了 每个子模块设计的具体实现过程与部分仿真结果；最后对整个系 统模块进行了整体功能仿真与f p g a 综合验证。 ( 5 ) 第五章是本课题的最终目标，是产品化的关键，也是本课题的另 一个重点。首先根据第二章的系统方案进行进一步的模块划分， 电子科技大学硕士学位论文 主要分为变频恒压控制板、驱动板和变频调速板；然后分别对这 三部分较详细地阐述了每个子模块的电路实现过程：最后对整个 硬件系统进行了可靠性方面的考虑。 ( 6 ) 第六章简单地介绍了整个硬件系统的最终产品结果及其在现场供 水系统中的安装、测试与调试。 ( 7 ) 第七章是本课题研究成果的简要总结，并提出了需要进一步改进 与完善的工作内容。 电子科技大学硕士学位论文 第二章s p w m 变频调速的工作原理 本章是整个课题研究的理论基础。主要有变频调速的工作原理及 s p w m 正弦脉宽调制波形发生原理。最后还介绍了有关电力电子的有关 知识。 2 1 变频调速技术 由电机学嘲的知识可知，交流电动机的转速公式为：h ：6 0 f ( 1 一s 1 p 7 式中，f ：定子供电压的频率：p ：极对数：s ：转差率。 从上式可见，如果均匀地改变电动机定子供电电压的频率，则可以 平滑地改变电动机地同步转速。 ( 1 ) 变频器分类与结构 变频器是将电网供电的工频交流电源变为适用于交流电机变频调速 用的电压可变、频率可变的交流电的变流装置。在变频调速系统中，变 频器可以分为“交交”变频器和“交一直一交”变频器【，示意图如图 2 1 所示。 墅至卜一匡 圈一 ( ) “交一堑”燕频器 ( b ，“耍一直一交”变甥器 图2 1 变频器分类 迄今为止，在中小容量变频器中应用得最为广泛的是“交一直一交” 电压型变频器，其基本结构如图2 2 所示。它包含如下几个主要环节： 图2 2 “交一直一交”变频器的结构 整流器的作用是把交流电整流成直流电。可采用硅整流元件构成不 可控整流器，也可采用晶闸管元件构成可控整流器。这方面的技术早已 电了科技大学硕士学位论_ 亘： 解决了，并已为大家所熟知：滤波器用来缓冲直流环节和负载之间的无 功能量。如果使用大电容进行滤波，则变频器属于电压型。如果使用大 电感进行滤波，则变频器属于电流型。本文采用电压型：功率逆变器是 把直流逆变为频率、电压可调的交流电的变流装置。使用的功率元件有 普通的晶闸管、控制极可关断的晶闸管、大功率晶体管和功率场效应管。 这是长期以来要解决的核心问题：控制器是根据变频调速的不同控制方 式产生相应的控制信号，控制功率逆变器中各种功率元件的工作状态。 使逆变器输出预定频率和预定电压的交流电源。本文采用单片机控制 s p w m 触发核产生高精度s p w m 数字波形的方法进行控制驱动逆变器。 ( 2 ) 逆变的基本原理i 7 1 首先通过单相逆变桥的工作情况来看一下直流电是如何“逆变”成 交流电的。单相逆变桥的构成如图2 3 所示。图中，将四个开关器件 ( v 1 v 4 ) 接成桥形电路，两端加直流电压u d ，负载z l 接至两“桥 臂”的中点a 与b 之间。现在就来看看负载z l 上是怎样得到交变电压和 电流的。 h 斟乒弼画 l 垡竺j ri 图2 3 单相逆变桥 ( a ) 逆变电路：( b ) 电压波形 1 、前半周期 令v 1 、v 2 导通；v 3 、v 4 截止，则负载z l 的电压为a “+ ”、b “一”， 设这时的电压为“+ ”。 2 、后半周期 令v l 、v 2 截至；v 3 、v 4 导通，则负载z l 的电压为a “一”、b “+ ”， 电压的方向与前半周期相反，为“一”。 上述两种状态如能不断地交替进行，则负载z l 上所得到的便是交变 电压了，这就是把直流电“逆变”成交流电的工作过程。 三相逆变桥的工作过程与单相逆变桥相同，只要注意三相之间互隔 t 3 ( t 是周期) 就可以了，即v 相比u 相滞后t 3 ，w 相又比v 相滞后 屯子科技大学硕士学位论文 t 3 ，如图2 4 所示。 a 十， “宁磁刁缓砑 。