變頻器調(diào)速系統(tǒng)--畢業(yè)論文.doc

裝訂線1 引言1.1 概述在變頻器調(diào)速系統(tǒng)中，調(diào)速的基本方法就是通過改變給定的頻率來實(shí)現(xiàn)，在目前許多應(yīng)用的場(chǎng)合，由于拖動(dòng)系統(tǒng)的慣性較大，而工藝要求電機(jī)快速降速或停車，因此會(huì)出現(xiàn)以下現(xiàn)象：電機(jī)將出現(xiàn)負(fù)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)，拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能快速回饋到直流母線上，使之迅速上升，變頻器因母線電壓過高而無法完成制動(dòng)過程，因此必須將該回饋能量迅速消耗掉，保持直流母線電壓在一定安全范圍以下，否則變頻器將會(huì)使得過壓保護(hù)或檢測(cè)故障失靈。1.2 發(fā)展的概況變頻器主要用于交流電動(dòng)機(jī)(異步電機(jī)或同步電機(jī))轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，是公認(rèn)的交流電動(dòng)機(jī)最理想、最有前途的調(diào)速方案，是企業(yè)技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想調(diào)速裝置。其在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅(qū)動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。國(guó)際上400kva以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)器中。至1997年,其占有率已達(dá)到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)于90年代初期開始研究變頻空調(diào),96年引進(jìn)生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器,逐漸形成變頻空調(diào)開發(fā)生產(chǎn)熱點(diǎn)。預(yù)計(jì)到2000年左右將形成高潮。變頻空調(diào)除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調(diào)速的壓縮機(jī)電機(jī)。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調(diào)變頻電源研制的進(jìn)一步發(fā)展方向。自上世紀(jì)80年代被引進(jìn)中國(guó)以來，變頻器作為節(jié)能應(yīng)用與速度工藝控制中越來越重要的自動(dòng)化設(shè)備，得到了快速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。在電力、紡織與化纖、建材、石油、化工、冶金、市政、造紙、食品飲料、煙草等行業(yè)以及公用工程（中央空調(diào)、供水、水處理、電梯等）中，變頻器都在發(fā)揮著重要作用。變頻器產(chǎn)生的最初用途是速度控制，但目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的是節(jié)能。中國(guó)是能耗大國(guó)，能源利用率很低，而能源儲(chǔ)備不足。在2003年的中國(guó)電力消耗中，60-70為動(dòng)力電，而在總?cè)萘繛?.8億千瓦的電動(dòng)機(jī)總?cè)萘恐?，只有不?000萬千瓦的電動(dòng)機(jī)是帶變頻控制的。據(jù)市場(chǎng)研究報(bào)告分析，在中國(guó)，帶變動(dòng)負(fù)載、具有節(jié)能潛力的電機(jī)至少有1.8億千瓦。因此國(guó)家大力提倡節(jié)能措施，并著重推薦了變頻調(diào)速技術(shù)。應(yīng)用變頻調(diào)速，可以大大提高電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度，使電機(jī)在最節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。以風(fēng)機(jī)水泵為例，根據(jù)流體力學(xué)原理，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。當(dāng)所需風(fēng)量減少，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，其功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降。因此，精確調(diào)速的節(jié)電效果非?？捎^。與次類似，許多變動(dòng)負(fù)載電機(jī)一般按最大需求來生產(chǎn)電動(dòng)機(jī)的容量，所以設(shè)計(jì)裕量偏大。而在實(shí)際運(yùn)行中，輕載運(yùn)行的時(shí)間所占比例卻非常高。如采用變頻調(diào)速，可大大提高輕載運(yùn)行時(shí)的工作效率。因此，變動(dòng)負(fù)載的節(jié)能潛力巨大。以電力行業(yè)為例，由于中國(guó)大面積缺電，電力投資將持續(xù)增長(zhǎng)，同時(shí)，國(guó)家電改方案對(duì)電廠的成本控制提出了要求，降低內(nèi)部電耗成為電廠關(guān)注焦點(diǎn)，因此變頻器在電力行業(yè)有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，尤其是高壓變頻器和大功率變頻器。市場(chǎng)研究報(bào)告顯示，僅電力行業(yè)，2003年的變頻器市場(chǎng)規(guī)模就達(dá)到了2.5億元。因此，變頻器的節(jié)能應(yīng)用前景非常。隨著電力傳動(dòng)及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速越來越廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)各領(lǐng)域，很好地解決了交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速問題。它具有調(diào)速范圍廣闊、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，在許多需要精確速度控制的應(yīng)用中，變頻器正在發(fā)揮著提升工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率的顯著作用。在紡織與化纖行業(yè)是變頻器應(yīng)用最多、使用密度最高的行業(yè)。在最常見的化纖機(jī)械設(shè)備中，選用變頻器的設(shè)備有螺桿擠出機(jī)、紡絲機(jī)和后加工機(jī)等。這些設(shè)備都要求精確速度控制、多單元同步傳動(dòng)或比例同步(牽伸)傳動(dòng)等，應(yīng)用變頻器可以提高工藝要求、提升產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)減輕了人工的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了生產(chǎn)效率。目前，中國(guó)的設(shè)備控制水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還比較低，制造工藝和效率都不高。但隨著中國(guó)加入WTO，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率都需要面臨國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，因此提高設(shè)備控制水平至關(guān)重要。