1、華東交通大學理工學院Institute of Technology. East China Jiaotong University畢 業 論 文 Graduation Thesis（20082012年）題 目 基于單片機的感應電動機PWM變頻調速系統設計 分 院： 電氣與信息工程分院 專 業： 電氣工程及其自動化 班 級： 電牽20082 學 號： 20080210470307 學生姓名： 于志偉 指導教師： 張紹彪 起訖日期： 2012.12012.5 華東交通大學理工學院畢業設計（論文）原創性申明本人鄭重申明：所呈交的畢業設計（論文）是本人在導師指導下獨立進行的研究工作所取得的研究成果。設

2、計（論文）中引用他人的文獻、數據、圖件、資料，均已在設計（論文）中特別加以標注引用，除此之外，本設計（論文）不含任何其他個人或集體已經發表或撰寫的成果作品。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識到本申明的法律后果由本人承擔。畢業設計（論文）作者簽名： 日期： 年 月 日畢業設計（論文）版權使用授權書本畢業設計（論文）作者完全了解學院有關保留、使用畢業設計（論文）的規定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交設計（論文）的復印件和電子版，允許設計（論文）被查閱和借閱。本人授權華東交通大學理工學院可以將本設計（論文）的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以

3、采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編畢業設計（論文）。（保密的畢業設計（論文）在解密后適用本授權書） 畢業設計（論文）作者簽名： 指導教師簽名：簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日華東交通大學理工學院畢業論文摘 要隨著電力電子器件的發展，交流變頻調速的發展也越來越快，調速性能也不斷提高，克服了直流調速難以克服的缺點。變頻調速是交流調速中的發展方向。變頻調速也有多種方法，本文介紹了一種利用專用集成電路SA4828 設計電機變頻調速的方法。系統主要包括主電路與控制電路，主電路采用IPM智能功率模塊作為電機的控制。控制電路由MCS-51系列的89C51單片機最小系統和SA4828 三相

4、SPWM 產生器及少量的擴展外圍芯片構成，充分發揮其控制電路簡單、控制方式靈活、輸出波形優點多的特點，結合相應的軟件，實現感應電動機的調速要求。其中主要內容包括：SA4828的特性介紹及變頻系統的主電路、驅動電路、保護電路、速度檢測、調速系統及軟件編程設計方法。所設計的系統實現了變頻調速的全數字化控制，實時性好，可靠性高。關鍵詞：單片機；SA4828；變頻調速；SPWM；感應電動機3華東交通大學理工學院畢業論文AbstractWith the development of power electronic devices . the frequency conversion velocity

5、modulation is developing faster and faster and its also improving . it has overcome many weak points of DC speed control .even can be comparable. To DC speed control. Variable- speed drive system is the direction of AC Variable-speed rive system. There are many modes for frequency-varied speed -regu

6、lated.，This article describes a use of SA4828 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) design motor VVVF system. The system includes the main circuit and control circuit, main circuit used as the Intelligent Power Module IPM motor control. The control circuit is constituted by the MCS-51 series

7、 of 89C51 systems、three-phase SPWM generator SA4828 and the expansion of a small number of peripheral chips. Give full play to its control circuit is simple, flexible control, the advantages of multi-output waveform characteristics, combined with appropriate software, to achieve the speed requiremen

8、ts of motor control. The system has all-digital VVVF control, real-time, and high reliability.Key words: MCU；SA4828；VVVF；SPWM；Induction motor目 錄中文摘要1英文摘要2目 錄3引 言11 概述31.1 變頻調速技術簡介31.2調速系統的發展方向41.3 交流調速系統51.4 單片機控制的變頻調速62.電機變頻調速系統72.1 變頻調速原理72.2 單片機控制的變頻調速系統82.2.1 系統框圖82.2.2 硬件系統原理圖92.2.3 脈沖寬度調制93. 系

9、統主要模塊設計113.1 IPM模塊113.1.1 IPM的基本工作特性113.1.2 IPM驅動電路的設計133.1.3 IPM的選用143.1.4 IPM相關參數163.2 89C51主控制模塊173.2.1 主要特性173.2.2 管腳說明173.2.3 振蕩器特性193.2.4 芯片擦除193.3 SPWM波發生模塊193.3.1 SA4828的引腳功能203.3.2 SA4828內部結構213.3.3 SA4828初始化編程223.4 其他模塊簡介253.4.1 串口通信253.4.2 驅動模塊263.4.3 保護電路263.4.4 A/D模數轉換模塊273.4.5 速度反饋294.

