基于ARM7的計(jì)算機(jī)數(shù)字調(diào)速實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1、西南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目名稱題目名稱：基于 ARM7 的計(jì)算機(jī)數(shù)字調(diào)速實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)年年 級：級：2003 本科本科 ?？茖？茖W(xué)生學(xué)號：學(xué)生學(xué)號：20034940學(xué)生姓名：戚貴同學(xué)生姓名：戚貴同 指導(dǎo)教師：李眾立指導(dǎo)教師：李眾立 羅亮羅亮學(xué)生單位：信息工程學(xué)院學(xué)生單位：信息工程學(xué)院 技術(shù)職稱：教技術(shù)職稱：教 授授 講師講師學(xué)生專業(yè)：電子信息工程學(xué)生專業(yè)：電子信息工程 教師單位：信息工程學(xué)院教師單位：信息工程學(xué)院西西 南南 科科 技技 大大 學(xué)學(xué) 教教 務(wù)務(wù) 處處 制制基于ARM7的計(jì)算機(jī)數(shù)字調(diào)速實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)摘要：最近幾年，隨著新型電力電子器件的不斷涌現(xiàn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，高性

2、能的交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，他的顯著的節(jié)能效果和靈活的運(yùn)行方式，給人們留下了深刻的印象。本論文首先論述了變頻調(diào)速的基礎(chǔ)技術(shù)，簡述了它在我國的發(fā)展和應(yīng)用以及今后在這方面應(yīng)做的工作；其次對系統(tǒng)的主電路、控制電路、電氣控制電路以及實(shí)現(xiàn)控制的軟、硬件進(jìn)行了系統(tǒng)地分析，并對調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)施方案進(jìn)行了論證。在此基礎(chǔ)上，調(diào)速系統(tǒng)主電路采用了交-直-交型電路形式，并采用 IGBT 作為主電路的功率開關(guān)器件；根據(jù) PWM 波形的生成原理，采用C 語言，從硬件和軟件上探討了基于 LPC2292 用于 IGBT 控制的數(shù)字化 PWM 波形產(chǎn)生器的實(shí)現(xiàn)方法；根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，選擇了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制，提高

3、了系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定度；最后完成了相應(yīng)的電氣控制電路。經(jīng)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)及波形分析，表明該系統(tǒng)滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞: 變頻調(diào)速；PWM；ARM 嵌入式系統(tǒng)Designs based on the ARM7 computer numeral velocity modulation experimentAbstract：In resent years, with the development of new power electronic component and computer technique, high performance AC Motor VVVF system has been

4、 applied extensively. More and more people are interesting in its striking effect on power-saving and flexible operating mode. First, the basic technique of speed control by frequency variation is introduced briefly, and then the development and application in our country is summarized and we should

5、 do in future, Second, the main circuit, control circuit, electrical control circuit and software and hardware of the control device is analyzed systematically. Based on the foregoing analyses, AC-DC-AC voltage source inverter (VSI) and IGBT devices are selected in the main circuit. According to the

6、 generating theory of PWM wave, a new method of digital PWM wave generator based on LPC2292 using C language is discussed from the point view of hardware and software. A rotate speed negative feedback control is adopted according to the design request of the system, which improves the systems accura

7、cy and stabilization. At last, the design of corresponding circuit of electric control is completed. It is proved by design experiments and simulation waves that this design accords with the expectable requirements.Key words: VVVF, pulse width modulation (PWM), ARM embedded system目 錄第 1 章 緒 論.11.1 交

8、流電動機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況.11.2 交流電動機(jī)的調(diào)速方法.21.3 研究的目標(biāo)和內(nèi)容.3第 2 章 變頻調(diào)速的發(fā)展和優(yōu)勢.52.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望.52.1.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀.52.1.2 PWM 技術(shù).52.1.3 高性能交流調(diào)速系統(tǒng).62.2 交流變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)勢與應(yīng)用.72.2.1 交流變頻調(diào)速的優(yōu)異特性.72.2.2 與其它調(diào)速方法的比較.7第 3 章 變頻調(diào)速系統(tǒng)中脈寬調(diào)制波的產(chǎn)生.83.1 主電路和逆變電路工作原理.83.2 變頻與變壓.113.3 SPWM 的控制模式及其實(shí)現(xiàn).143.4 SPWM 技術(shù)的發(fā)展.16第 4 章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì).1

9、94.1 飛利浦 LPC2292 開發(fā)板.194.1.1 硬件與接口配置.194.2 主回路的設(shè)計(jì).214.3 主要電路的設(shè)計(jì).224.3.1 主回路電路參數(shù)的計(jì)算.224.3.2 整流模塊環(huán)節(jié).234.3.3 中間濾波環(huán)節(jié).234.4 控制電路的設(shè)計(jì).244.4.1 驅(qū)動電路的設(shè)計(jì).244.3.3 鍵盤模塊電路設(shè)計(jì).254.3.2 顯示模塊電路設(shè)計(jì).264.4.4 檢測電路的設(shè)計(jì).26第 5 章 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì).285.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì).285.2 主要軟件模塊.285.2.1 軟硬件接口.285.2.2 SPWM 產(chǎn)生部分.305.2.3 轉(zhuǎn)速采樣模塊.36結(jié)論.38致謝.39參考

10、文獻(xiàn).40附錄.41第 1 章 緒 論1.1 交流電動機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況在電力電子技術(shù)發(fā)展之前，直流電機(jī)幾乎占壟斷地位。對于直流電機(jī)，只要改變電機(jī)的電壓或者是勵(lì)磁電流就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級調(diào)速，且電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩容易控制，具有良好的動態(tài)性能。但是直流電動機(jī)也有其本身固有的缺點(diǎn):結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、價(jià)格高;電刷易磨損、維修不方便;對環(huán)境要求高，不適合用于易燃、易爆及有腐蝕性氣體的場合。這些都與現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)要求的可靠性、可使用性、可維護(hù)性相矛盾，因此直流電動機(jī)已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)代電氣傳動的要求了。 交流電動機(jī)特別是鼠籠式異步電動機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固耐用，制造方便，價(jià)格低廉，容量沒有限制，而且維修方便，對環(huán)境要

11、求不高等優(yōu)點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。但同時(shí)交流電機(jī)本身是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，其可控性較差;而隨著現(xiàn)代交流電機(jī)的調(diào)速控制理論和電力電子變流技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)調(diào)速取得了突破性的進(jìn)展，電氣傳動交流化的時(shí)代隨之到來。 交流異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)種類繁多，常見的有:降電壓調(diào)速；繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)串級調(diào)速;變磁極對數(shù)調(diào)速;變壓變頻調(diào)速?，F(xiàn)目前，在上述的調(diào)速方式中，變頻調(diào)速己經(jīng)成為異步電動機(jī)最主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用；而且隨著一些新的交流電機(jī)調(diào)速理論，如矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制和現(xiàn)代電力電子技術(shù)(IGBT，IPM)以及高效的處理器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，它將在很長一段時(shí)間內(nèi)主導(dǎo)電

