1、畢業設計(論文) 題 目 三相正弦波變頻電源仿真設計專 業 電氣工程及其自動化 班 級 4012 姓 名 付啟兵 指導教師 李玉梅 二九年六月二十日 目錄第一章 變頻器概述1.1. 變頻電源的原理.31.2. 變頻電源的特點及應用.31.3. matlab簡介及仿真技術41.4. matlab仿真技術在電力電子中的應用61.5. 本論文完成內容.8第二章 變頻器硬件設計2.1 整流單元及供電電源.92.2 逆變輸出裝置及其驅動電路.102.3 濾波輸出及過壓過流缺相檢測與保護142.4 變頻電源的控制17第三章 變頻器軟件設計3.1 控制模塊設計.21第四章 變頻器的matlab仿真4.1 m

2、atlab在電力電子中的應用.251電力系統工具箱.252 matlab在變頻器中應用及仿真框圖27第五章 結語.34摘要:本文采用matlab對變頻電源進行系統分析。基于simulink做了系統仿真，并做了原理性的論證。硬件部分采用it公司的低功耗單片機msp430f149作為主控器件，ir2130驅動3相功率管。控制方式采用傳統的spwm，用spwm專用集成芯片sm2001產生spwm信號以控制ir2130的通斷。系統采用pi反饋控制使硬件系統具良好的穩壓功能。另外本文在硬件設計中對變頻電源的過流，過壓，缺相等保護功能進行了闡述。第一章 變頻器概述由于我國市電頻率固定為50 hz，因而對于

3、一些要求頻率大于或小于50 hz的應用場合，則必須設計一個能改變頻率的變頻電源系統。目前最常用的是三相正弦波變頻電源。該電源系統主要由整流、逆變、控制回路3部分組成。其中，整流部分用以實現acdc的轉換；逆變部分用以實現dcac的轉換；而控制回路用以調節電源系統輸出信號的頻率和幅值。1-1 變頻電源的原理經過acdcac變換的逆變電源稱為變頻電源，它有別于用于電機調速用的變頻調速控制器，也有別于普通交流穩壓電源。變頻電源的主要功用是將現有交流電網電源變換成所需頻率的穩定的純凈的正弦波電源。理想的交流電源的特點是頻率穩定、電壓穩定、內阻等于零、電壓波形為純正弦波（無失真）。變頻電源十分接近于理想

4、交流電源，因此，先進發達國家越來越多地將變頻電源用作標準供電電源，以便為用電器提供最優良的供電環境，便于客觀考核用電器的技術性能。 變頻電源主要有二大種類：線性放大型和pwm開關型 hy系列程控變頻電源，以微處理器為核心，以多脈寬調制(mpwm)方式制作,用主動元件igbt模塊設計，采用數字分頻、d/a轉換、瞬時值反饋、正弦脈寬調制等技術, 使單機容量可達100kva, 以隔離變壓器輸出來增加整機穩定性, 具有負載適應性強、輸出波形品質好、操作簡便、體積小、重量輕等特點，具有短路、過流、過載、過熱等保護功能，以保證電源可靠運行。現在使用的變頻電源主要采用交一直一交方式,先把工頻交流電源通過整流

5、器轉換成直流電源,然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源.變頻電源的電路一般由整流、中間直流環節、逆變和控制4個部分組成.整流部分為單相或三相橋式不可控整流器,逆變部分為igbt三相橋式逆變器,且輸出為pwm波形,中間直流環節為濾波、直流儲能和緩沖無功功率.變頻電源的主電路大體上可分為兩類，分別為電壓型和電流型。電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器,直流回路的濾波器件是電容；電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器,其直流回路濾波器件是電感。1-2 變頻電源的特點及應用20世紀70年代后，大規模集成電路和計算機控制技術的發展，以及現代控制理論的應用，使得交流電力拖動系統逐步具備

6、了寬的調速范圍、高的穩速范圍、高的穩速精度、快的動態響應以及在四象限作可逆運行等良好的技術性能，在調速性能方面可以與直流電力拖動媲美。在交流調速技術中，變頻調速具有絕對優勢，并且它的調速性能與可靠性不斷完善，價格不斷降低，特別是變頻調速節電效果明顯，而且易于實現過程自動化，深受工業行業的青睞。交流變頻電源調速技術在工業發達國已得到廣泛應用。美國有60% - 65%的發電量用于電機驅動，由于有效地利用了變頻調速技術，僅工業傳動用電就節約了15% - 20%的電量。采用變頻電源調速，一是根據要求調速用，二是節能。其得到廣泛應用主要基于交流變頻調速的優異特性。(1) 變頻調速系統自身損耗小，工作效率

7、高。(2) 電機總是保持在低轉差率運行狀態，減小轉子損耗。(3) 可實現軟啟、制動功能，減小啟動電流沖擊，節電效果明顯。(4) 調速時平滑性好，效率高。低速時，特性靜關率較高，相對穩定性好。(5) 調速范圍較大，精度高。(6) 變頻電源體積小，便于安裝、調試、維修簡便。(7) 易于實現過程自動化。(8) 在恒轉矩調速時，低速段電動機的過載能力大為降低。交流電動機的調速方法有三種：變極調速、改變轉差率調速和變頻調速。其中，變頻調速最具優勢。交流拖動本身存在可以挖掘的節電潛力。在交流調速系統中，選用電機時往往留有一定余量，電機又不總是在最大負荷情況下運行；如果利用變頻電源調速技術，輕載時，通過對電

