小功率SPWM变频调速系统新型驱动电路设计.docx

华北科技学院毕业设计（论文）目录设计总说明11 绪论61.1 研究的现状61.1.1 引言61.1.2 变频调速发展的条件61.1.3 变频器的发展方向81.2 论文研究的目的和意义81.3 本文主要内容和结构安排82 交流变频调速系统102.1 变频调速的基本原理102.2 变频调速的控制分析102.3 交-直-交变频调速122.4 SPWM变频调速技术152.4.1 静止式SPWM间接变压变频装置162.4.2 SPWM调制变频技术162.4.3 单极性SPWM法172.4.4 双极性SPWM法182.5 SPWM控制信号的产生方法192.5.1 模拟控制192.5.2 数字控制202.6 SPWM脉宽的调制方法213 硬件电路的设计233.1 系统硬件电路总体结构设计233.2 主要元器件选择及介绍233.2.1 IGBT模块的选择233.2.2 驱动芯片的选取323.2.3 整流二极管和滤波电容的选取323.2.4 传感器的选择33第61页 共60页3.3驱动电路的设计333.3.1 IR2133驱动芯片的引脚功能333.3.2 IR2133内部结构及其工作原理373.3.3 IR2133外围电路的设计393.3.4 自举电路及其元器件的选择393.4 主电路的设计413.5检测电路的设计423.5.1 电压检测电路423.5.2 电流检测电路433.5.3 温度检测电路483.6 控制电路的实现494 软件部分的实现515 结论与实验波形55参考文献56致谢58附录：系统原理图59小功率SPWM变频调速系统新型驱动电路的设计设计总说明一、概述（一）总体任务本设计为小功率SPWM变频调速系统新型驱动电路的设计，变频调速系统有调速时平滑性好，低速时相对稳定性好，调速范围较大，起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显，易于实现过程自动化等优点，从而目前正被广泛应用。（二） 技术标准1、输出的SPWM信号能够满足IGBT的驱动要求，使系统正常工作。2、系统出现故障时能够及时封锁输出信号。3、能够检测主回路的电压和电流。4、IGBT输出信号能够使电机正常旋转并实现调速。二、论文结构安排和对系统改进的展望本论文首先简要阐述了变频调速研究的现状，论文研究的目的和意义以及结构安排。然后接着介绍变频调速的基础技术,如变频调速下电动机的机械特性、SPWM控制方法的理论依据及微机实现等。再接着介绍了设计硬件电路的设计,对整个系统的主电路、各种保护电路、控制电路及实现控制的软件都进行了系统的分析。主电路部分给出了整流、滤波、逆变器、IGBT驱动电路的外围器件各个环节的参数的计算。设计时强调了系统工作的安全性,给出了具体的系统保护电路,介绍了其工作原理,并给出了比较重要的参数。控制电路以微机作为实现SPWM 算法的运算核心,强调微机电机控制的实时性,及人机交互。最后对驱动电压波形的分析。实验结果表明,这些设计使系统能够可靠工作,运行状态良好,达到了设计目的。在系统应用于实际的产品中时，它还可以再做一些必要的方案改进，可以把电流电压检测电路进行模块化即做成检测板，使电路结构更简单。这样做的目的不仅可以大大的降低产品本身所用元器件的成本，而且随着集成化的处理，当检测电路有故障发生时，可以很方便的对检测部分进行更换。驱动电路作为整个系统稳定工作而必不可少的一部分，做好了驱动电路就保证了系统正常运行的可靠性。三、驱动电路的设计本设计选用IR2133驱动芯片，International Rectifier公司的IR2133驱动芯片的独特设计，使它可用来驱动工作在母线电压不高于600V的电路中的MOSFET和IGBT 。该芯片内部集成了相互独立的3组高压侧和低压侧栅极驱动电路 ， 特别适用于三相交流电机驱动。 芯片的输入信号与TTL及CMOS电平兼容 , 其内部集成了独立的运算放大器，可通过外接采样电阻构成电流模拟反馈输入，且具有故障电流保护功能和欠电压保护功能,可关闭 6个输出通道，同时能输出提供具有锁存的故障信号FAULT,此故障信号可由 FLT -CLR 管脚清除。各通道良好的延迟时间匹配简化了其在高频领域的应用。四、主电路的设计本文设计的是三相交-直-交电压源型调速系统，其主电路包括整流电路，滤波电路和逆变电路。整流电路采用单相桥式不可控整流电路，滤波电路采用电解电容滤波，逆变器是由6个IGBT构成的三相全桥式逆变器，主电路结构简单易调。五、检测电路的设计 本文设计的检测电路是对直流母线（电流和电压）的检测、交流侧电流的检测以及IGBT模块温度的检测。