毕业设计---基于MATLAB的三相正弦波变频电源的设计

1、毕毕 业业 设设 计计 ( ( 论论 文文 ) ) 题题目目三相正弦波变频电源仿真设计 专专业业电气工程及其自动化 第 0 页 共 34 页 目录目录 第一章变频器概述 1.1. 变频电源的原理.3 1.2. 变频电源的特点及应用.3 1.3. MATLAB简介及仿真技术4 1.4. MATLAB仿真技术在电力电子中的应用6 1.5. 本论文完成内容.8 第二章变频器硬件设计 2.1整流单元及供电电源.9 2.2逆变输出装置及其驱动电路.10 2.3滤波输出及过压过流缺相检测与保护14 2.4变频电源的控制17 第三章变频器软件设计 3.1控制模块设计.21 第四章变频器的 MATLAB仿真

2、4.1MATLAB在电力电子中的应用.25 1 电力系统工具箱.25 2 MATLAB在变频器中应用及仿真框图27 第五章结语.34 第 1 页 共 34 页 摘要:本文采用 MATLAB 对变频电源进行系统分析。基于 Simulink 做 了系统仿真，并做了原理性的论证。硬件部分采用IT 公司的低功耗单片机 MSP430F149 作为主控器件，IR2130 驱动 3 相功率管。控制方式采用传统 的 SPWM， 用SPWM专用集成芯片SM2001 产生SPWM 信号以控制 IR2130 的通断。系统采用 PI 反馈控制使硬件系统具良好的稳压功能。另外本文在 硬件设计中对变频电源的过流，过压，缺

3、相等保护功能进行了阐述。 第 2 页 共 34 页 第一章第一章 变频器概述变频器概述 由于我国市电频率固定为 50 Hz，因而对于一些要求频率大于或小于 50 Hz 的应用场合，则必须设计一个能改变频率的变频电源系统。目前最常 用的是三相正弦波变频电源。该电源系统主要由整流、逆变、控制回路3 部分组成。其中，整流部分用以实现 ACDC 的转换；逆变部分用以实现 DCAC 的转换；而控制回路用以调节电源系统输出信号的频率和幅值。 1-1 变频电源的原理 经过 ACDCAC变换的逆变电源称为变频电源， 它有别于用于电机 调速用的变频调速控制器，也有别于普通交流稳压电源。变频电源的主要 功用是将现

4、有交流电网电源变换成所需频率的稳定的纯净的正弦波电源。 理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为 纯正弦波（无失真） 。变频电源十分接近于理想交流电源，因此，先进发达 国家越来越多地将变频电源用作标准供电电源，以便为用电器提供最优良 的供电环境， 便于客观考核用电器的技术性能。变频电源主要有二大种类： 线性放大型和 PWM 开关型 HY 系列程控变频电源，以微处理器为核心， 以多脉宽调制(MPWM)方式制作,用主动元件 IGBT 模块设计，采用数字分 频、 D/A 转换、 瞬时值反馈、 正弦脉宽调制等技术, 使单机容量可达 100kVA, 以隔离变压器输出来增加整机稳定

5、性 , 具有负载适应性强、输出波形品质 好、操作简便、体积小、重量轻等特点，具有短路、过流、过载、过热等 保护功能，以保证电源可靠运行。 现在使用的变频电源主要采用交一直一交方式,先把工频交流电源通过 整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交 流电源.变频电源的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制 4 个部分 组成.整流部分为单相或三相桥式不可控整流器,逆变部分为 IGBT 三相桥式 逆变器,且输出为 PWM 波形,中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功 率.变频电源的主电路大体上可分为两类，分别为电压型和电流型。电压型 是将电压源的直流变换为交流的变频器,直流

6、回路的滤波器件是电容；电流 型是将电流源的直流变换为交流的变频器,其直流回路滤波器件是电感。 1-2 变频电源的特点及应用 20 世纪 70 年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现 代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高 的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良 好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。在交流调速技 术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价 格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化， 深受工业行业的青睐。 交流变频电源调速技术在工业发达国已得到广泛应用。美国

7、有 60% - 第 3 页 共 34 页 65%的发电量用于电机驱动， 由于有效地利用了变频调速技术， 仅工业传动 用电就节约了 15% - 20%的电量。 采用变频电源调速，一是根据要求调速用，二是节能。其得到广泛应 用主要基于交流变频调速的优异特性。 (1) 变频调速系统自身损耗小，工作效率高。 (2) 电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗。 (3) 可实现软启、制动功能，减小启动电流冲击，节电效果明显。 (4) 调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性 好。 (5) 调速范围较大，精度高。 (6) 变频电源体积小，便于安装、调试、维修简便。 (7) 易于实现过程

8、自动化。 (8) 在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。 交流电动机的调速方法有三种：变极调速、改变转差率调速和变频调 速。其中，变频调速最具优势。 交流拖动本身存在可以挖掘的节电潜力。在交流调速系统中，选用电 机时往往留有一定余量，电机又不总是在最大负荷情况下运行；如果利用 变频电源调速技术，轻载时，通过对电机转速进行控制，就能达到节电的 目的。工业上大量使用风机、水泵、压缩机等，其用电量约占工业用电量 的 50%； 如果采用变频电源调速技术， 既可大大提高其效率， 又可减少 10% 的电能消耗。 另外变频电源也用作制造或出口贸易商对出口电器产品的用电检测、 调试及用于精密仪器的供

