（电工理论与新技术专业论文）变频器智能控制系统的研究.pdf

窒塑量墼堡墼堡墅蚕垄墼墼垄 s t u d yo nt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo f f r e q u e n c yc o n v e r t e r a b s t r a c t a ni n t r o d u c t i o no f 行e q u e n c yc o n v e n e ri sg i v e ni nd e t a i li n c l u d i n gt h ep r e s e n ts i t u a t i o n t r e n do fd e v e l o p m e n t a n da n a l y s i s i n gt h eq u e s t i o nt h a th o wt oe a r l yo u tt h ei n t e l l i g e n tc o n 垃0 1 a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c e ，t h er e s e a r c hi sf e a s i b l e ，n e c e s s a r ya n di m p o r t a n t i tr e c o m m e n d sa t h i n k i n go fs o f t w a r ed e s i g n i n gf r e q u e n c yc o n v e n e rc o n t r 0 1 i ti sah o ts p o to ft h ew o r l dt h a tt h ei n t e l l e c t u a l i z e dc o n t r 0 1 i tm a i n l yu s e sh i g h s p e e d m i c r o p r o c e s s o rt od i s p o s e ，r e s t o r e ，c o m p a r ea n di m p l e m e n tah i g he f f i c i e n c tc o n t r o lw a y a tt h e s a m et i m e ，i tc a ne n f o r c ear a p i da n de f f e c t i v ef u n c t i o no f p r o t e c t i o n i nm yp r o g e c t ，t h ec o r ei s a d v a n c e dp i cl8s e r i a lm i c r o p r o c e s s o ri nc o n t r 0 1 t h ef a s h i o n a b l em e t h o do fp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ( p w m ) i sa p p l i e d i no r d e rt oi m p r o v ee q u i p m e n tp e r f o r m a n c ea n da d v a n c e e f f i c i e n c y , a d v a n c e dd i g i t i z i n gp u l s ew i d t hm o d u l a t i o nc h i pi nc o n t r o li su s e dt ot a k et h ep l a c e o ft h eh e f 4 7 5 2w h i c hi saa l l a l o g u ec o n t r o lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o nc h i p i no r d e rt oh e i g h t e n t h ea c c u r a c ya n dr e a c t i o nr a t eo ft h e d r i v e ra n dd e f e n d e lt h eh i g hp e r f o r m a n c ed r i v e na n d p r o t e c t i v ec h i p i r 2 2 3 3i su s e d t h e d e s i g n e dc i r c u i ta g r e e s w i t ht h ec o m m a n do f e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y u fa l g o r i t h mw a sa d o p t e di nc o n t r o lw h i c hi so n eo ft h em o s t e a s i e s tc o n t r o lm e t h o da n di sa p p l i e di nt h em o s tl a r g e s tr a n g e a tt