低压三相异步电机的逆变电源毕业论文-精品(共56页)

1、PAGE PAGE 60摘 要本文设计了一套用于驱动低压三相异步电机的逆变电源。由于(yuy)日常生活中许多场合用电设备都不方便直接使用交流电网提供的电源工作，从而将已有的直流电进行逆变得到需要的交流电的逆变技术具有很大的应用空间。本文设计的逆变电源由48v直流电压源供电，是电压型逆变电源。电源主体电路为三相全桥逆变电路，开关器件采用MOSFET IRF640, IRF640的栅极控制信号为PWM波。电源系统利用PIC18F2431用软件方法生成最初的六路PWM波形，经半桥驱动IR2103S后输出作为三相逆变全桥电路的六个桥臂的控制信号。本文还设计了过电流保护电路。通过运放LM358两个管脚电

2、平的比较，当主电路电流过大时，LM358送给单片机一个控制信号，单片机关闭(gunb)输出信号避免电路损坏。通过与上位机联机调试，测取了单片机输出的PWM波，IR2103S输出的栅极控制信号以及驱动三相(sn xin)异步电机时电机的电压电流波形，并进行了分析。关键词：逆变电源，三相异步电机，脉宽调制ABSTRACTIn this paper, a kind of inverter is designed to drive asynchronous motors. Because the AC supply is not always available to all of the elect

3、rical equipments ,the technology of inversion has an vast application. The inverter designed in this paper is supplied by an 48-volt DC voltage source. The triphase full-bridge circuit is used as the main circuit of the inverter. Six mosfets IRF640N are took as switching devices, and their grids are

4、 controlled by PWM signals. The system uses PIC18F2431 to create PWM waves by software.This thesis also designed a protecting circuit for excess current. By comparing two voltages on its pins, LM358 sends a signal to PIC18F2431 when the excess current appears. PIC18F2431 shut the outputs to protect

5、the whole circuit. The waveforms, including the PWM output, the signals from IR2103S as well as the voltage waveform and current Waveform, are measured by connecting the system with computer and then are analysed. KEY WORDS: inverter, three-phase asynchronous motors, PWM 目 录 TOC o 1-3 h z HYPERLINK

6、l _Toc107942932 摘 要 PAGEREF _Toc107942932 h 1 HYPERLINK l _Toc107942933 ABSTRACT PAGEREF _Toc107942933 h 2 HYPERLINK l _Toc107942934 目 录 PAGEREF _Toc107942934 h 3 HYPERLINK l _Toc107942935 前 言 PAGEREF _Toc107942935 h 5 HYPERLINK l _Toc107942936 第1章 逆变电源的基本(jbn)理论 PAGEREF _Toc107942936 h 8 HYPERLINK

7、l _Toc107942937 1.1 逆变电源的发展(fzhn)及现状 PAGEREF _Toc107942937 h 8 HYPERLINK l _Toc107942938 1.2 逆变(n bin)电路分类 PAGEREF _Toc107942938 h 9 HYPERLINK l _Toc107942939 1.3 三相PWM逆变器的电路拓扑 PAGEREF _Toc107942939 h 10 HYPERLINK l _Toc107942940 1.4 电压型三相全桥逆变电路 PAGEREF _Toc107942940 h 11 HYPERLINK l _Toc107942941 第

8、2章 逆变电路的控制技术 PAGEREF _Toc107942941 h 15 HYPERLINK l _Toc107942942 2.1 逆变电源控制技术的发展 PAGEREF _Toc107942942 h 15 HYPERLINK l _Toc107942943 2.2 PWM概述 PAGEREF _Toc107942943 h 16 HYPERLINK l _Toc107942944 2.3 PWM基本原理 PAGEREF _Toc107942944 h 19 HYPERLINK l _Toc107942945 2.3.1 面积等效原理 PAGEREF _Toc107942945 h

9、19 HYPERLINK l _Toc107942946 2.3.2 同步调制与异步调制 PAGEREF _Toc107942946 h 19 HYPERLINK l _Toc107942947 2.3.3 自然采样法与规则采样法 PAGEREF _Toc107942947 h 21 HYPERLINK l _Toc107942948 2.4 三相SPWM PAGEREF _Toc107942948 h 22 HYPERLINK l _Toc107942949 第3章 逆变电源硬件电路设计 PAGEREF _Toc107942949 h 25 HYPERLINK l _Toc107942950

10、 3.1 电路原理图 PAGEREF _Toc107942950 h 25 HYPERLINK l _Toc107942951 3.2 PIC18F2431简介 PAGEREF _Toc107942951 h 26 HYPERLINK l _Toc107942952 3.3 驱动电路 PAGEREF _Toc107942952 h 29 HYPERLINK l _Toc107942953 3.3.1 IR2103S简介(jin ji) PAGEREF _Toc107942953 h 29 HYPERLINK l _Toc107942954 3.3.2 驱动电路(dinl)分析 PAGEREF