匕冽涩露 协jl b 】 图2 4 三相逆变桥 ( a ) 逆变电路；( b ) 电压波形 具体的导通顺序如下： 第1 个t 6 ：v 1 、v 6 、v 5 导通，v 4 、v 3 、v 2 截至； 第2 个t 6 ：v 1 、v 6 、v 2 导通，v 4 、v 3 、v 5 截至； 第3 个t 6 ：v 1 、v 3 、v 2 导通，v 4 、v 6 、v 5 截至： 第4 个t 6 ：v 4 、v 3 、v 2 导通，v 1 、v 6 、v 5 截至； 第5 个t 6 ：v 4 、v 3 、v 5 导通，v 1 、v 6 、v 2 截至： 第6 个t 6 ：v 4 、v 6 、v 5 导通，v 1 、v 3 、v 2 截至。 总之，所谓“逆变”过程，就是若干个开关器件长时间不停息地交 替导通和截至的过程。 2 2s p w m 波形产生原理” ( 1 ) s p w m 控制的基本原理 在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲 加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果 基本相同指环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅氏变换 分析，则其低频特性非常接近，仅在高频段略有差异。这一结论是p w m 控制的重要理论基础。如图2 5 ( a ) 所示，将正弦半波看成由n 个彼 此相联的脉冲组成的波形。这些脉冲宽度相等，但幅度不等，且脉冲的 顼部为曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果将上述脉冲序列用同 样数量的等幅不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正 弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，就 得到图2 5 ( b 1 所示的脉冲序列。像这种脉冲宽度按正弦规律变化而变化 电子科技入学硕士学位论文 且与正弦波等效的波形即为s p w m 波形。 图2 5p w v i 控制的基本原理图 得到s p w m 的具体实现方法可以是用一个正弦调制波和一个等腰三 角载波相交，由它们的交点确定逆变器的开关模式。如图2 6 所示，正 弦波大于三角波时，使相应的开关器件导通；当正弦波小于三角载波时， 使相应的开关器件截止。 图2 6s p w m 控制的基本原理图 ( 2 ) s p w m 的调制方式 ( 一) 按载波信号和调制信号频率之间的关系划分 s p w m 的调制方式分三种：同步调制，异步调制和分段同步调制。 在一个调制信号周期内所包含的三角载波的个数称为载波频率比。在变 频过程中，即调制信号周期变化过程中，载波个数不变的调制称为同步 调制；载波个数相应变化的调制称为异步调制：结合同步与异步的优点， 根据不同频率段进行相应同步调制的方式称为分段同步调制。 1 同步调肯 在改变正弦信号周期的同时成比例地改变载波周期，使载波周期与 信号频率的比值保持不变。对于三相系统，为了保证三相之唰对称，互 差1 2 0 度相位角，通常取载波频率为3 的整数倍。而且，双极性调制时 冷一巍 糕燃 电子科技丈学硕士学位论文 为了使每相波形正负半波对称，上述倍数必须是奇数，这样在信号波l8 0 度处，载波的正负半周恰好分布在1 8 0 度处的左右两侧。由于波形的左 右对称，就不会出现偶次谐波问题。但是这种调制，在信号频率较低时， 载波的数量显得稀疏，电流波形脉动大，谐波分量剧增，电动机的谐波 损耗及脉动转矩也相应增大。而且，此时载波的边频带靠近信号波，容 易干扰基波频域。为了克服这个缺点，必须在低频时提高载波比，这就 是异步调制方式。 2 异步调制 异步调制是指在逆变器的整个变频范围内，载波比都是变化的。 般在改变调制频率时保持三角载波频率不变，因此提高了低频时的载波 比，在低频工作时，逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数可以随着输出 频率的降低而增加，相应的减小了负载电机的转矩与噪声，改善了低频 时的工作特性。