h es a m et i m e n o n 1 i n e a r v o l t a g ec o m p e n s a t i o na n dp i e c e w i s es y n c h r om o d u l a t i n gm e t h o di nc o n t r o lw e r ea p p l i e di au f a l g o r i t h m a tt h ee n d t h ee q u i p m e n tp e r f o m l a n c ew a sp i c k e du d i nt h ev i s l l a l c + + 6 0 d e v e l o p i n g e n v i r o n m e n t u s es e r i e sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y d a t a b a s e t e c h n o l o g y a n d i m a g et e c h n o l o g y t o d e s i g n d a t a t r a n s m i s s i o n ，d i s p o s a l ，s t o r a g e a n dd i s p l a y ，i no r d e rt oi m p l e m e n tr e m o t ed e b u g g i n g ，r e m o t e c o n t r 0 1 r e m o t ei n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ta n d t h es o f t w a r eh a s f r i e n d l y m a n m a c h i n e c o n v e r s a t i o ni n t e r f a c ew i t hc o n v e n i e n tm a n i p u l a t i o n t h ee q u i p m e n tc a nc a r r yo u ta u t o m a t i er e g u l a t i o n ，a u t o m a t i cc h e c k ，a u t o m a t i cd i a g n o s i s a n da u t o m a t i cp r o t e c t i o n s ow ec a l ls e et h a ti tf u l f i l lt h ec o m m a n do fi n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：丘e q u e n c yc o n v e n e r ，m i c r o p r o c e s s o r ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，r e m o t ec o n t r o l i i 苫訾盔耋璧圭要 耋生主兰兰兰 第一章绪论 卜l 变频技术概述 变频技术，简单地说就是把直流电变成不同频率的交流电，或是把交流电变成直流电再逆变成不同 频率的交流电，也可把直流电变成交流电再把交流电变成直流电。总之这一切都是电能不发生变化，而 只有频率的变化。 变频技术的类型主要有以下几种： ( 1 ) 交直变频技术( 即整流技术) ，它是通过二极管整流、二极管续流或晶闸关、功率晶体管可 控整流实现交一直( 0 h z ) 功率转换。这种属于工频整流。 ( 2 ) 直直变频技术( 即斩波技术) ，它是通过改变电力电子器件的通断时间，即改变脉冲的频率 ( 定宽调频) 或改变脉冲的宽度( 定频调宽) 从而达到凋节宣流平均电压的目的。 ( 3 ) 直交变频技术，电子学中称为振荡技术。电力电子学中称为逆变技术。振荡器利用电子放 大器件将直流电变成不同频率的交流电甚至电磁波。逆变器则利用功率开关将直流电变成不同频率的交 流电。如果输出的交流电频率、相位、幅值与输入的交流电相同，称为有源变频技术；否则称为无源变 频技术。 ( 4 ) 交一交变频技术( 即移相技术) 。它通过控制电力电子器件的导通与关断时间，实现交流无触 点开关、调压、调光、调速等目的。 变频技术随着微电子学、电力电子技术、电子计算机技术、自动控制理论等不断发展而发展。现已 进入一个崭新的时代。其应用也越来越普及。从最初的整流、交直流可调电源等已发展至高压直流输电、 不同频率电网系统的连接、静止无功功率补偿和谐波吸收、超导电抗器的电力储存等。在运输业、石油 行业、家用电器、军事等领域得到了广泛的应用。如超导磁悬浮列车、高速铁路、电动汽车、机器人： 采油的调速、超声波躯油；变频空调、变频洗衣机、变频微波炉、变频电冰箱；军事通信、导航、雷达、 宇宙设备的小型化电源等。 卜2 变频技术的发展 纵观变频技术的发展，其中主要是以电力电子器件的发展为基础的| 2 4 】。第一代以晶闸管为代表的电 力电子器件出现于2 0 世纪5 0 年代。1 9 5 6 年贝尔实验室发明了晶闸管1 9 5 8 年通用电气公司推出商品 化产品。