8、機轉速進行控制，就能達到節電的目的。工業上大量使用風機、水泵、壓縮機等，其用電量約占工業用電量的50%；如果采用變頻電源調速技術，既可大大提高其效率，又可減少10%的電能消耗。另外變頻電源也用作制造或出口貿易商對出口電器產品的用電檢測、調試及用于精密儀器的供電電源。廣泛應用于家電制造業、電機、電子制造業、it產業、電腦設備、實驗室等。 家電業制造商如：空調設備、咖啡機、洗衣機、榨汁機、微波爐、收錄音機、冰箱、dvd、洗塵器、電動剃須刀等產品的測試電源。 電機、電子業制造商如：交換式電源供應器、變壓器、電子安定器、ac風扇、不斷電系統、充電器、繼電器、壓縮機、馬達、被動元件等產品的測試電源。 i

9、t產業及電腦設備制造商如：傳真機、影印機、碎紙機、印表機、掃描器、燒錄機、伺服器、顯示器等產品的測試電源。 實驗室及測試單位如：交流電源測試、產品壽命及安全測試、電磁相容測試、oqc（fqc）測試、產品測試及研發、研究單位最佳交流電源。 航空/軍事單位如：機場地面設施、船舶、航天、軍事研究所等的測試電源。 鐵路、高速公路：25hz、靜頻信號電源。1-3 matlab簡介及仿真技術matlab 是美國mathworks公司出品的商業數學軟件，是當今國際上科學界（尤其是自動控制領域）最具影響力、也是最有活力的軟件。該軟件是一個交互式系統，它的基本數據元素是矩陣，且不需要指定大小。通過它可以解決很多

10、技術計算問題，尤其是帶有矩陣和矢量公式推導的問題，有時還能寫入非交互式語言如c和fortran等。廣泛用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，主要包括matlab和simulink兩大部分。matlab 的應用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統設計、測試和測量、財務建模和分析以及計算生物學等眾多應用領域。附加的工具箱（單獨提供的專用 matlab 函數集）擴展了 matlab 環境，以解決這些應用領域內特定類型的問題。matlab具有起點高，人機界面適合科技人員，強大而簡易的做圖功能，智能化程度高和功能豐富，可擴展性強的優點。它提供了強大的科學

11、運算、靈活的程序設計流程、高質量的圖形可視化與界面設計、便捷的與其他程序和語言接口的功能。matlab 語言在各國高校與研究單位起著重大的作用。matlab以矩陣作為基本編程單元，它提供了各種矩陣的運算與作，并有較強的繪圖功能。matlab集科學計算、圖像處理、聲音處理于一身，是一個高度的集成系統，有良好的用戶界面，并有良好的幫助功能。matlab不僅流行于控制界，在機械工程、生物工程、語音處理、圖像處理、信號分析、計算機技術等各行各業中都有極廣泛的應用。 1. simulink自mathworks公司于1998年推出了matlab5.2版以后，在simulink中就開始增加了psb模塊集，它

12、主要由加拿大的hydro quebec和tecsim internation-al公司共同開發的，其功能非常強大，可以用于電路、電力電子系統、電機系統、電力傳輸等過程的仿真，它提供了一種類似電路建模的方式進行模型繪制，在仿真前會自動將其變成狀態方程描述系統形式，然后在simulink下進行仿真分析。 simulink是用于仿真建模及分析動態系統的一組程序包，它支持線形和非線性系統，能在連續時間，離散時間或兩者的復合情況下建模。系統也能采用復合速率，也就是用不同的部分用不同的速率來采樣和更新。simulin提供一個圖形化用戶界面用于建模，用鼠標拖拉塊狀圖表即可完成建模。在此界面下能像用鉛筆在紙上

13、一樣畫模型。它與傳統的仿真軟件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優點。simulink擁有全面的庫，如接收器，信號源，線形及非線形組塊和連接器。同時也能自己定義和建立自己的塊。模塊有等級之分，因此可以由頂層往下的步驟也可以選擇從底層往上建模。可以在高層上統觀系統，然后雙擊模塊來觀看下一層的模型細節。這種途徑可以深入了解模型的組織和模塊之間的相互作用。在定義了一個模型后，就可以進行仿真了，用綜合方法的選擇或用simulink的菜單或matlab命令窗口的命令鍵入。菜單的獨特性便于交互式工作，當然命令行對于運行仿真的分支是很有用的。使用scopes或其他顯示模塊就可在模擬運行時