由于變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，在許多需要精確速度控制的應(yīng)用中，變頻器正在發(fā)揮著提升工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率的顯著作用。變頻器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率變換器。當(dāng)今的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，總的發(fā)展趨勢(shì)是：驅(qū)動(dòng)的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此，變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻的交流電源而得到迅猛發(fā)展。中國(guó)擁有龐大的產(chǎn)業(yè)群，并保持著持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展；與國(guó)際接軌，眾多的企業(yè)需要提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力；人們生活質(zhì)量不斷提高等。這些都是變頻器市場(chǎng)的增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力和更廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。市場(chǎng)研究報(bào)告認(rèn)為，至少在十年以后，中國(guó)的變頻器市場(chǎng)才能飽和并趨于成熟，因此，中國(guó)的變頻器市場(chǎng)具有廣闊的發(fā)展空間。1.3 開發(fā)的目的 在變頻調(diào)速的過程中，拖動(dòng)系統(tǒng)需要急劇減重、剎車、定位等場(chǎng)合時(shí)，機(jī)械部分都因存在較大慣性而無法滿足工藝要求，因此，需要制動(dòng)組件來消耗能量，以克服慣性的影響，實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)的目的。目前市場(chǎng)上使用的制動(dòng)單元都數(shù)位變頻器廠家為自家設(shè)備提供的配套產(chǎn)品。性能參差不全，通用性差，而且都是國(guó)外廠商的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)在開發(fā)和生產(chǎn)變頻器制動(dòng)單元者的領(lǐng)域內(nèi)還存在一段空白。有跡象表明，國(guó)產(chǎn)化的制動(dòng)單元正向國(guó)外產(chǎn)品挑戰(zhàn)，而國(guó)產(chǎn)化的價(jià)格比國(guó)外產(chǎn)品的價(jià)格低一半以上。本課程設(shè)計(jì)意在開發(fā)出一種設(shè)計(jì)先進(jìn)，功能齊全，有一定市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力的制動(dòng)單元產(chǎn)品。2 保護(hù)裝置的實(shí)現(xiàn)方法2.1 能耗型制動(dòng)單元能耗制動(dòng)采用的方法是在變頻器直流側(cè)加上放電電阻單元組件，將再生電能消耗在功率電阻上來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。這是一種處理再生能量的最直接的辦法，它是將再生能量通過專門的能耗制動(dòng)電路消耗在電阻上，轉(zhuǎn)化為熱能，因此又被稱為“電阻制動(dòng)”，它包括制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻二部分。制動(dòng)單元的功能是當(dāng)直流回路的電壓超過規(guī)定的限值時(shí)（如660V或710V），接通耗能電路，使直流回路通過制動(dòng)電阻后以熱能方式釋放能量。制動(dòng)單元可分內(nèi)置式和外置式二種，前者是適用于小功率的通用變頻器，后者則是適用于大功率變頻器或是對(duì)制動(dòng)有特殊要求的工程生產(chǎn)中。從原理上講，二者并無區(qū)別，都是作為接通制動(dòng)電阻的“開關(guān)”，它包括功率管、電壓采樣比較電路和驅(qū)動(dòng)電路。2.2 共用直流母線方式的回饋制動(dòng)我們知道通常意義上的異步電機(jī)多傳動(dòng)包括整流橋、直流母線供電回路、若干個(gè)逆變器，其中電機(jī)需要的能量是以直流方式通過PWM逆變器輸出。在多傳動(dòng)方式下，制動(dòng)時(shí)感生能量就反饋到直流回路。通過直流回路，這部分反饋能量就可以消耗在其他處在電動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)上，制動(dòng)要求特別高時(shí)，只需要在共用母線上并上一個(gè)共用制動(dòng)單元即可。2.3 回饋到交流電網(wǎng)的方式要實(shí)現(xiàn)直流回路與電源間的雙向能量傳遞，一種最有效的辦法就是采用有源逆變技術(shù)：即將再生電能逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率同相位的交流電回送電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。它采用了電流追蹤型PWM整流器，這樣就容易實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，且具有很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。同時(shí)，這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得我們能夠完全控制交流一側(cè)和直流一側(cè)之間的無功和有功的交換。以上三種制動(dòng)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，綜合了通用性，性價(jià)比等諸多因素，最后我們采取了能耗型制動(dòng)單元的方法。3 制動(dòng)單元的簡(jiǎn)介3.1 制動(dòng)單元的組成制動(dòng)單元包括大功率晶體管、電壓采樣比較電路、驅(qū)動(dòng)電路和其他的電力電子器件等。3.2 制動(dòng)電阻制動(dòng)電阻作為電機(jī)的再生能量從熱能方式消耗掉的載體，它包括電阻阻值和功率容量?jī)蓚€(gè)重要的參數(shù)，通常在工程上選用較多的是波紋電組和鋁合金電阻兩種。前種采用表面立式波紋，有利于散熱減低寄生電感量，并選用高阻燃無機(jī)涂層，有效保護(hù)電阻絲不被老化，延長(zhǎng)使用壽命；后者電阻耐氣候性和耐震動(dòng)性，優(yōu)于傳統(tǒng)瓷骨架電阻器，廣泛用于高要求，惡劣工控環(huán)境使用，易緊密安裝，易附加散熱器，外形美觀。3.3 制動(dòng)過程主要有四步：1、當(dāng)電機(jī)在外力的作用下發(fā)電運(yùn)行時(shí)，其產(chǎn)生的三相交流電動(dòng)勢(shì)被變頻器的逆變部分的六個(gè)二極管組成的三相全控整流，使變頻器內(nèi)直流母線電壓持續(xù)升高。2、當(dāng)直流母線電壓達(dá)到某一電壓值（制動(dòng)單元的動(dòng)作電壓）時(shí)，制動(dòng)單元功率管開通，電流流過制動(dòng)電阻。制動(dòng)電阻吸收再生能量并轉(zhuǎn)換成熱能釋放，變頻器直流母線電壓快速降低。3、當(dāng)直流母線電壓將到某一電壓值（制動(dòng)單元的停止電壓）時(shí)，制動(dòng)單元功率管關(guān)斷，此時(shí)沒有電流流過電阻，制動(dòng)電阻在自然散熱，降低自身的溫度。4、當(dāng)直流母線電壓重新升高至動(dòng)作電壓時(shí)，制動(dòng)單元重復(fù)以上過程，以平衡母線電壓，使系統(tǒng)正常工作。