它主要是电流控制型开关器件。以小电流控制大功率的变换，但其开关频率低，只能导通不能 自关断。 第二代电力电子器件以电力晶体管( g t r ) 和门极关断( g t o ) 晶闸管为代表，是2 0 世纪6 0 年代 发展起来的。它是一种电流型自关断的电力电子器件，可以方便的实现变频、逆变和斩波，其开关频率 只有1 5 k i - i z 。 第三代电力电子器件是以双极性绝缘栅晶体管( i g b t ) 和电力场效应管( m o s f e t ) 为代表，在 2 0 世纪7 0 年代开始应用。它是一种电压( 场控) 型自关断的电力电子器件，具有在任意时刻用基极( 栅 极、i 、j 极) 信号控制导通或关断的功能。其开关频率可达2 0 k h z 甚至2 0 0 k h z 以上，为电气设备韵鬲频 化、高效化、小型化创造了条件。 第四代电力电子器件，如出现于2 0 世纪8 0 年代末的智能化功率集成电路( p i c ) 和2 0 世纪9 0 年 代的智能功率模块( i p m ) 、集成门极换流晶闸管( i g c t ) 。它们实现了开关频率的高速化、低导通电 压的高性能及功率集成电路的大规模化，包括了逻辑控制、功率、保护、传感及测量的电路功能。 经过4 0 多年的发展，电力电子技术己成为一门多学科的边缘技术，他包括交流电路、电力电子器 件、计算机辅助机设计、模拟电子学和数字电子学、微型计算机、控制理论、超小规模集成电路、高频 技术和电磁兼容等。 电力电子技术发展方向是：高电压大容量化、高频化、组件模块化、小型化、智能化和低成本化、 应用的技术有：脉宽调制( p w m ) 、滑模控制、非线性变换、功能控制及交流电动机矢量控制、直接转 矩控制、模糊控制和自适应控制等。 变频技术应用最广的是变频器产品，通用变频器发展趋势是l j o j ： ( i ) 数控化。采用新型计算机控制，例如日本富士公司的大于或等于3 0 k w 变频器，采用两个1 6 位c p u ，一个用于转矩计算，另一个用于数据处理，实现了转矩限定、转羞补偿控制、瞬时停电钓。稳 恢复、自动加减速控制及故障自诊断等。对于小于或等于2 2 k w 变频器采用了一个3 2 位数字信号处理 器( d s p ) ，提高了计算、检测和响应的速度，扩充和加强了其处理功能。 ( 2 ) 高频化。为了适应纺织和精密机械等更多领域的高速需求，变频器的频率已由过去韵o 5 0 1 2 0 h z ，发展到了4 0 0 h z ，目前已提高到6 0 0 1 0 0 0 h z ，甚至3 k h z 以上。 ( 3 ) 数显化。由过去的指示灯、发光二极管、l e d 数码管，发展到目前的液晶显示( l c d ) ，显示 行有1 、2 、3 、4 行等。 ( 4 ) 高集成化。提高集成片技术及采用表面贴片技术，使装置的容量比得到进一步的提高。 ( 5 ) 强化适应性。允许环境温度由过去普遍的0 4 0 。c 扩展为一1 0 + 5 0 。c ( 5 0 。c 时需卸下 顶盖板) 。允许相对湿度也由过去的8 0 提高到9 0 以上。有些户外场合，特别是军事部门提出了全天 候要求。 图1 1 电力电子器件分类 f i 9 1 1 t h ec l a s s i f i e dm a po f p o w e re l e c t r o n i c sd e v i c e 总之，变频技术的发展趋势时朝着高度集成化、采用表面安装技术、转矩控制高性能化、保护功能 健全、操作简便化、驱动低噪声化、高可靠性、低成本和小型化的方向发展。可以说，变频技术是未来 最有发展的科学技术之一。 卜3 研究内容和意义 1 - 3 1 研究内容 本课题主要是采用计算机、高性能的p i e 单片机、新型数字p 删波发生专用芯片( s a 4 8 2 8 ) 、新型驱 动器件( i r 2 2 3 3 ) 、新型电力电子器件一绝缘栅场效应晶体管( i g b t ) 。以及相应的保护缓冲，反馈电路 并利用先进的控制方法实现变频器的智能化控制。 功率转换主电路采用“交一直一交”变换形式，整流电路采用“三相桥式不控整流”，经过电容滤 波后得到较平直的电压电源。最后，直流电源经过由新型复合器件一绝缘栅场效应管i g b t 组成的三相 桥式逆变电路，逆变为脉宽可调( p w d ) 的三相交流电源，主要通过改变i g b t 的驱动信号宽度和频率，来 调节输出电源的频率和电压。 在变频器的控制电路中，计算机机通过u s a r t 口与控制面板相连，充分利用计算机的键盘、显示器 以及它的快速处理及图形显示功能，作为远程控制手段。而嵌在控制面板上与单片机直接相连的键盘， 作为现场控制手段，液晶显示作为现场人机对话窗口。远程控制与现场控制两种方法互相补充。整个控 制器以p i c 单片机为核心，通过单片机完成接受、发送数据和指令、监测运行状态、采集数据、控制系 统运行等功能。 i g b t 触发信号的生成采用了m i t e l 公司推出的全数字型p w m 信号发生专用芯片一一s a 4 8 2 8 ，该芯片 可同时产生六路触发信号，信号经光耦隔离并经过驱动芯片放大后触发逆变桥的六支晶体管。s a 4 8 2 8 输出频率范围很宽，并且易于调节。