12、氣傳動領(lǐng)域，并向更高性能、更大容量以及智能化方向發(fā)展。在大功率交一交變頻調(diào)速技術(shù)方面，法國阿爾斯通公司已能提供用于船舶推進(jìn)系統(tǒng)單機(jī)容量達(dá)3萬KW的電氣傳動設(shè)備;在大功率無換向器電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)方面，ABB公司能提供用于抽水蓄能電站單機(jī)容量為6萬KW的設(shè)備；在中功率變頻調(diào)速技術(shù)方面，德國西門子公司電流型晶閘管變頻器調(diào)速設(shè)備單機(jī)容量為10-2600KVA;在小功率變頻調(diào)速技術(shù)方面，日本富士公司雙極晶體管（BJT）變頻器最大單機(jī)容量可達(dá)700KV。總的看來，我國電氣傳動的技術(shù)水平較國際先進(jìn)水平還有一定的距離。在大功率交一交、無換向器電機(jī)等變頻技術(shù)方面，國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，在數(shù)字化及系統(tǒng)可

13、靠性方面與國外有相當(dāng)差距。而這方面產(chǎn)品在諸如抽水蓄能電站機(jī)組啟動及運(yùn)行、大容量風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和軋機(jī)傳動、礦井卷揚(yáng)方面有很大需求。中小功率變頻技術(shù)方面，國產(chǎn)大部分產(chǎn)品都是普通的恒V/f控制，控制芯片采用的大都是單片機(jī)，小部分的產(chǎn)品采用數(shù)字信號處理器（DSP）來控制。 1.2 交流電動機(jī)的調(diào)速方法三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：n=60*f/p(1-s)從上式可見，改變供電頻率 f、電動機(jī)的磁極對數(shù) p 及轉(zhuǎn)差率 s 均可達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。從調(diào)速的本質(zhì)來看，不同的調(diào)速方式無非是改變交流電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速或不改變同步轉(zhuǎn)兩種。 在生產(chǎn)機(jī)械中廣泛使用不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法有繞線式電動機(jī)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、斬波調(diào)

14、速、串級調(diào)速以及應(yīng)用電磁轉(zhuǎn)差離合器、液力偶合器、油膜離合器等調(diào)速。改變同步轉(zhuǎn)速的有改變定子磁極對數(shù)的多速電動機(jī)，改變定子電壓、頻率的變頻調(diào)速有能無換向電動機(jī)調(diào)速等。 從調(diào)速時(shí)的能耗觀點(diǎn)來看，有高效調(diào)速方法與低效調(diào)速方法兩種：高效調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差率不變，因此無轉(zhuǎn)差損耗，如多速電動機(jī)、變頻調(diào)速以及能將轉(zhuǎn)差損耗回收的調(diào)速方法如串級調(diào)速等。具體的調(diào)速方法如下：一、變磁極對數(shù)調(diào)速方法 這種調(diào)速方法是用改變定子繞組的接線方式來改變籠型電動機(jī)定子磁極對數(shù)達(dá)到調(diào)速目的，特點(diǎn)如下：具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好；無轉(zhuǎn)差損耗，效率高； 接線簡單、控制方便、價(jià)格低；有級調(diào)速，級差較大，不能獲得平滑調(diào)速；可以與調(diào)壓調(diào)速、電

15、磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性。本方法適用于不需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，如金屬切削機(jī)床、升降機(jī)、起重設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵等。 二、變頻調(diào)速方法 變頻調(diào)速是改變電動機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流直流交流變頻器和交流交流變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交直交變頻器。其特點(diǎn)為效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗，應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動機(jī)；調(diào)速范圍大，特性硬，精度高；技術(shù)復(fù)雜，造價(jià)高，維護(hù)檢修困難。適用于要求精度高、調(diào)速性能較好場合。三、串級調(diào)速方法 串級調(diào)速是指繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電勢來改變電

16、動機(jī)的轉(zhuǎn)差，達(dá)到調(diào)速的目的。根據(jù)轉(zhuǎn)差功率吸收利用方式，串級調(diào)速可分為電機(jī)串級調(diào)速、機(jī)械串級調(diào)速及晶閘管串級調(diào)速形式，多采用晶閘管串級調(diào)速，其特點(diǎn)為：可將調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差損耗回饋到電網(wǎng)或生產(chǎn)機(jī)械上，效率較高； 裝置容量與調(diào)速范圍成正比，投資省，適用于調(diào)速范圍在額定轉(zhuǎn)速 7090的生產(chǎn)機(jī)械上；調(diào)速裝置故障時(shí)可以切換至全速運(yùn)行，避免停產(chǎn)；晶閘管串級調(diào)速功率因數(shù)偏低，諧波影響較大。本方法適合于風(fēng)機(jī)、水泵及軋鋼機(jī)、礦井提升機(jī)、擠壓機(jī)上使用。 四、繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法 繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串入附加電阻，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大，電動機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。串入的電阻越大，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速越低。此方法設(shè)備簡

17、單，控制方便，但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上，屬有級調(diào)速，機(jī)械特性較軟。 五、定子調(diào)壓調(diào)速方法 當(dāng)改變電動機(jī)的定子電壓時(shí)，可以得到一組不同的機(jī)械特性曲線，從而獲得不同轉(zhuǎn)速。由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，因此最大轉(zhuǎn)矩下降很多，其調(diào)速范圍較小，使一般籠型電動機(jī)難以應(yīng)用。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，調(diào)壓調(diào)速應(yīng)采用轉(zhuǎn)子的電阻值大的籠型電動機(jī)，如專供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動機(jī)，或者在繞線式電動機(jī)上串聯(lián)壓敏電阻,調(diào)壓調(diào)速一般適用于 100KW 以下的生產(chǎn)機(jī)械。 六、電磁調(diào)速電動機(jī)調(diào)速方法 電磁調(diào)速電動機(jī)由籠型電動機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器和直流勵(lì)磁電源三部分組成。直流勵(lì)磁電源功率較小，通常由單相半波或全波晶閘管整流器組

18、成，改變晶閘管的導(dǎo)通角，可以改變勵(lì)磁電流的大小。電磁調(diào)速電動機(jī)的調(diào)速特點(diǎn)：裝置結(jié)構(gòu)及控制線路簡單、運(yùn)行可靠、維修方便；調(diào)速平滑、無級調(diào)速；對電網(wǎng)無諧波影響；速度失大、效率低。本方法適用于中、小功率，要求平滑動、短時(shí)低速運(yùn)行的生產(chǎn)機(jī)械。1.3 研究的目標(biāo)和內(nèi)容 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，以微處理器為核心的全數(shù)字化控制電路已被廣泛采用。ARM 處理器因其具有卓越的性能和顯著優(yōu)點(diǎn)，已成為高性能、低功耗、低成本嵌入式處理器的代名詞。一些基于 ARM7 內(nèi)核的微控制器都可支持 DSP 運(yùn)算并能夠達(dá)到較高的運(yùn)算指標(biāo)，用 32 位微控制器作為整個(gè)系統(tǒng)的 CPU，能夠彌補(bǔ)單DSP 芯片在控制方面的不足，節(jié)約成