3.4 系統(tǒng)功能表1：主要描述系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的功能制動(dòng)單元系統(tǒng)功能功能說明參數(shù)設(shè)定制動(dòng)起始電壓設(shè)定設(shè)定制動(dòng)單元的動(dòng)作制動(dòng)起始電壓值制動(dòng)停止電壓設(shè)定設(shè)定制動(dòng)單元的動(dòng)作制動(dòng)停止電壓值制動(dòng)使用率設(shè)定制動(dòng)單元的工作使用率故障報(bào)警模塊異常報(bào)警當(dāng)直流回路發(fā)生斷路，過載或IGBT模塊損壞故障報(bào)警，故障繼電器動(dòng)作散熱器過熱制動(dòng)單元散熱器過熱報(bào)警，故障繼電器動(dòng)作輸入輸出故障繼電器（輸出）制動(dòng)單元故障時(shí)故障繼電器吸合報(bào)警外部禁止（輸入）當(dāng)外部設(shè)備禁止制動(dòng)單元工作時(shí)用顯示停止?fàn)顟B(tài)制動(dòng)單元已經(jīng)上電，但是不進(jìn)行任何操作，面板閃爍顯示當(dāng)前的母線電壓，RUN指示燈熄滅運(yùn)行狀態(tài)對(duì)母線電壓進(jìn)行監(jiān)控，面板顯示當(dāng)前的母線電壓置，RUN亮，BRK指示燈根據(jù)是否制動(dòng)而定編程狀態(tài)運(yùn)用鍵盤操作面板，進(jìn)行功能參數(shù)的修改和設(shè)置故障報(bào)警狀態(tài)由于外部設(shè)備或制動(dòng)單元內(nèi)部出現(xiàn)故障，且ALM燈亮，或操作失誤，制動(dòng)單元會(huì)給出相應(yīng)的故障代碼并且封鎖輸出，需手動(dòng)復(fù)位外部設(shè)備禁止此時(shí)制動(dòng)單元雖處于運(yùn)行狀態(tài)但是不對(duì)母線電壓的監(jiān)控，顯示面板EXT指示燈亮3.5 制動(dòng)單元通用的技術(shù)指標(biāo)表2：項(xiàng)目?jī)?nèi)容輸入電壓560V直流電壓波動(dòng)+（）50%動(dòng)作電壓250V800V可設(shè)，步進(jìn)為1V制動(dòng)使用率1%100%可設(shè)，步進(jìn)為1%環(huán)境環(huán)境溫度1040相對(duì)溫度90%RH以下存儲(chǔ)溫度2065標(biāo)高、振動(dòng)海拔1000m以下，振動(dòng)5.9m/s2安放地點(diǎn)室內(nèi)、不受陽光直射、可燃性氣體、油霧、水蒸氣、鹽分等保護(hù)構(gòu)造IP20冷卻方式自然冷卻4 制動(dòng)單元的硬件基本方案4.1 制動(dòng)單元硬件配置功能單元硬件及其功能簡(jiǎn)要說明1主控板1、 完成制動(dòng)單元的脈沖發(fā)生，故障監(jiān)控2、 功率模塊的驅(qū)動(dòng)電路3、 直流母線電壓檢測(cè)4、 四位數(shù)碼管及其指示燈的驅(qū)動(dòng)2電源板開關(guān)電源3顯示板四位數(shù)碼管及其指示燈4功率模塊、散熱器西門康專用的IGBT、型材散熱器4.2 制動(dòng)單元硬件基本框圖4.3 制動(dòng)單元的主控板主要由CPU及外圍控制電路、電壓檢測(cè)電路、壓頻轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)電路、外部禁止控制電路、溫度檢測(cè)電路、故障報(bào)警回路、輸入輸出。4.3.1 CPU及外圍控制電路由單片機(jī)（AT89C52）、系統(tǒng)電源監(jiān)視、看門狗及EEPROM等電路構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)，完成以下功能：1）、上電復(fù)位及看門狗復(fù)位2）、母線電壓采樣濾波3）、PWM脈沖的發(fā)生4）、故障的監(jiān)控和報(bào)警5）、母線電壓和各狀態(tài)的顯示6）、設(shè)定數(shù)據(jù)的保存 1、 AT89C52（1）、簡(jiǎn)介AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（EPROM）和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)可提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場(chǎng)合。AT89C52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。主要功能特性：兼容MCS51指令系統(tǒng)8k可反復(fù)擦寫(1000次）Flash ROM32個(gè)雙向I/O口256x8bit內(nèi)部RAM3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷時(shí)鐘頻率0-24MHz2個(gè)外部中斷源可編程UART串行通道低功耗空閑和掉電模式共6個(gè)中斷源軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能3級(jí)加密位AT89C51具有高性價(jià)比的特點(diǎn)。（2）接口部件1）、振蕩器該電路采用內(nèi)部方式，利用其本身的內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘，在X1和X2引腳上外接一個(gè)晶體及電容組成的并聯(lián)諧振電路，便構(gòu)成了一個(gè)完整的振蕩發(fā)生器。圖中電容C40、C41晶體Y1組成并聯(lián)諧振電路。2、X5045 （1）、簡(jiǎn)介系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，由X5045組成，它是一種集看門狗、電壓監(jiān)控和串行EEPROM三種功能于一身的可編程電路。這種組合設(shè)計(jì)減少了電路對(duì)電路板空間的需求。X5045輸出復(fù)位為高電平有效。X5045中的看門狗對(duì)系統(tǒng)提供了保護(hù)功能。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障而超過設(shè)置時(shí)間時(shí)，電路中的看門狗將通過RESET信號(hào)向CPU做出反應(yīng)。X5045提供了三個(gè)時(shí)間值提供用戶選擇使用。它所具有的電壓監(jiān)控功能還可以保護(hù)系統(tǒng)免受低電壓的影響，當(dāng)電源電壓降到允許范圍以下時(shí)，系統(tǒng)將復(fù)位，直到電源電壓返回到穩(wěn)定值為止。X5045的存儲(chǔ)器與CPU可通過串行通信方式接口，共有4096個(gè)位，可以按512x8個(gè)字節(jié)來放置數(shù)據(jù)。X5045的CS：片選輸入；SO：串行輸出；SI：串行輸入；SCK：串行時(shí)鐘輸入；WP：寫保護(hù)輸入；RESET：復(fù)位輸出。（2）、工作原理1）、上電復(fù)位向X5045加電時(shí)會(huì)激活其內(nèi)部的上電復(fù)位電路，從而使RESET引腳有效。該信號(hào)可避免系統(tǒng)微處理器在電壓不足或振蕩器未穩(wěn)定的情況下工作。當(dāng)VCC超過器件的門限值時(shí)，電路將在延時(shí)200ms（典型）后釋放RESET以允許系統(tǒng)開始工作。2）、低電壓監(jiān)視工作時(shí)，X5045對(duì)VCC電平進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若電源電壓跌落至預(yù)置的最小以下時(shí)，系統(tǒng)即確認(rèn)RESET，從而避免微處理器在電源失效或斷開的情況下工作。當(dāng)RESET被確認(rèn)后，該RESET信號(hào)將一直保持有效，直到電壓跌到低于1V。而當(dāng)VCC返回并超過達(dá)200ms時(shí)，系統(tǒng)重新開始工作。3）、看門狗定時(shí)器看門狗定時(shí)器的作用是通過監(jiān)視WDI輸入來監(jiān)視微處理器是否激活。由于微處理器必須周期性的觸發(fā)CS/WDI引腳以避免RESET信號(hào)激活而使電路復(fù)位，所以CS/WDI引腳必須在看門狗超時(shí)時(shí)間終止之前受到由高至低信號(hào)的觸發(fā)。