隔离器件采用高速光电耦合6 n 1 3 7 。驱动电路采用i r 公司生产的 i r 2 2 3 3 集成驱动芯片，该驱动芯片适合驱动大容量，高速度i g b t 。保护电路包括过压保护和过流保护， 采用的是l e m 公司过压过流保护装置。通过对信号的反馈，比较，能够最迅速的使驱动信号截止。实现 多重保护功能。并且s a 4 8 2 8 和i r 2 2 3 3 均具有自关断保护，在过压、过流等特殊的情况下，不甩单片机 给予复位信号，就可以自动停止工作，以实现最快速的保护功能。 恢复、自动加减速控制及故障自诊断等。对于小于或等于2 2 k w 变频器采用了一个3 2 位数字信号处理 器( d s p ) 。提高了计算、检测和响应的速度，扩充和加强了其处理功能。 ( 2 ) 高频化。为了适应纺织和精密机械等更多领域的高速需求，变频器的频率已由过去的o 5 0 1 2 0 h z ，发展到了4 9 0 h z ，目前已提高到6 0 0 - - 1 0 0 0 h z ，甚至3 k h z 以上。 ( 3 ) 数显化。由过去的指示灯、发光= 极管、l e d 数码管发展到目前的液晶显示( l c d ) ，显示 行有1 、2 、3 、4 行等。 ( 4 ) 高集成化。提高集成片技术及采用表面贴片技术，使装置的容量比得到进一步的提高。 ( 5 ) 强化适应性。允许环境温度由过去普遍的0 4 0 ”c 扩展为一1 0 b + 5 0 。c ( 5 0 。c 时需卸f 顶盖板) 。允许相对湿度也由过去的8 0 提高到9 0 以上。有些户外场合，特别是军事部f3 提出了全犬 候要求。 图1 1 电力电子器件分类 f i 9 1 1 t h ec l a s s i f i e d m a po f p o w e re l e c t r o n i c s d e v i c e 总之，变频技术的发展趋势时朝着高度集成化、采j 村表面安装技术、转矩控制高性能化、保护功能 健全、操作简便化、驱动低噪声化、高可靠性、低成本和小型化的方向发展。可以说，变频技术是未来 最有发展的科学技术之一。 卜3 研究内容和意义 卜3 1 研究内容 本课题主要是采用计算机、高性能的p i c 单片机、新型数字p 删波发生专用芯片( s a 4 8 2 8 ) 、新型驱 动器件( i r 2 2 3 3 ) 、新型电力电子器件绝缘栅场效应晶体管( i g b t ) 以及相应的保护，缓冲。反馈电路 井利用先进的控制方法实现交频器的智能化控制。 功率转换主电路采用“交一直一交”变换形式，整流电路采用“三相桥式不控整流“经过电容滤 波后得到较平直的电压电源。最后直流电源经过由新型复合器件一绝缘栅场效应管i g b t 组成的二相 桥式逆变电路，逆变为脉宽可调( p i i ) 的三相交流电源，主要通过改变i g b t 的驱动信号宽度和频率，来 调节输出电源的频率和电压。 在变颓器的控制电路中计算机机通过u s a r t 口与拧制面板相连，充分利用计算机的键盘，显示器 以及它的快速处理及图形显示功能，作为远程控制手段。而嵌在控制面板上与单片机直接相连的键盘， 作为现场控制手段，液晶显示作为现场人机对话窗e l 。远稗控制i _ j 现场控制两种方法互相补充。整个控 制器以p i c 单片机为核心，通过单片机完成接受、发送数据和指令、监测运行状态、采集数据、控制系 统运行等功能。 i g b t 触发信号的生成采用了i l i i t e l 公司推出的全数字型p w m 信号发生专用芯片一- - s a 4 8 2 8 ，该芯片 可同时产生六路触发信号信号经光耦隔离并经过驱动芯片放大后触发逆变桥的六支晶体管。s m 8 2 8 输出频率范围很宽，并且易丁调节。隔离器件采用高速光电耦台6 n 1 3 7 。驱动电路采用i r 公司生产的 i r 2 2 3 3 集成驱动芯片该驱动芯片适台驱动大容量，高速度i g b t 。保护电路包括过压保护和过流保护， 采用的是l e m 公司过压过流保护装置。通过对信号的反馈比较，能够撮迅速的使驱动信号截止实现 多重保护功能。并且5 a 4 8 2 8 和i r 2 2 3 3 均具有自关断保护，在过压、过流等特殊f i 勺情况下。不腭草片栅 给予复位信号，就可以自动停止工作，以实现最快速的保护功能。 给予复位信号，就可以自动停止工作，以实现最快速的保护功能。 2 王些盔兰鎏圭至錾生兰譬鲨銮 卜3 2 研究意义 本课题来自于现有的电力电子实验室变频控制单元的改造。在原有的变频控制单元中t 主要是以模 拟控制为主，模拟控制电路存在控制精度低、动态响应慢、参数设定不方便、温度漂移严重、容易老化 等缺点。专用模拟集成控制芯片的出现大大简化了电力电子电路的控制线路，提高了控制信号的开关频 率，只需外接若干阻容元件即可直接构成具有校正环节的模拟调节器，提高了电路的可靠性。但是，也 正是由于阻容元件的存在，模拟控制电路的固有缺陷，如元件参数的精度和一致性、元件老化等问题仍 然存在。此外，模拟集成控制芯片还存在功耗较大、集成度低、控制不够灵活、通用性不强等问题。 要有效的消除模拟控制的弊端，同时也是紧跟变频技术发展的趋势，数字化控制代替模拟控制是对 变频控制单元改造的最终目的。