11、_Toc107942954 h 32 HYPERLINK l _Toc107942955 3.3.3 死区时间(shjin)分析 PAGEREF _Toc107942955 h 33 HYPERLINK l _Toc107942956 3.4 逆变电路 PAGEREF _Toc107942956 h 35 HYPERLINK l _Toc107942957 3.4.1 IRF640N简介 PAGEREF _Toc107942957 h 35 HYPERLINK l _Toc107942958 3.4.2 IRF640N工作特性 PAGEREF _Toc107942958 h 37 HYPERL

12、INK l _Toc107942959 3.5 保护电路 PAGEREF _Toc107942959 h 38 HYPERLINK l _Toc107942960 3.6 电源电路 PAGEREF _Toc107942960 h 40 HYPERLINK l _Toc107942961 3.7 逆变电源工作过程 PAGEREF _Toc107942961 h 42 HYPERLINK l _Toc107942962 第4章 实验结果与分析 PAGEREF _Toc107942962 h 43 HYPERLINK l _Toc107942963 4.1 单片机输出的PWM波形及分析 PAGERE

13、F _Toc107942963 h 43 HYPERLINK l _Toc107942964 4.2 逆变电路开关器件栅极控制信号及分析 PAGEREF _Toc107942964 h 44 HYPERLINK l _Toc107942965 4.3 带电动机负载后电压、电流波形 PAGEREF _Toc107942965 h 46 HYPERLINK l _Toc107942966 第5章 谐波分析 PAGEREF _Toc107942966 h 48 HYPERLINK l _Toc107942967 5.1 谐波产生原因 PAGEREF _Toc107942967 h 48 HYPERL

14、INK l _Toc107942968 5.2 谐波补偿技术 PAGEREF _Toc107942968 h 48 HYPERLINK l _Toc107942969 5.2.1 一种特定谐波消去法（Selected Harmonic Elimination PWMSHEPWM） PAGEREF _Toc107942969 h 48 HYPERLINK l _Toc107942970 5.2.2 谐波补偿技术 PAGEREF _Toc107942970 h 51 HYPERLINK l _Toc107942971 第6章 全文小结 PAGEREF _Toc107942971 h 53 HYPE

15、RLINK l _Toc107942972 致 谢 PAGEREF _Toc107942972 h 54 HYPERLINK l _Toc107942973 参考文献 PAGEREF _Toc107942973 h 55前 言随着控制技术的发展，许多场合的用电设备都不是直接使用公用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种( zhn)形式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。它们的幅值、频率、稳定度及其变化方式因用电设备的不同而不尽相同，如通信电源、不间断电源、医用电源、充电器等，它们所使用的电能都是通过整流和逆变组合电路对原始电能进行变换后得到的。小型化、数字化、高性能的逆变电源具有广

16、泛的应用前景。电源技术主要(zhyo)研究如何利用电力电子技术对功率进行变化和控制，它广泛运用现代逆变技术、电磁技术、电子技术和计算机技术等学科的理论，具有较强的综合性。本课题主要设计了一种逆变电源，该电源用于给低压三相异步电动机供电。现代(xindi)逆变技术是电源技术的基础，它是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的一门科学，是建立在现代控制技术、电力电子技术、半导体变流技术、脉宽调制（PWM）技术、磁性材料等学科基础之上的一门实用技术。采用逆变技术有很多优越性，通过控制驱动信号，可以控制逆变电路的工作频率和输出时间比例，从而使输出电压或者电流的频率和幅值按照设备工作的要求来灵活的变化。本

17、文(bnwn)设计的逆变电源是将稳定的48v直流电变换成符合特殊要求的交流电。由于逆变电路的工作频率高，调节(tioji)周期短，使得电源设备的动态特性很好。具体表现为：负载效应好，启动冲击电流小，超调量小，恢复时间快，输出稳定，纹波小等。PWM控制(kngzh)就是对开关器件的通断进行控制，使得输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲。各脉冲的宽度按照一定的规律变化。在电压逆变控制的过程中，各脉冲的宽度是按照正弦变化的，根据冲量等效的原理，PWM波形和正弦波是等效的，再将PWM波形经过电感和电容组成的滤波电路，滤除高次谐波，得到标准的正弦波。PWM控制分为单极性PWM控制和双极性PWM控制

18、两大类：单极性PWM波形是在单方向变化的，双极性PWM波形在正负两个方向变化。但是两者的控制原理都是冲量等效原理。PWM波形的频率越高，输出波形的谐波含量越少，而且需很小的电感值和的电容值就可以达到滤波的要求，可以明显减小电感和电容的体积，进而减小电源的体积。这就是采用高频PWM控制的主要原因。PWM逆变器有电压型和电流型两种，目前以电压型为主。可以通过调节逆变器输出电压脉冲的宽度来改变输出电压的大小；调节逆变器控制电压的频率以实现输出电压频率的改变，这就使输出电压波形畸变减小而接近正弦波形。PWM逆变器具有以下主要优点：（1）简化了主电路和控制电路结构(jigu)，体积小，重量轻，控制简单，