但是由于载波比随着输出频率的降低而连续变化时，逆 变器输出电压的波形的幅值和相位都会发生变化，很难保持三相输出的 对称关系，因此会引起电动机的工作不稳定。 3分段同步调制 为了克服同步调制和异步调制的缺点，可以将它们结合起来，组成 分段同步调制方式。分段同步调制是指在一定频率范围内，采用同步调 制，保持输出波形对称的优点，当频率降低较多时，使载波比分段有级 的增加，这样就利用了异步调制的优点。具体实现方法是把逆变器整个 变频范围划分为若干个频段，在每个频段内都维持载波比恒定，对不同 频段取不同的载波比值，频率较低时载波比值取大点，一般有经验参数 可取。 ( 二) 按载波信号和调制信号的极性划分 s p w m 的调制方式分两种：单极性和双极性调制。 1 单极性调制 单极性调制的基本原理如图2 7 所示。电压比较器反向输入端加入 的三角波调制电压与同极性的参考电压比较，如图2 7 中的( a ) ，输出单 极性的p w m 脉冲信号( b ) ，再将单极性的p w m 脉冲信号与图中所示的 反相信号( c ) 相乘，得到正负半波对称的p w m 脉冲信号( d ) 。 电子科技大学硕十学位论文 讼翌笠金：卜 i nmm 二n m n ：三_ , “- f 二二二习二二二二二_ 叶 卜止皿可r 1lillil2 “ 图2 7 单极性调制原理图 2 双极性调制 如果将正负交变的双极性三角波与参考波电压在电压比较器两端输 入，通过直接比较得到双极性p w m 脉冲。如图2 8 所示。与单极性调 制模式比，双极性p w m 控制模式电路和主电路比较简单，单极性p w m 模式要比双极性p w m 模式输出电压中高次斜波分量要小得多，这是单 极性模式的优点。 u t 图2 8 双极性调制原理图 同理，三相正弦波经双极性三角波调制可得到一系列双极性s p w m 调制波形u 。，u ，。，u 。，如图2 - - 9 ( b ) ，( c ) ，( d ) 所示。注意由相电压合成为线 电压所得到的脉冲系列是单极性的，而且幅值为相电压的两倍( 即2 e j 2 ) 。例如u 。= u u n - u ，。，如图2 - - 9 ( e ) 所示。 电子科技大学硕士学位论文 图2 9 双极性调制的三相s p w m 输出波形 ( 3 ) s p w m 波形的生成方式 按照p w m 逆变电路的基本原理和控制方法，可以用模拟电路构成 三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交 点时刻对功率开关器件进行控制，就可以生成s p w m 波形。但这种模拟 电路结构复杂，难以实现高精度的控制。但它的原理是其他控制方法的 基础。数字控制是s p w m 目前常用的控制方法。可以采用微机存储预先 计算好的数据表，控制时根据指令调出，或通过软件实时的生成s p w m 波形，也可以采用大规模集成电路专用芯片产生s p w m 信号。 采样型生成方式分为：自然采样，对称规则采样和不对称规则采样。 1 自然采样法 图2 1 0 所示的就是自然采样法。它是将基准正弦波与一个三角载 波相比较，由两者的交点决定出逆变器开关模式的方法。它以s p w m 控 制的基本原理为出发点，可以准确地计算出各开关功率器件的通断时刻， 所得波形很接近正弦波。但自然采样法的计算量很大，所以就发展了以下 的规则采样法。 塑型塑墼 上 翮 卜f 翊压 - 。o - 匕纪乏纽7 * , t y , o o 。 镑博 o a 。 上 一- 士l 上上呻 ；。曼。2 一- - 。1 ：雾要婴即为对称规则采样法。这种方法是由经过采样的正 莩拳譬姜曼孝波) 与三角波相交，由交点得出脉冲宽度。自纂萎菇嘉 三二黧脉翟鬯皇皇并不和三角波中点( 即负峰点) 重合。规面某磊荽羞 登兰宝篮使兰当竺冲的中点都以相应的三角矗中赢磊篡磊羞 计算大为简化。效果接近自然采样法，但计算量小得多。”“ 飞 氐一爪 苯七箍 m 一 y 一，一一 琶芬孝# 胡 乒幺优乡多 t 删l 些乒二 l 一 牲佶竺量嬖变三角鎏的顶点位置又在底点位置对正弦波进行采样，由采 竺篓要譬璺学波，则此阶梯波与三角波的交点所确定的脉妥：“差二苯三 妻冀望景竺窒竺竺兰譬不对称，如图z 一，：所示。