用数字化控制代替模拟控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以 克服的缺点，有利于参数设定和变参数调节，便于通过程序软件的改变，方便地调整控制方案和实现多 种新型控制策略，同时可减少元器件的数目、简化硬件结构，从而提高系统的可靠性。此外，还可以实 现运行数据的自动储存和故障自动诊断，有助于实现电力电子装置运行的智能化。 图1 2 变频器硬件示意图 f i g1 2t h eh a r d w a r es u g g e s t i o nd i a g r a mo f f r e q u e n c y i n v e r t e r 3 塞塑至塑塑墼兰型蚕鉴墼霉耋i 第二章主电路设计 2 一l 主电路的结构设计 图2 1 1 主电路结构图 图2 1 2 变额调速系统控制部分结构图 u g i u 9 6 图2 1 主电路结构设计图 f i g 2 1t h es t r u c t u r ed e s i g nd i a g r a mo f t h em a i nc i r c u i t ( u r 不可控整流；u i 逆变器；g r 给定环节：d c 数字电路：a p 驱动电路) 功率转换主电路由整流，逆变，过压、过流检测以及缓冲电路组成”1 。图2 1 给出的是一个具有p w m 变频器的变频调速系统，在图2 1 中u r 是不可控整流器他的输出电压经电容滤波后，其幅值为恒定 的直流电压u s ，加在逆变器u i 上，v n v t 6 是六个功率开关器件。当前，常用的是全控型半导体器件， 例如绝缘栅双极型晶体管i g b t 。由给定环节g r ，数字电路d c ，脉冲驱动电路a p ，组成的逆变器控制 电路，输出控制信号u g l u 9 6 驱动功率开关器件。为突出主要问题，在图中未绘出其他环节。 2 - 2 不控桥式整流电路 不控桥式整流电路图见图2 2 。图中v d t v d s 组成三相桥式不控整流电路，可将三相交流电转变为 直流电，经电容滤波后获得平直的直流电“。3 。v t 一v t 。及有关元器件组成三相桥式逆变电路，可将直流 电转变为三相交流电，本单元逆变电路为p w b i 逆变方式，在直流电压v 。一定时，逆变电压的大小和频 ? 0 5 一】l 一l f u l o if j k 一 【 4 图2 - 2 三相桥式不控整流电路原理图 一 f i g 2 2t h r e e p h a s ef u l l 一b r i d g eu n c o n t r o l l e dr e c t i f i c a t i o n 极纽，v d 、v 陕、v 磁的正端接在一起叫共用极组，r 是直流负载电阻。该屯路的导屯规律为：对于共阴 极的三支整流管来说，哪一相电压最商，则该相的二极管处于导通状态，对于共阳极的三支整流管来说， 哪一相电压最低，哪一相的二极管就导通。任何时候都有两个开关元件在导电，即共阴极和共阳极上各 有一支二极管导通。所以整流输出电压波形为电源线电压波形。对三相不控桥来说，输出波形一周期内 有六个波头。输出电压的最高值为线电压的幅值。 在波形图中： 黄色波形为， 粉色波形为u 。 横轴单位为脚f ， 二极管电流 = 一白 k = b 7 2 ， l b = 2 3 k 蓝色波形为 纵轴单位为爿或矿 1 、整流桥 i 交流电源电流 ， i 。= ( 一) 变比 二极管电压u = u 。一u b 和u 。= “。一u 共同组成 图2 3 三相桥式不控整流电路，阻感负载电压、电流波形图 f i g 2 3t h r e e - p h a x ef u l l - b r i d g eu n c o n t r o l l e dr e c t i f i c a t i o n ，r ll o a d sv o l t a g ew a v ea n dc u r r e n tw a v ed i a g r a m 在交流电源电压波形图中，把一周期分成六个阶段，见图2 3 ，根据该电路的导电规律，一个周期 内的工作过程如下o ：在第1 阶段，a 相电压最高，b 相电压最低，故整流二极管v d ，、v d 6 导通，整流 输出的电压u d - u 丑。，其波形正好是u “正半周波顶6 0 。的部分，在第1 i 阶段，a 相电压最高，c 相电压 最低，故整流二极管v d 。、v m 导通，整流输出的电压u f ，其波形正好是u 。正半周波顶6 0 9 的部分， 以后各阶段分析方法以此类推。一个周期内整流输出电压的波形为六个线电压正半周期的包络线，如图 2 3 。 整流电压的大小u “= l _ 3 5 u l ，式中u l - - - 交流电源线电压有效值。 整流管上所承受的最大反相电压u “= 4 2u l ：乩，如图2 3 。 2 - 3 逆变电路 本单元三相逆变桥的逆变方式为p w m 型即脉宽调制型。脉宽调制指的是通过对一系列脉冲的宽度进 行调制，来等效地获得所需要的波形( 含形状和幅值) 。