14、看到模擬結果。進一步，可以改變其中的參數同時可以立即看到結果的改變，仿真結果可以放到matlab工作空間來做后處理和可視化。上作均為所見即可得方式，用拖曳方式即可完成，同時支持鼠標右鍵快捷方式，對于復雜的交流電路，電力電子電路，動態電路和電氣傳動系統的仿真分析，無需編程，更感方便，可以節省大量的計算時間和耗材，大大提高了工作效率。模型分析工具包括線性化工具和微調工具，它們可以從matlab命令行直接訪問，同時還有很多matlab的toolboxes中的工具。因為matlab和simulink是一體的，所以可以仿真，分析，修改模型在兩者中的任一環境中進行，讓用戶更為方便。2. 系統仿真技術概述系

15、統是由客觀世界中實體與實體間的相互作用和相互依賴關系構成的具有某種特定功能的有機整體。系統的分類方法是多種多樣的，習慣上依照其應用范圍可以將系統分為工程系統和非工程系統。工程系統的含義是指由相互關聯部件組成的一個整體，以實現特定的目的。例如電機驅動自動控制系統是由執行部件、功率轉換部件、檢測部件所組成，用它來完成電機的轉速、位置和其他參數控制的某個特定目標。非工程系統的定義范圍很廣，大至宇宙，小至原子，只要存在著相互關聯、相互制約的關系，形成一個整體，實現某種目的的均可以認為是系統。如果想定量地研究系統地行為，可以將其本身的特性及內部的相互關系抽象出來，構造出系統的模型。系統的模型分為物理模型

16、和數學模型。由于計算機技術的迅速發展和廣泛應用，數學模型的應用越來越普遍。系統的數學模型是描述系統動態特性的數學表達式，用來表示系統運動過程中的各個量的關系，是分析、設計系統的依據。從它所描述系統的運動性質和數學工具來分，又可以分為連續系統、離散時間系統、離散事件系統、混雜系統等。還可細分為線性、非線性、定常、時變、集中參數、分布參數、確定性、隨機等子類。系統仿真是根據被研究的真實系統的數學模型研究系統性能的一門學科，現在尤指利用計算機去研究數學模型行為的方法。計算機仿真的基本內容包括系統、模型、算法、計算機程序設計與仿真結果顯示、分析與驗證等環節。3. 仿真軟件的發展狀況與應用早期的計算機仿

17、真技術大致經歷了幾個階段：20世紀40年代模擬計算機仿真；50年代初數字仿真；60年代早期仿真語言的出現等。80年代出現的面向對象仿真技術為系統仿真方法注入了活力。我國早在50年代就開始研究仿真技術了，當時主要用于國防領域，以模擬計算機的仿真為主。70年代初開始應用數字計算機進行仿真。隨著數字計算機的普及，近20年以來，國際、國內出現了許多專門用于計算機數字仿真的仿真語言與工具，如csm，acsl，simnom，matlab/simulink，matrix/system build，csmp-c等。 1-4 matlab仿真技術在電力電子中的應用20世紀60年代發展起來的電力電子技術，使電能可

18、以變換和控制，產生了現代各種高效、節能的新型電源和交直流調速裝置，為工業生產、交通運輸、樓宇、辦公、家庭自動化提供了現代化的高新技術。為了更高效的利用電能，不斷的有新控制技術和算法出現。而且電力電子技術本身具有實踐性、工程性和綜合性的特點，波形分析和試驗驗證環節對于實際應用尤其重要。只靠手工的繪制圖不僅效率不高，而且不能很好的顯示出波形的動態變化。在電力電子的實際試驗中用的都是功率器件，費用高、費時，而且危險性大。現在這些問題利用matlab得到了較好的解決。在matlab具有專門的仿真工具和電力系統模塊庫。因此，如何利用matlab軟件的圖形用戶界面技術和仿真技術對電力電子技術進行仿真成了一

19、個重要的研究方面。本論文研究背景及意義在matlab中提供了simulink和power systerm blockset工具箱，擁有一種很方便的建模環境，用戶不用直接編寫程序，而是通過交互命令方式建立、修改和調試模型，給電力電子技術中的各種電路的仿真提供了有利的條件，簡化了仿真建模。電力電子技術仿真的所有元件模型都包含在matlab的電力系統模塊環境中。在matlab提示符下鍵入powerlib命令。這個命令將打開simulink窗口。同時展示了電力系統模塊工具箱中的不同子模塊工具箱。在psb中幾乎提供了組成電力系統的所有元件，元件模型豐富，包括：同步機，異步機，變壓器，直流機，線性和非線性

20、，有名的和標么值系統的，不同仿真精度的設備模型庫，單相，三相的分布和集中參數的傳輸線，單相，三相斷路器及各種電力系統的負荷模型，電力半導體器件庫以及控制測量環節， 信號顯示和模塊連接等一般可以在simulink工具箱中找到。電氣系統模塊庫以simulink為運行環境，涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動和電力系統等電工學科中常用的基本元件和系統的仿真模型。運行simulink以后，打開blocksets&toolboxes，就能調出電氣系統模塊庫powerlib。也可以在matlab的命令窗口，直接鍵入powerlib。它由以下6個子模塊庫組成。(1)電源模塊庫：包括直流電壓源、交流電壓源、交流電流