19、造价低，可靠性高。（2）PWM型输出电压和频率的调节(tioji)，直接由PWM型逆变器控制，使系统动态(dngti)性能良好。（3）输出电压和输出电流波形接近正弦，具有最好的谐波特性。本文结构如下：第1章：介绍逆变电路的基本工作原理。第2章：介绍逆变电源控制技术，重点介绍了PWM控制。第3章：介绍主电路的设计，包括各器件介绍，各功能模块介绍及过电流保护计算等。第4章：与上位机联机调试，测取了控制信号，输出电压，电机电流波形，并进行了分析。第5章：对谐波进行了简单的讨论。第6章：对全文进行总结。第1章 逆变电源的基本(jbn)理论1.1 逆变电源的发展(fzhn)及现状逆变器的原理早在1931

20、年就在文献中提到过。1948年，美国西屋电气公司用汞弧整流器制成了3000Hz的感应(gnyng)加热用逆变器。从1947年第一只晶体管诞生，到晶闸管SCR、可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR的出现到实用化，电力电子技术进入传统发展时代，正弦波逆变器也随之诞生。20世纪80年代以来，电力电子技术与微电子技术相结合，产生了各种高频化的全控器件，并得到了迅速的发展，如功率场效应管Power MOSFET、绝缘栅极晶体管IGT或IGBT等，使得电力电子技术由传统发展时代进入高频化时代。在这个时代，具有小型化和高性能特点的新逆变技术层出不穷，特别是脉宽调制波形改善技术得到了飞速的发展。从1980年到

21、现在逆变技术处在高频化新技术阶段。这个阶段的特点是开器件以高速器件为主，逆变器开关频率较高，波形改善以PWM法为主，体积重量小，逆变效率高。正弦波逆变器技术的发展日趋完善。1.2 逆变(n bin)电路分类逆变电路的应用十分广泛。在已有的各种电源中，蓄电池，太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用(shyng)十分广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。逆变技术的种类很多，可按照很多种不同形式进行(jnxng)分类。其主要分类方式如下:1.按逆变器输出交流的频率，可分为工频逆变、中频逆变、高频逆

22、变。2.按逆变器输出相数，可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。3.按逆变器输出能量的去向，可分为有源逆变和无源逆变。4.按逆变主电路的形式，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。5.按逆变主开关器件的类型，可分为晶闸管逆变、晶体管逆变、场效应管逆变、IGBT逆变，等等。6.按输出稳定的参量，可分为电压型逆变和电流型逆变。7.按输出波形可分为正弦波输出逆变和非正弦波输出逆变。8.按控制方式，可分为调频式(PFM)逆变和调脉宽式(CPWM)逆变。1.3 三相PWM逆变器的电路(dinl)拓扑目前三相逆变器的主电路拓扑(tu p)主要有三相桥式逆变器，三相半桥逆变器和三相(sn xin)四桥臂逆

23、变器等。1.三相半桥逆变器三相半桥逆变器也有结构简单，功率器件较少等特点。利用电源输入端的两个串联电容的中点，作为输出的中点，可构成三相四线制的输出。为了防止中点电位的偏移，串联电容的容值必须很大，使逆变器的体积和重量增加。而且半桥电路只是利用直流母线电压的一半，因此，三相半桥逆变器仅适合于低压小功率的场合。2.组合式三相逆变器组合式三相逆变器由三个单相逆变器组合而成，每相逆变器相互独立。只要控制三相基准正弦波互差120度，将三台输出的地连在一起作为中线就可以实现三相四线制的输出。3.三相四桥臂逆变器三相四桥臂逆变器是在三相桥式逆变器的基础上增加一个桥臂。该桥臂的作用是形成输出中点，减小不平衡

24、负载时三相输出的不对称度。逆变器的输入端采用谐振直流环节时，四个桥臂的功率管均可实现零电压开关。虽然该逆变器的控制比较复杂，但仍是目前研究的一个热点。4.三相桥式逆变器三相桥式逆变器的电路结构简单，采用(ciyng)的器件少，功率管承受母线电压。但是为了得到三相四线制的输出电压，提高逆变器带不平衡负载的能力，必须在输出端增加中点形成变压器，使逆变器的体积和重量显著增加。1.4 电压(diny)型三相全桥逆变电路本文设计(shj)的是一种三相电压型逆变电路。它有以下优点：(1)直流侧为电压源，或者并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。(2)由于直流电压源的钳位作用