例如：在进行脉宽调制时，如果使脉冲序列的 占空比按照正弦规律变化，当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔最小：当正弦值 较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，那么这样的电压脉冲序列就可以使负载电流中的商 次谐波成分大为减小，这种调制方式称为正弦脉宽调制，当等效正弦脉冲列的幅值一定时，只要按照同 銮錾量墼薹鐾耋望至笙墼2 i 塞 一比例改变这些脉冲列的宽度，则等效正弦波的幅值就得到了改变。 逆变电路如图2 ，4 ，图中v t - _ v t 6 为全控型器件i g b t 管，v 瑰、v d m 、v 现。、v d “、v d mv d e 为反 馈二极管，r 为三相对称负载，、r 、r t ：为观测电流波形的电阻，直流电源电压为u 一，i g b t 功率管 属于电压控制，当p e 间正向电压大于一定值时，c - e 问导通。当g - e 间电压等于零时，c e 间截止， 为了可靠的截止，一般在需要它截止时，在g e 问加一定的反向电压，i g b t 管g 吨间加的电压信号称 驱动信号，在三相桥式逆变电路中i g b t 管的控制都采取双极性控制方式“”。v t 。、v t 2 v l 的驱动 信号分别为u c 、如u * ，均为p w m 信号，其波形完全相同，但相位不同，u 。、峙依次相差1 2 0 。， 图2 5 ( a ) 、( b ) 、( c ) 表示了这三路的驱动信号的波形，、u 哺、u c z 分别与u 。u 。、u “状态相反，这 样就保证了同一相的上开关元器件和下开关元器件不会同时导通。u 、v 和w 各相功率开关器件的控制 + 图2 4 三相逆变桥电路图 f i g 2 4t h r e e p h a s ef u l l b r i d g ei n v e r t e rc i r c u i e n t 规律相同，现以u 相为例来说明。当给上桥臂v e 以导通信号，给下桥臂v n 以关断信号则u 相相对 于直流电源假想中点n ，的输出电压m 。州一2 。当给v l 以导通信号，v t 以关断信号，则m 。，一u d 2 。 v t - 和v n 的驱动信号始终是互补的。当给v t ( v t 。) 加导通信号时，可能是v t 。( v t ) 导通。也可能是 v d - ( v d 。) 续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。v 相及w 相的控制方式都和u 相相同。电 压的波形如图2 5 ( a ) 、( b ) 、( c ) 所示。u 、“、“w 的p f f d 波形都只有u - 2 两种电平- 图2 5 中的线电压波形“w 的波形可由坼w 一得出。当臂1 和6 导通时t “y = u “当臂3 和4 导通时tu u v - 2 - - u 一，当臂1 和3 或臂4 和6 导通时。u u ，= o ，因此，逆变电路的输出线电压p w m 波由u 一和0 三种电 平组成，如图2 5 ( h ) “2 “一u w n b l w u2 “w 一啤w u u v 、u v w 、材波形相同，但相位依次相差1 2 0 。 设负载中点n 与直流电源假想中点n 7 之间的电压为甜m ，则负载各相的相电压分别为 ? d u n 2 一“m - u v i v2 “一”m u w n 2 u w n u n q 把上面各式相加并整理可得： “，21 3 ( u t w , + “阿+ 材删t ) 一1 3 ( u u n + “+ 删) 由于负载为三相对称负载，则 “，+ “州+ “脚2 0 6 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 2 。6 ) f 2 7 ) 三些銮耋璧主墨耋生主些鲨吝 故 负载相电压 “m 2 1 3 ( h + “州+ “w - ) “删2 。t w - 一1 3 ( u u 一十“p w - + “聊v ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 由公式2 9 可绘出坼w 的波形，如图2 5 ( e ) ，该波形由( + - - 2 3 ) n ，( 1 3 ) u 。和0 五种电平组成。 r u n 、i , 1 w n 的波形与h u n 相同，但相位依次相差1 2 0 。根据上述，同一相上、下两臂开关器件的驱动 信号状态正好相反，但由于开关器件都有一定的关断时间，为保证上、下开关器件没有同时导通的时间， 必须是其中一路信号由导通信号转为关断信号后经过一小段时问另一路信号再由关断信号变为导通信 号，这- d , 段时间称驱动信号的死区时间。死区时间的长短主要由功率开关器件的关断时间来决定，一 般为几十微秒，由于死区时间的存在。就使图2 5 中的电压波形就不十分规则。 图2 5 三相桥式逆变电路电压波形 f i g 2 5t h r e e p h a s ef u l l - b r i d g ei n v e r t e rv o l t a g ew a v e 7 銮塑量墼耋登耋型至鉴墼里錾 第三章智能控制电路硬件及软件设计 3 一l 变频器控制部分硬件电路设计 图3 1 变频器控制部分电路图 f i g3 1 t h ec o n t r o lc i r c u i to f f r e q u e n c yc o n v e r s i o n 在这个课题中，控制核心是p i c 单片机，同时还包括a d 转换部分，液晶显示部分，串口通信部分， p w m 波形发生部分以及v f 控制方法的实现，其他的辅助功能还包括复位，光耦隔离，工作状态指示等。 