9、电电源。广泛应用于家电制造业、电机、电子制 造业、IT 产业、电脑设备、实验室等。 家电业制造商如：空调设备、咖啡机、洗衣机、榨汁机、微波炉、收录 音机、冰箱、DVD、洗尘器、电动剃须刀等产品的测试电源。 电机、电子业制造商如：交换式电源供应器、变压器、电子安定器、 AC 风扇、不断电系统、充电器、继电器、压缩机、马达、被动元件等产品的 测试电源。 IT 产业及电脑设备制造商如：传真机、影印机、碎纸机、印表机、扫描 器、烧录机、伺服器、显示器等产品的测试电源。 实验室及测试单位如：交流电源测试、产品寿命及安全测试、电磁相容 测试、OQC（FQC）测试、产品测试及研发、研究单位最佳交流电源。 航

10、空/军事单位如：机场地面设施、船舶、航天、军事研究所等的测试电 源。 铁路、高速公路：25Hz、静频信号电源。 1-3 MATLAB简介及仿真技术 MATLAB 是美国 MathWorks公司出品的商业数学软件， 是当今国际上 科学界（尤其是自动控制领域）最具影响力、也是最有活力的软件。该软 第 4 页 共 34 页 件是一个交互式系统，它的基本数据元素是矩阵，且不需要指定大小。通 过它可以解决很多技术计算问题，尤其是带有矩阵和矢量公式推导的问题， 有时还能写入非交互式语言如 c 和 fortran 等。广泛用于算法开发、数据可 视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包

11、 括 MATLAB和 Simulink 两大部分。 MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统 设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附 加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境， 以解决这些应用领域内特定类型的问题。Matlab 具有起点高，人机界面适 合科技人员，强大而简易的做图功能，智能化程度高和功能丰富，可扩展 性强的优点。它提供了强大的科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的 图形可视化与界面设计、便捷的与其他程序和语言接口的功能。 MATLAB 语言在各国高校与研究单位起着重大的作用。MATLAB以矩

12、阵作为基本编 程单元，它提供了各种矩阵的运算与作，并有较强的绘图功能。 MATLAB 集科学计算、图像处理、声音处理于一身，是一个高度的集成系统，有良 好的用户界面，并有良好的帮助功能。MATLAB不仅流行于控制界，在机 械工程、生物工程、语音处理、图像处理、信号分析、计算机技术等各行 各业中都有极广泛的应用。 1. 1.SimulinkSimulink 自 Mathworks 公司于 1998 年推出了 Matlab5.2 版以后，在 Simulink 中 就开始增加了 PSB 模块集，它主要由加拿大的 Hydro Quebec 和 TECSIM Internation-al 公司共同开发的

13、，其功能非常强大，可以用于电路、电力电子 系统、电机系统、电力传输等过程的仿真，它提供了一种类似电路建模的 方式进行模型绘制，在仿真前会自动将其变成状态方程描述系统形式，然 后在 Simulink 下进行仿真分析。 Simulink 是用于仿真建模及分析动态系统的一组程序包，它支持线形 和非线性系统，能在连续时间，离散时间或两者的复合情况下建模。系统 也能采用复合速率，也就是用不同的部分用不同的速率来采样和更新。 Simulin 提供一个图形化用户界面用于建模，用鼠标拖拉块状图表即可完成 建模。在此界面下能像用铅笔在纸上一样画模型。它与传统的仿真软件包 微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、

14、方便、灵活的优点。simulink 拥有全面的库，如接收器，信号源，线形及非线形组块和连接器。同时也 能自己定义和建立自己的块。模块有等级之分，因此可以由顶层往下的步 骤也可以选择从底层往上建模。可以在高层上统观系统，然后双击模块来 观看下一层的模型细节。这种途径可以深入了解模型的组织和模块之间的 相互作用。 在定义了一个模型后，就可以进行仿真了，用综合方法的选择或用 simulink 的菜单或 matlab 命令窗口的命令键入。菜单的独特性便于交互式 工作，当然命令行对于运行仿真的分支是很有用的。使用 scopes 或其他显 示模块就可在模拟运行时看到模拟结果。进一步，可以改变其中的参数同

15、时可以立即看到结果的改变，仿真结果可以放到 matlab 工作空间来做后处 理和可视化。上作均为所见即可得方式，用拖曳方式即可完成，同时支持 第 5 页 共 34 页 鼠标右键快捷方式，对于复杂的交流电路，电力电子电路，动态电路和电 气传动系统的仿真分析，无需编程，更感方便，可以节省大量的计算时间 和耗材，大大提高了工作效率。模型分析工具包括线性化工具和微调工具， 它们可以从 matlab 命令行直接访问， 同时还有很多 matlab 的 toolboxes 中的 工具。因为 matlab 和 simulink 是一体的，所以可以仿真，分析，修改模型 在两者中的任一环境中进行，让用户更为方便。