4）、SPI串行存儲(chǔ)器器件存儲(chǔ)器部分是帶鎖存保護(hù)的CMOS串行EEPROM陣列，陣列的內(nèi)部組織是x8位。X5045可提供最少為1000,000次擦寫和100年的數(shù)據(jù)保存期，并具有串行外圍接口（SPI）和軟件協(xié)議的特點(diǎn)，允許工作在簡(jiǎn)單的四總線上。X5045電路具有的多功能、反應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)表現(xiàn)的淋瀝盡致?？梢哉fX5045是一種性能價(jià)格比較高的電路芯片，并可非常方便地與許多常用CPU系列器件接口。3、復(fù)位電路的選用傳統(tǒng)的阻容復(fù)位電路復(fù)位脈沖的寬度主要取決于電容電阻的參數(shù)，阻容復(fù)位電路大部分情況下均能良好地工作，但在電源出現(xiàn)瞬時(shí)跌落的情況下，將無法獲得參數(shù)符合要求的復(fù)位脈沖或根本無法產(chǎn)生復(fù)位脈沖，從而影響系統(tǒng)的可靠性工作。 IMP810為Microchip公司高性價(jià)比的系統(tǒng)監(jiān)控電路，用來對(duì)數(shù)字系統(tǒng)的電源電壓VDD進(jìn)行監(jiān)控，并在必要時(shí)向主處理器提供可靠的復(fù)位信號(hào)。無需搭配外部元件使用。 IMP810可進(jìn)行準(zhǔn)確的VDD 監(jiān)控，并在上電，斷電，掉電及電源電壓下陷時(shí)提供準(zhǔn)確的復(fù)位時(shí)序。這兩款器件還具備對(duì)電源線上的負(fù)向瞬態(tài)脈沖干擾進(jìn)行抑制的能力，是全面替代阻容復(fù)位電路的理想選擇。4.3.2 電壓檢測(cè)電路該電路是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，目的在于把直流母線上的電壓轉(zhuǎn)換到后續(xù)電路可以識(shí)別的范圍，并且和輸入電壓形成便于運(yùn)算的線性關(guān)系。該電路有兩極放大電路，都是采用OP07集成運(yùn)算放大器，由母線上檢測(cè)到的電壓經(jīng)過R22、R23、R24、R25、R26、R27分壓后，兩個(gè)二極管作為限幅電路讓信號(hào)在預(yù)置的電平范圍內(nèi)。第一級(jí)OP07放大電路是采用的差分式放大電路，所用的電位器RP1、RP2來調(diào)零，抵消輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流的影響。R28作為反饋電阻使用。R4、C7則是簡(jiǎn)單的濾波電路。OP07的噪聲峰峰值為0.6uv，共模抑制比CMRR106db,管腳2、3為信號(hào)差動(dòng)輸入端，1、8為調(diào)零端，6為輸出端。運(yùn)算放大器OP07的輸出信號(hào)，由LM331進(jìn)行V/F轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，輸入至89C52的T0口，進(jìn)行頻率計(jì)數(shù)，該計(jì)數(shù)脈沖頻率即反映了所測(cè)得電壓大小，若所測(cè)電壓與系統(tǒng)設(shè)定得電壓不相符時(shí)，則由單片機(jī)發(fā)出信號(hào)給驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)IGBT,接入制動(dòng)電阻，消耗能量，降低母線電壓，保護(hù)電路。4.3.3 壓頻轉(zhuǎn)換電路LM331是美國(guó)NS公司生產(chǎn)的性價(jià)比較高的精密電壓頻率轉(zhuǎn)換器，它采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和低到4.0V電源電壓下都有極高的精度。LM331的動(dòng)態(tài)范圍寬，可達(dá)100dB；線性度好，最大非線性失真小于0.01，工作頻率低到0.1Hz時(shí)，仍有較好的線性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá)12位；外接電路簡(jiǎn)單，只需接入幾個(gè)阻容元件就可方便構(gòu)成V/F變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。該轉(zhuǎn)換電路優(yōu)于普通8位并行A/D轉(zhuǎn)換器，有利于提高系統(tǒng)的測(cè)量范圍。該電路中，電阻R16它主要是使LM331的輸入端7腳產(chǎn)生偏流，以抵消6腳偏流的影響，從而減少頻率偏差。R33和可調(diào)電位器RP3的作用是調(diào)整LM331的增益偏差和由R31、R32及C29引起的偏差。6腳的電阻R31和1.0u F電容器C31并聯(lián)用以產(chǎn)生滯后效應(yīng)，使V/F轉(zhuǎn)換獲得良好的線性度。LM331的輸出驅(qū)動(dòng)器采用施密特觸發(fā)器74HC14，經(jīng)觸發(fā)后的電平送給單片機(jī)的P34口作為T0的計(jì)數(shù)脈沖，單片機(jī)再將不斷變化的頻率轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓。4.3.4 IGBT驅(qū)動(dòng)電路開關(guān)部分采用的是全控型電力半導(dǎo)體器件。全控型電力半導(dǎo)體器件主要有GTO，GTR，P-MOSFET，IGBT等。本電路采用的是IGBT。IGBT是電壓型器件，只要有足夠的驅(qū)動(dòng)電壓和很小的電流就可以，因而電壓型器件只需很小的驅(qū)動(dòng)功率。絕緣柵雙極型晶體管IGBT是一種新發(fā)展起來的復(fù)合型電力電子器件，是將GTR、MOSFET這兩類器件相互取長(zhǎng)補(bǔ)短適當(dāng)結(jié)合而成的復(fù)合器件，柵極為絕緣柵結(jié)構(gòu)（MOS結(jié)構(gòu)）的晶體管，主電路部分則與GTR相同，它的三個(gè)極分別是集電極C、發(fā)射極E和柵極G。IGBT既有單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件MOSFET易驅(qū)動(dòng)、通態(tài)壓降低的特點(diǎn)，又具有GTR耐高壓、電流大的優(yōu)點(diǎn)，其開關(guān)速度雖較功率MOSFET低，單是遠(yuǎn)高于GTR，又因是電壓型控制器件，所以控制電路簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好。因此，在20KHZ及以下中等容量變流裝置中得到廣泛的應(yīng)用。頻率特性介于功率晶體管與MOSFET之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)，故在逆變電路中一般都用這種開關(guān)器件 。圖5 IGBT的結(jié)構(gòu)IGBT在開關(guān)過程中需要一個(gè)+15V電壓以獲得低升啟電壓，還需要一個(gè)電壓以防止關(guān)斷時(shí)的誤動(dòng)作。這兩種電壓（+15、-15V）均可由20V供電的驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電路產(chǎn)生。IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)：1）、IGBT開關(guān)速度高，開關(guān)損耗??；2）、在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力；3）、IGBT的通態(tài)壓降比大功率MOS管低，特別是在電流較大的區(qū)域；4）、IGBT的輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似；5）、與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)可保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn)。