以下对各主要部分进行详细的介绍。 3 - 2 单片机控制部分 3 - 2 - 1p i c 单片机结构及工作特点 变频器控制核心采用的是m i c r o c h i p 公司生产的p i c l 8 c 4 4 2 ，它是p i c l 8 x x 系列微控制器中的一种 它由高性能r i s c 结构的c p u 、存储器、i 0 接口和复位电路等组成。是一款基于e p r o m 的8 位高性能微 控制器。与其它价格相当的微控制器相比它在执行速度和代码压缩方面都有很大的改进。p i c l 8 c 4 4 2 微控制器所具有的优越性能主要归功于它的精简指令集( r i s c ) 和所采用的哈佛( h a r v a r d ) 结构，它 具有分离的程序储器空间( 1 z 位宽指令) 和数据存储器空问( 8 位宽数据) 。同时可运用两级流水线指 令进行取数和执行，除了跳转指令需耍两个周期外，其余所有的指令都可在单周期内执行“1 。它的主 要特点归纳如下： a 高性能c p u 仅7 7 条指令，采用的时钟频率为4 0 m i z ，指令周期l o o n s ： 采用c 语言友好构架 p i c l 5 源代码兼容 带有8 8 单循环硬件乘法器 具有8 级深度的硬件堆栈； 具有中断能力，有1 5 个中断源： 带有片内r c 振荡器的看门狗( w d t ) ： 具有低功耗s l e e p 方式，功率低，采用c m o se p r o mt 艺制造； 8 工作电压为3 o v 6 o v 。 b 分离的程序和数据空间 p i c l 8 c 4 4 2 带有1 3 位程序存储器最大寻 址能力为1 6 k 1 4 b i t 。内部还有5 1 2b y t e 的 数据存储器，数据存储区分为两个存储体 b a n k o 和b a n k l 。当存储区控制位n = o 时，选 择存储体0 。当存储区控制位n = l 时，选择存 储体1 。 c 完善的串行通信接口( s c i ) s c i 利用r c 6 和r c 7 两个引脚来作为通信线 的二线制串行通信接口。它们可被定义为三种 方式：全双工异步方式、半双工同步主控方式 和半双工同步从动方式。s i c 部件含有两个8 位 的可读写状态和控制寄存器，分别为发送和控 制寄存器t x s t a 、接收和控制寄存器r c s t a 。 d 片内器件模块 有3 个定时计数器和5 组双向i 0 口。 含有1 6 位捕捉比较p 删模块。其中捕捉器 的最大分辨率为1 2 5 n s ；而比较器的最大分辨 率为l o o n s ；p w m 的分辨率为1 0 位。 带有8 路a d 转换器和a d 中断功能。 3 - 2 2 基于p i c l 8 c 4 4 2 的变频器智能控制系统 m c l r 枰 r n 肫 队1 飘刚 r 2 链n 州r 甘o r 3 飙n 撇日_ + r 艇t o c r 目捌岫圬l 汕口n r e g i r 0 砘陋 r e l h n r 肌 蛤 r e 2 晒肌h 7 y 恤 o s d j c l 瞄 0 s c 2 壮k o r a 6 r c 0 丌1 0 s o 1 1 e 阳 r 翻，r j o s i 彤c p r r c 船c p l r c a _ i s 饿，8 g l r d f l p s p o r d l p s p l 4 0 3 0 拍 3 7 3 4 柚 毁 3 1 2 b 2 7 2 6 2 s 2 4 2 3 2 2 2 1 - 阴7 - - 船6 - 阳5 _ 唧 r b 粥c p 2 - r b 2 1 n t 2 - r b la n t i - 卜r b o i n i o - 姻 v s s 卜唧j p s p 7 l 硎x 糯p s - r d 5 f p s p 5 r i ：i w i p s p 4 lr c 7 r y ( j 口t r 0 酐c k r c 5 晤0 0 - r c 咖i ，s o - r i ：目p s p 3 - r 啷s p 2 r b 3 i s t h ea b r a t r m n f o r l | i e c 2p i nr r u w p l a m n g n c d l e ：p i n 啪目b 晒y 胤h 4 0 - p i n r c l f c ? xd e v b 日& 图3 2p i e l8 c 4 4 2 封装 f i g 3 2 t h ef o o t d r i n to f p i c l 8 c 4 4 2 在变频器的智能控制系统中采用两种控制方式即现场控制和控制室控制。现场控制是控制人员在 操作现场通过按键直接设定参数，其操作较繁琐，但有利于直接观察参数改变后设备运行的变化，是必 不可少的控制方式。控制室控制是控制人员通过p c 机远距离变频器设定参数并实施状态检测，其操作 简便，迅速，获取的信息量也较大。