【关键词】 变压变频； 正弦波脉宽调制； 电压型逆变器； 驱动电路；IR2133Small power SPWM variable frequency speed regulation system of new drive circuit designIntroductionone, summarize(1) overall missionThis design for small power SPWM variable frequency speed regulation system of the new driving circuit design, variable frequency speed regulation system when a speed of good speed, smooth relative stability, speed range is bigger, starting current, the system and power grid low no impact energy saving effect, obviously, easy to realize the process automation and other advantages, which is now widely used.(2) the technical standard1, the output signal can meet the SPWM IGBT drive requirements, make the normal work of the system.2, the system malfunction can prompt blockade output signal.3, can detect the main circuit of voltage and current.4, IGBT output signal can make motor rotate speed and realize the normal.Second, the structure arrangement and system paper improved prospectsThis paper first briefly expounds the current situation of the study of variable frequency speed regulation, this paper studies the purpose and significance and the structure arrangement. And then introduce the basis of frequency conversion technology, such as frequency conversion motor under the mechanical properties, SPWM control method theory and computer to realize, etc. And then introduces the design of hardware circuit design of the whole system, the main circuit, all kinds of protection circuit, control circuit and the software to realize control system is analyzed. The circuit of the rectifier, filtering, given inverter, IGBT drive circuit peripheral equipments of each link parameters. When the design emphasizes the system the security of the work, give a specific system protection circuit, this paper introduces the working principle, and gives the more important parameters. Control circuit take the microcomputer as the core to realize SPWM algorithm operations, emphasize the microcomputer motor control of real-time, and human-computer interaction. The driver of the voltage waveform analysis. The experimental show that the design the system can work, running a good reliable, to reach the design purpose.In the system used in the actual product when it also can do some necessary improvement scheme, can put the current voltage detection circuit board, make detection is modular make more simple