因此，篡样苗采森； 法称为不对称规则采样法。 “ 图2 - - 1 2 不对称规则采样法 - 1 4 s l n 矿 电子科技大学硕士学位论文 在对称规则采样中，因为实际的正弦波与三角载波的交点所确定的 脉宽要比生成的p w m 脉宽大，也就是晚，变频器的输出电压将比正弦 波与三角波直接比较生成p w m 时输出的电压要低。而非对称规则采样 法在一个载波周期里采样两次正弦波数值，该采样值更真实地反映了实 际的正弦波数值，其输出电压也比前者高。但是由于采样次数增大了一 倍，也就增大了数据的处理量，当载波频率较高时，微机的运算速度将 成为一个限制因素。 2 3电力电子技术相关知识 由前述可知，逆变桥是实现变频的关键部分，三相逆变桥由六个开 关器件构成。在这里并不是所有的开关器件都可以构成逆变桥的，因为 构成逆变桥的开关器件必须满足以下要求： 承受足够大的电压。承受足够大的电流。允许长时间频繁接通与 关断。 然而，半导体器件从低电压、小电流的控制器件发展成为高电压、 大电流的电力电子器件是一大飞跃，电力电子技术的进步为变频调速技 术奠定了基础。 ( 1 ) 起步始于晶闸管【8 】 2 0 世纪6 0 年代，大功率晶闸管( s c r ) 的出现，使变频调速技术开 始得到了实施。但由于晶闸管在直流电路内自身不能关断，故主电路与 控制电路都比较复杂，如图2 1 2 所示。图中，电容c 是用于关断晶闸 管的。因为电动机的工作电流是随负载而变化的，而电容的电容量不可 能跟踪负载电流的变化，所以，逆变电路难以设计的既经济又可靠。此 外，逆变后的电压与电流波形如图2 一1 2 所示的( a ) 和( b ) 所示，也 不很理想，故变频后电动机的性能不够完善。所以，虽然实现了变频调 速，但未能达到推广普及的程度。 卜 e ”j r w ； 卜 钿卜 蔫 r p 厂 孓 一r _ 飞、i 一rd 图2 一1 2 晶闸管逆变电路 ( a ) 逆变电路；( b ) 电压波形；( c ) 电流波形 t c ) 电r 科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 普及归功于g t r 口j 2 0 实际7 0 年代，大功率晶体管( g t r 或b j t ) 与可关断晶闸管( g t o ) 相继问世，把变频调速推向使用阶段。g t r ( b j t ) 为复合晶体管( 达林 顿管) ，工作特点与普通晶体管基本相同，其逆变电路如图2 1 3 ( a ) 所 示。由于晶体管控制方便，能较好地实现正弦脉宽调制技术，逆变后的 电压与电流的波形如图2 1 3 ( b ) 和( c ) 所示。与晶闸管变频相比，其 电流波形得到了很大的改善。同时，也大大简化了控制电路，提高了工 作可靠性，从而使变频调速技术到达了能够普及的阶段。 嘎渊鹱冬誓 图2 1 3 晶体管逆变电路 ( a ) 逆变电路；( b ) 电压波形；( c ) 电流波形 但由于g t r 的开关频率较低( = 2 k h z ) ，使变频器具有以下弱点： 电流波形较差，电动机的转矩略小；屯动机内的电磁噪声较大； 故障率较高。 ( 3 ) 提高全靠i g b t | 引 2 0 实际8 0 年代末，一种新型的场效应晶体管( i g b t ) 问世，使变 频器在许多方面提高了一大步。 i g b t 的主体部分与g t r 类似，但控制部分却与场效应管类似，属 于电压控制器件。故控制功率大为减小，开关频率也提高了一个数量级 ( = 2 0 k h z ) ，从而使变频器具有以下优点： 电流波形大为改善，如图2 1 4 所示，与g t r 变频调速系统相比，电 动机的转矩有所增加；电磁噪声极小；进一步简化了电路： 增强了对常见故障( 过流、过压、瞬间断电等) 的自处理能力，故障 率大为减少：变频器自身的损耗也大为减少。 可以况，i g b t 为变频调速的迅速普及和进一步提高奠定了基础。 屯子科技大学硕士学位论文 。