16、 2. 2.系统仿真技术概述系统仿真技术概述 系统是由客观世界中实体与实体间的相互作用和相互依赖关系构成的 具有某种特定功能的有机整体。系统的分类方法是多种多样的，习惯上依 照其应用范围可以将系统分为工程系统和非工程系统。工程系统的含义是 指由相互关联部件组成的一个整体，以实现特定的目的。例如电机驱动自 动控制系统是由执行部件、功率转换部件、检测部件所组成，用它来完成 电机的转速、位置和其他参数控制的某个特定目标。非工程系统的定义范 围很广，大至宇宙，小至原子，只要存在着相互关联、相互制约的关系， 形成一个整体，实现某种目的的均可以认为是系统。如果想定量地研究系 统地行为，可以将其本身的特性及

17、内部的相互关系抽象出来，构造出系统 的模型。系统的模型分为物理模型和数学模型。由于计算机技术的迅速发 展和广泛应用，数学模型的应用越来越普遍。系统的数学模型是描述系统 动态特性的数学表达式，用来表示系统运动过程中的各个量的关系，是分 析、设计系统的依据。从它所描述系统的运动性质和数学工具来分，又可 以分为连续系统、离散时间系统、离散事件系统、混杂系统等。还可细分 为线性、非线性、定常、时变、集中参数、分布参数、确定性、随机等子 类。系统仿真是根据被研究的真实系统的数学模型研究系统性能的一门学 科，现在尤指利用计算机去研究数学模型行为的方法。计算机仿真的基本 内容包括系统、模型、算法、计算机程序

18、设计与仿真结果显示、分析与验 证等环节。 3. 3.仿真软件的发展状况与应用仿真软件的发展状况与应用 早期的计算机仿真技术大致经历了几个阶段：20 世纪 40 年代模拟计 算机仿真；50 年代初数字仿真；60 年代早期仿真语言的出现等。80 年代出 现的面向对象仿真技术为系统仿真方法注入了活力。我国早在 50 年代就开 始研究仿真技术了，当时主要用于国防领域，以模拟计算机的仿真为主。 70 年代初开始应用数字计算机进行仿真。随着数字计算机的普及，近20 年以来，国际、国内出现了许多专门用于计算机数字仿真的仿真语言与工 具，如 csm，acsl，simnom，matlab/simulink，ma

19、trix/system build，csmp-c 等。 1-4 MATLAB仿真技术在电力电子中的应用 20 世纪 60 年代发展起来的电力电子技术， 使电能可以变换和控制，产 生了现代各种高效、节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产、交 第 6 页 共 34 页 通运输、楼宇、办公、家庭自动化提供了现代化的高新技术。为了更高效 的利用电能，不断的有新控制技术和算法出现。而且电力电子技术本身具 有实践性、工程性和综合性的特点，波形分析和试验验证环节对于实际应 用尤其重要。只靠手工的绘制图不仅效率不高，而且不能很好的显示出波 形的动态变化。在电力电子的实际试验中用的都是功率器件，费用高、费

20、时，而且危险性大。现在这些问题利用 MATLAB 得到了较好的解决。在 MATLAB 具有专门的仿真工具和电力系统模块库。因此，如何利用 MATLAB软件的图形用户界面技术和仿真技术对电力电子技术进行仿真成 了一个重要的研究方面。 本论文研究背景及意义在MATLAB 中提供了Simulink 和 Power Systerm Blockset 工具箱，拥有一种很方便的建模环境，用户不用直接编写 程序，而是通过交互命令方式建立、修改和调试模型，给电力电子技术中 的各种电路的仿真提供了有利的条件，简化了仿真建模。电力电子技术仿 真的所有元件模型都包含在 MATLAB 的电力系统模块环境中。在 MAT

21、LAB 提 示符下键入 powerlib 命令。这个命令将打开 simulink 窗口。同时展示了 电力系统模块工具箱中的不同子模块工具箱。在 psb 中几乎提供了组成电 力系统的所有元件，元件模型丰富，包括：同步机，异步机，变压器，直 流机，线性和非线性，有名的和标么值系统的，不同仿真精度的设备模型 库，单相，三相的分布和集中参数的传输线，单相，三相断路器及各种电 力系统的负荷模型，电力半导体器件库以及控制测量环节， 信号显示和模 块连接等一般可以在 simulink 工具箱中找到。 电气系统模块库以 Simulink 为运行环境，涵盖了电路、电力电子、电 气传动和电力系统等电工学科中常用的

22、基本元件和系统的仿真模型。运行 Simulink 以后，打开Blocksets(2)光耦驱动电路;(3)厚膜驱动电路;(4)专用集成块驱动电路等几种。 (1) 分立插脚式元件的驱动电路 分立插脚式元件组成的驱动电路在80年代的日本和台湾变频器上被广 第 10 页 共 34 页 泛使用,主要包括日本(富士:G2,G5.三肯:SVS,SVF,MF., 春日,三菱 Z 系列 K 系列等)台湾(欧林,普传,台安.)等一系列变频器。 随着大规模集成电路的发展 及贴片工艺的出现,这类设计电路复杂，集成化程度低的驱动电路已逐渐被 淘汰。 (2) 光耦驱动电路 光耦驱动电路是现代变频器设计时被广泛采用的一种驱