25、，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。(3)当交流测为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功功率的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。表1.1为电压源型逆变器与电流源型逆变器性能比较：电压源型电流源型直流滤波环节电容器电抗器输出电压波形矩形波近似正弦波输出电流波形近似正弦波矩形波动态输出阻抗小大过流及短路保护较难容易线路结构较复杂较简单表1.1 电压(diny)源型逆变器与电流源型逆变器性能比较下面以采用IGBT作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路为例，说明三相逆变全桥的工

26、作(gngzu)原理： SKIPIF 1 0 图1.1 三相电压型桥式逆变(n bin)电路工作方式：*每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120；*任一瞬间有三个桥臂同时导通；*每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。波形特点：对于(duy)U相输出来说，当桥臂1导通时， SKIPIF 1 0 ；当桥臂4导通时， SKIPIF 1 0 。因此(ync)， SKIPIF 1 0 的波形(b xn)是幅值为 SKIPIF 1 0 的矩形波。V、W两相的情况和U相类似， SKIPIF 1 0 、 SKIPIF 1 0 的波形形状和 SKIPIF 1 0 相同

27、，只是相位依次相差 SKIPIF 1 0 。 SKIPIF 1 0 的波形如图1.2中a、b、c所示。图1.2 电压型三相桥式逆变(n bin)电路的工作波形负载(fzi)线电压可由下式求出： SKIPIF 1 0 负载(fzi)相电压 SKIPIF 1 0 负载中点和电源假想中点间电压 SKIPIF 1 0 负载三相对称时有 SKIPIF 1 0 ，于是 SKIPIF 1 0 负载参数已知时，可由 SKIPIF 1 0 波形求出 SKIPIF 1 0 波形。一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似。桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60脉动一次，直流电压基本无脉动，因此

28、逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的电压型逆变电路的一个特点。防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源短路，应采取“先断后通”。即先关断上（下）桥臂之后再开通同一相的下（上）桥臂。这就要求给同一相上下桥臂信号间设置一个死区时间以达到该目的。第2章 逆变(n bin)电路的控制技术2.1 逆变电源控制技术的发展(fzhn)用于电力电子逆变控制的PWM调制技术到目前为止己有20多年的发展历史了，使用PWM调制技术不仅要求能够产生变频变压的交流电，同时(tngsh)还要求产生的交流电具有最小的谐波含量和最大的电压利用率。其中有代表性的调制方法有:次谐波SPWM、特定次谐波消除PWM

29、、阶梯波调制PWM,滞环跟踪PWM、空间矢量PWM,随机PWM等。其中，以三角波和参考正弦波相比较产生的次谐波SPWM方案应用最为普遍。到了80年代初，为了解决PWM技术提高开关频率和降低开关器件功耗二者之间的矛盾，提出了谐振型开关电路。通过谐振、准谐振和多谐振技术，大大降低了开关损耗和噪声。但谐振型开关电路开关器件所承受的电压和电流为相应的PWM电路的2-3倍，而且主电路电压和电流均为正弦，使环路损耗大幅度提高。近些年提出的软开关PWM型电路则结合了传统的PWM型和谐振型二者的优点，它通过某种谐振技术来软化开关的动作过程，当开关动作完成以后又回到PWM工作方式。所以它能够在不提高开关耐压量的

30、基础上大大降低开关损耗。2.2 PWM概述(i sh)随着电压型逆变器在高性能电力电子装置，如交流传动、不间断电源和有源滤波器中的应用越来越广泛，PWMPulse Width Modulation)控制技术引起了人们的广泛关注。所谓PWM技术就是用功率器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲系列，以实现(shxin)变压变频及控制和消除谐波为目标的一门技术，也就是利用信号波对三角载波进行调制，达到调节输出脉冲宽度的一种方法，当然不同信号调制后生成的PWM脉宽对变频效果，比如输出基波电压幅值、基波转矩、脉动转矩、谐波电流损耗、功率半导体开关器件的开关损耗等的影响差异很大。PWM技术最初(

31、zuch)应用于直流变换电路，后来将这种方式与频率控制相结合，产生了应用于逆变电路的PWM控制技术:用改变调制信号频率实现输出电压基波频率的调节；用改变调制信号幅值实现输出电压基波幅值的调节。具体来说，就是用一种参考波为“调制波”，而以N倍于调制波频率的正三角波为“载波”。由于正三角波或锯齿波的上下宽度是线性变化的波形，因此它与调制波相交时，就可以得到一组幅值相等，而宽度正比于调制波函数值的矩形脉冲序列用来等效调制波，用开关量取代模拟量，并通过对逆变器开关管的通断控制，把直流电变成交流电。随着逆变器在交流传动、UPS电源和有源滤波器中的广泛应用，以及高速全控开关器件的大量出现，PWM技术己成为