21、源、可控電壓源和可控電流源等。(2)基本元件模塊庫：包括串聯rcl負載/支路、并聯rcl負載/支路、線性變壓器、飽和變壓器、互感、斷路器、n相分布參數線路、單相型集中參數傳輸線路和浪涌放電器等。(3)電力電子模塊庫：包括二極管、晶閘管、gto、mosfet和理想開關等。為滿足不同目的的仿真要求并提高仿真速度，還有晶閘管簡化模型。(4)電機模塊庫：包括勵磁裝置、水輪機及其調節器、異步電動機、同步電動機及其簡化模型和永磁同步電動機等。(5)連接模塊庫：包括地、中性點和母線(公共點)。(6)測量模塊庫：包括電流和電壓測量。在6個基本子模塊庫的基礎上，根據需要，可以組合封裝出常用的更為復雜的模塊，添加

22、到所需模塊庫中去。實際上，附加模塊庫(powerlib extras)中的“三相電氣系統”就是用6個基本子庫中的各模塊構造并封裝起來的。可以用“look under mask”命令打開其中的各模塊，查看其內部結構以了解構造方法和規律。附加模塊庫中還包括：均方根測算、有功與無功功率測算、傅立葉分析、可編程定時器和同步觸發脈沖發生器等。1-5 本論文完成內容本論文涉及的工作內容可包括兩方面。第一為論述研究部分；首先對本設計所基于的設計環境matlab軟件和變頻電源的原理作介紹，概括了matlab軟件和其中的simulink仿真工具的誕生和發展過程和簡介其強大的仿真功能。接著給出了變頻電源的硬件設計

23、和軟件設計，最后利用matlab中搭建仿真系統，調節器件參數后比較仿真結果。第二章 變頻電源硬件設計變頻電源主要結構分為以下幾個部分。1. 整流器，它與單相或三相交流電源相連接，產生脈動的直流電壓。2. 中間電路，有以下三種作用：a.使脈動的直流電壓變得穩定或平滑，供逆變器使用。b.通過開關電源為各個控制線路供電。c.可以配置濾波或保護裝置以提高變頻電源性能。3. 逆變器，將固定的直流電壓變換成可變電壓和頻率的交流電壓。4. 控制電路，它將信號傳送給整流器、中間電路和逆變器，同時它也接收來自這些部分的信號。其主要組成部分是：輸出驅動電路、操作控制電路。主要功能是：a.利用信號來開關逆變器的半導

24、體器件。b.提供操作變頻電源的各種控制信號。c.監視變頻電源的工作狀態，提供保護功能 基本構造如下圖2-1.圖2-1變頻電源系統基本構造2-1整流單元及供電電源本系統采用變壓器降壓整流實現交直換，由于變頻電源的輸出為36v，最大輸出電流為3a，即變頻電源的輸出功率為：p=考慮變頻電源的工作效率和留有充足的余地，選擇變壓器的容量為300w。流經整流橋二極管的平均電流為：承受的反向電壓最大值為60v，為留有余地本設計選用整流橋：kbpc602。為防止電網沖擊和雷電危害，在變壓器輸入級并入一壓敏電阻，且在輸入端加入共模電感。原理圖如第9頁圖2-2當變頻電源剛接上電網時，濾波電容上的電壓為0v，而直流

25、母線電壓為60v，振幅值為104v。為提高濾波效果，電容的容量取得較大，這樣在上電瞬間會產生較大的沖擊電流，可能損壞整流二極管。為此接入上電電阻。阻值取104/4=26歐姆。為了隔離功率回路和控制回路的電源，本系統另外設計了開關電源部分。單片機與驅動芯片的電源由開關電源提供。調制芯片采用uc3842，原理圖如第9頁圖2-3。圖2-2 整流單元原理圖圖2-3 開關電源原理圖2-2逆變輸出裝置及其驅動電路1. 常用驅動電路逆變電路主要包括:逆變模塊和驅動電路。由于受到加工工藝，封裝技術，大功率晶體管元器件等因數的影響，目前逆變模塊主要由日本(東芝,三菱,三社,富士,三肯。)及歐美(西門子,西門康,

26、摩托羅拉,ir)等少數廠家能夠生產。驅動電路作為逆變電路的一部分，對變頻器的三相輸出有著巨大的影響。驅動電路的設計一般有這樣幾種方式(1)分立插腳式元件組成的驅動電路;(2)光耦驅動電路;(3)厚膜驅動電路;(4)專用集成塊驅動電路等幾種。(1) 分立插腳式元件的驅動電路分立插腳式元件組成的驅動電路在80年代的日本和臺灣變頻器上被廣泛使用,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)臺灣(歐林,普傳,臺安.)等一系列變頻器。隨著大規模集成電路的發展及貼片工藝的出現,這類設計電路復雜，集成化程度低的驅動電路已逐漸被淘汰。(2) 光耦驅動電路光耦驅動電

27、路是現代變頻器設計時被廣泛采用的一種驅動電路，由于線路簡單，可靠性高，開關性能好，被歐美及日本的多家變頻器廠商采用。由于驅動光耦的型號很多，所以選用的余地也很大。驅動光耦選用較多的主要由東芝的tlp系列，夏普的pc系列,惠普的hcpl系列等。以東芝tlp系列光耦為例。驅動igbt模塊主要采用的是tlp250，tlp251兩個型號的驅動光耦。對于小電流(15a)左右的模塊一般采用tlp251。外圍再輔佐以驅動電源和限流電阻等就構成了最簡單的驅動電路。而對于中等電流(50a)左右的模塊一般采用tlp250型號的光耦。而對于更大電流的模塊，在設計驅動電路時一般采取在光耦驅動后面再增加一級放大電路，達