10、 系統軟件設計30總 結33參考文獻34后 記35引 言經過大約30年的發展，交流調速電氣傳動已經上升為電器調速傳動的主流。在電氣調速領域內，可以相信在不久的將來，交流調速將會完全取代直流調速傳動。對于可調速的電力拖動系統，工程上往往根據電動機電流形式分為直流調速系統和交流調速系統兩類。它們最大的不同之處主要在于交流電力拖動免除了改變直流電機電流流向變化的機械向器整流子。 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

11、與直流電力拖動媲美。許多傳統的由直流電機調速系統拖動的工業設備改由交流變頻調速系統拖動，從而提高了系統的可靠性，減少了系統的維護費用。隨著變頻調速應用的日益廣泛，相關技術的日益成熟，人們不僅對變頻調速系統的精度要求越來越高，而且對控制的功能要求越來越多，對系統的智能化要求越來越高，對系統的抗擾能力要求越來越高，以滿足生產的需求并適應不同的工作環境。隨著電力電子器件，大規模集成電路和計算機控制技術的迅速發展，以及現代控制理論向交流電氣傳動領域的滲透，為交流調速系統的開發研究進一步創造了有利的條件。諸如交流電動機的串級調速、各種類型的變頻調速，特別是矢量控制技術的應用，使得交流調速系統逐步具備了寬

12、的調速范圍、較高的穩速精度、快速的動態響應以及在四象限作可逆運行等良好的技術性能。現在從數百瓦的伺服系統到數百千瓦的特大功率高速傳動系統，從一般要求的小范圍調速傳動到高精度、快響應、大范圍的調速傳動，從單機傳動到多機協調運轉，已幾乎都可采用交流調速傳動。交流調速傳動的客觀發展趨勢已表明，它完全可以和直流傳動相媲美、相抗衡，并有取代的趨勢。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。交流變頻調速的優異特性：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； 調速范圍較大

13、，精度高；起動電流低，對系統及電網無沖擊，節電效果明顯；變頻器體積小，便于安裝、調試、維修簡便，易于實現過程自動化；在恒轉矩調速時，低速段電動機的過載能力大為降低。交流電動機因其結構簡單，運行可靠，價格低廉，維修方便，故而應用面很廣，幾乎所有的調速傳動都采用交流電動機。盡管從1930年開始，人們就致力于交流調速系統的研究，然而主要局限于利用開關設備來切換主回路達到控制電動機啟動，制動和有級調速的目的。變極對調速，電抗或自藕降壓啟動以及繞線式異步電動機轉子回路串電阻的有級調速都還處于開發的階段。交流調速緩慢的主要原因是決定電動機轉速調節主要因素的交流電源頻率的改變和電動機的轉距控制都是非常困難的

14、，使交流調速的穩定性，可靠性，經濟性以及效率均不能滿足生產要求 。后來發展起來的調壓，調頻控制只控制了電動機的氣隙磁通，而不能調節轉距。SPWM正弦脈寬調制法這項技術的特點是原理簡單，通用性強，具有開關頻率固定，控制和調節性能好，能消除諧波使輸出電壓只含有固定頻率的高次諧波分量，設計簡單等一系列優點，是一種比較好的波形改善法。它的出現為中小型逆變器的發展起了重要的推動作用。SPWM技術成為目前應用最為廣泛的逆變型PWM技術。本文主要內容是研究采用單片機89C51與SA4828芯片組成SPWM波發生電路，并結合智能功率模塊IPM，通過軟件編程控制電動機變頻調。1 概述1.1 變頻調速技術簡介變頻

15、調速技術是一種以改變交流電動機的供電頻率來達到交流電動機調速目的的技術。大家都知道，目前，無論哪種機械調速，都是通過電機來實現的。從大的范圍來分，電機有直流電機和交流電機。由于直流機調速容易實現，性能好，因此過去生產機械的調速多用直流電動機。但直流機固有的缺點：由于采用直流電源，它的滑環和碳刷要經常拆換，故費時費工，成本高，給人們帶來太大的麻煩。因此人們希望，讓簡單可靠廉價的籠式交流電機也像直流電動機那樣調速。這樣就出現了定子調速、變極調速、滑差調速、轉子串電阻調速、串極調速等交流調速方式。當然也出現了滑差電機、繞線式電機、同步式交流電機。隨著電力電子技術、微電子技術和信息技術的發展，出現了變

16、頻調速技術，它一出現就以其優異的性能逐步取代其它交流電機調速方式，乃至直流電機調速，而成為電氣傳動的中樞1。變頻調速被認為是一種理想的交流調速方法。但如何得到一個單獨向異步電動機供電的經濟可靠的變頻電源，一直是交流變頻調速的主要課題。20世紀60年代中期，隨著普通的晶閘管、小功率管的實用化，出現了靜止變頻裝置，它是將三相的工頻電源經變換后，得到頻率可調的交流電。這個時期的變頻裝置，多為分立元件，它體積大、造價高，大多是為特定的控制對象而研制的，容量普遍偏小，控制方式也很不完善，調速后電動機的靜、動態性能還有待提高，特別是低速的性能不理想，因此僅用于紡織、磨床等特定場合。20世紀70年代以后，電

17、力電子技術和微電子技術以驚人的速度向前發展，變頻調速傳動技術也隨之取得了日新月異的進步，開始出現了通用變頻器。它功能豐富，可以適用于不同的負載和場合，特別是進入20世紀90年代，隨著半導體開關器件IGBT、矢量控制技術的成熟，微機控制的變頻調速成為主流，調速后異步電動機的靜、動態特性已經可以和直流調速相媲美。隨著變頻器的專用大規模集成電路、半導體開關器件、傳感器的性能越來越高，進一步提高變頻器的性能和功能已成為可能。現在的變頻器功能很多，操作也很方便，其壽命和可靠性也較以前有了很大的進步。所謂變頻就是利用電力電子器件(如功率晶體管GTR、絕緣柵雙極型晶體管IGBT)將50Hz的市電變換為用戶所