circuit structure. The goal of this can not only greatly reduce the cost of the product itself, and with components of integrated treatment, when a fault detection circuit happened, can be very convenient for test part for replacement.The whole system is stable driving circuit as an indispensable part of work, ready to drive circuit ensures the normal operation of the system reliability.Three, drive circuit designThis design IR2133 choose drive chip, International Rectifier company IR2133 drive chips unique design, make it can be used to drive to work in the bus voltage is not higher than 600 V in the circuit of the MOSFET and IGBT. The chip inside integrated the independent of each other three groups of high voltage and low voltage side of the gate drive circuit, especially suitable for three-phase ac motor driver. The chip input signal and TTL and CMOS level, its internal integration the compatibility of the independent operation amplifier, but through the external sampling resistance constitutes current feedback, and has the input analog FAULT current protection function and owe voltage protection function, can close six output channel, and can output offer lock to save the FAULT signal FAULT, the FAULT signal can be neither-CLR tube feet by clear. Each channel good delay time matching has simplified its in the high frequency areas of application.Four, the design of main circuitIn this paper the design is three intersect-straight-pay voltage source type speed regulation system, its main circuit including rectifier circuit, filter circuit and inverter circuits. Rectifier circuit single-phase bridge type controlled rectifier circuit, filter circuit the electrolytic capacitor filter, inverter is made up of six IGBT three-phase bridge type inverter, main circuit structure is simple easy adjustable.Five, the detection circuit designThis paper introduces the design of the detection circuit is dc bus (current and voltage) detection, the ac current detection and IGBT module temperature detection.Six, design basis and reference material【Key words】 VVVF； SPWM； voltage inverter； drive circuit；IR21331 绪论本章作为引言，主要介绍了变频调速控制技术的发展和现状，SPWM变频技术的应用以及该课题的研究意义与价值，最后简要归纳了本课题的研究任务并对文章安排做了简要介绍。