32、逆变技术的核心，因而受到了人们的高度重视。尤其是最近几年，微处理器应用于PWM技术和实现数字化控制以后(yhu)，更是花样翻新，到目前为止仍有新的PWM控制方式在不断出现。与方波逆变电路相比较，PWM逆变电路具有(jyu)以下优点:（1）兼具压控和频控功能:方波逆变电路的输出电压(diny)幅值调节必须借助于直流电压或桥间相控方式，逆变电路自身无调压功能。由于PWM逆变电路可通过改变调制信号幅值实现输出电压调节，这样既可简化直流环节，又可提高控制反应速度。（2）减低输出电压的谐波含量:减低输出电压的谐波含量以简化输出滤波环节，提高电路的功率密度和反应速度，一直为各种变换电路所祈望。与方波逆变电

33、路相比，PWM逆变电路输出电压谐波含量降低，而且载波频率越高，谐波含量便越低。在SCR电路时期，PWM技术的上述优点并没有得到充分发挥，这是由于提高载波频率就意味着提高SCR的开关频率，但是由于关断时间的限制，在硬件开关环境中，SCR的频率仅为1kHz左右;而与此相反，IGBT在相同开关环境下，其开关频率可达20kHz，这就为发挥PWM优点创造了远优于SCR和GTR的客观条件。事实证明，IGBTPWM逆变电路输出电压的谐波含量远低于SCR和GTRPWM逆变电路，这就使得PWM控制方式成为当今逆变电路的主要控制方式。目前已经提出并得到应用的PWM控制技术就不下十种。关于PWM控制技术的文章在很多

34、电力电子国际会议上，如PESC、工ECON, EPE年会上己经形成专题。尤其是微处理器应用于PWM技术之后，PWM技术得到了进一步的发展，从追求电压的正弦波到电流的正弦波，再到磁通的正弦波;从效率最优到转矩脉动(midng)最小，再到噪音最小等，PWM控制技术经历了一个不断创新和不断完善的过程。PWM控制技术可分为三大类，即正弦PWM(包括以电压，电流和磁通的正弦为目标的各种PWM控制技术)，最优PWM及随机PWM。从实现方法上大致有模拟式和数字式两种，而数字式中又包括硬件、软件和查表等几种实现方法。从控制特性来看主要可以分为两种:开环式(电压或磁通控制型)和闭环式(电流或磁通控制型)。当然还

35、有其他分类方法，这里就不再逐一叙述。PWM(Pulse Width Modulation)脉宽调制是利用相当于基波分量的信号(xnho)波对三角载波进行调制。这里相当于基波分量的信号波并不一定是指正弦波，在PWM调制中也可以是其他类型的信号波，三角载波也只是为了形象说明调制原理而借用或用模拟电路产生PWM脉冲时必须采用的波形，在用数字化技术产生PWM脉冲时，三角载波实际上是不存在的，完全由软件的定时器代替了，这样既可减少硬件投资又能提高系统可靠性。目前的PWM的实现方式主要(zhyo)有正弦PWM (SPWM)、准最优PWM、开关损耗最小PWM、电压空间矢量SVPWM ( Space Vect

36、or PWM)、选择谐波消去法SHE的SPWM等。2.3 PWM基本原理2.3.1 面积等效(dn xio)原理PWM控制技术在逆变电路中应用(yngyng)最为广泛，对逆变电路的影响最为深刻。采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。2.3.2 同步(tngb)调制与异步调制PWM控制技术在逆

37、变电路(dinl)中应用十分广泛，目前小功率的逆变电路(dinl)几乎都采用了PWM技术。目前实际应用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。计算法：根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化；调制法：把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的pwm波形。通常采用等腰三角波或者锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。因为等腰三角波上任何一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个波形相交时，如果在交点

38、时刻对电路中的开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号幅值的脉冲，这正好符合PWM的控制要求。调制法有异步调制和同步调制两种基本方式。首先说明载波比的概念。载波比：载波频率fc与调制信号频率fr之比。异步调制：载波信号和调制信号不同步的调制方式1通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的；2在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，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；3当fr较低时，N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；4当fr增高(znggo)时，N减小，一周期(zhuq)内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称(d

39、uchn)的影响就变大同步调制：载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即N等于常数。1 基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。2 三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称。为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数。3 fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除。4 fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。2.3.3 自然采样法与规则采样法按照SPWM控制的基本原理，在正弦波与三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，这种生成PWM波形的方法称为自然采样法.自然采样法是最基本的方法，所得到的SPW

40、M波形很接近正弦波。但是这种方法要求解复杂的超越方程，在采用微机控制技术时需花费大量的计算时间，难以在实时控制中在线计算，因而在工程上实际应用不多。规则采样法是一种应用较广的工程使用方法，其效果接近自然采样法，但计算量去比自然采样法小得多。2.1图为规则采样法。图2.1 规则(guz)采样法2.4 三相(sn xin)SPWM正弦PWM (SPWM)是逆变器基本(jbn)的PWM调制方式，它的缺点是，即输出电压不够高，最大线性输出电压幅值仅为输入电压的 SKIPIF 1 0 /2倍，在同等的开关频率下，它的开关损耗较大。SPWM就是在PWM的基础上，使得输出电压脉冲在一个特定的时间间隔内的能量