19、本并降低系統(tǒng)的復(fù)雜性。同時(shí)，在一定程度上可取代由 8 位和 16 位單片機(jī)構(gòu)成的雙 CPU 控制的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，在低成本的變頻調(diào)速系統(tǒng)中有著良好的發(fā)展前景。本論文的題目是基于 ARM7 的計(jì)算機(jī)數(shù)字調(diào)速實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 。系統(tǒng)以 Philips 公司 LPC2292 為控制核心，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)字化 PWM 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究。本文的主要內(nèi)容: 以Philips 公司LPC2292為處理器設(shè)計(jì)控制電路，它包括SPWM模塊、驅(qū)動模塊、轉(zhuǎn)速檢測和顯示模塊等。 基于ARM7平臺用C語言編制程序?qū)崿F(xiàn)三相正弦波SPWM脈寬調(diào)制，生成PWM波并實(shí)現(xiàn)對異步電機(jī)的變頻調(diào)速，并檢驗(yàn)硬件電路的可靠性。第 2 章

20、 變頻調(diào)速的發(fā)展和優(yōu)勢 2.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望2.1.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，有兩條顯著的相互交織的主線：能源和環(huán)境。能源的緊張不僅制約了相當(dāng)多發(fā)展中國家的經(jīng)濟(jì)增長，也為許多發(fā)達(dá)國家?guī)砹讼喈?dāng)大的問題。能源集中的地方也往往成為全世界所關(guān)注的熱點(diǎn)地區(qū)。而能源的開發(fā)與利用又對環(huán)境的保護(hù)有著重大影響。全球變暖、酸雨等一系列環(huán)境災(zāi)難都與能源的開發(fā)與利用有關(guān)。 能源工業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，對于社會、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高都極為重要。在高速增長的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，中國能源工業(yè)面臨經(jīng)濟(jì)增長與環(huán)境保護(hù)的雙重壓力。有資料表明，受資金、技術(shù)、能源價(jià)格的影響，中國能源利

21、用效率比發(fā)達(dá)國家低很多。90年代中國高耗能產(chǎn)品的耗能量一般比發(fā)達(dá)國家高12%-55%左右，90%以上的能源在開采、加工轉(zhuǎn)換、儲運(yùn)和終端利用過程中損失和浪費(fèi)。如果進(jìn)行單位GNP能耗（噸標(biāo)準(zhǔn)煤/千美元）的國家比較（90年代中期），中國分別是瑞士、意大利、日本、法國、德國、英國、美國、加拿大的14.4倍、11.3倍、10.6倍、8.8倍、8.3倍、7.2倍、4.6倍、和4.2倍。1995年，中國火電廠煤耗為412克標(biāo)準(zhǔn)煤/kWh，是國際先進(jìn)水平的1.27倍。由此可見，對能源的有效利用在我國已經(jīng)非常迫切。作為能源消耗大戶之一的電機(jī)在節(jié)能方面是大有潛力可挖的。我國電機(jī)的總裝機(jī)容量已達(dá)4億千瓦，年耗電量達(dá)

22、6000億千瓦時(shí)，約占工業(yè)耗電量的80%。我國各類在用電機(jī)中，80%以上為0.55-220kW以下的中小型異步電動機(jī)。我國在用電機(jī)拖動系統(tǒng)的總體裝備水平僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家50年代水平。因此，在國家十五計(jì)劃中，電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能方面的投入將高達(dá)500億元左右，所以變頻調(diào)速系統(tǒng)在我國將有非常巨大的市場需求。目前，國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究非?；钴S，但是在產(chǎn)業(yè)化方面還不是很理想，市場的大部分還是被國外公司所占據(jù)。因此，為了加快國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，就需要對國際變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢和國內(nèi)的市場需求有一個(gè)全面的了解。 2.1.2 PWM 技術(shù)PWM控制是交流調(diào)速系統(tǒng)的控制核心，任何控制算法的最終實(shí)現(xiàn)幾乎都是以各

23、種PWM控制方式完成的。目前已經(jīng)提出并得到實(shí)際應(yīng)用的PWM控制方案就不下十幾種，關(guān)于PWM控制技術(shù)的文章在很多著名的電力電子國際會議上，如PESC，IECON，EPE年會上已形成專題。尤其是微處理器應(yīng)用于PWM技術(shù)并使之?dāng)?shù)字化以后，花樣是不斷翻新，從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦；從效率最優(yōu)，轉(zhuǎn)矩脈動最少，再到消除噪音等，PWM控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng)新和不斷完善的過程。到目前為止，還有新的方案不斷提出，進(jìn)一步證明這項(xiàng)技術(shù)的研究方興未艾。其中，空間矢量PWM技術(shù)以其電壓利用率高、控制算法簡單、電流諧波小等特點(diǎn)在交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用。2.1.3 高性

24、能交流調(diào)速系統(tǒng)V/f恒定、速度開環(huán)控制的通用變頻調(diào)速系統(tǒng)和滑差頻率速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，基本上解決了異步電機(jī)平滑調(diào)速的問題。然而，當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能提出更高要求時(shí)，上述系統(tǒng)還是比直流調(diào)速系統(tǒng)略遜一籌。原因在于，其系統(tǒng)控制的規(guī)律是從異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)推導(dǎo)出穩(wěn)態(tài)值控制，完全不考慮過渡過程，系統(tǒng)在穩(wěn)定性、起動及低速時(shí)轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)等方面的性能尚不能令人滿意。考慮到異步電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過外加信號準(zhǔn)確控制電磁轉(zhuǎn)矩，但若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)，利用從靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換，則可以把定子電流中勵(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電

25、流分量變成標(biāo)量獨(dú)立開來，進(jìn)行分別控制。這樣，通過坐標(biāo)變換重建的電動機(jī)模型就可等效為一臺直流電動機(jī)，從而可像直流電動機(jī)那樣進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)矩和磁通控制即矢量控制。在交流調(diào)速的研究與制造過程中，硬件的設(shè)計(jì)與組裝占據(jù)了相當(dāng)大的比重。電機(jī)制造以及調(diào)速裝置的制造需要大批的技術(shù)熟練工人，對人員的素質(zhì)有一定要求。而國外相關(guān)產(chǎn)業(yè)的人工成本相對較高，在近十年內(nèi)，交流調(diào)速的制造業(yè)有可能向發(fā)展中國家轉(zhuǎn)移。對中國來說，這也是一個(gè)機(jī)遇，如果我們抓住這個(gè)機(jī)會，再利用本身的市場有利條件，有可能在我國形成交流調(diào)速系統(tǒng)的制造業(yè)中心，使我國工業(yè)上一個(gè)新的臺階。需要注意的是發(fā)達(dá)國家在高技術(shù)領(lǐng)域是不會輕易放棄的，他們非常注意核心技術(shù)及軟