28、到安全驅動igbt模塊的目的。(3) 厚膜驅動電路厚膜驅動電路是在阻容元件和半導體技術的基礎上發展起來的一種混合集成電路。它是利用厚膜技術在陶瓷基片上制作模式元件和連接導線，將驅動電路的各元件集成在一塊陶瓷基片上，使之成為一個整體部件。使用驅動厚膜對于設計布線帶來了很大的方便,提高了整機的可靠性和批量生產的一致性，同時也加強了技術的保密性。現在的驅動厚膜往往也集成了很多保護電路，檢測電路。應該說驅動厚膜的技術含量也越來越高。 (4) 專用集成塊驅動電路現在還出現了專用的集成塊驅動電路，主要由ir的ir2111，ir2112，ir2113等，其它還有三菱的exb系列驅動厚膜。三菱的m57956，

29、m57959等驅動厚膜。此外，現在的一些歐美變頻器在設計上采用了高頻隔離變壓器加入了驅動電路中(如丹佛斯vlt系列變頻器)。應該說通過一些高頻的變壓器對驅動電路的電源及信號的隔離，增強了驅動電路的可靠性，同時也有效地防止了強電部分的電路出現故障時對弱電電路的損壞。在實際應用中這種驅動電路故障率很低，大功率模塊也極少出現問題。2. 驅動器件的選型和應用電路變頻電源的開關器件常采用igbt或mosfet等全控型器件，該器件的開關動作需要靠獨立的驅動電路來實現，并且要求驅動電路的供電電源彼此隔離(如單相橋式逆變主電路需3組獨立電源，三相橋式逆變主電路需4組獨立電源)，這樣增加輔助電源的設計困難和成本

30、，同時也使驅動電路變得復雜，降低了逆變器的可靠性。采用如exb840等專用厚膜集成驅動電路芯片雖然可以簡化驅動電路的設計，但每個驅動芯片仍需要一個隔離的供電電源，且每個芯片僅可驅動一個功率開關器件，應用仍有不便。而美國國際整流器公司生產的專用驅動芯片ir2130由于其內部采用自舉技術，使得功率元件的驅動電路僅需一個輸入級直流電源即可實現對功率igbt或mosfet的最優驅動，還具有完善的保護功能。這樣可以使整個驅動電路簡單可靠。(1) ir2130驅動芯片的特點ir2130可用來驅動工作在母線電壓不高于600v的電路中的功率mos門器件。它內部設計有過流、過壓及欠壓保護、封鎖和指示網絡，使用戶

31、可方便的用來保護被驅動的mos門功率管，加之內部自舉技術的巧妙運用使其可用于高壓系統，它還可對同一橋臂上下2個功率器件的門極驅動信導產生2s互鎖延時時間，避免上下臂直通。它自身工作和電源電壓的范圍較寬(320v)，在它的內部還設計有與被驅動的功率器件所通過的電流成線性關系的電流放大器，電路設計還保證了內部的3個通道的高壓側驅動器和低壓側驅動器可單獨使用，亦可只用其內部的3個低壓側驅動器，并且輸入信號與ttl及coms電平兼容。圖2-4 ir2130引腳圖ir2130引腳如上圖2-4所示。vb1vb3：懸浮電源連接端，通過自舉電容為3個上橋臂功率管的驅動器提供內部懸浮電源，vs1vc3是其對應的

32、懸浮電源地端。hin1hin3、lin1lin3：逆變器上橋臂和下橋臂功率管的驅動信號輸入端，低電平有效itrip：過流信號檢測輸入端，可通過輸入電流信號來完成過流或直通保護。ca-、cao、vso：內部放大器的反相端、輸出端和同相端，可用來完成電流信號檢測。ho1ho3、lo1l03：逆變器上下橋臂功率開關器件驅動器信號輸出端。fault：過流、直通短路、過壓、欠壓保護輸出端，該端提供一個故障保護的指示信號。它在芯片內部是漏極。vcc、vss：芯片供電電源連接端，vcc接正電源，而vss接電源地。(2) ir2130內部結構及其工作原理ir2130的內部結構如下圖2-5所示。圖2-5 ir2

33、130的內部結構它的內部集成有1個電流比較器current comparator，1個電流放大器current amp，1個自身工作電源欠壓檢測器undervoltage detector，1個故障處理單元fault logic及1個清除封鎖邏輯單元clear logic。除上述外，它內部還集成有3個輸入信號處理器input signal gen-erator兩個脈沖處理和電平移位器pulse generator level shifter，3個上橋臂側功率管驅動信號鎖存器latch，3個上橋臂側功率管驅動信號與欠壓檢測器，uv detector及6個低輸出阻抗mos功率管驅動器driver和