41、等效于正弦波所包含的能量。SPWM逆变器的实际应用有两种，一种是载波为全波三角形的二阶SPWM逆变器，另一种是载波为半波三角形的三阶SPWM逆变器。前者往往作为三相逆变器的一相使用，而后者则往往为单相使用。对于三相SPWM而言，为了保证三相输出电压的对称性，载波比N应取(yn q)3的奇整数倍数。这样不仅可以保证三相SPWM波形相同，同时载波及载波上下边频中的零序谐波也容易消掉。当载波为共用的三角波，调制波为三相正弦波时，三相逆变器各相输出电压的二阶SPWM波形及线电压的三阶SPWM波形如图2.3所示。由于三相逆变器三个桥臂用的是共同的直流电源E，每一个单相半桥逆变器的直流电源就是E/2.对于

42、载波比N应取3的奇数倍中为什么要取奇数倍，可以先看一看三相中的一相调制波与载波的交截情况。如图2.2所示，在调制波大于三角(snjio)波的部分输出正脉冲，在调制波小于三角波的部分输出负脉冲，完整的SPWM波形就是负载上的波形如图2.3示，它有+E/2和一E/2两个电平，故称为(chn wi)二阶。其开关频率与载波频率相同。本文PWM波生成的方法是软件生成法，利用集成芯片PIC18F2431产生，产生原理见硬件设计部分论证。下图为带电机负载的三相桥式PWM型逆变电路图2.2带电机(dinj)负载的三相桥式PWM型逆变电路图2.3 三相(sn xin)SPWM波形第3章 逆变电源硬件(yn ji

43、n)电路设计3.1 电路(dinl)原理图下图为整个逆变电源系统原理框图： SKIPIF 1 0 图3.1 逆变(n bin)电路原理框图各部分(b fen)功能说明：a)芯片PIC18F2431用于产生最初的pwm波，其输出的波形经驱动电路后分别作为逆变电路开关器件(qjin)的控制信号。b)驱动电路对芯片生成的三路PWM波进行放大并且使之符合逆变电路所需要的控制信号的形式。c)MOSFET IRF640作为逆变电路开关器件，其通断由栅极驱动信号控制，将48v的直流电源逆变为驱动感应电机的三相交流电。调节控制信号可以控制逆变器输出电压的幅值和频率。d)LM7815和LM7805用于提供稳定的

44、直流电压。LM358及相关电路用于过电流保护。过电流计算见后文。3.2 PIC18F2431简介PIC18F2431是由美国Microchip公司推出的PIC18F2x31单片机系列产品之一.该系列产品的特点是：首先采用了RISC结构的嵌入式微控制器，其高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位OTP技术等都体现出单片机产业的新趋势。现在PIC系列单片机在世界单片机市场的份额排名中已逐年升位，尤其在8位单片机市场，据称已从1990年的第20位上升到目前的第二位。PIC单片机从覆盖市场出发，已有三种(又称三层次)系列多种型号的产品问世，所以在全球都可以看到PIC单片机从电脑的外设、家电

45、控制、电讯通信、智能仪器、汽车电子到金融电子各个领域的广泛应用。现今的PIC单片机已经是世界上最有影响力的嵌入式微控制器之一。图3.2是PIC18F2431的管脚图： SKIPIF 1 0 图3.2 PIC18F2431管脚图该系列(xli)单片机的主要特点：14位电力(dinl)控制PWM模块a高达3通道(tngdo)的互补输出b边沿或中心安装的控制操作c复杂(fz)的死区发生器d硬件故障检测(jin c)输入e占空比和周期同时(tngsh)更新动态反馈模块a三路独立捕捉通道 1.周期和脉宽测量的复杂的操作模式 2特殊的探测器接口模块 3.特殊事件触发器输出到其他模块b函数编码接口 1. 2

46、相输入和接自编码器的一相检索输入 2. 带有方向状态和方向中断改变的高低位置追踪 3. 速度测量高速，200Ksps的10位A/D转换器a达9通道b可以同时两通道采样c顺序采样d自动转换e可选择外部转换触发器f可编程获得时间g带有可选择中断频率的4字的FIFO复杂的振荡器结构a4个晶体模式可达40MHzb两个外部时钟模式可达40MHzc内部振荡器电力控制模式a运行 CPU工作，外部电路工作b空闲 CPU关断，外部电路工作c休眠 CPU关断，外部电路关断外围功能模块特性a3个外部(wib)中断b2路捕捉(bzhu)/比较/脉宽调制(PWM)(CCP)模块(m kui) 1. 捕捉输入：16位，最