26、件的保護(hù)和保密，為此，必須加大該領(lǐng)域的科研與開發(fā)的力度。2.2 交流變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)勢與應(yīng)用交流變頻調(diào)速的方法是異步電機(jī)最有發(fā)展前途的調(diào)速方法。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，性能可靠、匹配完善、價(jià)格便宜的變頻器會不斷出現(xiàn)，這一技術(shù)會得到更為廣泛、普遍的應(yīng)用。 對于可調(diào)速的電力拖動系統(tǒng)，工程上往往根據(jù)電動機(jī)電流形式分為直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)兩類。它們最大的不同之出主要在于交流電力拖動免除了改變直流電機(jī)電流流向變化的機(jī)械器件整流子。 20世紀(jì)70年代后，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，使得交流電力拖動系統(tǒng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、高的穩(wěn)速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動態(tài)響

27、應(yīng)以及在四象限作可逆運(yùn)行等良好的技術(shù)性能，在調(diào)速性能方面可以與直流電力拖動媲美。在交流調(diào)速技術(shù)中，變頻調(diào)速具有絕對優(yōu)勢，并且它的調(diào)速性能與可靠性不斷完善，價(jià)格不斷降低，特別是變頻調(diào)速節(jié)電效果明顯，而且易于實(shí)現(xiàn)過程自動化，深受工業(yè)行業(yè)的青睞。 2.2.1 交流變頻調(diào)速的優(yōu)異特性(1) 調(diào)速時(shí)平滑性好，效率高。低速時(shí)，相對穩(wěn)定性好。 (2) 調(diào)速范圍較大，精度高。 (3) 起動電流低，對系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊，節(jié)電效果明顯。 (4) 變頻器體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡便。(5) 易于實(shí)現(xiàn)過程自動化2.2.2 與其它調(diào)速方法的比較交流電動機(jī)的調(diào)速方法有三種：變極調(diào)速、改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速。其中，變頻

28、調(diào)速最具優(yōu)勢。這里僅就交流變頻調(diào)速系統(tǒng)與直流調(diào)速系統(tǒng)做一比較。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，由于直流電動機(jī)具有電刷和整流子，因而必須對其進(jìn)行檢查，電機(jī)安裝環(huán)境受到限制。例如：不能在有易爆氣體及塵埃多的場合使用。此外，也限制了電機(jī)向高轉(zhuǎn)速、大容量發(fā)展。而交流電機(jī)就不存在這些問題，主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)： 第一，直流電機(jī)的單機(jī)容量一般為12-14MW，還常制成雙電樞形式，而交流電機(jī)單機(jī)容量卻可以數(shù)倍于它。第二，直流電機(jī)由于受換向限制，其電樞電壓最高只能做到一千多伏，而交流電機(jī)可做到6-10kV。第三，直流電機(jī)受換向器部分機(jī)械強(qiáng)度的約束，其額定轉(zhuǎn)速隨電機(jī)額定功率而減小，一般僅為每分鐘數(shù)百轉(zhuǎn)到一千多轉(zhuǎn)，而交流電機(jī)的達(dá)

29、到每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)。第四，直流電機(jī)的體積、重量、價(jià)格要比同等容量的交流電機(jī)大。最后，特別要指出的是交流調(diào)速系統(tǒng)在節(jié)約能源方面有著很大的優(yōu)勢。一方面，交流拖動的負(fù)荷在總用電量中占一半或一半以上的比重，這類負(fù)荷實(shí)現(xiàn)節(jié)能，可以獲得十分可觀的節(jié)電效益。另一方面，交流拖動本身存在可以挖掘的節(jié)電潛力。在交流調(diào)速系統(tǒng)中，選用電機(jī)時(shí)往往留有一定余量，電機(jī)又不總是在最大負(fù)荷情況下運(yùn)行；如果利用變頻調(diào)速技術(shù)，輕載時(shí)，通過對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，就能達(dá)到節(jié)電的目的。工業(yè)上大量使用風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等，其用電量約占工業(yè)用電量的50%；如果采用變頻調(diào)速技術(shù)，既可大大提高其效率。第 3 章 變頻調(diào)速系統(tǒng)中脈寬調(diào)制波的產(chǎn)生 變頻調(diào)

30、速以其優(yōu)良的性能越來越受到矚目，而變壓變頻又是變頻調(diào)速系統(tǒng)中效率最高、性能最好的系統(tǒng).本文簡要介紹了變頻調(diào)速中正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)變壓變頻器的工作原理及正弦波脈寬調(diào)制波形的產(chǎn)生。 在進(jìn)行交流電機(jī)調(diào)速時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)速表達(dá)式：n=60*f(1-s)/p （3-1）(n ,f , a , p)分別為電動機(jī)轉(zhuǎn)速、定子電流頻率、轉(zhuǎn)差率和磁極對數(shù))可以看出，當(dāng)磁極對數(shù) P 保持不變時(shí)，改變電動機(jī)的供電電源頻率，就可以平滑連續(xù)地改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就是變頻調(diào)速。3.1 主電路和逆變電路工作原理 變頻調(diào)速實(shí)質(zhì)是給交流異步電動機(jī)提供頻率可控的電源。能實(shí)現(xiàn)這一功能的裝置稱為變頻器。變頻器由兩部分組成：主電路和控

31、制電路。其中主電路通常采用交-直-交方式，即先將交流電轉(zhuǎn)變成直流電，再將直流電轉(zhuǎn)變成頻率可調(diào)的矩形波交流電。圖 3-1 是主電路的原理圖，它是變頻器常用的最基本的格式。圖圖 3-1 電壓型交電壓型交-直直-交變頻調(diào)速主電路交變頻調(diào)速主電路1主電路中各元件的功能:交直電路 整流管 D1-D6 組成三相整流橋，對三相交流電進(jìn)行全波整流。整流后的直流電壓 U=1.35380V=513V （3-2）濾波電容 Cr 濾除整流后的電比波紋，并在負(fù)載變化時(shí)保持電壓平穩(wěn)。當(dāng)變頻器通電時(shí)，瞬時(shí)沖擊電流較大。為了保護(hù)電路元件，加上限流電阻。延時(shí)一段時(shí)間aR后，通過控制電路使開關(guān)瓜閉合，將限流電阻短路。電源指示燈

32、LP 除了指示電源通斷外，還可以在電源斷開時(shí)作為濾波電容放電通路和指示。濾波電容容量通常很大；所以放電的時(shí)間較長（數(shù)分鐘)，rCrC幾百伏的高電壓會威脅人員安全。因此，在維修時(shí)，要等指示燈熄滅后進(jìn)行。是cR制動電阻，電動機(jī)在制動過程中處于發(fā)電狀態(tài)。由于電路是處在斷開情況下，增加的電能無處釋放，使電路電壓不斷升高，將會損壞電路元件。所以、應(yīng)給一個(gè)放電通路，使這部分再比電流淚耗在電阻上。制動時(shí)，通過控制電路使外關(guān)管導(dǎo)遲，cRcT形成放電通路。直交電路逆變開關(guān)管 T1-T6 組成相逆受橋，將直流電逆變成頻率可調(diào)的矩形波交流電。逆變管可以選擇絕緣柵雙極晶體管 IGBT、功率場效應(yīng)管 MOSFET。續(xù)流