34、1個或門電路。正常工作時，輸入的6路驅動信號經輸入信號處理器處理后變為6路輸出脈沖，驅動下橋臂功率管的信號l1l3經輸出驅動器功放后，直接送往被驅動功率器件。而驅動上橋臂功率管的信號h1h3 先經集成于ir2130內部的3個脈沖處理器和電平移位器中的自舉電路進行電位變換，變為3路電位懸浮的驅動脈沖，再經對應的3路輸出鎖存器鎖存并經嚴格的驅動脈沖與否檢驗之后，送到輸出驅動器進行功放后才加到被驅動的功率管。具體保護如下：1過流保護。電流檢測元件dwi、r1送出的信號接至過流檢測輸入端im9腳），當外電路發生過流或直通，i，端電壓高于05v時，ir2130內部保護電路使其輸出驅動信號全為低電乎，從而

35、使被驅動的m0s器件全部截止，保同護時了功率管，同時ir2130的fault（引腳8變為低電平，該信號接發光二極管進行故障報警，也可將其引入前一極控制電路封鎖脈沖形成環節的輸出。 2欠壓保護。若ir2130的工作電源欠電壓，與過流保護相似，內部的欠壓保護電路使其輸出驅動信號全為低電乎，同時從fault端輸出故障信號。直到故障清除后，在信號輸入端lin1lin3同時被輸入高電平，才可以解除故障閉鎖狀態。 3邏輯封鎖。當前一級控制電路的脈沖發生邏輯錯誤時，ir2130接受到功率元件同一橋臂高壓側和低壓側兩功率器件的驅動信號全為高電平時，則ir2130輸出的2路門極驅動信號全為低電平，從而可靠地避免

36、橋臂直通現象發生。 (3) 采用ir2130的逆變器電路結構圖2-6給出了ir2130驅動3相逆變裝置的電路示意圖。圖中c5, c6, c7是自舉電容，為上橋臂功率管驅動的懸浮電源存儲能量，d14，d15，d16的作用防止上橋臂導通時的直流電壓母線電壓到ir2130的電源上而使器件損壞，因此d1應有足夠的反向耐壓。且為了滿足主電路功率管開關頻率的要求，其應選快速恢復二極管。r22，r24，r25組成過流檢測電路。ir2130的hin1hin3、lin1lin3作為功率管的輸入驅動信號與spwm產生電路連接。fault與單片機外部中斷引腳連接，由單片機中斷程序來處理故障。逆變電路中d4, d5,

37、 d6, d10, d11, d12為箝位二極管,防止柵級電壓過高而損壞功率管。r4和r5是igbt的門極驅動電阻，一般采用10到幾十歐。igbt選用irf580.圖2-6 驅動電路原理圖 2-3濾波輸出及過壓過流缺相檢測與保護當過壓過流和負載缺相時，為避免損壞器件或防止事故范圍擴大，需對系統進行過壓過流保護。本系統利用單片機檢測，一旦發生過壓過流和缺相，單片機控制繼電器切斷輸入電路從而達到保護。1. 濾波輸出從igbt輸出的電壓為脈沖序列，若帶阻性負載，需加入低通濾波器將脈沖序列還原成正弦波，如圖2-7所示。電容使用油浸電容，其具有較好的低頻特性。圖2-7 濾波電路原理圖2. 過流檢測直接采

38、用ir2130的電流檢測功能對負載電流進行檢測。原理圖如圖2-8(實際是ir2130內部的電流放大器與外部電阻構成)：負載電流為i時,=i，當i4a時，單片機拉高protect端口,利用繼電器切斷輸入，從而達到過流保護。圖2-8 過流檢測3. 電壓與缺相檢測由于要求輸出電壓值為穩定的36v，故必須采用閉環反饋控制。電壓取樣控制可采取母線電壓取樣也可以對輸出進行取樣。另外還需進行缺相檢測，故采用輸出取樣。這樣既能做缺相檢測也可做電壓檢測。原理圖下圖2-9：圖2-9 電壓與缺相檢測輸出電壓經電壓互感器降壓輸入至ad637進行真有效值變換。本系統利用一顆ad637和一顆模擬開關cd4052，采用分時

39、操作分別對三路信號進行采集。采集的信號送msp430單片機的ad口。2-4 變頻電源的控制1. 變頻電源控制方式的發展歷程變頻電源按功率分可分為大功率變頻電源和小功率變頻電源。變頻電源的工作頻率一般為0400hz，它的主電路都采用交直交電路。其控制方式經歷了以下四代。以下討論以電機負載為重點。(1) u/f=c的正弦脈寬調制（spwm）控制方式 其特點是控制電路結構簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，已在產業的各個領域得到廣泛應用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動

40、機硬，動態轉矩能力和靜態調速性能都還不盡如人意，且系統性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降，穩定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調速。 (2) 電壓空間矢量（svpwm）控制方式它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成三相調制波形，以內切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環，以提高動態的精度和穩定度。但控制電路環節較多，且沒有引入轉矩的調

41、節，所以系統性能沒有得到根本改善。(3) 矢量控制（vc）方式矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流ia、ib、ic、通過abc/dq變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流ia1ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流im1、it1（im1相當于直流電動機的勵磁電流；it1相當于與轉矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，實現對異步電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標