47、大分辨率6.25ns 2. 比较单元：16位，最大分辨率为100ns3. 脉宽调制（PWM）输出：分辨率为110位3.3 驱动电路3.3.1 IR2103S简介IR2103S是国际整流器公司开发的半桥型驱动器件，其外观如图3.3：图3.3 IR2103S封装样式主要参数如下：最大偏移电压：600V输出电压：10-20V典型开通/关断时间：680ns/150ns典型死区时间：520ns图3.4为IR2103S的引脚图：图3.4 IR2103S管脚图各引脚功能(gngnng)如表3.1所示：管脚功能描述HIN输出上桥臂驱动信号的逻辑输入，同相输入 SKIPIF 1 0 输出下桥臂驱动信号的逻辑输入

48、，反相输入VB上桥臂浮动供给HO上桥臂栅极驱动信号输出VS上桥臂浮动供给返回VCC固定电压供给LO下桥臂驱动信号输出COM低电平返回表3.1 IR2103S管脚功能(gngnng)说明内部电路(dinl)结构如图3.5：图3.5 IR2103S的内部结构从输出(shch)端可以看到，当HO与VB之间导通时，HO输出高电平，而与VS之间导通时，HO输出低电平；同样，LO与VCC之间导通时，LO输出高电平，LO与COM之间导通时，输出低电平。下图为IR2103S的典型(dinxng)连接：图3.6 IR2103S的典型连接可以看到，由于VB与VS之间电容的作用，使得VB比VS始终要高出VCC，而V

49、B为VCC，故VS相当于地。这就是上面为什么说HO与VS之间导通时HO输出低电平的原因。3.3.2 驱动(q dn)电路分析由上面(shng min)介绍可知：HIN和 SKIPIF 1 0 为pwm波形的输入端口，而HO和LO为输出(shch)端其输入输出波形对照如图3.7：图3.7 IR2103S输入输出时序图我们看一下输入输出的真值对照情况：HIN SKIPIF 1 0 HOLO1110000110000100表3.2 IR2103S输入输出真值对照表可以看出： SKIPIF 1 0 为反相输入。二输入(shr)同为高电平时，输出端HO输出波形，LO无输出；当二者同为低电平时，LO输出，

50、HO无输出；若二者不同，则HO,LO均不输出(shch)。这样有效的保证了同一桥臂上下两个开关器件交替导通，实现纵向换流。三相以 SKIPIF 1 0 轮流(lnli)导通。图3.8为某一相的驱动电路图： SKIPIF 1 0 图3.8 驱动电路可以看到：由于采用了VDD=15V给半桥驱动IR2103S独立供电，所以输出的驱动信号幅值比单片机输出的PWM波形要大得多，这也正好符合IRF640N的驱动需要。3.3.3 死区时间分析逆变器的上下桥臂直通，直流电压源短路，这是PWM逆变器最可怕的故障，一般来说都会对元器件产生永久性破坏。因此，必须采取一切措施绝避免这种直通故障的出现。防止上下桥臂直通

51、措施的原理是:1)电源的瞬变过程中，控制(kngzh)部分不能输出导致上下桥臂直通的附加脉冲。2)不管是什么原因(yunyn)，任何条件下都不应该出现上下桥臂开关都同时有开通信号。3)开关元件状态转换的过程(guchng)中，避免因开关时间而导致上、下桥臂出现暂态的直通现象。在前文讨论PWM逆变器原理时，我们一直认为逆变器中的功率开关器件都处于理想开关的工作状态，也就是说，它们的导通和关断都随其驱动信号同步地、无时滞的完成。但实际上功率开关器件都不是理想的开关，它们都存在导通时延和关断时延。因此，为了保证逆变电路的安全工作，必须在同一桥臂上下两个开关器件的通断信号间设置一段死区时间toff(或

52、称时滞)。即在上(下)边器件得到关断信号后，要过td时间才允许给下(上)边器件送入导通信号;以防止其中一个器件尚未完全关断，另一器件己被导通，而导致上、下两器件同时导通、逆变器直流侧被短路的事故。死区时间的存在使得SPWM变压变频器不能完全精确地复现SPWM控制信号的理想波形，必然产生更多的谐波，并影响电气传动系统的运行性能。本电源系统中，驱动电路输出的上下桥臂栅极控制信号存在死区时间，如图3.9所示：图3.9 上下(shngxi)桥臂开关死区可以(ky)计算出死区时间： SKIPIF 1 0 3.4 逆变(n bin)电路3.4.1 IRF640N简介图3.10为IRF640系列器件的外观：

53、图3.10 IRF640系列(xli)封装图IRF640N是国际整流器公司开发的电力场效应晶体管。具有以下(yxi)特点：（1）采用了先进(xinjn)的处理技术；（2）动态的dv/dt;（3）工作温度可达175摄氏度；（4）开关迅速；（5）驱动要求简单图3.11为IRF640的电气图形符号：图3.11 IRF640N的电气符号图形主要参数：D，S间电压可达到200V，漏极电流可达18A，开通时D,S间电阻很小，仅0.15欧。3.4.2 IRF640N工作(gngzu)特性IRF640N是一种N沟道绝缘栅型电力场效应晶体管。它是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的第一个显著特点是驱动电路(di