33、二極管 D7-D12 的作用是：當(dāng)逆變開關(guān)管 由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)榻刂箷r(shí)，雖然電壓突變降為零。但由于電動機(jī)線圈的電感作用，儲存在線曲中的電能開始釋放，續(xù)流二極管提供通道，維持電流繼續(xù)在線圈小流動。此外，當(dāng)電動機(jī)制動時(shí)續(xù)流二極管為再生電流提供通道。使其回流直流電源。電阻 R1-R6、電容 C1-C6、二極管 D13-D18 組成緩沖電路，來保護(hù)逆變開關(guān)管。由于開關(guān)管在開通和關(guān)斷時(shí)，要受集電極電流和集電極與發(fā)射極間電壓的沖擊，cIceV因此要緩沖電路進(jìn)行緩解。當(dāng)逆變開關(guān)管關(guān)斷時(shí)迅速升高，迅速降低，過高增ceVcI長率的電壓對逆變開關(guān)管造成危害，所以通過在逆變開關(guān)管兩端并聯(lián)電容(C1-C6)來減小電壓增長

34、率；逆變開關(guān)督開通時(shí)迅速降低，而則迅速升高，并聯(lián)在逆變開ceVcI關(guān)管兩端的電容 C1-C6 由于電壓降低。將通過逆變開關(guān)管放電，這將加速電流的cI增長率，造成逆變開關(guān)管的損壞；所以增加電阻 R1-R6，限制電容的放電電流?？墒钱?dāng)逆變開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，該電阻會阻止電容的充電。為了解決這個(gè)矛盾，在電阻兩端并聯(lián)二極管(D13-D18)，使電容在充電時(shí)避開電阻。通過二極管充電、在放電時(shí)，通過電阻放電，實(shí)現(xiàn)緩沖功能。圖 3-1 電路的缺點(diǎn)是增加了損耗，所以它只適用于中小功率變頻器。三相逆變橋的電路簡圖如圖 3-2(a)所示，因中 R、Y、B 為逆變橋的輸出。圖 3-2 (b)是各逆變管導(dǎo)通的時(shí)序，其中深色

35、部分表示逆變管導(dǎo)通。從圖 3-2 (c)可以看出，每一時(shí)刻總有 3 只逆變管導(dǎo)通，另 3 只逆變管關(guān)斷；并且，T1 與 T4、T2 與 T5、T3與 T6 每對逆變管都不能同時(shí)導(dǎo)通。圖圖 3-2 緩沖電路緩沖電路 (a) 電路簡圖電路簡圖 (b) 逆變管通斷時(shí)序逆變管通斷時(shí)序圖圖 3-3 三相逆變橋的工作原理三相逆變橋的工作原理在 t1 時(shí)間段，T1、T3、T5 這 3 只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從 R 到Y(jié) 和從 B 到 Y(設(shè)從 R 到 Y、從 Y 到 u、從 B 到 R 為正方向，下同)，得到線電壓為和-。RYUYBU在 t2 時(shí)間段，T1、T5、T6 這 3 只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)

36、線圈電流的方向是從 R 到Y(jié) 和從 R 到 B,得到的是線電壓為和-。RYUBRU 在 t3 時(shí)間段，T1、T2、T6 這 3 只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從 R 到B 和從 Y 到 B,得到的是線電壓為-和。BRUYBU在 t4 時(shí)間段，T2、T4、T6 這 3 只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從 Y 到R 和從 Y 到 B,得到的是線電壓為-和。RYUYBU在 t5 時(shí)間段，T2、T3、T4 這 3 只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從 Y 到R 和從 B 到 R,得到的是線電壓為-和。RYUBRU在 t6 時(shí)間段、T3、T4、T5 這 3 只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從 B

37、 到R 和從 B 到 Y,得到的是線電壓為和。BRUBYU圖圖 3-4 逆變輸出線電壓波形逆變輸出線電壓波形 線線電壓、和的波形見圖 3-4，從圖中可以看出。三者之間互差 120RYUYBUBRU度，它們的幅值是。0U 因此，只要按照圖 3-4(b)的規(guī)律控制 6 只逆變器的導(dǎo)通和關(guān)斷，就可以把直流電逆變成矩形波三相交流電；而矩形被三相交流電的頻率可在逆變時(shí)受到控制。 然而，矩形波不是正弦波，含有許多高次諧波成分將使交流異步電機(jī)產(chǎn)生發(fā)熱、力矩下降、振動噪聲等個(gè)利結(jié)果。為了使輸出的波形接近正弦波，可采用正弦脈寬調(diào)制波。3.2 變頻與變壓 頻率的改變必然引起電動機(jī)其他參數(shù)的變化，電動機(jī)參數(shù)的變化又

38、會影響電動機(jī)的性能，為了得到滿意的調(diào)速性能，通常有兩種變頻調(diào)速方式.若將定子電流頻率f 定為基頻，變頻調(diào)速時(shí)，將頻率從基頻向下調(diào)，稱為基頻向下變頻調(diào)速，若將頻率從基頻向上調(diào)，則稱為基頻向上變頻調(diào)速.三相異步電動機(jī)電壓和磁通的關(guān)系為 U=, k 為常數(shù)，U, f 和分別為異步電動機(jī)定子繞組電壓、電流頻率和磁通.若采mfkm用基頻向下調(diào)速，降低電源頻率的同時(shí)，應(yīng)同時(shí)降低電源電壓，否則將使磁通增m加，饑的增加必使電動機(jī)磁路過飽和，嚴(yán)重時(shí)將使繞組過熱而使電動機(jī)損壞.可見，在由基頻向下調(diào)速方式中，應(yīng)相應(yīng)地調(diào)節(jié)電源電壓，才能保持電動機(jī)原有性能可采用 U/f 二常數(shù)的控制方式，這時(shí)，電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩 M 基

39、本恒定，這種調(diào)速方式為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。在變頻控制電路中，最重要的是 PWM，所謂 PWM 就是由脈寬調(diào)制變換器組成的脈寬調(diào)速系統(tǒng).脈寬調(diào)制變換器的作用是用脈寬調(diào)制的方法，將恒定的電壓調(diào)制成寬度可變的脈沖電壓.而 SPWM 是正弦脈沖調(diào)制，就是用脈寬調(diào)制的方法，產(chǎn)生與正弦波等效的一系列等幅度但是等寬不等的矩形脈沖波形.等效正弦波的產(chǎn)生由正弦波脈寬調(diào)制變壓變頻器完成.正弦波脈寬調(diào)制變壓變頻器的原理是，交流電壓經(jīng)整流濾波后，形成恒定幅值的直流電壓，加到逆變器上，逆變器的功率開關(guān)元件采用全控式器件，按一定規(guī)律導(dǎo)通或斷開，使輸出端得到一系列寬度不等的矩形脈沖電壓波形，脈沖寬度不同，逆變器輸出交流基波電壓