1.1 研究的现状1.1.1 引言经过大约30多年的发展，交流调速电气传动已经上升为电气调速传动的主流。在电气调速领域内，可以相信在不久的将来交流调速将会完全取代直流调速传动。现在要求性能较高的中、小容量的交流调速传动中，主要使用电力电子变换器件对交流电动机进行变频调速。除变频以外的另一些简单的调速方案，如变极调速、串定子调压调速、转差离合器调速等，它们只有在特定场合有一定的应用。由于电力电子学和微电子技术的发展，使变频调速技术近年来获得了飞速的发展，各种变频调速控制方式、PWM脉宽调制技术以及MCU微处理器和以大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等均在变频调速中获得了成功应用。SPWM正弦脉宽调制法这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有开关频率不固定，控制和调节性能好，能消除谐波使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，设计简单等一系列优点，是一种比较好的波形改善法。它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。SPWM技术成为目前应用最为广泛的逆变技术。根据生成SPWM波形的实现方式可以分为模拟控制和数字控制两种形式。传统的模拟控制在逆变器中应用广泛，技术成熟，控制性能优良，但模拟控制也存在一些缺陷：元件众多，设计周期长，调试复杂，不易管理维护等。随着数字信号处理技术的蓬勃发展，数字控制技术已经成功地应用到电力电子与电力传动控制领域中来，逆变器的数字控制逐渐成为研究的热点。1.1.2 变频调速发展的条件a. 电力电子器件的发展是变频调速发展的必要条件在变频调速中主要有交一交变频和交一直一交变频，目前应用的最为广泛的是交一直一交变频，它的基本电路是:先将电源的三相(或单相)交流电经整流桥整流成直流电，又经逆变桥把直流电逆变成频率任意可调的三相交流电。实现逆变的逆变桥就是变频主电路的关键部件，它由六个开关器件组成，逆变的过程是这六个开关器件按一定的规律不停的导通和截止，这也就是实现变频的过程。自从1957年第一支晶闸管(SCR)的发明，经过几十年的发展，电力电子学取得了惊人的进步，70年代出现了大功率晶体管(GTR),90年代出现了大功率场效应晶体管(IGBT)，它们在各个领域得到了广泛的应用。逆变桥由使用半控型器件发展为使用全控型器件。b. 变频调速控制方式的发展促进了变频技术的应用与推广本世纪70年代以后，电气传动各相关领域学科相继取得了巨大的突破，交流调速的控制方式发展因之突飞猛进，采用交流调速的场合正越来越多。最初的变频调速是采用恒压频比控制方式，它根据异步电机简化等效电路确定的电压V和频率F的比值进行变频调速，电压是指基波的有效值.后来增加了电流环，称它为转差频率控制，改善了性能并且己经实用化。但是系统只是从稳态公式推导出的平均值控制，完全不考虑过渡过程，因此系统的稳定性、启动及低速时的转矩动态响应存在难以克服的不足。为了提高低频时电动机产生的转矩不足，通常采用提升电压以及随负载变化补偿定子绕组电压降的办法，用以增加变频调速的调速范围。c.数字化技术的应用使变频器的实用化成为可能全数字控制的主要优点是:1、 控制精度高，数字计算机的精度和字长有关，变频器中使用8位、16位甚至32位微处理器，控制精度不断提高;2.稳定性好，由于控制信息是数字量，不会随着时间漂移，与模拟控制不同的是它没有温漂，不受环境的影响;3、可靠性高，微处理器采用大规模集成电路，系统中的硬件电路数量大为减少，因此故障率低;4、灵活性好，系统中硬件向标准化和集成化方向发展，可以在尽可能少的硬件支持下，由软件去完成复杂的控制功能。适当的修改软件，就可以改变系统的功能或提高系统的性能;5、存储能力强，存储容量大，存放时间几乎不受限制，这是模拟系统不能比拟的，利用这一特点可在存储器中存放大量的数据或表格，利用查表法简化计算，提高运算速度;6、逻辑运算能力强，容易实现自诊断、故障记录、故障寻找等功能，使变频装置可靠性、可实用性、可维修性大大提高。d. PWM技术的应用也加快了变频技术的发展 通过调节脉冲宽度和脉冲占空比来调节平均电压的方法，称为脉宽调制技术(PWM)，如果脉冲宽度和占空比的大小按正弦规律变化，便是正弦脉宽调制技术，简称为SPWM技术。PWM技术是伴随着电力电子器件的发展而发展起来的，目前己趋于成熟。PWM技术适应于很多技术领域，如直流斩波、谐波吸收、无功补偿和变频装置等。 PWM技术用于变频器的控制，可以改善变频器的输出波形，降低谐波并减小转矩脉动。同时也简化了变频器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应。1.1.3 变频器的发展方向变频器(主要指通用变频器)从80年代到现在己经开始商品化，应用的领域也在不断的扩大，主要有以下几个方面:( 1 ) 变频器容量不断扩大。