54、nl)简单，需要的驱动功率小。其第二个显著特点是开关速度快，工作频率高。另外，电力MOSFET热稳定性优于GTR，但是其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。本电路系统功率较低，完全可以采用MOSFET IRF640N作为开关器件。图3.12为N沟道(u do)MOSFET内部结构：图3.12 N沟道MOSFET内部结构图这种类型MOSFET工作原理如下：当漏极接电源正端，源极接电源负端，栅极和源极间电压为零时，P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流通过。如果在栅极和源极之间加一正电压 SKIPIF 1 0 ,由于栅极是绝缘的，所以并不会有栅极电

55、流流过。但栅极的正电压却会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面。当 SKIPIF 1 0 大于某一电压值 SKIPIF 1 0 时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型而成N型半导体，形成反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。电压 SKIPIF 1 0 称为开启电压或阈值电压， SKIPIF 1 0 超过UT越多，导电能力越强，漏极电流 SKIPIF 1 0 越大。3.5 保护(boh)电路电流(dinli)保护部分电路如图3.13： SKIPIF 1 0 图3.13 过流保护(boh)电路LM358是保护电路用

56、到的重要元件。图3.14是LM358内部简图：图3.14 LM358内部(nib)框图可以(ky)看到，其内部相当于有两个比较器，本电路实际主要用到比较器B，即5，6，7三个引脚。5，6两引脚各接上外部电路某处的电平，比较后结果由管脚7输出。过电流保护(boh)的计算如下：A,E两点等电势，均接地。 SKIPIF 1 0 ，则容易求出 SKIPIF 1 0 : SKIPIF 1 0 由 SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 分压得到： SKIPIF 1 0 管脚5的电压也就是D点的电压。 SKIPIF 1 0 管脚5与管脚6的电压大小关系决定了7端的输出， SKIPIF 1 0 为临

57、界条件。故不妨设： SKIPIF 1 0 则流过 SKIPIF 1 0 两端(lin dun)的电流大小为： SKIPIF 1 0 方向(fngxing)上端向下端。LM358的端口6可以看作虚断（即看作无电流流出或者(huzh)流入），那么，B,C两点间的电流大小等于 SKIPIF 1 0 ，从而两端压降为： SKIPIF 1 0 则： SKIPIF 1 0 从而，流过 SKIPIF 1 0 的电流为： SKIPIF 1 0 即为主电路电流临界值，反推可知，当主电路电流大于该值时， SKIPIF 1 0 ,从而7端输出一个地电平信号，送到PIC18F2431的12端，进行过电流保护的控制。3

58、.6 电源电路L7805和L7815作用是给分别系统提供5V和15V的直流电压，它们均属于L7800AB/AC系列。其基本封装形式如3.15图：图3.15 L7800AB/AC系列(xli)的几种封装样式L7800AB/AC系列的典型(dinxng)连接如图3.16：图3.16 7800AB/AC系列(xli)的典型连接电源电路部分如图3.17：其中，L7805给单片机PIC18F2431供电;而L7815给半桥驱动IR2103S供电。 SKIPIF 1 0 图3.17 电源部分3.7 逆变电源工作(gngzu)过程逆变电路(dinl)工作过程如下：（1）当电源(dinyun)系统上电时，辅助

59、电源开始工作，7805和7815提供5V，15V直流电压；（2）5V电压给单片机PIB18F2431供电，15V给半桥驱动IR2103S供电；（3）单片机（已下载好程序的）开始工作，输出六路PWM波；（4）六路PWM波分别经三个半桥驱动IR2103S输出后，成为三相逆变全桥开关器件的控制信号；（5）逆变电路工作，将48V直流电压逆变为交流电输出；（6）过电流保护电路同时工作，当主电路电流超过2.219A（前文计算知），LM358的7号管脚输出信号到PIC18F2431的12号管脚，单片及停止输出PWM波，整个电路中断运行。第4章 实验(shyn)结果与分析4.1 单片机输出的PWM波形(b x

60、n)及分析如下(rxi)图，PIC18F2431的21-22引脚产生的PWM波形图4.1 上下桥臂pwm控制信号这是同一相的原始控制信号，可以看到他们幅值为5V，因为单片机采用5V直流电压供电。相位也相同，所以真正加到上下桥臂之前必须使它们相位互补，这样才能使同一相上下桥臂轮流导通，实现纵向换流而不至于使48V直流电压源短路。4.2 逆变电路开关器件(qjin)栅极控制信号及分析如下图，同一(tngy)相上下桥臂的驱动信号：图4.2 同一相上下桥臂的驱动(q dn)信号图4.2是PWM波经过了半桥驱动IR2103S后输出的栅极驱动信号。由图可以看到，该信号与图4.1中的信号相比，有两大变化：一