42、變換，實現正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應用中，由于轉子磁鏈難以準確觀測，系統特性受電動機參數的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。 (4) 直接轉矩控制（dtc）方式 1985年，德國魯爾大學的depenbrock教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統結構、優良的動靜態性能得到了迅速發展。目前，該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型，控制電動機的磁鏈和

43、轉矩。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。 (5) 矩陣式交交控制方式 vvvf變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻都是交直交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數低，諧波電流大，直流電路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網，即不能進行四象限運行。為此，矩陣式交交變頻應運而生。由于矩陣式交交變頻省去了中間直流環節，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現功率因數為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統的功率密度大。該技術目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學者深入研究。其實質

44、不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉矩直接作為被控制量來實現的。具體方法是：控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器，實現無速度傳感器方式； 自動識別（id）依靠精確的電機數學模型，對電機參數自動識別； 算出實際值對應定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實際的轉矩、定子磁鏈、轉子速度進行實時控制； 實現bandband控制按磁鏈和轉矩的bandband控制產生pwm信號，對逆變器開關狀態進行控制。 矩陣式交交變頻具有快速的轉矩響應（2ms），很高的速度精度（2，無pg反饋），高轉矩精度（3）；同時還具有較高的起動轉矩及高轉矩精度，尤其在低速時（包括0速度時），可輸出150200轉矩。本文采用第一種控

45、制方式，即正弦脈寬調制（spwm）控制方式。2. spwm調制方式的選擇載波比恒定的調制方式稱為同步調制。同步調制時pwm脈沖在一個周期內的個數是恒定的，脈沖的相位也是固定的，將調制比設定為3的整數倍時，可以使輸出波形嚴格對稱，從而有效降低信號的諧波分量。但是，當逆變電路的輸出頻率比較低時，同步調制載波的頻率也很低，過低時不易濾除調制帶來的諧波，當逆變電路的輸出頻率很高時，同步調制載波頻率也過高，這將使開關器件的開關損耗增大。載波信號和調制信號頻率不保持同步的調制方式稱為異步調制。異步調制時保持載波時鐘頻率不變，當調制正弦波的頻率發生變化時，載波比跟隨變化，在調制波的一個周期內pwm脈沖的個數

46、不固定，相位也不固定。正負半周期脈沖不對稱，半周期內前后周期的脈沖不對稱，造成信號的諧波分量較豐富，給后級濾波電路造成困難。該系統的逆變器輸出頻率在20100 hz，輸出信號的頻率較低。設計采用sm2001作為逆變電路spwm控制信號的輸出芯片。在異步調制方式下，當載波比很大時，正負半周期脈沖不對稱和半周期內前后周期的脈沖不對稱造成的諧波分量都很小，pwm脈沖接近正弦波。本文設計的調制方式選擇異步調制方式，載波頻率固定為4khz。3. spwm專用芯片的選型與應用隨著微處理器性價比的不斷提高， 逆變電源已進入了智能化階段， 可用集成元件來方便地組成控制電路。目前由集成元件實現的控制電路主要有專

47、用集成芯片法和微機生成法。專用的生成spwm的芯片如sm2001，sa838、sa868、hef4752、sle480等。該方法的優點是電路集成度高、可靠性高;微機生成法控制電路由單片機采用軟件方式產生，目前市場上有許多性價比高的單片機， 如pic系列或引腳少的mc51系列單片機，可用指令產生spwm，并可方便地實現對逆變系統的控制、監視、管理和保護。(1) sm2001簡介sm2001是可產生三相spwm驅動波形的大規模集成電路。它的工作頻率寬，合成正弦諧波小，調節方便、準確，保護電路完善，無需外部元器件，且有普通正弦波和高效電機驅動波兩種波形的選擇，可廣泛用于交流異步電機的變頻驅動，如變頻

48、空調、變頻冰箱和變頻洗衣機的控制驅動，各類工業水泵、風機的變頻驅動，各類不間斷電源（ups）以及其它一些需要三相spwm波形驅動的功率控制電路中。sm2001內部集成有三線串行接口、雙波形正弦發生器(范圍從0到200hz（時鐘為20mhz時），步進頻率為最大頻率的1/255。)、幅度因子乘法器、pwm波形發生器、死區時間和窄脈沖控制電路、啟動電路和保護電路等。其引腳如圖2-10所示。其管腳說明如表1所列。其內部邏輯框圖如圖2-11所示。圖2-10 sm2001引腳圖表1管腳說明管腳名稱類型功能說明1clki外部時鐘輸入腳10gndi 輸出地2rsti復位腳，為低時復位芯片11wbiw相下橋臂驅

49、動腳3csi串口片選腳，低通訊有效12vbov相下橋臂驅動腳4cki串口時鐘腳，上升沿鎖入數據13ubou相下橋臂驅動腳5dai串口數據腳14wtow相上橋臂驅動腳6oei輸出控制腳，為高允許pwm輸出15vtov相上橋臂驅動腳7inti異常中斷腳，下降沿觸發16utou相上橋臂驅動腳8wvsi內部波形選擇，高效/普通17vddi正電源（5v）9gndi數字地18vddi正電源（5v）圖2-11 sm2001內部邏輯框圖sm2001設置了三個層次的安全保護。具體保護如下，一個是spwm輸出的開啟命令：在sm2001的設置中，有一條開啟指令，在所有的初始化參數設置完成后，芯片并不是立即產生輸出波