变频器的容量主要和它的开关器件的容量有直接影响，70年代中期，功率晶体管开始开发，到80年代采用功率晶体管的SPWM变频器的投产，随着元件容量的提高，变频器的容量不断提高，目前变频器的容量已经达到600KVA,400KVA以下的己经系列化。( 2 ) 变频器结构的小型化。变频器主电路中功率电路的模块化、控制电路采用大规模集成电路(LSI)和全数字化技术等一系列措施促进了变频电源的小型化。( 3 ) 变频器的多功能化和高性能化。电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化的方向发展，特别是微处理器的应用，以其精练的硬件结构和丰富的软件功能，为变频器的多功能化和高性能化提供了可靠的保证。日益丰富的软件功能使通用变频器的适应性不断加强，1.2 论文研究的目的和意义在电力拖动领域，解决好电动机的无级调速问题有着十分重要的意义，电机调速性能的提高可以大大提高工农业生产设备的加工精度、工艺水平以及工作效率，从而提高产品的质量和数量;对于风机、水泵负载，如果采用调速的方法改变其流量，节电效率可达20%-60%。众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电机调速所垄断，这是和实际中交流电机的广泛使用是一对存在的矛盾，许多应用交流电机的设备为了达到调节被控对象的目的，只能采用物理的方法，例如采用风门，阀门控制流量等，这样浪费能源的问题就很突出，费用就大。而且在采用直流调速的方面由于直流电机固有的缺点换相器和电刷的存在，使得维修工作量大，事故率高，电机的大容量使用受到限制，在易燃易爆的场合无法使用，因此开发交流调速势在必行。1.3 本文主要内容和结构安排本文主要内容是:对变频调速系统控制电路的设计，控制器CPU采用dsPIC30F6010单片机，对变频的控制算法进行分析与设计，采用恒压频比控制。 论文的主要结构安排为:1、绪论，主要介绍交流调速系统的发展，变频技术的发展的条件，变频器控制系统的实现方式，变频器的发展方向等。2、 正弦脉宽调制技术(SPWM)的原理与控制实现。3、 变频调速系统的硬件实现，包括变频调速系统驱动电路、主电路的设计，控制电路硬件的实现，软件的设计 。4、 结论。2 交流变频调速系统2.1 变频调速的基本原理异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为 (2 -1 )其中为同步转速(r/min)为定子频率，也就是电源频率(Hz);为磁极对数。异步电机的轴转速为 ( 2 -2 )其中s为异步电机的转差率，由上面的公式可以看出，改变电源的供电频率可以改变电机的转速。在对异步电机调速时，希望电机的主磁通保持额定值不变。任何电动机的电磁转矩都是磁通和电流相互作用的结果，主磁通小了，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降;主磁通大了，会使电动机的磁路饱和，并导致励磁电流畸变，励磁电流过大，严重时会使绕组过热损坏电机。主磁通是由励磁电流产生的，两者之间的关系是由磁化特性决定的。由电机理论知道，三相异步电机定子每相电动势的有效值为 .其中E1为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值(V), 为定子频率(Hz),为定子每相绕组匝数，为极磁通(Wb)。由上式可见主磁通中.是由E1和。共同决定的，如果保持E1和之比不变，就可以保持主磁通不变。2.2 变频调速的控制分析在基频(额定频率)以下调速时，由于E1的大小不易从外部加以控制，而定子绕组的阻抗压降(U=，为定子绕组的阻抗压降，包括电阻和漏磁电抗)在电压较高时可以忽略，所以可以认为电动势和电源相电压近似相等即有U1E1，因此作为一种可行的方案是在电源电压较高时用电源相电压U1代替电动势E1，当频率较低时，U1和E1都变小，定子漏阻抗压降所占比重加大，不可以忽略，所以要人为的补偿，这是一种近似的恒磁通控制，这种控制方式常用于恒转矩控制，如下图2-1。在基频以上调速时由于电压U,受额定电压的限制不能升，因此在频率升高时，迫使主磁通变小，进入弱磁变频调速，属于近似恒功率控制，如图2-1.但是用恒压频比代替恒电动势频率比的一个重要缺点是在速度降低时，电动机的带载能力也同时下降，转矩利用率下降，从图2-2的a,b 可以看出，a图的临界转矩点随着速度的降低也减小，而b图则没有变化，然而要达到b图的效果就要保持E1/f1的比值为恒值而不仅是保持U1/f1比值为恒值了。基于上述原因，在变频调速的基本控制方式下，改变频率的同时必须改变电压，所以称之为VVVF(Variable voltage Variable Frequency)控制。0恒转矩调速恒功率调速1N1mNUsmUsN图2-1 异步电机变频调速的控制特性 恒压频比控制又可以分为两种方式，一种是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载适合于异步鼠笼型电动机，所以通用性强，经济性好。