23、动电路，由于 线路简单，可靠性高，开关性能好，被欧美及日本的多家变频器厂商采用。 由于驱动光耦的型号很多，所以选用的余地也很大。驱动光耦选用较多的 主要由东芝的 TLP 系列， 夏普的 PC 系列,惠普的 HCPL 系列等。 以东芝 TLP 系列光耦为例。驱动 IGBT 模块主要采用的是 TLP250，TLP251 两个型号 的驱动光耦。对于小电流(15A)左右的模块一般采用 TLP251。外围再辅佐 以驱动电源和限流电阻等就构成了最简单的驱动电路。而对于中等电流 (50A)左右的模块一般采用 TLP250 型号的光耦。而对于更大电流的模块， 在设计驱动电路时一般采取在光耦驱动后面再增加一级放

24、大电路，达到安 全驱动 IGBT 模块的目的。 (3) 厚膜驱动电路 厚膜驱动电路是在阻容元件和半导体技术的基础上发展起来的一种混 合集成电路。它是利用厚膜技术在陶瓷基片上制作模式元件和连接导线， 将驱动电路的各元件集成在一块陶瓷基片上，使之成为一个整体部件。使 用驱动厚膜对于设计布线带来了很大的方便,提高了整机的可靠性和批量生 产的一致性，同时也加强了技术的保密性。现在的驱动厚膜往往也集成了 很多保护电路，检测电路。应该说驱动厚膜的技术含量也越来越高。 (4) 专用集成块驱动电路 现在还出现了专用的集成块驱动电路，主要由 IR 的 IR2111，IR2112， IR2113 等，其它还有三菱

25、的 EXB 系列驱动厚膜。三菱的 M57956，M57959 等驱动厚膜。此外，现在的一些欧美变频器在设计上采用了高频隔离变压 器加入了驱动电路中(如丹佛斯 VLT 系列变频器)。应该说通过一些高频的 变压器对驱动电路的电源及信号的隔离，增强了驱动电路的可靠性，同时 也有效地防止了强电部分的电路出现故障时对弱电电路的损坏。在实际应 用中这种驱动电路故障率很低，大功率模块也极少出现问题。 2. 2.驱动器件的选型和应用电路驱动器件的选型和应用电路 变频电源的开关器件常采用 IGBT 或 MOSFET 等全控型器件，该器件 的开关动作需要靠独立的驱动电路来实现，并且要求驱动电路的供电电源 彼此隔离

26、(如单相桥式逆变主电路需 3 组独立电源，三相桥式逆变主电路需 4 组独立电源)，这样增加辅助电源的设计困难和成本，同时也使驱动电路 变得复杂，降低了逆变器的可靠性。采用如 EXB840 等专用厚膜集成驱动 电路芯片虽然可以简化驱动电路的设计，但每个驱动芯片仍需要一个隔离 的供电电源，且每个芯片仅可驱动一个功率开关器件，应用仍有不便。而 美国国际整流器公司生产的专用驱动芯片 IR2130 由于其内部采用自举技 术，使得功率元件的驱动电路仅需一个输入级直流电源即可实现对功率 IGBT 或 MOSFET 的最优驱动，还具有完善的保护功能。这样可以使整个 驱动电路简单可靠。 第 11 页 共 34

27、页 (1)(1) IR2130 驱动芯片的特点 IR2130 可用来驱动工作在母线电压不高于 600V 的电路中的功率 MOS 门器件。它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络，使用户 可方便的用来保护被驱动的 MOS 门功率管， 加之内部自举技术的巧妙运用 使其可用于高压系统，它还可对同一桥臂上下 2 个功率器件的门极驱动信 导产生 2s互锁延时时间，避免上下臂直通。它自身工作和电源电压的范 围较宽(320V)，在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流 成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的 3 个通道的高压侧驱 动器和低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的 3 个

28、低压侧驱动器， 并且输入信号与 TTL 及 COMS 电平兼容。 图 2-4IR2130 引脚图 IR2130 引脚如上图 2-4 所示。 VB1VB3： 悬浮电源连接端， 通过自举电容为 3 个上桥臂功率管的驱 动器提供内部悬浮电源，VS1VC3 是其对应的悬浮电源地端。 HIN1HIN3、LIN1LIN3：逆变器上桥臂和下桥臂功率管的驱动信 号输入端，低电平有效 ITRIP：过流信号检测输入端，可通过输入电流信号来完成过流或直通 保护。 CA-、CAO、Vso：内部放大器的反相端、输出端和同相端，可用来完 成电流信号检测。 HO1HO3、LO1L03：逆变器上下桥臂功率开关器件驱动器信号输

29、 出端。 FAULT：过流、直通短路、过压、欠压保护输出端，该端提供一个故 障保护的指示信号。它在芯片内部是漏极。 Vcc、Vss：芯片供电电源连接端，Vcc 接正电源，而 Vss 接电源地。 第 12 页 共 34 页 (2)(2) IR2130 内部结构及其工作原理 IR2130 的内部结构如下图 2-5 所示。 图 2-5IR2130 的内部结构 它的内部集成有 1 个电流比较器 CURRENT COMPARATOR， 1 个电流放大 器 CURRENT AMP，1 个自身工作电源欠压检测器 UNDERVOLTAGE DETECTOR， 1个故障处理单元FAULT LOGIC及1个清除封