IGBT的保護(hù)，將IGBT用于電力變換時(shí)，應(yīng)采取保護(hù)措施以防損壞器件，常用的保護(hù)措施有：1）、通過檢測(cè)出過電流信號(hào)切斷門極控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)；2）、利用緩沖電路抑制過電壓并限制過量的；3）、利用溫度傳感器檢測(cè)IGBT的殼溫，當(dāng)超過允許的溫度時(shí)主電路跳閘，實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)。大多數(shù)IGBT生產(chǎn)廠家為了解決IGBT的可靠性問題，都生產(chǎn)與其相配套的混合集成驅(qū)動(dòng)電路，如日本的EXB系列，日本東芝的TK系列，美國(guó)摩托羅拉的MPD系列等。這些專用的驅(qū)動(dòng)電路抗干擾能力強(qiáng)，集成化程度高，速度快，保護(hù)功能完善，可實(shí)現(xiàn)IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)。本電路采用日本富士的EXB系列，快速型IGBT專用驅(qū)動(dòng)模塊。EXB841模塊是單電源動(dòng)作，高速運(yùn)行，具有過電流保護(hù)電路的特點(diǎn)。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到直流母線上的電壓大于所設(shè)的電壓范圍時(shí)，由單片機(jī)發(fā)出信號(hào)供給EXB841模塊，使之工作驅(qū)動(dòng)IGBT動(dòng)作，帶動(dòng)制動(dòng)電阻消耗能量，從而產(chǎn)生保護(hù)作用。IGBT通常只能承受10Us的短路電流，所以必須有快速保護(hù)電路，EXB841內(nèi)部有電流保護(hù)電路，根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與集電級(jí)之間的關(guān)系檢測(cè)過電流。當(dāng)集電級(jí)電壓過高時(shí)，雖然加入信號(hào)也認(rèn)為存在過電流，但是如果發(fā)生過電流，驅(qū)動(dòng)器的低速切斷電路就快速關(guān)斷IGBT，從而保證IGBT不被損壞。如果以正常速度切斷過電流，集電級(jí)產(chǎn)生的電壓尖脈沖就會(huì)破壞IGBT。EXB841個(gè)引腳的功能：1腳連接反向偏置電源；2腳接電源；3腳驅(qū)動(dòng)輸出；4腳用于連接外部電容器，防止過流保護(hù)電路誤動(dòng)作；5腳過流保護(hù)輸出；6腳集電級(jí)電壓監(jiān)視；7、8不接；9腳電源；10、11不接；14、15驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入。4.3.5 外部禁止控制電路外部控制信號(hào)端子主要有兩個(gè)，一個(gè)是EXT，另一個(gè)是COM，EXT是外部控制信號(hào)，COM是外部控制信號(hào)地，輸入直流24V電壓。，當(dāng)EXT為24V（對(duì)COM）時(shí)，制動(dòng)單元封鎖輸出，當(dāng)該信號(hào)撤銷時(shí)，制動(dòng)單元恢復(fù)正常工作，此時(shí)制動(dòng)單元雖處于運(yùn)行狀態(tài)，但不進(jìn)行對(duì)母線電壓的監(jiān)控。4.3.6 溫度檢測(cè)回路原理圖：當(dāng)電路工作時(shí)，有時(shí)溫度變化大，所以增加了溫度報(bào)警回路。采用溫度繼電器來控制。當(dāng)溫度過高時(shí)，繼電器動(dòng)作，吸合，此時(shí)流過反向器的電平為低電平，經(jīng)反向后得到高電平，提供給單片機(jī)。4.3.7 故障報(bào)警回路故障報(bào)警主要有模塊異常報(bào)警，散熱器過熱報(bào)警，輸入錯(cuò)誤。 當(dāng)制動(dòng)單元自身發(fā)生故障時(shí)，繼電器動(dòng)作。TA表示故障繼電器的公共點(diǎn)；TB表示故障繼電器的常閉點(diǎn)；TC表示故障繼電器的常開點(diǎn)。1、模塊異常報(bào)警當(dāng)直流回路發(fā)生短路。過載或IGBT模塊毀壞時(shí)報(bào)警故障繼電器動(dòng)作。面板顯示Err2且ALM燈亮。2、散熱器過熱225、故障報(bào)警電路原理圖如下：故障報(bào)警主要有模塊異常報(bào)警，散熱器過熱，輸入錯(cuò)誤。一方面可由單片機(jī)提供顯示，另一方面可以遠(yuǎn)程監(jiān)控。1、 模塊異常報(bào)警：當(dāng)直流回路發(fā)生短路，過載或IGBT模塊提供故障時(shí)，報(bào)警故障繼電器動(dòng)作，面板顯示Err2且ALM燈亮。2、 散熱器過熱制動(dòng)單元散熱器過熱報(bào)警，故障繼電器動(dòng)作，面板顯示Err1且ALM燈亮。3、輸入錯(cuò)誤在參數(shù)保護(hù)的情況下設(shè)定參數(shù)，面板會(huì)顯示Err3，提示用戶參數(shù)已寫保護(hù)，以防誤操作。4.3.8 輸入輸出部分1、制動(dòng)單元出現(xiàn)故障時(shí)，故障繼電器吸合。2、外部設(shè)備想控制制動(dòng)單元時(shí)，選用外部控制輸入端子。3、上述輸入、輸出應(yīng)用端子焊在電路板上，其示意圖如下：EXT：外部控制信號(hào)COM：外部控制線號(hào)地TA：故障繼電器輸出公共端TB：故障繼電器輸出常閉端TC：故障繼電器輸出常開端4.4 開關(guān)電源4.4.1 簡(jiǎn)介：開關(guān)電源所提供的電壓為直流電，為各個(gè)電路提供電源。它的核心部分是大功率的開關(guān)管和脈沖變壓器，其逆變電路完全式數(shù)字調(diào)速，能達(dá)到非常高的調(diào)整精度。開關(guān)電源是一種高頻電源轉(zhuǎn)換電路，采用開關(guān)器件來控制未經(jīng)穩(wěn)壓的直流輸入電源，配合相應(yīng)的濾波線路，產(chǎn)生穩(wěn)定的直流輸出，輸出電壓的高低取決于開關(guān)器件的占空比。早期的開關(guān)電源采用分立器件，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能也不理想。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源控制所需的集成開關(guān)穩(wěn)壓器控制芯片應(yīng)運(yùn)而生，這就是脈沖寬度調(diào)制（PWM）器件，而且功能不斷完善，性能不斷提高，而外接元件卻越來越少，這使得開關(guān)電源的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，同時(shí)性能逐步提高，促進(jìn)了開關(guān)電源的發(fā)展。用PWM器件設(shè)計(jì)的開關(guān)電源以其體積小、重量輕、效率高、可靠性好等顯著優(yōu)勢(shì)在民用和軍用電子產(chǎn)品中發(fā)揮著日益重要的作用。4.4.2 開關(guān)電源的設(shè)計(jì)原理原理圖：（見附錄）開關(guān)電源的原理框圖如圖所示，整機(jī)電路包含主電路與控制電路兩部分。主電路輸入整流濾波、逆變電路、輸出整流濾波等組成，它的主要作用是將電網(wǎng)的能量傳遞給負(fù)載。主電路以外的電路統(tǒng)稱為控制電路，它保證主電路正常工作并獲得設(shè)計(jì)期望的技術(shù)指標(biāo)。與此相應(yīng)。開關(guān)電源設(shè)計(jì)包括主電路設(shè)計(jì)與控制電路設(shè)計(jì)兩大部分。主電路設(shè)計(jì)包含主電路形式的選擇，開關(guān)工作頻率、功率器件的選型與額定參數(shù)的確定，變壓器與電感參數(shù)計(jì)算等?？刂齐娐吩O(shè)計(jì)的基本任務(wù)是根據(jù)主電路形式確定合適的控制方法及其實(shí)現(xiàn)，此外應(yīng)考慮必要的故障檢測(cè)與保護(hù)電路。圖8 開關(guān)電源的原理框圖框圖中各部分簡(jiǎn)介：（1）、輸入電網(wǎng)濾波：消除來自電網(wǎng)如電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，電器的開關(guān)，雷擊等產(chǎn)生的干擾，同時(shí)也防止開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻噪聲向電網(wǎng)擴(kuò)散。