40、的幅值也不相同，改變正弦波調(diào)制周期(或頻率)可以控制逆變器輸出不同頻率，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)變壓變頻。如圖 3-5 所示每個(gè)脈沖的寬度為 t1，相鄰脈沖的寬度 t2,t1+t2=T2(脈沖波周期)。則等寬脈沖的占空比=t1/(t1+t2) 。 調(diào)節(jié)占空比，就可以調(diào)節(jié)輸出的平均電壓；調(diào)節(jié) PWM 波的頻率 1/T1 了。就可以改變電源頻率，實(shí)現(xiàn)調(diào)速，通過控制電路，可以容易地實(shí)現(xiàn)對脈沖波的占空比和 PWM 波的頻率分別進(jìn)行調(diào)整。雖然實(shí)現(xiàn)了變頻與變壓，可是逆變電路輸出的電壓波形仍然是一組矩形波，而不是正弦波，仍然存在許多高次諧波的成分，因此還要近行改變。一種方法是將等寬的脈沖波轉(zhuǎn)變成寬度漸變的脈沖波，其寬度

41、變化規(guī)律應(yīng)符合正弦的變化規(guī)律，如圖 3-6 所示。我們把這樣的波稱為正弦脈寬調(diào)制波簡稱SPWM 波。SPWM 波能可以大大地減少諧波成分，可以得到基本滿意的驅(qū)動效果。 圖圖 3-5 含有等寬載波的脈寬調(diào)制波形的含有等寬載波的脈寬調(diào)制波形的 圖圖 3-6 SPWM 波形波形 產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制波 SPWM 的方法是：用一組等腰三角形波與一個(gè)正弦被進(jìn)行比較，如圖 3-7 所示，其相等的時(shí)刻(即交點(diǎn))作為開關(guān)管“開”或“關(guān)”的時(shí)刻。 將這組等腰三角形波稱為載波，而正弦波則稱為調(diào)制被。正弦波的頻率和幅值是可控制的如圖 3-7 所示，改變正弦波的頻率，就可以改變輸出電源的頻率，從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變正

42、弦被的幅值，也就改變了正弦波與載波的交點(diǎn)，使輸出脈沖系列的寬度發(fā)生變化，從而改變了輸出電壓。 對三相逆變開關(guān)管生成 SPWM 波的控制可以有兩種力方式：一種是單極性控制另一種是雙極性控制。圖圖 3-7 SPWM 波生成方法波生成方法 采用單極性控制時(shí)，每半個(gè)周期內(nèi)，逆變橋的同一橋臂的上、下兩只逆變開關(guān)管中，只有一只逆變開關(guān)管按圖 3-8 的規(guī)律反復(fù)通斷。而另一只逆變開關(guān)管則始終關(guān)斷；在另外半個(gè)周期內(nèi)，兩只逆變開關(guān)管的工作狀態(tài)正好相反。 三相逆變器中的 6 只逆變開關(guān)管的工作狀態(tài)仍然可以用圖 3-3(b)進(jìn)行描述。圖中深色的部分是逆變開關(guān)管按圖 3-7 的規(guī)律進(jìn)行開通與關(guān)斷的時(shí)間，而空白部分則是

43、逆變開關(guān)管關(guān)斷的時(shí)間。例如，T1 開關(guān)管在 t1、t2、t3 時(shí)間段中按 SPWM 波的規(guī)律進(jìn)行開通和關(guān)斷，在 t4、t5、t6 時(shí)間段則全關(guān)斷；同一橋臂的 T4 開關(guān)管正好相反在 t1、t2、t3 時(shí)間段全關(guān)斷，而在 t4、t5、t6 時(shí)間段則按 SPWM 波的規(guī)律進(jìn)行開通和關(guān)斷。三只電橋臂的工作規(guī)律都相同，只是在相位上相差。如圖 3-8 所0120示，采用雙極性控制時(shí)，在全部周期內(nèi)，同一橋臂的上、下兩只逆變開關(guān)管交替開通與關(guān)斷形成互補(bǔ)的工作方式。 圖 3-8(a)表示了三相調(diào)制波與等腰三角形載波的關(guān)系。三相調(diào)制波是由、RU、 3 條正弦波組成，其頻率和幅值都一樣，但在相位上相差 120。每

44、一條正YUBU弦波與等腰三角形載波的交點(diǎn)決定了同一橋臂(也即同一相)肋逆變開關(guān)管的開通與關(guān)斷的時(shí)間。例如：與三角波的交點(diǎn)決定了 T1 與 T4 的開通與關(guān)斷的時(shí)間。RU 圖 3-8(b)、(c)、(d)表示了各相電壓、輸出的波形 d 它們分別是各橋RUYUBU臂 按照對應(yīng)的正弦波與三角載波交點(diǎn)所決定的時(shí)間，進(jìn)行“開”與“關(guān)”所產(chǎn)生的輸出波形。其波 值正負(fù)交替這就是所謂雙極性，其中上臂開關(guān)管 產(chǎn)生正脈沖下臂開關(guān)管 產(chǎn)生負(fù)脈沖。它們的最大 幅值是土 U2。同樣，三相相電壓波形的相位也互差 120。圖 3-8(e)是線電壓輸出波形它是由相電壓合成的(，同RYURYURUYU理也可以得到，)。線電壓是

45、單極性的。YBUYUBUBRUBURU (a) 三相調(diào)制波與三角載波 （b）R 相相電壓波形 (c) Y 相相電壓波形(d) B 相相電壓波形 (e) 線電壓波形RYU圖圖 3-8 三相逆變器輸出雙極式三相逆變器輸出雙極式 SPWM 波形圖波形圖3.3 SPWM 的控制模式及其實(shí)現(xiàn)SPWM 的控制就是根據(jù)三角載波與正弦調(diào)制波的交點(diǎn)來確定逆變器功率開關(guān)期間的開關(guān)時(shí)刻，可以用模擬、數(shù)字電子電路或?qū)Ｓ玫拇笠?guī)模集成電路芯片等硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用微型計(jì)算機(jī)通過軟件生成 SPWM 波形。后者由于所用元件少，控制線路簡單，控制精度高而日益被人們采納。根據(jù) SPWM 逆變器的工作原理，三角載波變化一個(gè)周期之間，

46、它與正弦波相交兩次，相應(yīng)的逆變器功率器件導(dǎo)通與關(guān)斷一次。要準(zhǔn)確地生成 SPWM 波形，就得盡量精確地計(jì)算功率器件的導(dǎo)通時(shí)刻和關(guān)斷時(shí)刻。根據(jù)采樣時(shí)刻的選擇方式不同，可以分為自然采樣法、規(guī)則采樣法和等面積采樣法。1、自然采樣法按照正弦波與三角波的交點(diǎn)進(jìn)行脈沖寬度與間隙時(shí)間（功率器件關(guān)斷區(qū)間）的采樣，從而生成 SPWM 波形，叫做自然采樣法。自然采樣法能準(zhǔn)確地生成 SPWM 正弦波脈寬調(diào)制波形。但是由于求解脈沖寬度時(shí)，需要解超越方程，求解費(fèi)時(shí)較長，實(shí)時(shí)性差，工程應(yīng)用中常采用規(guī)則采樣法。2、規(guī)則采樣法為簡化計(jì)算量，將脈沖中點(diǎn)與三角波中點(diǎn)重合，即使每個(gè)脈沖關(guān)于三角波峰點(diǎn)左右對稱，這樣會使計(jì)算工作量大為減