30、锁逻辑单元CLEAR LOGIC。除上述外，它内部还集成有3 个输入信号处理器INPUT SIGNAL GEN-ERATOR 两个脉冲处理和电平移位器 PULSE GENERATOR LEVEL SHIFTER，3 个上桥臂侧功率管驱动信号锁存器 LATCH，3 个上桥臂侧功率管 驱动信号与欠压检测器， UV DETECTOR 及 6 个低输出阻抗 MOS 功率管驱动器 DRIVER 和 1 个或门电路。 正常工作时， 输入的 6 路驱动信号经输入信号处理器处理后变为 6 路输出脉 冲，驱动下桥臂功率管的信号 L1L3 经输出驱动器功放后，直接送往被驱动功 率器件。而驱动上桥臂功率管的信号H1

31、H3 先经集成于 IR2130 内部的 3 个脉 冲处理器和电平移位器中的自举电路进行电位变换， 变为 3 路电位悬浮的驱动脉 冲， 再经对应的 3 路输出锁存器锁存并经严格的驱动脉冲与否检验之后，送到输 出驱动器进行功放后才加到被驱动的功率管。 具体保护如下：具体保护如下： 1过流保护。电流检测元件 DWI、R1 送出的信号接至过流检测输入端 Im9 脚） ，当外电路发生过流或直通，I，端电压高于05v 时，IR2130 内部保护电路 使其输出驱动信号全为低电乎，从而使被驱动的 M0S 器件全部截止，保同护时 了功率管，同时IR2130 的 FAULT （引脚 8 变为低电平，该信号接发光二

32、极管进 行故障报警，也可将其引入前一极控制电路封锁脉冲形成环节的输出。 2欠压保护。若IR2130 的工作电源欠电压，与过流保护相似，内部的欠压 保护电路使其输出驱动信号全为低电乎，同时从 FAULT端输出故障信号。直到 第 13 页 共 34 页 故障清除后，在信号输入端LIN1LIN3 同时被输入高电平，才可以解除故障闭 锁状态。 3逻辑封锁。当前一级控制电路的脉冲发生逻辑错误时，IR2130 接受到功 率元件同一桥臂高压侧和低压侧两功率器件的驱动信号全为高电平时，则 IR2130 输出的 2 路门极驱动信号全为低电平，从而可靠地避免桥臂直通现象发 生。 (3)(3)采用 IR2130 的

33、逆变器电路结构 图 2-6 给出了 IR2130 驱动 3 相逆变装置的电路示意图。图中 C5, C6, C7 是 自举电容，为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量，D14，D15，D16 的作用 防止上桥臂导通时的直流电压母线电压到 IR2130 的电源上而使器件损坏，因此 D1 应有足够的反向耐压。且为了满足主电路功率管开关频率的要求，其应选快 速恢复二极管。R22，R24，R25 组成过流检测电路。IR2130 的 HIN1HIN3、 LIN1LIN3 作为功率管的输入驱动信号与 SPWM 产生电路连接。FAULT 与单 片机外部中断引脚连接， 由单片机中断程序来处理故障。 逆变电路中 D

34、4, D5, D6, D10, D11, D12为箝位二极管,防止栅级电压过高而损坏功率管。 R4 和 R5 是 IGBT 的门极驱动电阻，一般采用 10 到几十欧。IGBT 选用 IRF580. 图 2-6 驱动电路原理图 2-3 滤波输出及过压过流缺相检测与保护 当过压过流和负载缺相时， 为避免损坏器件或防止事故范围扩大，需对系统 进行过压过流保护。本系统利用单片机检测，一旦发生过压过流和缺相，单片机 控制继电器切断输入电路从而达到保护。 第 14 页 共 34 页 图 2-7 滤波电路原理图 时，单片机拉高 Protect 端口,利用继电器切断输入，从而达到过流保护。 际是IR2130内

35、部的电流放大器与外部电阻构成)： 负载电流为I时,VCAO=I， 当I4A 2. 2.过流检测过流检测 直接采用 IR2130 的电流检测功能对负载电流进行检测。原理图如图 2-8(实 3. 3.电压与缺相检测电压与缺相检测 由于要求输出电压值为稳定的 36V，故必须采用闭环反馈控制。电压取样控 制可采取母线电压取样也可以对输出进行取样。另外还需进行缺相检测，故采用 输出取样。这样既能做缺相检测也可做电压检测。原理图下图 2-9： 1. 1.滤波输出滤波输出 从 IGBT 输出的电压为脉冲序列，若带阻性负载，需加入低通滤波器将脉冲 序列还原成正弦波， 如图 2-7 所示。 电容使用油浸电容，