、 j j 一 图2 1 4i g b t 逆变电路 ( a ) 逆变电路；( b ) 电压波形：( c ) 电流 ( 4 ) 智能功率模块i p m 州 智能功率模块( i n t e l l i g e n tp o w e rm o u d l e ：i p m ) 是功率集成电路( p o w e r i n t c r g r a t e dc i r c u i t s ：p i c ) 的一种，它有时还称为智能功率集成电路( s m a r t p o w e r i n t e g r a t e dc i r c u i t ：s p i c ) 。 在电力电子变流电路中，电力电子器件必须有驱动电路、控制电路 和保护电路的配合，才能按人们的要求实现一定的电力控制功能。以往， 电力电子器件和配套控制电路是分立器件或电路装置，而今半导体技术 达到了可以将电力电子器件及其配套控制电路集成在一个芯片上形成所 谓的功率集成电路。可以集成多种功率器件及其控制电路所需的有源或 无源器件，比如功率二极管、bj t i g b t 、高低压电容、高阻值多晶硅电 阻、低阻值扩散电阻以及各元器件之间的连接等。这种功率集成电路特 别适用于电力电子技术高频化发展方向的需要。由于高度集成化，结构 十分紧凑，避免了由于分布参数、保护延迟等所带来的一系列技术难题。 功率集成模块的智能化主要表现在易实现控制功能、保护功能和接 口功能等三个方面。i p m 就具有这种特点。它将主开关器件、续流二极 管、驱动电路、电流、电压、温度检测元件及保护信号生成与传送电路、 某些接口电路集成在一起，充分表现了它的“智能”fi n t e l l i g e m ) t j “灵 巧”( s m a r t ) 的特点。 电子科技大学硕士学位论文 第三章s p w m 变频恒压供水系统方案设计 本章根据客户指定的功能要求，初步设计了整个高精度p w m 变频 恒量控制系统应用于恒压供水领域的系统方案。 3 1 系统方案设计 图3 1高精度s p w m 变频恒压供水系统方案 术系统主要由以下几部分构成：变频恒压控制板、驱动板和变频器。 系统方案如图3 1 所示，依据管路上高精度压力传感器所侦测到的压力 变化，以数位显示( 小数点第二位) 现场压力值与设定值，并由p i d 算 法幢】1 2 0 计算出新的电源频率控制字后，经变频恒压控制板中的高精度 s p w m 模块产生与该电源频率控制字对应的三相六路s p w m 波形，经驱 动板隔离驱动变频器中的逆变桥，继而水泵马达随着该电源频率之变化 而改变转速，再经多次采样反复调整水泵转速，以达到恒压之功能。当 变频调速过程中出现故障，返回变频恒压控制板进行处理并驱动报警和 显示。由于根据用水情况自动控制电机泵组的转速和运转台数，水泵始终 在高效区运转，因此节能效果显著。 电子科技大学硕士学位论文 3 2 控制功能要求 压力恒定。只需在控制器面板增加键或减少键以设定所需压力值即 可，使操作简便，压力设定后，无论用水或不用水，管路压力稳定于设 定值之5 ，并以小数点第二位实时显示于荧屏上。 能根据设定值与采集到的高精度压力值，经p i d 算法自动实时得出 高精度的频率调整参数。 变频调速稳定。恒压控制板能根据频率调整要求输出正确的三相六路 s p w m 触发波形，用于驱动逆变器，从而能稳定调整水泵的转速。 具有系统保护功能。能自动处理变频调速过程中的过流、过压等故障。 能自动或手动选择水泵的控制模式。实现水泵的灵活控制。 并列模式：先由单台启动，若单台不足以满足用水需求时，则先运转 一台以1 0 0 全速运转，再启动另一台并列之，并列的这台则以变频方式 满足恒压需求，机组系依最佳状态运转，有效防止倍压产生。 交替运转：2 台水泵马达按任务变为前导泵和支导泵，每次运转均由 前导泵负责，支导泵则并列时才加入运转，但每经一次交替时间，则前 导泵变成支导泵而支导泵执行前导泵之任务，此交替时间o 2 4 小时可调。 单独运转：亦可不需交替运转而选择单台固定运转。 故障替补：运转中前导泵若发生故障，则支导泵立即替代其运转。 机台运转变化：无论在交替或并列运转，或故障替补时，水泵马达均 为平顺之衔接方式，不使管路中压力产生变化。 