47、少。規(guī)則采樣可以對三角波正峰值和負(fù)峰值時(shí)刻采樣，對正峰值采樣，脈沖寬度明顯偏小控制誤差大，因而人們普遍采用負(fù)峰值采樣。如圖 3-9，在三角波負(fù)峰值時(shí)刻對正弦波采樣，以該時(shí)刻的采樣值過 D Dt點(diǎn)做一水平線，水平線與三角波的交點(diǎn)分別為 A 和 B，對應(yīng)的時(shí)刻分別為和，AtBt在、時(shí)刻控制功率開關(guān)器件的通斷，可以得到這種規(guī)則調(diào)制下的脈沖。這種調(diào)AtBt制得到的脈沖同自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近，時(shí)間上略有差異。圖圖 3-9 生成生成 SPWM 波形的規(guī)則采樣法波形的規(guī)則采樣法由圖 3-9 可得到下列關(guān)系式 ： （3-3） )sin(2dcthMhhT在（3-3）式中為三角載波的周期，h 為三角

48、載波的幅值。由此可以求出脈沖寬度Ct （3-4）)sin(1 (2DCtMT可以看出負(fù)峰值時(shí)刻即采樣點(diǎn)時(shí)刻只與載波比 N 有關(guān)，而與調(diào)制比 M 無Dt關(guān)。在圖 3-9 中， = k k=0，1，2 ，N-1。則 = 2/ N ，從而（3-4）式可DtCtCt具體化為： （3-5）)2sin(1(2NkMTC在三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊的間隙寬度： （3-6）)2sin(1(4)(21/NkMTTCC對于三相橋式逆變電路，應(yīng)該形成三相 SPWM 波形，通常三角載波是三相公用的，三相正弦調(diào)制波依次相差 120。設(shè)在同一個(gè)三角波周期內(nèi)三相的脈沖寬度分別為、，其間隙寬度分別為、，由于在同一時(shí)刻三相正弦調(diào)

49、abca/b/c/制波電壓之和為零，故由（3-6）式有： （3-7）CcbaT23同理有： （3-8）CcbaT43/這樣在實(shí)際變頻裝置開發(fā)中，可以利用微機(jī)計(jì)算出 A 相波形所需的數(shù)據(jù)和a，在編制控制程序式中采用移相的方法就可以得到所有的三相 SPWM 波形數(shù)據(jù)。a/3.4 SPWM 技術(shù)的發(fā)展近幾年，人們對 SPWM 逆變器的控制模式研究有很多，提出了許多方法下面介紹幾種比較實(shí)用的 SPWM 技術(shù)。1、指定諧波消除法在指定諧波消除法中，逆變器的輸出電壓仍是一組等幅不等寬的脈沖波，而且是半個(gè)周期對稱的。但它們并非是由三角載波與正弦調(diào)制波的交點(diǎn)形成，而是從消除某些指定次數(shù)的諧波出發(fā)，通過計(jì)算，來

50、確定各個(gè)脈沖的開關(guān)時(shí)刻。以圖 3-10 所示的簡單電壓波形為例，說明指定諧波消除法的原理。這是一個(gè)半周期內(nèi)只有三個(gè)脈沖波的單極式 SPWM 波形。如要求逆變器輸出的基波電壓幅值為 U1 ，并要求消除五次和七次諧波電壓，三相電動機(jī)無中線時(shí)，三次和三次諧波的倍數(shù)次諧波可以忽略。為此適當(dāng)?shù)倪x取脈寬開關(guān)時(shí)刻 a1、a2、a3。圖圖 3-10 三相脈沖的單極式三相脈沖的單極式 SPWM 波形波形如把時(shí)間坐標(biāo)原點(diǎn)取在 1/4 周期處，則 SPWM 電壓波形的傅氏級數(shù)可寫作： (3-11)tkUtUkkm11cos)(式中是第 k 次諧波的幅值，可表達(dá)為：kmU (3-12)(cos)(2110ttdktu

51、Ukm根據(jù)圖 3-10 所示波形，可得出： (3-13)sinsin(sin23211SmUU (3-14)0)sin55sin5(sin523215SmUU (3-15)0)sin77sin7(sin723217SmUU求解以上三個(gè)方程組就可以得到為了消除五次和七次諧波所應(yīng)有的各脈沖波開關(guān)時(shí)刻 a1、a2、a3。為了消除更高次諧波，就的用更多的方程來求解更多的開關(guān)時(shí)刻，也就是說要在一個(gè)周期內(nèi)有更多的脈沖波才能更好地抑制與消除輸出電壓中的諧波成分。在控制方式上，這種方法并不依賴于三角載波與正弦調(diào)制波的比較，一般用離線的迭代計(jì)算法求出不同輸出頻率下各開關(guān)角的數(shù)值解，放入微機(jī)內(nèi)存，以備控制時(shí)取用。

52、2、移相式 SPWM 技術(shù)在許多大功率，特大功率應(yīng)用場合，如高壓直流輸電（HVDC） 、靜止無功補(bǔ)償（SVC） 、大功率交流電機(jī)調(diào)速等場合，由于特大功率可關(guān)斷器件的開關(guān)頻率上限很低，而低開關(guān)頻率的 SPWM 技術(shù)將產(chǎn)生大量諧波，為此人們提出了一種新的SPWM 技術(shù)，將多重化技術(shù)和 SPWM 技術(shù)結(jié)合起來，形成移相式 SPWM 技術(shù)，其基本思想是：在多重化為 Lx 的組合裝置中使用共同的調(diào)制波（周期還是 2） ，并將各裝置中的三角載波（頻率為）相位相互錯(cuò)開 2/(Lx)角度，利用 SPWM 技術(shù)cfcf中的波形生成方式和多重化技術(shù)中的波形疊加結(jié)構(gòu)產(chǎn)生移相式 SPWM 波形。雖然每臺變流器載波頻率

53、很低，但整個(gè)組合變流器輸出等效于開關(guān)頻率很高或者說載波頻率很高的 SPWM 變流器。在圖 3-11 上部圖形是 5 組移相的三角波和調(diào)制波信號，中部圖形是 5 個(gè)模塊輸出的二邏輯 PWM 波形，下部圖形是 5 個(gè)二邏輯 SPWM 波形之和。圖圖 3-11 移相式二邏輯移相式二邏輯 SPWM 波形合成波形合成由于移相式 SPWM 多重化的是以自然采樣 SPWM 技術(shù)為基礎(chǔ)的多重化結(jié)構(gòu)，可以直接引用許多改進(jìn)的 SPWM 方法。它保持了原技術(shù)中優(yōu)異的控制性能，使傳統(tǒng)多重化結(jié)構(gòu)的單調(diào)控制方式得到極大地?cái)U(kuò)充。在多重化電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用中，各單元發(fā)出的基波同幅、同相，可以共用整流裝置，疊加后的波形中完