36、其具有较好的低频特性。 图 2-9 电压与缺相检测 第 15 页 共 34 页 图 2-8过流检测 输出电压经电压互感器降压输入至 AD637 进行真有效值变换。本系统利用 一颗 AD637 和一颗模拟开关 CD4052，采用分时操作分别对三路信号进行采集。 采集的信号送 MSP430 单片机的 AD 口。 2-42-4 变频电源的控制变频电源的控制 1. 1.变频电源控制方式的发展历程变频电源控制方式的发展历程 变频电源按功率分可分为大功率变频电源和小功率变频电源。 变频电源的工 作频率一般为 0400Hz，它的主电路都采用交直交电路。其控制方式经历 了以下四代。以下讨论以电机负载为重点。

37、(1) U/f=C 的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式 其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一 般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方 式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出 最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态 调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化， 转矩响应慢、 电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在 而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。 (2) 电压空间矢量（SVPWM）控制方式 它是以三

38、相波形整体生成效果为前提， 以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场 轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。 经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈 估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动 态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性 能没有得到根本改善。 (3) 矢量控制（VC）方式 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、 Ib、Ic、通过 abc/dq 变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流 Ia1Ib1，再通过 按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋

39、转坐标系下的直流电流 Im1、It1（Im1 相当于直流电动机的励磁电流；It1 相当于与转矩成正比的电枢电流） ，然后模仿 直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实 现对异步电动机的控制。 其实质是将交流电动机等效为直流电动机， 分别对速度， 磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩 和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有 划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电 动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复 杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析

40、的结果。 (4) 直接转矩控制（DTC）方式 1985 年，德国鲁尔大学的DePenbrock 教授首次提出了直接转矩控制变频技 术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简 第 16 页 共 34 页 洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地 应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型， 控制电动机 的磁链和转矩。 它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转 变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简 化交流电动机的数学模型。 (5) 矩阵式交

41、交控制方式 VVVF 变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一 种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容， 再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交交变频 应运而生。由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价 格贵的电解电容。它能实现功率因数为 l，输入电流为正弦且能四象限运行，系 统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其 实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。 具体方法是： 控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式； 自动识别（ID）依靠

42、精确的电机数学模型，对电机参数自动识别； 算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定 子磁链、转子速度进行实时控制； 实现 BandBand 控制按磁链和转矩的 BandBand 控制产生 PWM 信号， 对逆变器开关状态进行控制。 矩阵式交交变频具有快速的转矩响应（2ms） ，很高的速度精度（2， 无 PG 反馈） ， 高转矩精度 （3） ； 同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度， 尤其在低速时（包括 0 速度时） ，可输出 150200转矩。 本文采用第一种控制方式，即正弦脉宽调制（SPWM）控制方式。 2. 2.SPWMSPWM 调制方式的选择调制方式的选择 载波

43、比恒定的调制方式称为同步调制。 同步调制时 PWM 脉冲在一个周期内 的个数是恒定的，脉冲的相位也是固定的，将调制比设定为 3 的整数倍时，可以 使输出波形严格对称，从而有效降低信号的谐波分量。但是，当逆变电路的输出 频率比较低时，同步调制载波的频率也很低，过低时不易滤除调制带来的谐波， 当逆变电路的输出频率很高时，同步调制载波频率也过高，这将使开关器件的开 关损耗增大。 载波信号和调制信号频率不保持同步的调制方式称为异步调制。 异步调制时 保持载波时钟频率不变，当调制正弦波的频率发生变化时，载波比跟随变化，在 调制波的一个周期内 PWM 脉冲的个数不固定，相位也不固定。正负半周期脉冲 不对称

44、，半周期内前后周期的脉冲不对称，造成信号的谐波分量较丰富，给后级 滤波电路造成困难。 该系统的逆变器输出频率在 20100 Hz，输出信号的频率较低。设计采用 SM2001 作为逆变电路 SPWM 控制信号的输出芯片。在异步调制方式下，当载 波比很大时， 正负半周期脉冲不对称和半周期内前后周期的脉冲不对称造成的谐 波分量都很小， PWM 脉冲接近正弦波。 本文设计的调制方式选择异步调制方式， 载波频率固定为 4kHz。 第 17 页 共 34 页 3. 3.SPWMSPWM 专用芯片的选型与应用专用芯片的选型与应用 随着微处理器性价比的不断提高， 逆变电源已进入了智能化阶段， 可用集 成元件来

45、方便地组成控制电路。 目前由集成元件实现的控制电路主要有专用集成 芯片法和微机生成法。专用的生成 SPWM 的芯片如 SM2001，SA838、SA868、 HEF4752、SLE480 等。该方法的优点是电路集成度高、可靠性高;微机生成法控 制电路由单片机采用软件方式产生，目前市场上有许多性价比高的单片机， 如 PIC 系列或引脚少的 MC51 系列单片机， 可用指令产生 SPWM， 并可方便地实现 对逆变系统的控制、监视、管理和保护。 (1) SM2001 简介 SM2001 是可产生三相 SPWM 驱动波形的大规模集成电路。它的工作频率 宽，合成正弦谐波小，调节方便、准确，保护电路完善，