由于在无速度传感器的恒压频比控制下，负载一旦变化，转速也会随着变化，转速的变化量与转差率成正比，因此产生了另一种带速度传感器的恒压频比控制，称之为转差频率控制，它根据速度传感器检测，求出转差角频率，再把它和速度设定值相叠加，以该叠加值作为逆变器的频率设定值，就实现转差补偿。与开环恒压频比控制相比转差频率控制的调速精度大为提高。T0n 图2-2 a恒压频比的机械特性T0n图2-2 b恒电动势频率比时的机械特 2.3 交-直-交变频调速交-直-交变频器为交-直-交变频调速系统提供变频电源。交-直-交变频器的基本电路包括整流电路和逆变电路，整流电路将工频交流电整流成直流电，逆变电路再将直流电逆变为频率可调的交流电。根据变频电源性质可分为电压型变频器和电流型变频器。(1)交-直-交电压型变频器交-直-交电压型逆变器的构成见图2-3，核心部分为逆变器。整流器逆变器交流交流直流 整流逆变交直交050Hz 图2-3 电压型变频器三相电压型逆变器的基本电路如图2-4所示，直流电源并联有大电容滤波电容C。由于存在这个大电容，直流输出电压具有电压源特性，内阻很小。这使逆变器的交流输出电压被钳位为矩形波，与负载性质无关。交流输出电流的波形与相位则由负载功率因素决定。在异步电机变频调速系统中，这个大电容同时又是缓冲负载无功因素的储能元件。图2-4 三相电压型逆变器的基本电路（2）电压型三相桥式逆变电路原理分析电压型三相桥式逆变电路如图2-4所示。电路由三个半桥组成。它的基本工作方式是180导电方式，即每个桥臂的导电角度为180，同一相(即同一半桥)上下两个桥臂交替导电，各相开始导电的时间依次相差120，因为每次换相都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此称为纵向换相。这样，在任一瞬间，将由三个臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂而下面一个臂。在分析三相逆变电路时，对输出的三相分别用U相、V相、w相表示。对于U相来说，当桥臂1导通时， =/2，当桥臂4导通时，=一/2。因此，的波形是矩形波。V、W两相的情况和U相似，、的波形形状和的相同，只是相位依次相差120。、的波形如图2-5所示设负载中心点N与直流电源假想中心点N之间的电压为，则负载各相的相电压可由下式求出 (2-3)把上面各式相加并整理可求得=(+)/3-(+)/3 (2-4)设负载为三相对称负载，则有+=0 (2-5)故可得=(+)/3 (2-6)的波形如图2-5它也是矩形波，但频率为频率的3倍，幅值为/6。180导电型逆变器又可称为方波逆变器，这种逆变器的输出电压近似为方波，方波逆变器一般控制输出电压的频率，输出电压的幅值通过控制输入直流电压的大小来控制。因而要求连接交流电网与逆变器的整流电路是可控的。在实际应用中，很多电力电子负载都要求逆变电路的输出电压、电流、功率以及频率能够得到有效和灵活的控制，以满足它们的工作要求，而方波电压型逆变电路的输出电压为方波，除基波外，含有很强的五次、七次谐波。谐波分量很大，造成功率因数降低。对于交流电动机来说，使电机损耗和转矩脉动增加，特别是频率很低时，转矩脉动严重，甚至不能工作。为了削弱和消除一些次数的谐波可采用PWM技术，正弦脉宽调制即SPWM调制效果更好，它可同时完成解决调压和改善波形的双重任务。SPWM控制方式就是对逆变电路开关器件通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲代替正弦波。图2-5输出波形2.4 SPWM变频调速技术2.4.1 静止式SPWM间接变压变频装置SPWM间接变压变频装置先将工频交流电通过整流器变成直流电，再经过逆变器将直流电变换成可控频率和幅值的交流电，故又称为交一直一交变压变频装置。其系统原理框图如图2-6所示在这类装置中，用不控器件整流，而逆变部分用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，所以提高了输入端的功率因数，减小了谐波对电网的影响。此外，因输出波形由方波改进为SPWM 波，减少了谐波，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。全控整流SPWM逆变ACDCACCVCFVVVF调压调频50KHZ 图2-6 SPWM间接变压变频装置SPWM逆变器输出谐波减少的程度取决于逆变器件的开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。采用IGBT时，开关频率可高达lOkHz以上，其输出电流已非常逼近正弦波。所以，这种装置己成为当前最有发展前途的一种装置形式。2.4.2 SPWM调制变频技术 SPWM调制技术是PWM多脉冲可变脉宽调制技术的一种，即所谓的正弦波脉宽调制.其输出波形是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等份的中点相重合，这样，由n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法与一系列负脉冲波等效。