（2）、輸入整流濾波：將電網(wǎng)輸入電壓進(jìn)行整流濾波，為變換器提供直流電壓。（3）、逆變電路：是開關(guān)電源的關(guān)鍵部分，它把直流電壓變成高頻交流電壓，并且起到將輸出部分與輸入帶電網(wǎng)隔離的作用。（4）、輸出整流濾波：將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到需要的直流電壓，同時(shí)還防止高頻噪聲對(duì)負(fù)載的干擾。（5）、控制電路：檢測(cè)輸出直流電壓，并將其余基準(zhǔn)電壓比較，進(jìn)行放大，調(diào)到振蕩器的脈沖寬度，從而控制變換器以保持輸出電壓的穩(wěn)定。（6）、保護(hù)電路：當(dāng)開關(guān)電源發(fā)生過電壓，過電流短路時(shí)，保護(hù)電路使開關(guān)電源停止工作以保護(hù)負(fù)載和電源本身。4421 主電路形式的選擇主電路形式主要依據(jù)輸出功率大小、輸出電壓高低等進(jìn)行選擇。如輸出功率較大時(shí)采用三相輸入電源及橋式逆變電路；如輸出功率較小但是輸出電壓較高時(shí)應(yīng)采用反激變換器電路。本電路選擇后者。4422 開關(guān)工作頻率目前，軟開關(guān)電源，開關(guān)工作頻率通常在數(shù)百前赫茲以上，對(duì)硬開關(guān)電源開關(guān)工作頻率通常在20KHZ到100KHZ之間。開關(guān)頻率越高。所需要的濾波電感、電容容量就越小，脈沖變壓器體積也越小，然而相應(yīng)的器件關(guān)損耗增大，對(duì)開關(guān)器件的開關(guān)速度要求也越小，干擾抑制等問題也更復(fù)雜。不同的功率器件有不同的開關(guān)頻率。小功率MOSFET的開關(guān)頻率可達(dá)50KHZ以上。4423 功率器件的確定根據(jù)輸出功率要求與主電路開關(guān)工作頻率，可基本選定功率器件類型。本電路選用MOSFET管作為開關(guān)器件。4424 磁性元件的設(shè)計(jì)磁性元件的設(shè)計(jì)包括變壓器、電感。磁性元件的設(shè)計(jì)是主電路設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。（1）、電感器設(shè)計(jì)開關(guān)電源中的電感通常作直流濾波用。電感設(shè)計(jì)首先應(yīng)根據(jù)電路工作要求確定流過的平均電流及容許的紋波大小，同時(shí)還應(yīng)給定容許的電感銅耗大小。（2）、變壓器設(shè)計(jì)變壓器設(shè)計(jì)包括變比確定，磁芯材料及磁芯形式選擇，繞阻匝數(shù)及導(dǎo)線規(guī)格等。1）、線圈聯(lián)線圖：圖9 變壓器的基本模型繞線順序：N1、N2、N3、N4、N5、N6其中N3雙線并繞，N4、N5繞在同一層，繞線均勻，整齊。2）、具有的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：體積小，重量輕，效率高，自身抗干擾性強(qiáng)，輸出電壓范圍寬，模塊化。缺點(diǎn)：由于逆變電路中會(huì)產(chǎn)生高頻電壓，對(duì)周圍設(shè)備電壓有一定的干擾。需要良好的屏蔽及接地。4425 控制電路設(shè)計(jì)控制電路的核心是根據(jù)反饋控制原理，將期望輸出電壓信號(hào)與實(shí)際輸出電壓信號(hào)進(jìn)行比較，利用誤差信號(hào)對(duì)功率開關(guān)管器件的導(dǎo)通與關(guān)斷比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓維持在期望電壓值附近的目標(biāo)。目前，能實(shí)現(xiàn)PWM控制的集成電路芯片種類較多，該控制電路采用的是UC3844。一、UC3844的簡(jiǎn)介UC3844是單端輸出脈沖調(diào)制器，具有管腳數(shù)量少，外圍電路簡(jiǎn)單安裝與調(diào)試簡(jiǎn)便，性能優(yōu)良，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。通過高頻變壓器與電網(wǎng)隔離，同時(shí)具有輸入端過壓保護(hù)與輸出端過流保護(hù)，欠壓鎖定電路，工作穩(wěn)定可靠。1、工作原理采用DIP-8封裝，其內(nèi)部框圖如下：主要包括5v基準(zhǔn)電壓源，振蕩器，誤差放大器，過流檢測(cè)電壓比較器，PWM鎖存器，輸入欠壓鎖定電路，門電路，輸出級(jí)，34V穩(wěn)壓管。內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生的5V基準(zhǔn)電壓，作為UC3844內(nèi)部電源，經(jīng)衰減的2.5V電源作為比較放大器基準(zhǔn)，并作為向外電路輸出5v/500Ma的電源，振蕩器產(chǎn)生方波震蕩，振蕩頻率取決于外接定時(shí)元件，RT接在8腳和4腳之間，CT接在4腳到地，該電路中的定時(shí)元件為R8、C2,振蕩頻率為f=1/(8RTCT),反饋電壓VFB由2腳到1腳外接，該電路由（R6、C1）構(gòu)成，該電路用來改變誤差放大器閉環(huán)增益和頻率特性。第6腳輸出驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的方波，為圖騰柱式輸出，適用于驅(qū)動(dòng)MOS開關(guān)管，輸出電流可達(dá)+（-）200mA,3腳為電流檢測(cè)端，用于檢測(cè)開關(guān)管電流，當(dāng)電壓大于1v時(shí)，可關(guān)閉輸出脈沖，保護(hù)開關(guān)管不至于過流損壞，UC3844包括過壓欠壓保護(hù)電路，當(dāng)電源電壓超過16v或低于10v時(shí)，集成電路停止工作。2、UC3844的開關(guān)電源電路采用以PWM集成電路UC3844為核心設(shè)計(jì)的高頻率單端式正激式開關(guān)電源如圖所示。見附錄。所謂單端式，是指高頻變壓器的磁芯僅工作在磁滯回線得一側(cè)，并且只有一個(gè)輸出端。直流母線上的電壓經(jīng)過R1、R2、R5降壓后至7腳，利用R12、C7、C15的充電過程時(shí)VCC逐漸升至+16V以上，也就實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，一旦開關(guān)功率管轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)，自饋線圈N2上所建立的高頻帶那井D6、C16、C7、R12整流濾波后，就作為芯片的工作電壓至此，啟動(dòng)過程結(jié)束。自饋線圈N2的輸出電壓經(jīng)過取樣代電壓分壓后，回送到UC3844的誤差放大器的反向斷2腳作為比較電壓，當(dāng)直流母線上的電壓升高或負(fù)載阻值變大導(dǎo)致輸出電壓也升高時(shí)，2腳電壓隨之升高，誤差放大器輸出降低，進(jìn)而使輸出脈沖寬度變窄，縮短MOS管的導(dǎo)通時(shí)間，反之亦然，總的效果是保持輸出恒定，不受干擾。根據(jù)圖中定時(shí)元件的數(shù)值，UC3844的工作頻率為90HZ。與變壓器的原邊線圈N1并聯(lián)的R3、R4、C6網(wǎng)絡(luò)起消除反向尖峰代電壓的保護(hù)作用，俗稱吸合電路，又稱緩沖電路。緩沖電路連接在變壓器初級(jí)的兩端，以確保變壓器泄漏電感引起的尖峰信號(hào)，不會(huì)造成開關(guān)漏極電壓超過其擊穿電壓。如果超過擊穿電壓，器件會(huì)發(fā)生雪崩，由于它具有一定的雪崩額定值，這樣僅僅多消耗一點(diǎn)功率，不需配置昂貴的齊納緩沖器。電路中，D5是保護(hù)集成電路免收系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生過高電壓的損壞。C5、R10、R18具有消除電流波形的作用。在MOS開關(guān)管前串電阻R9是將衰減由MOSFET輸入電融合在柵源電路中的任何串聯(lián)引線電感產(chǎn)生的高頻寄生振蕩。