能自动处理各种用水情况，实现恒压。 不用水停车：压力传感器将所侦测到的管路压力变化，显示于一荧屏 上( 小数点第二位) ，由控制器进行计算比较，若管路压力) = 没定压力 值的范围，则进入停车范围，继续侦测2 0 秒，情况均一样时，代表已 无用水，则控制器发出停车指令，变频器输出频率开始下降，直到停止 运转，此段停车过程的时间可自由调整( 一般设定1 5 秒) ，已达到缓衡 停止的目的，免除水钟冲击，而停车后压力则稳定于设定压力值的 5 。 正常用水：在用水情形下，控制器内嵌p i d 自动演算，用水压力变化 和没定值比较，以输出适当的s p w m 类比信号，而达到恒压之目的，若 在停车状况下，则用水压力 设定压力值的范围时，控制器才命令变频器 启动，并驱动水泵马达运转，以避免启动频繁，压力的设定范围为0 1 0 0 自由可调。 电子科技大学硕士学位论文 漏水侦测停车补偿功能：在极小的用水情况下，如管路泄漏滴水情况 导致压力下降，则控制器命令水泵马达停止运转( 此段压力变化范围为 0 - 06 k g 可调) ，若压力持续降至设定值之某百分比时，则控制器将命令 水泵马达启动，并将压力补足至设定值，此段某百分比为0 - 1 0 0 可调。 缺水失压保护功能：当水泵马达全速运转，却直无法达到设定值时， 若于故障点2 0 秒后，控制器将中断输出使水泵马达停止运转，同时故障 灯亮( 此故障点为设定值之o 一1 0 0 可调) ，须待确认具体原因并予排除 后，按r e s e t ( 复位) 键或重新送电才能继续运转。 3 3 性能指标要求 压力恒定于设定值的4 - 5 左右； 输入a d 精度为1 6 位： 输出两组三相六路s p w m 双极性异步调制触发波形； s p w m 的电源频率控制精度为1 6 位； 每秒5 次随机采样管路中的压力： 触控式压力设定： 荧屏以小数后两位显示管中实际压力值及设定压力值； 内嵌p i d 模糊控制算法； p i d 各参数可按不同运用用户进行设定； 变频调速性能稳定，具有多种抗干扰能力； 多种故障自动处理、报警和显示； 漏水停机侦测点( 偏差设定0 - 0 6 k g ) 可设定调整： 正常用水、漏水侦测再启动压力点可自由设定( 0 1 1 0 0 ) 交替运转时间设定可调( 0 - 2 4 小时) ： 附加远程监控通信接口r s 2 3 2 。 电子科技大学硕士学位论文 第四章三相s p w m 高精度变频触发核的设计 本章根据第二章所阐述的三相s p w m 波形产生的基本原理，结合本 文的功能要求，完成了系统级设计和各子模块结构设计与子模块的仿真。 并进行了整体模块的功能仿真、综合验证。 4 1 系统级设计 41 1 系统模块划分 该模块的设计( 也叫三相s p w m 波形发生器) 是整个高精度s p w m 变频恒压控制系统的核心。变频恒压控制系统要求：该模块能根据单片 机输送过来的数据，输出正确的三相s p w m 波形，且输出波形的频率控 制分辨率为1 6 位。 本文参考过了市场上常见的几种s p w m 波形发生专用集成电路： s a 4 8 2 8 、s a 8 2 8 、s a 8 2 8 1 等，设计出图4 1 所示的系统框图。系统主要 由主电路部分和接口部分组成。 主电路部分的功能是用数字的方法生成三角波信号和用特殊的寻址 方式生成三相正弦波，通过比较。产生三相六路的脉冲序列，并对输出 的六路脉冲进行窄波删除、脉冲延迟和封锁处理。主电路部分主要包括： 时钟分频、三角载波发生器、正弦波寻址、正弦波数据r o m 、分相及逻 辑控制单元、窄波剔除、脉冲延时、 接口部分实现与单片机的通信， 化寄存器和控制寄存器的读写操作。 译码器、总线控制单元、寄存器组、 触发封锁。 可通过单片机来实现对系统内初始 接口部分主要包括：地址数据总线 初始化寄存器、控制寄存器。 图4 1三相s p w m 高精度变频触发核系统框图 电了科技大学硕士学位论文 412 引脚功能设计 图4 - 2 是三相s p w m 高精度变频触发核的外部端口框图。 r i c s 瓶日 w 1 1 i 哺