54、全抵消了低次諧波，極大地改善了電機(jī)的工作條件。第 4 章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)基于 SPWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如圖 4-1 所示，本系統(tǒng)以 Philips 公司的LPC2292 單片機(jī)構(gòu)成的 SPWM 控制電路為控制核心，主要由整流器、濾波環(huán)節(jié)、逆變器、檢測環(huán)節(jié)及控制回路組成。系統(tǒng)主電路采用交-直-交電壓源型變頻器結(jié)構(gòu)，采用 SPWM 變頻技術(shù)。本章只就其硬件部分進(jìn)行介紹。系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)主要包括了主電路的設(shè)計(jì)、保護(hù)電路設(shè)計(jì)及控制電路的設(shè)計(jì)。 4.1 飛利浦 LPC2292 開發(fā)板ARM微控制器LPC2292的特點(diǎn)：Philips 公司的LPC2292是一款基于16/32位ARM7TDMI-

55、S的微控制器。芯片采用144腳封裝，有16kB片內(nèi)靜態(tài)RAM，開放外部總線;通過外部存儲器接口可將外部存儲器配置成4組，每組的容量高達(dá)16MB,數(shù)據(jù)寬度8/16/32位均可；具有多個(gè)32位定時(shí)器，8路10位PWM輸出，多個(gè)串行接口(包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DART，高速接口和2個(gè)SPI接口)以及9個(gè)外部中斷，多達(dá)76個(gè)CI2可承受5V電壓的通用I/O口，同時(shí)內(nèi)嵌實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門狗，片內(nèi)外設(shè)功能豐富強(qiáng)大;片內(nèi)晶振頻率范圍1-30 MHz，通過片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)最大為60 MHz的CPU工作頻率；具有2種低功耗模式：空閑和掉電，通過外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒，并可通過個(gè)別使能/禁止外部功能來

56、優(yōu)化功耗川。4.1.1 硬件與接口配置 CPU：采用世界首款可加密的總線開放的ARM芯片PHILIPS LPC2292，ARM7TDMI-S，內(nèi)核時(shí)鐘60MHz，工業(yè)級（-4085） ，LQFP144封裝。 MEM：SRAM：片內(nèi)16KB，片外256KB（128Kbit x 16） ，片外SRAM可擴(kuò)充。 FLASH： 256KB零等待的片內(nèi)Flash存儲器，128位寬度接口/加速器可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60MHz工作頻率。4MB/2MB片外16位數(shù)據(jù)總線寬度Flash存儲器。外圍設(shè)備： 串口：2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)9針RS232接口，一個(gè)支持3線，另外一個(gè)支持9線full-modem控制信號(JP6、JP5)。 網(wǎng)口

57、：RTL8019AS擴(kuò)展的10M標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口1個(gè)（JP12） 。 USB口：PDIUSBD12擴(kuò)展的USB DEVICE，支持USB 1.1協(xié)議，1個(gè)D型座(JP9)。 LCD口：LCD控制器可控制分辨率為320 x240的偽彩（DSTN）256色液晶，及各種單色、灰度的LCD屏。 LED數(shù)碼管：2個(gè)七段LED數(shù)碼管（DS1、DS2） LED：4個(gè)發(fā)光二極管，通過I/O口來控制（D7D10） 。 CAN口：2個(gè)CAN bus總線接口（JP11） JTAG調(diào)試口：標(biāo)準(zhǔn)20針JTAG口，可用于連接系列ARM仿真器調(diào)試techorICE(JP7) BEEP：1個(gè)蜂鳴器（B1） 按鍵：板上4按鍵，用

58、戶捕獲I/O輸入（SW1SW4） 。 復(fù)位鍵：系統(tǒng)復(fù)位按鍵（SW5） 。 電源：6V 500mA直流輸入，內(nèi)正 外負(fù)。 測試和擴(kuò)展口：CPU四周4個(gè)排線引出CPU的所有引腳，供測試和擴(kuò)展（堆疊）其他模塊用（JP1JP4） 。可選購的總線堆疊式擴(kuò)展模塊。 讀卡器擴(kuò)展模塊：可讀寫 SD、MMC、CF、Memory Stick 等 FLASH 存儲卡并在在不斷擴(kuò)充中。硬盤/光盤擴(kuò)展模塊：IDE 接口連接硬盤、光盤、MO、CF 存儲卡等等海量存儲設(shè)備 。無線連接擴(kuò)展模塊： GPRS 模塊、CDMA 模塊、和 802.11 模塊，可以無線連接 GSM、CDMA 和無線局域網(wǎng)絡(luò)。片內(nèi)資源實(shí)驗(yàn)?zāi)K：供試驗(yàn)片

59、內(nèi)沒有引出在母板上的其他部件用，支持SPI、IIC、ADC、TIMER 等等。 LCD 擴(kuò)展模塊：現(xiàn)在可供 5.7 寸 256 色 DSTN 彩屏。軟件包:一、uC/OS-II 全套軟件源碼包，內(nèi)容包括： 針對該板子完全移植好的 uC/OS-II 源碼樹 板子上所有設(shè)備的源碼級驅(qū)動程序軟件包 數(shù)據(jù)隊(duì)列軟件包 串口驅(qū)動軟件包 MODEM 接口軟件包 SPI 總線軟件包 總線軟件包CI2 TEK/FS V1.0 版本文件管理系統(tǒng)軟件包 TEK/GUI 圖形用戶界面軟件包 TEK/IP TCP/IP 軟件包 TEK/PPP 協(xié)議軟件包 TEK/CF CF 卡及其 IDE 硬盤軟件包 TEK/USB

60、固件程序及其驅(qū)動程序軟件包二、 可選購的堆疊式擴(kuò)展模塊的 UC/OS-II 軟件包三、軟件包linuxUC 源碼包bootloader 板子上所有設(shè)備的源碼驅(qū)動程序軟件包 文件系統(tǒng)源碼包 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與應(yīng)用源碼包 文件系統(tǒng)源碼rootfs4.2 主回路的設(shè)計(jì)圖圖 4-1 變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件框變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件框系統(tǒng)采用的是交-直-交變壓變頻，整流電路由不可控的二極管三相整流橋組成，逆變采用PWM方式，選用的是IRFP450功率場效應(yīng)管，由這六個(gè)功率場效應(yīng)管組成逆變電路。384V的電壓經(jīng)過六個(gè)二極管(D1-D6)的全波整流變?yōu)橹绷?。電解電容C1和C2為整流濾波電容，同時(shí)為逆變器負(fù)載和直流電源之間的無功功