D3、D4、R6起到軟啟動(dòng)的作用，保證輸出的電壓平穩(wěn)。當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)D2截至,MOS管截至?xí)rD2導(dǎo)通，形成脈沖。D2是產(chǎn)生續(xù)流的作用。 該芯片具有體積小，重量輕，成本低，性能良好，工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。二、LM2575的簡(jiǎn)介單片機(jī)系統(tǒng)是本設(shè)計(jì)的核心部分，而單片機(jī)在20M晶振的速率運(yùn)行時(shí)很容易受到外界的各種影響。電源的穩(wěn)定尤為重要。所以為了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，我們?cè)黾恿朔€(wěn)壓集成電路。LM2575開關(guān)穩(wěn)壓集成電路是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的1A集成穩(wěn)壓電路。它內(nèi)部集成了一個(gè)固定的震蕩器，只需極少外圍器件便可構(gòu)成一種高效的穩(wěn)壓電路，它大大減小散熱片體積，而在大多數(shù)情況下不需散熱片。內(nèi)部有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等；芯片可提供外部控制引腳，是傳統(tǒng)三端式穩(wěn)壓集成電路的理想替代品。三、PWM調(diào)制PWM控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。就是按照一定規(guī)律對(duì)可控開關(guān)器件門極驅(qū)動(dòng)脈沖的寬度進(jìn)行控制以改變器件導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的調(diào)節(jié)，屬于無源逆變。特別是近年來大功率全控型開關(guān)器件性能的提高，使PWM控制逆變器的開發(fā)和應(yīng)用得到快速的發(fā)展。1、脈寬調(diào)制原理PWM控制是在逆變器輸出的周期內(nèi)將直流輸入斬成幅值相等而寬度可變的脈沖序列加在負(fù)載兩端，這種方式通過對(duì)逆變開關(guān)控制脈沖寬度的調(diào)制來改變每個(gè)工作周期中開關(guān)導(dǎo)通占空比，從而達(dá)到電壓調(diào)節(jié)的目的。2、脈寬調(diào)制的分類按照對(duì)逆變器輸出周期中斬切脈沖的個(gè)數(shù)及脈沖寬度分布的情況，PWM控制可分為單脈寬調(diào)制和多脈寬調(diào)制。多脈寬調(diào)制又分為等寬脈沖和可變脈沖調(diào)制兩類。多脈沖PWM控制具有較單脈沖調(diào)制低的諧波幅值和較高的諧波次數(shù)，有利于濾波。然而諧波抑制的同時(shí)，基波幅值也降低。用可變脈寬的多脈沖調(diào)制，可通過改變逆變器開關(guān)開通和關(guān)斷時(shí)刻來消除一些次諧波。由于可變脈寬多脈沖調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，近年來在硬開關(guān)逆變電路中得到了廣泛的應(yīng)用，為了對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，可用不同的方法，當(dāng)前用的較普通的是正弦脈寬調(diào)制。PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)是面積等效原理，以一系列等幅不等寬的脈沖來代替。4.5 顯示電路采用四位數(shù)碼管顯示，因?yàn)樵诒鞠到y(tǒng)中單片機(jī)（AT89C52）的I/O剩下較多，故數(shù)碼管、段驅(qū)動(dòng)由單片機(jī)的I/O直接操作，并通過軟線連接到顯示板上。通過接口由單片機(jī)提供信號(hào)，驅(qū)動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示。數(shù)碼顯示區(qū)示意圖：功能說明：RUN：綠燈亮則表示系統(tǒng)運(yùn)行ALM：紅燈亮則表示故障報(bào)警EXT：綠燈亮則表示外部禁止BRK：綠燈亮則表示系統(tǒng)制動(dòng)狀態(tài)顯示單元說明：指示燈含義指示燈顏色RUN運(yùn)行指示燈黃色ALM報(bào)警指示燈紅色BRK制動(dòng)指示燈綠色制動(dòng)單元運(yùn)行時(shí)RUN指示燈（黃色）為閃爍?？偨Y(jié)：從制動(dòng)單元的工作原理上看，制動(dòng)單元主要有5種工作狀態(tài)：（1）、停止?fàn)顟B(tài)制動(dòng)單元已經(jīng)上電，但不進(jìn)行任何操作的狀態(tài)，面板顯示當(dāng)前的母線電壓，RUN指示燈熄滅。（2）、運(yùn)行狀態(tài)制動(dòng)單元對(duì)母線電壓進(jìn)行監(jiān)控，面板顯示當(dāng)前的母線電壓值，RUN亮，BRK指示燈看是否制動(dòng)而定，母線電壓超過設(shè)定得電壓值時(shí)將進(jìn)行值將進(jìn)行制動(dòng)。（3）、編程狀態(tài)運(yùn)用鍵盤操作面板，進(jìn)行制動(dòng)單元的功能參數(shù)攝制。（4）、故障報(bào)警狀態(tài)由于外部設(shè)備或制動(dòng)單元內(nèi)部出現(xiàn)故障，或操作錯(cuò)誤，制動(dòng)單元會(huì)給出相應(yīng)的故障代碼并且封鎖輸出。（5）、外部禁止?fàn)顟B(tài)此時(shí)制動(dòng)單元雖處于運(yùn)行狀態(tài)，但不進(jìn)行對(duì)母線電壓的監(jiān)控，顯示面板EXT指示燈亮。5 軟件基本方案 制動(dòng)單元的軟件主要由子程序模塊組成，其軟件流程和主要子程序模塊如下：子程序名稱功能簡(jiǎn)介1系統(tǒng)初始化上電系統(tǒng)數(shù)據(jù)，中斷初始化2母線電壓采樣濾波采樣濾波母線電壓，并用于控制和顯示3脈沖發(fā)生器根據(jù)母線電壓及相關(guān)的信息產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖4狀態(tài)顯示顯示母線電壓及各狀態(tài)5按鍵處理對(duì)輸入的按鍵進(jìn)行判斷，執(zhí)行相應(yīng)的操作6故障監(jiān)控處理制動(dòng)單元故障并進(jìn)行故障報(bào)警5.1 主程序流程：主程序主要用于系統(tǒng)的控制和管理。系統(tǒng)加電后，AT89C52自動(dòng)上電復(fù)位，開始運(yùn)行主程序。5.2 故障監(jiān)控溫度故障，外部禁止，軟件采用查詢方式來進(jìn)行故障檢測(cè)。與鍵盤值一起讀入，采取相應(yīng)措施。驅(qū)動(dòng)模塊的過流故障時(shí)由終端方式取得響應(yīng)，這樣在驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生過流故障時(shí)可以及時(shí)采取措施保證器件的安全。5.3 母線電壓采樣：這里我們用計(jì)數(shù)器和定時(shí)器來完成電壓的采樣工作。T0作為計(jì)數(shù)器，來接收LM331的頻率信號(hào)。得到我們要的次數(shù)值。T1作為定時(shí)器，不斷的產(chǎn)生中斷，以取得我們所需要的時(shí)間量。經(jīng)過計(jì)算可以得到頻率值。再換算為電壓值，就可以測(cè)得直流母線的電壓。在程序中我們盡量采取按位移動(dòng)等方法避免單片機(jī)進(jìn)行乘除運(yùn)算，以減輕單片機(jī)運(yùn)算任務(wù)。5.4 人機(jī)接口人機(jī)接口是用鍵盤和LED顯示解決。鍵盤會(huì)定時(shí)的由P1口讀入，處理前要進(jìn)行延時(shí)，達(dá)到軟件消除鍵抖的目的。程序采取選擇結(jié)構(gòu)響應(yīng)相應(yīng)的按鍵值。顯示由四位LED完成。為掃描顯示方式。使用數(shù)組建立顯示緩沖區(qū)。用定時(shí)器2定時(shí)產(chǎn)生中斷來完成顯示。