如图2-6所示。设由整流器提供的直流恒值电压为Us，并设电机绕组中点与直流电压中点相连，则SPWM脉冲序列波的幅值为。令第i个矩形脉冲的宽度为，其中心点相位角为，则根据面积相等的等效原则，可写成：= （2-7）当n的数值较大时，近似的认为sin/(2n)=/(2n)，于是 （2-8）上式表明第i个矩形脉冲的宽度与该处正弦波值近币以成正比。因此，与半个周期正弦波等效的SPWM波是两侧窄、中间宽、脉宽按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形。相比于其它各种变频变压调制方式，这样的脉冲系列可获得比常规六拍阶梯波更接近于正弦波的输出电压波形，可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，因而转矩脉动小。由于电网的功率因数接近于1，大大提高了系统的整体性能。一般的，SPWM分单极性和双极性两种调制方式。 2.4.3 单极性SPWM法所谓单极性SPWM控制方式，是指在正弦波ur的半个周期内三角波载波uc只在正极性或负极性范围内变化，所得到的输出SPWM波形uo也只是在一种极性范围内比那话的控制方式。结合IGBT单相桥式电压型逆变电路（如图2-7）对调制法进行说明：设负载为阻感负载，工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。控制规律：uo正半周，V1通，V2断，V3和V4交替通断，负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段为正，一段为负，负载电流为正区间，V1和V4导通时，uo等于Ud，V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0，负载电流为负区间，io为负，实际上从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud，V4断，V3通后，io从V3和VD1续流，uo=0，uo总可得到Ud和零两种电平。uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平。波形见图2-8。图2-7单相桥式PWM逆变电路 图2-8 单极性SPWM控制方式波形 单极性SPWM输出波uo为一系列按正弦规律变化的等幅不等宽的脉冲列，在半个周期内只有一种电压极性，在整个周期内有0和Ud三种电平。 2.4.4 双极性SPWM法上述的单极性SPWM 逆变器主电路每相只有一个开关器件反复通断。如果让同一桥臂上、下两个开关器件交替地导通与关断，则输出脉冲在“正”和“负”之间变化，就得到了双极性的SPWM波形。 图2.8的单相桥式逆变电路在采用双极性控制方式时的波形如图2-9所示。采用双极性方式时，在ur的半个周期内，三角波载波不再是单极性的，而是有正有负，所得SPWM波也是有正有负。在ur的一个周期内，输出的SPWM波只有Ud两种电平，而不像单极性控制时还有零电平。仍然在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断。在的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。即当ur uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号，如io0，V1和V4通，如io0，VD1和VD4通， uo=Ud，当uruc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号，如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud。图2-9 双极性SPWM调制图2.5 SPWM控制信号的产生方法从所能收集到的科研文献中，可以归结出很多种生成SPWM脉冲的方法，大致分为两大类:第一类是完全由模拟电路生成;第二类是由专用集成芯片生成.本设计采用数字控制方式。2.5.1 模拟控制 原始的SPWM是由模拟控制来实现的。图2-10是SPWM模拟控制电路原理框图。三相对称的参考正弦电压调制信号，由参考信号发生器提供，其频率和幅值都是可调的。三角载波信号由三角波发生器提供，各相共用。它分别与每相调制信号在比较器上进行比较，给出正或零的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波，作为变压变频器功率开关器件的驱动信号。驱动V1-V6SPWM波形参考信号发生器三角波发生器 图2-10 SPWM波模拟控制电路本方法原理简单而且直观。但是，由于正弦波调制和三角载波由硬件电路生成，硬件开销大，系统可靠性差。并且当控制电路的直流电源电压有波动或有噪声干扰时，都将引起SPWM脉冲宽度的变化，从而影响到变频器输出频率和电压的稳定性。整个系统受温漂和时漂的影响大，当输出频率低、调制深度很小时，噪声干扰尤其严重，输出频率精度很差。