46、无需外部元器件，且有 普通正弦波和高效电机驱动波两种波形的选择， 可广泛用于交流异步电机的变频 驱动，如变频空调、变频冰箱和变频洗衣机的控制驱动，各类工业水泵、风机的 变频驱动，各类不间断电源（UPS）以及其它一些需要三相 SPWM 波形驱动的 功率控制电路中。 SM2001 内部集成有三线串行接口、双波形正弦发生器(范围从 0 到 200Hz （时钟为 20MHz 时） ，步进频率为最大频率的 1/255。)、幅度因子乘法器、PWM 波形发生器、死区时间和窄脉冲控制电路、启动电路和保护电路等。其引脚如图 2-10 所示。其管脚说明如表 1 所列。其内部逻辑框图如图 2-11 所示。 图 2-

47、10 SM2001 引脚图 1 2 3 4 5 6 7 8 9 表表 1 1 管脚说明管脚名称类型功能说明管脚说明管脚名称类型功能说明 CLKI 外部时钟输入脚10GNDI 输出地 RSTI 复位脚，为低时复位芯片11WBIW 相下桥臂驱动脚 CSI 串口片选脚，低通讯有效12VBOV 相下桥臂驱动脚 CKI 串口时钟脚，上升沿锁入数据13UBOU 相下桥臂驱动脚 DAI 串口数据脚14WTOW 相上桥臂驱动脚 OEI 输出控制脚，为高允许PWM 输出15VTOV 相上桥臂驱动脚 INTI 异常中断脚，下降沿触发16UTOU 相上桥臂驱动脚 WVSI 内部波形选择，高效/普通17VDDI 正电

48、源（5V） GNDI 数字地18VDDI 正电源（5V） 第 18 页 共 34 页 图 2-11SM2001 内部逻辑框图 SM2001 设置了三个层次的安全保护。具体保护如下， 一个是 SPWM 输出的开启命令：在 SM2001 的设置中，有一条开启指令， 在所有的初始化参数设置完成后，芯片并不是立即产生输出波形，只有在开启命 令发布后，SPWM 波形才会输出，这是为了防止在系统未完成初始化时有错误 的波形产生。而一旦开启 SPWM 的输出后，再进行参数设置时，SPWM 的变化 将立即出现，不再需要开启命令了。 第二个保护是 OE 控制端，它是用于单片机的普通输出控制的。在 SM2001

49、上有一个使能控制端 OE， 接受控制系统的控制信号。 当 OE 为高电平时， SPWM 完整输出波形，否则，输出将保持高电平静止状态。 第三重保护是异常中断控制端 INT，主要是接受系统的异常信号，如输出短 路、断相等异常信号。当外部检测电路发现异常，在 INT 上产生一个负电平或 负脉冲信号，SM2001 的输出将立即截止，且反应时间小于 200ns，大大高于普 通采用单片机系统产生 SPWM 波形的控制模式。在异常保护出现后，芯片将不 能通过命令恢复输出（防止由于单片机的故障而产生错误的开启） ，只有在重新 上电或 RST 复位后，芯片才能重新接受控制。 SM2001 有 6 个 PWM

50、输出端口，分别驱动 U、V、W 三相桥式功率开关， 每相的信号由 2 路与 TTL 电平兼容的管脚输出。该信号通常是通过外部的隔离 器件（如光耦）来驱动桥式电路。2 个信号分别驱动某一相的上半桥臂和下半桥 臂。本文采用 SM2001 驱动 IR2130。 由于 SM2001 采用了内部的大规模正弦波形发生器， 所以输出的正弦波精度 高，失真和谐波都很小，且由于采用参数设置的方式，各种微处理器都可以很方 便地控制 SM2001。由于是全数字化的设计，内部的波形发生器、乘法器、 PWM 波形产生电路的精度都高于最后实际的输出精度，所以产生的 SPWM 波形具有 非常高的准确度和稳定性。而精确的波形

51、可以使功率输出电路的效率得到提高。 SM2001 完全可以作为微处理器的一个独立的外部电路工作。在设置初始化 条件后，SM2001 完全自动产生 SPWM 驱动波形。只有当需要改变输出波形或 处理异常中断等状态时，才需要微处理器的干预。 其与单片机的连接的原理图如图 2-12. 第 19 页 共 34 页 2-12SM2001 与单片机的连接的原理图 第 20 页 共 34 页 第三章第三章 变频电源的软件设计变频电源的软件设计 3-1 控制模块设计 本系统采用 MSP430 单片机作为主控器件，利用 SPWM 专用芯片 SM2001 产生 SPWM 信号送驱动芯片 IR2130。如第二章 2

52、-5 所述，本系统采用闭环反馈 控制以达到稳压输出的目的。 1. 1.程序流程图程序流程图 单片机作为主控器件，负责变频电源输出端的信号采集，键盘输入处理，显 示界面的显示。单片机发出指令控制 SM2001 产生 SPWM 信号，频率和末端电 压幅值由键盘输入而改变。程序流程图如图 3-1。 开始 IR2130中断键盘中断 系统初始化 掉电保护 延时，短路上 电电阻 中断返回 电压是否为 预置值 调整调制比 改变频 率？ Y 调整输出频 率N 改变调制 比？ Y 调整输出电 压 有键按下 中断返回 按键处理 关机掉电 图 3-1 程序流程图 2.2. SM2001SM2001 初始化初始化 S