50、形，只有在開啟命令發布后，spwm波形才會輸出，這是為了防止在系統未完成初始化時有錯誤的波形產生。而一旦開啟spwm的輸出后，再進行參數設置時，spwm的變化將立即出現，不再需要開啟命令了。第二個保護是oe控制端，它是用于單片機的普通輸出控制的。在sm2001上有一個使能控制端oe，接受控制系統的控制信號。當oe為高電平時，spwm完整輸出波形，否則，輸出將保持高電平靜止狀態。第三重保護是異常中斷控制端int，主要是接受系統的異常信號，如輸出短路、斷相等異常信號。當外部檢測電路發現異常，在int上產生一個負電平或負脈沖信號，sm2001的輸出將立即截止，且反應時間小于200ns，大大高于普通采

51、用單片機系統產生spwm波形的控制模式。在異常保護出現后，芯片將不能通過命令恢復輸出（防止由于單片機的故障而產生錯誤的開啟），只有在重新上電或rst復位后，芯片才能重新接受控制。sm2001有6個pwm輸出端口，分別驅動u、v、w三相橋式功率開關，每相的信號由2路與ttl電平兼容的管腳輸出。該信號通常是通過外部的隔離器件（如光耦）來驅動橋式電路。2個信號分別驅動某一相的上半橋臂和下半橋臂。本文采用sm2001驅動ir2130。由于sm2001采用了內部的大規模正弦波形發生器，所以輸出的正弦波精度高，失真和諧波都很小，且由于采用參數設置的方式，各種微處理器都可以很方便地控制sm2001。由于是全

52、數字化的設計，內部的波形發生器、乘法器、pwm波形產生電路的精度都高于最后實際的輸出精度，所以產生的spwm波形具有非常高的準確度和穩定性。而精確的波形可以使功率輸出電路的效率得到提高。sm2001完全可以作為微處理器的一個獨立的外部電路工作。在設置初始化條件后，sm2001完全自動產生spwm驅動波形。只有當需要改變輸出波形或處理異常中斷等狀態時，才需要微處理器的干預。其與單片機的連接的原理圖如圖2-12.2-12 sm2001與單片機的連接的原理圖第三章 變頻電源的軟件設計3-1 控制模塊設計本系統采用msp430單片機作為主控器件，利用spwm專用芯片sm2001產生spwm信號送驅動芯

53、片ir2130。如第二章2-5所述，本系統采用閉環反饋控制以達到穩壓輸出的目的。 1. 程序流程圖單片機作為主控器件，負責變頻電源輸出端的信號采集，鍵盤輸入處理，顯示界面的顯示。單片機發出指令控制sm2001產生spwm信號，頻率和末端電壓幅值由鍵盤輸入而改變。程序流程圖如圖3-1。圖3-1 程序流程圖2. sm2001初始化sm2001的工作狀態和輸出信號的參數是由內部的寄存器控制。寄存器大小為8bit，地址用3bit的二進制碼表示。故通訊數據為11bit。以下對內部控制寄存器進行說明。(1) 頻率控制寄存器pfr(地址011)控制三相spwm波的頻率，256級選擇精度，地址為011。它控制

54、輸出的pwm合成的正弦波的頻率，三相波形的頻率是相同的，通過此寄存器進行選擇。b7b6b5b4b3b2b1b0pf7pf6pf5pf4pf3pf2pf1pf0輸出的三相波頻率fsin由式（1）算出fsin=fclkpfr/(512192256) （1）式中：fclk是系統時鐘的頻率；pfrpfr寄存器的值(0255)。例如：如果時鐘頻率為20mhz，pfr=63，則三相正弦波的頻率為50.1hz。(2) 調制度控制寄存器ampr(地址010)改變輸出三相波的幅度，256級選擇精度，地址為010。它控制輸出的pwm合成的正弦波的幅度，三相波形的幅度是相同的，通過此寄存器進行選擇。b7b6b5b4

55、b3b2b1b0amp7amp6amp5amp4amp3amp2amp1amp0輸出的三相波幅度asin由式（2）算出asin=（dc*ampr/255）100 (2)式中：dc為后級功率電路的直流電壓, amprampr寄存器的值（1255）。例如：如果后級功率電路的直流電壓為60v，ampr=217，選取純正弦波輸出，則輸出正弦波的峰值電壓為51.05v，有效值電壓為36.1v。(3) pwm開關頻率和窄脈沖寄存器fpdr（地址001）設置pwm載波的開關頻率和要刪除的無效窄脈沖寬度，地址為001。pwm的開關頻率是后級大功率管或大功率模塊的重要參數之一，它往往取決于后級功率電路的開關時間、工作效率等要求。b7b6b5b4b3b2b1b0cf1cf0pd5pd4pd3pd2pd1pd0pwm頻率選擇位cf1、cf0。當cf