由于以上缺点,SPWM 的模拟控制电路现已很少应用，但它的原理往往是其他控制方法的基础，仍须充分了解。2.5.2 数字控制数字控制是SPWM目前常用的控制方法。可以采用微机存储预先计算好的SPWM数据表格，控制时根据指令调出;或者通过软件实时生成SPWM波形;也可以采用大规模集成电路专用芯片产生SPWM信号。 分析生成SPWM波形的实现方式,模拟控制和数字控制两种形式。传统的模拟控制在逆变器中应用广泛，技术成熟，控制性能优良，但模拟控制也存在一些缺陷：元件众多，设计周期长，调试复杂，不易管理维护等。随着数字信号处理技术的蓬勃发展，数字控制技术已经成功地应用到电力电子与电力传动控制领域中来，逆变器的数字控制逐渐成为研究热点。由于微型技术的迅速发展和应用，交流电机变频调速系统的控制回路均以单片微机和SPWM脉宽调制共同完成。由于微机的高度集成化和很强的运算功能，用于PWM调速系统进行直接数字控制，可得到高度的稳定性、高度可靠性以及小型化和便于维修、节能、提高产品质量等应用效果。随着微电子技术的发展，开发出一些专门用于发生控制信号的集成电路芯片，配合微处理器进行控件生成SPWM信号方便得多。国内制的电动机微机控制系统，大多采用8031, 8098等。由于这些芯片并非为电动机控制设计的，为了实现电动机控制的某些功能，不得不增加较多的外器件必须以多片集成电路方能构成完整的控制系统。2.6 SPWM脉宽的调制方法在实行SPWM脉宽调制时，视载波比N的变化与否，有异步调制和同步调制之分。（1） 同步调制在同步调制方式中，N=常数，变频时三角载波的频率与正弦调制波的频率同步改变，因而输出电压半波内的矩形脉冲数是固定不变的。如果取N等于3的倍数，则同步调制能保证输出波形的正、负半波始终保持对称，并能严格保证三相输出波形间具有互差120的对称关系。但是，当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使负载电机产生较大的脉动转矩和较强的噪声，这是同步调制方式的主要缺点。（2） 异步调制为了消除上述同步调制的缺点，可以采用异步调制方式。顾名思义，在异步调制中，在变压变频的整个变频范围内，载波比N不等于常数。一般在改变调制波频率fr时保持三角载波频率ft不变，因而提高了低频时的载波比。这样输出电压半波内的矩形脉冲数可随输出频率的降低而增加，相应地可减少负载电机的转矩脉冲和噪声，改变了系统低频工作时的性能。有一利必有一弊，异步调制方式在改善低频工作性能的同时，又失去了同步调制的有点。当载波比N随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是3的倍数，势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电机工作不平稳。（3） 分段同步调制为了扬长避短，可将同步调制和异步调制结合起来，成为分段同步调制方式，实用的SPWM变压变频器多采用此方式。在一定范围内采用同步调制，以保持输出波形对称的优点，当频率降低较多时，如果仍保持载波比N不变的同步调制，输出电压谐波将会增大。为了避免这个缺点，可使载波比分段有级地加大，以采纳异步调制的长处，这就是分段调制方式。具体地说，把整个变频范围划分成若干段，在每个频段内都维持载波比N恒定，而对不同的频段取不同的N值，频率低时，N值取大些，一般大致按等级数安排。表 2-1 分段同步调制的频段和载波比输出频率f1Hz载波比N开关频率ftHz416218738111627412772911071727427141134111766726112271110271411224.67159731.411133 硬件电路的设计3.1 系统硬件电路总体结构设计本课题要求设计变频调速系统的主电路、驱动电路、电流、电压、温度检测电路及保护电路。AC三相150V、50Hz输入，三相050Hz输出。总框图如图3-1.驱动电路整流电路保护电路滤波电路逆变电路电动机负载温度检测控制电路图3-1 电路总框图主电路：主要包括整流电路、滤波电路和逆变电路三部分。分别如下：本课题为小功率调速系统，输入电源为三相150V的相电压，故整流电路采用三相桥式不可控整流模块将三相交流电整流成直流电，其价格便宜，且耐冲击电流较大；滤波电路采用电解电容滤波，将整流输出的脉动电压转化为平滑的直流电压；逆变器是由个IGBT构成的三相桥式逆变器，把直流电变为频率可调的三相交流电。驱动电路 ：选用与IGBT配套的驱动芯片IR2133.IR133是拥有高频率、能输出高端和低端各三路信号分别对IGBT的进行控制。保护电路：保护电路主要有启动限流电路，电压、电流检测电路。控制电路：控制整个电路的运行。3.2 主要元器件选择及介绍3.2.1 IGBT模块的选择绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)是20世纪80年代发展起来的新型功率器件。IGBT是功率场效应晶体管（Power MOSFET)和双极型大功率晶体管（GTR)组合在一起的复合型功率器件。它具有Power MOSFET的通断速度快、输入阻抗高、驱