53、M2001 的工作状态和输出信号的参数是由内部的寄存器控制。寄存器大小 为 8Bit，地址用 3Bit 的二进制码表示。故通讯数据为 11Bit。以下对内部控制寄 存器进行说明。 (1) 频率控制寄存器 PFR(地址 011) 控制三相 SPWM 波的频率，256 级选择精度，地址为 011。它控制输出的 PWM 合成的正弦波的频率， 三相波形的频率是相同的， 通过此寄存器进行选择。 B7B6B5B4B3B2B1B0 Pf7Pf6Pf5Pf4Pf3Pf2Pf1Pf0 输出的三相波频率 fsin 由式（1）算出 fsin=fclkPFR/(512192256)（1） 第 21 页 共 34 页

54、式中：fclk是系统时钟的频率；PFRPFR 寄存器的值(0255)。 例如：如果时钟频率为 20MHz，PFR=63，则三相正弦波的频率为 50.1Hz。 (2) 调制度控制寄存器 AMPR(地址 010) 改变输出三相波的幅度，256 级选择精度，地址为 010。它控制输出的 PWM 合成的正弦波的幅度，三相波形的幅度是相同的，通过此寄存器进行选择。 B7B6B5B4B3B2B1B0 Amp7Amp6Amp5Amp4Amp3Amp2Amp1Amp0 输出的三相波幅度 Asin 由式（2）算出 Asin=（DC*AMPR/255）100(2) 式中：DC 为后级功率电路的直流电压, AMPR

55、AMPR 寄存器的值（1 255） 。 例如：如果后级功率电路的直流电压为60V，AMPR=217，选取纯正弦波输 出，则输出正弦波的峰值电压为 51.05V，有效值电压为 36.1V。 (3) PWM 开关频率和窄脉冲寄存器 FPDR（地址 001） 设置 PWM 载波的开关频率和要删除的无效窄脉冲宽度， 地址为 001。 PWM 的开关频率是后级大功率管或大功率模块的重要参数之一， 它往往取决于后级功 率电路的开关时间、工作效率等要求。 B7B6B5B4B3B2B1B0 CF1CF0PD5PD4PD3PD2PD1PD0 PWM 频率选择位 CF1、CF0。当 CF1、CF0 为 11、10

56、、01、00 时，其对应的分 频系数 N 则分别为 8、4、2、1。 PWM 开关频率 fc 由式（3）算出 fc=fclk/（512N）(3) 例如：若时钟频率为 20MHz，PWM 频率选择字为 11，则 fc=20000000/(5128)=4882Hz PD5PD0 为窄脉冲时间选择位，窄脉冲的时间 tpd 由式（4）算出 tpd=PD/（fc512）(4) 式中：PD窄脉冲时间选择数值。 窄脉冲删除功能是指在 PWM 波中， 由于后级电路的开关时间问题， 小于 tpd 宽度的脉冲不能引起后级电路的动作，可以被删除去。参见图 3-2。 图 3-2 窄脉冲删除示意图 第 22 页 共 3

57、4 页 (4) 死区时间选择寄存器 DTIM（地址 100） 设置 PWM 载波的死区时间宽度，地址为 100。 B7B6B5B4B3B2B1B0 DT5DT4DT3DT2DT1DT0 PWM 载波的死区时间也是后级大功率管或大功率模块的重要参数之一，它 取决于后级功率电路的导通时间和截止时间。 对于采用 IGBT 作为功率输出的电 路，则尤为重要。如果设置不当，会导致功率电路烧毁或谐波失真增加，死区时 间设置参见图 3-3。 图 3-3 死区时间设置 死区时间 tpdy 由式（5）算出: tpdy=DT/（fc512）（5） 式中：DT死区时间选择数值。本系统中由于驱动芯片IR2130 自带

58、死区 时间，故此处将 DT 设为 0. 寄存器窄脉冲选择和 PWM 频率寄存器幅度控制寄存器 AMPR 频率控制寄 存器PFR死区时间控制寄存器DTIM， fclk=20MHz ， VDD=60V， FPWM=4882Hz， tpd=25.6s，Fsin=50Hz，tpdy=0s (5) 开启命令 START（地址 110） 在完成芯片的各项参数的初始化设置后，通过往地址 110 中写入 5FH，即可 以开启芯片的 SPWM 输出。以后的参数改变，一旦写入寄存器即立即表现出来， 不必再使用开启命令了。 3. 3.SM2001SM2001 的使用的使用 (1) 三线同步串行接口 SM2001 的寄存器是通过一个三线同步串行接口进行设置的。 当片选 CS 为低时，芯片进入串行通信状态，在每个时钟 CK 的上升沿，数 据线 DA 上的数据被移入内部缓冲器，当 11 个数据位全部进入缓冲器后，在最 后一个 CK 脉冲的认可下，数据被转入相应的寄存器，且命令被立即执行。 地址和数据的低位在先传入，分别为A0、A1、A2、D0、D1、D2、D3、D4、 D5、D6、D7。由于内部的时序原因，在完成所有的数据输入，CS 恢复高电平 第 23 页 共 34 页 后， 必须在 CK 上额外地多加入一个时钟， 完成数据的认可，