两种控制方式既能独立控制又能相互补充共同控制。基于p i c l 8 c 4 4 2 的控制器硬件连接如图3 1 。现场控制流程如图3 2 1 。 现场控制面板模型上如附录a ，共布置了六个按键他们从左至右依次为是r u n 、r e s e t 、u p 、d o w n 、 e n t 、p r g ，他们的功能分别为： r u n 按键：变频器按设定参数运行。 r e s e t 按键：停止变频器运行，出现异常时也起复位作用。 u p 、d o r n ：上升、下降键设定时改变功能和数据的设定。 e n t 按键：用于设定值的确认，在修改参数值后，必须按此键生效。 p r 6 按键：进入或退出编程状态。 在现场控制中，对设各的操作基本顺序是： 1 、按p r g 键，使变频器进入处于编程状态。 2 、按u p 或d o w n 键，选择要进入的功能。 3 、按e n t 键，进入修改功能参数状态。 4 、按u p 或d o w n 键，修改参数值。 5 、按e n t 键，确认修改卉退出参数设定状态。 6 、按p r g 键，完成变频器的一次参数修改，进入等待状态。 3 3 脉宽调制专用芯片s a 4 8 2 8 的主要特点及控制方法 脉宽调制( p 删) 控制技术在逆变电路中得到广泛的应用，其波形产生方法有两种：一是模拟方法， 二是数字方法。模拟方法电路结构复杂，有温漂现象，难以实现精确控制。数字方法则克服了上述缺点。 m i t e l 公司生产的s a 系列p w m 波形发生器具有精度高、抗干扰能力强、外围电路简单等优点，其中s a 4 8 2 8 是主要用于变频调速、逆变电源及u p s 等工业领域的高精度p w m 波形产生器。 3 - 3 1p 删波发生芯片比较 s a 4 8 2 8 是由英国m i t e l 公司专门为电机控制电路设计的三相p w m 波形发生器。它是s a 8 2 8 的增强型 9 p i n j l o - o c 2 8 0伸侄倡协蟾他伯 产品，其本身的功能要比同类其他产品以及英国m u l l a r d 公司生产的h e f 4 7 5 2 和德国西门子公司生产的 s l e 4 5 2 0 功能强大的多”。其功能如表3 1 。 表3 ip w m 波发生芯片比较 型号 、特点 h e f 4 7 5 2s l e 4 5 2 0s a 4 8 2 8 i 、 与微机配合情况无需微机配合必须与8 位机配合，微可以与目前绝大部分微 机在较低层次上介入机配合，稳定运行时几 s l e 4 5 2 0 的t 作，微机乎不占用微机的运算资 忙碌时无暇估计更多功源，微机有能力进行其 能它功能的处理 s p 榭信号实现方式纯硬件硬件为主，软件为辅硬件为主软件为辅 编程情况不可编程二相可编程三相可编程 有无脉冲封锁端无有有 优缺点当输出频率超过7 1 3 b z采用单沿调制技术把8般沿对称产生s p w m 波， 时，h e f 4 7 5 2 v 输山的位数字量转变成相应宽波形对称性好，并且每 s p 删脉冲不按正弦波脉度的脉冲，波形对称性相输出波形的幅值可单 宽调制而仅完成脉宽差，特别是高频时波形独控制 调制。更差。 3 - 3 2s a 4 8 2 8 主要特点 s a 4 8 2 8 是全数字控制，输出调制频率范围4 k h z 载波频率最高可达2 4 k h z 具有增强型微处理器接口，可与更多的单片机兼容； 将调制波频率的分辨率提高到1 6 位； 由于采用了可由用户选择的三相幅值独立控制方式，因而使得三相逆变器可用于任意不对称负载 有三种可供选择的输出波形，适用于多种应用场合； 可提供软件复位功能； 内置“看门狗”定时器以加强监控，从而提高了可靠性。 3 - 3 - 3s a 4 8 2 8 管脚说明 表3 2s a 4 8 2 8 的管脚配置 t a b l e 3 2t h ep i nd i s p o s i t i o no f c h i ps a 4 8 2 8 a d o a d 7 输入数据地址总线 c s 输入 片选 r p h b - y p h b - b p h b 输出 红黄蓝b o t t o mm u x 输入 总线选择 r p h t y p h t b p h t 输出红黄蓝相t o p 船 输入写( 读、写) t r i p 输出输出封锁状态 r d 输入读( 数据) s e t t r i p 输入软件封锁输出 a l e 输入 地址锁存 c l k 输入 时钟输入r s输入寄存器选择 w s s 输出采样波形输山 r e s e t输入硬件复位 z p p r 输出调制波频率输出 3 3 4s a 4 8 2 8 提供的三种标准调制波形分析 波形l ：标准正弦波形，它广泛应用于静态电压变换器、u p s 、单相和双相感应电动机的控制中。 波形2 ：叠加三次谐波的正弦波形( 增强型波形) ，它利用谐波加入技术使直流电压得到最高效的 转换，叠加三次谐波的正弦波形一般用于三相感应电机的控制。功率提高2 0 ，三相谐波相互抵消， 防止电机发热。 波形3 ：带有缓冲边界的叠加三次谐波的正弦波形( 高效波形) ，进一步优化3 次谐波，在一个周 期中，高压侧和低压侧的开关保持6 0 。的间隙不但节省了3