在工作過程中程序按要求改變顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容，這樣就完成了人機(jī)交的工作。6 制動(dòng)單元的PCB設(shè)計(jì)6.1 PCB設(shè)計(jì)規(guī)則及要點(diǎn)6.1.1 確定PCB的分布 該設(shè)計(jì)考慮到結(jié)構(gòu)方面的因素，決定分為兩大塊：主控板和電源板。這樣安排既滿足了尺寸上的要求，又可以減少開關(guān)電源對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的干擾。是本設(shè)計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)中更加安全穩(wěn)定。而且可以方便今后的安裝調(diào)試。6.1.2 確定PCB的層數(shù) 電路板尺寸和布線層數(shù)需要在設(shè)計(jì)初期確定。主要取決于器件的數(shù)量，封裝形式，板子的尺寸等因素。該設(shè)計(jì)中由于對(duì)尺寸沒有嚴(yán)格要求，所以采取了雙面板。 6.1.3 組件布局按照原理圖的思路進(jìn)行布局，器件形成功能塊，這樣可以降低走線的難度。 6.1.4 布線 為完成布線任務(wù)，布線工具需要在正確的規(guī)則和限制條件下工作。分自動(dòng)布線和手動(dòng)布線兩種。自動(dòng)布線由計(jì)算機(jī)完成，效率高，但由于軟件等種種原因在線寬度、過孔的最大數(shù)量、平行度、信號(hào)線之間的相互影響以及層的限制方面效果不盡如人意，該設(shè)計(jì)基本采用手動(dòng)布線。以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 6.2 主控板的PCB設(shè)計(jì)主控板以單片機(jī)為核心布局，設(shè)計(jì)中我們?yōu)榱讼到y(tǒng)安全穩(wěn)定，注意了以下方面：(1)晶振引線盡量短，并用底線包裹。防止干擾危害到單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)。 (2)濾波電容靠近需要濾波的器件。從而達(dá)到滿意的效果。 (3)長(zhǎng)距離的走線中途加濾波電容，防止干擾。 (4)為了今后安裝調(diào)試維修的方便，在主控板的空閑地方增加了測(cè)試點(diǎn)。6.3 電源板的PCB設(shè)計(jì)電源以開關(guān)管變壓器為核心布局，同樣我們注意了以下幾方面：(1)為了防止高電壓產(chǎn)生打火的現(xiàn)象，隔絕強(qiáng)弱電壓，我們?cè)赑CB板需要的地方進(jìn)行開槽。(2) 注意了單位面積承載固定的電流的要求，加粗了大電流線路的寬度。以保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。(3) 外圍電路靠近主要器件。以減少干擾所產(chǎn)生的后果。7 整機(jī)調(diào)試PCB板設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過制造加工后得到一塊完整的電路板。在進(jìn)行調(diào)試的過程中，出現(xiàn)了一些問題，例如： P1口的上拉電阻，在設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)為P1口為準(zhǔn)雙向口內(nèi)部有上拉電阻，所以沒有再外加上拉電阻。但經(jīng)公司資深工程師建議：為保證上拉電阻效果采取外加上拉電阻。以保證系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行。8 有關(guān)參數(shù)的計(jì)算8.1 制動(dòng)轉(zhuǎn)矩TB的計(jì)算式中：TB：制動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩（Nm） ：電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（N）：電機(jī)負(fù)載側(cè)折算到電機(jī)側(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（N）：負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩（Nm）N1：制動(dòng)前電機(jī)速度(rpm)N2：制動(dòng)后電機(jī)速度(rpm)Ts：減速時(shí)間（s）一般情況下，在進(jìn)行電機(jī)制動(dòng)時(shí)，電機(jī)內(nèi)部存在消耗，這合成制動(dòng)轉(zhuǎn)巨大約為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)距的20%，因此計(jì)算出的制動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩小于20%的額定轉(zhuǎn)矩，則表明無需接外接制動(dòng)裝置。8.2 制動(dòng)電阻的計(jì)算在制動(dòng)單元工作過程中，直流母線的電壓的升降絕于常數(shù)RC，R為制動(dòng)電阻的阻值，C為變頻器的電解電容的容量。由充電放電曲線我們知道，RC越小母線電壓的放電速度越快，在C保持一定（變頻器型號(hào)確定）的情況下，R越小。母線電壓的放電速度越快。由以下公式可以求制動(dòng)電阻的阻值：式中： ：制動(dòng)單元作電壓值。一般為710V TM：電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩（Nm）這里設(shè)定N2為0，這樣該阻值就滿足電機(jī)各種減速狀況的要求。8.3 制動(dòng)單元的選擇在進(jìn)行制動(dòng)單元的選擇時(shí)，制動(dòng)單元工作時(shí)流過開關(guān)管的最大瞬時(shí)電流要小于該器件的額定電流是選擇的唯一依據(jù)，通過計(jì)算最大電流值，就可以選擇合適的制動(dòng)單元。計(jì)算公式如下：式中：制動(dòng)單元直流母線電壓值，一般為800v ：制動(dòng)電阻值 ：制動(dòng)單元瞬時(shí)值一般變頻器的硬件過壓保護(hù)值為760v,考慮啟動(dòng)作的滯后，將其適當(dāng)加大。但一般不會(huì)超過800v，因此在計(jì)算時(shí)IC適當(dāng)加大了。8.4 制動(dòng)電阻的標(biāo)稱功率 由于制動(dòng)電阻為短時(shí)工作制，即每次通電時(shí)間很短，在通電期間，電阻溫升，但瞬時(shí)功率很高；每次通電后的間歇時(shí)間較長(zhǎng)，在該段時(shí)間內(nèi)其溫度在不斷下降，如此循環(huán)往復(fù)，最終使電阻達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定溫度，一般有80100度。因此根據(jù)電阻的特性和技術(shù)指標(biāo)，我們知道電阻的標(biāo)稱功率將小于通電時(shí)的消耗功率，一般可用下是求得： 式中： PR：制動(dòng)電阻的額定功率 PS： 制動(dòng)期間平均功率ED%：制動(dòng)使用率，這里選擇：10% a.制動(dòng)電阻降額系數(shù)，一般選1.52，該值可由電阻的降額曲線查的PS可有以下公式求得： （W）結(jié)論該制動(dòng)單元功率等級(jí)為15，30，55KW，輸入電壓DC280VDC800V，制動(dòng)使用率從1%100%連續(xù)可調(diào)。顯示直觀，有良好的人機(jī)顯示，母線電壓實(shí)時(shí)可調(diào)。使用時(shí)必須和變頻器配合使用，這種制動(dòng)單元屬于外置式的，在技術(shù)上有一定的保證。 它所具有的特點(diǎn)：（1）、電壓范圍廣，適合各種電壓等級(jí)的變頻器，動(dòng)作及停止電壓在250V800V之間，連續(xù)可調(diào)，允許在電網(wǎng)變動(dòng)大的場(chǎng)合使用。（2）、充足的熱冗余保證，完善的電磁兼容，適合惡劣的工業(yè)環(huán)境；（3）、良好的