18、要求的交流電或其他電源。它分為直接變頻(又稱交-交變頻)，即把市電直接變成比它頻率低的交流電，大量用在大功率的交流調速中;間接變頻(又稱交-直-交變頻)，即先將市電整流成直流，再變換為要求頻率的交流。它又分為諧振變頻和方波變頻。前者主要用于中頻加熱，方波變頻又分為等幅等寬和SPWM變頻。常用的方法有正弦波(調制波)與三角波(載波)比較的SPWM法、磁場跟蹤式SPWM法和等面積SPWM法等。 1.2調速系統的發展方向隨著電力電子技術，計算機技術的不斷發展和電力電子器件的更新換代，變頻調速技術得到了飛速的發展。據資料顯示，現在有90%以上的動力來源來自電動機。我國生產的電能60%用于電動機，電動機

19、與人們的生活息息相關，密不可分，所以要對電動機的調速有足夠的重視。我們都知道，動力和運動是可以相互轉化的，從這個意義上說電動機也是最常見的運動源，對運動控制的最有效方式是對運動源的控制。因此，常常通過對電動機的控制來實現運動控制。 對電動機的控制可以分為簡單控制和復雜控制兩大類。簡單控制是指對電動機進行啟動，制動，正反轉控制和順序控制。這類控制可以通過繼電器，可編程器件和開關元件來實現。復雜控制是指對電動機的轉速，轉角，轉距，電壓，電流等物理量進行控制，而且有時往往需要非常精確的控制。以前，對電動機的簡單控制的應用較多，但是，隨著現代化步伐的前進，人們對自動化的需求也越來越高，使電動機的復雜控

20、制逐漸成為主流，其應用領域極為廣泛。在軍事和雷達天線，火炮瞄準，慣性導航，衛星姿態，飛船光電池對太陽的控制等。工業方面的各種加工中心，專用加工設備，數控機床，工業機器人，塑料機械，繞線機，泵和壓縮機，軋機主傳動等設備的控制。計算機外圍設備和辦公設備中的各種磁盤驅動器，繪圖儀，打印機，復印機等的控制；音像設備和家用電器中的錄音機，數碼相機，洗衣機，冰箱空調，電扇等的控制，我們統統稱其為電動機的控制。 功率半導體器件的不斷進步，尤其是新型可關斷器件，如BJT（雙極型晶體管）、MOSFET（金屬氧化硅場效應管）、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的實用化，使得開關高頻化的PWM 技術成為可能。目前功率半

21、導體器件正向高壓、大功率、高頻化、集成化和智能化方向發展。脈寬調制技術PWM （Pulse Width Modu- lation）就是利用功率半導體器件的高頻開通和關斷，把直流電壓變成按一定寬度規律變化的電壓脈沖序列，以實現變頻、變壓并有效地控制和消除諧波。PWM技術可分為三大類：正弦PWM、優化PWM 及隨機PWM。 隨著微電子技術的發展，數字式控制處理芯片的運算能力和可靠性得到很大提高，這使得全數字化控制系統取代以前的模擬器件控制系統成為可能。目前適于交流傳動系統的微處理器有單片機、數字信號處理器（Digital Signal ProcessorDSP）、專用集成電路（Applicatio

22、n Specific Integrated CircuitASIC）等。其中，高性能的計算機結構形式采用超高速緩沖儲存器、多總線結構、流水線結構和多處理器結構等。核心控制算法的實時完成、功率器件驅動信號的產生以及系統的監控、保護功能都可以通過微處理器實現，為交流傳動系統的控制提供很大的靈活性，且控制器的硬件電路標準化程度高， 成本低，使得微處理器組成全數字化控制系統達到了較高的性能價格比。1.3 交流調速系統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

23、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。交流調速控制作為對電動機控制的一種手段。作用相當明顯，就交流調速系統目前的發展水平而言，可概括的如下：（1）已從中容量等級發展到了大容量、特大容量等級。并解決了交流調速的性能指標問題，填補了直流調速系統在特大容量調速的空白。（2）可以使交流調速系統具有高的可靠性和長期的連續運行能力，從而滿足有些場合不停機檢修的要求或對可靠性的特殊要求。（3）可以使交流調速系統實現高性能、高精度的轉速控制。除了控制部分可以得到和直流調速控制同樣良好的性能外，異步電動機本身固有的優點，又使整個系統得到更好的動態性能。采用數字鎖相控制的異步電動機變頻調速系統，

24、調速精度可以達到0.002%。在交流調速技術中，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。 交流變頻調速的優異特性 (1) 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。 (2) 調速范圍較大，精度高。(3) 起動電流低，對系統及電網無沖擊，節電效果明顯。(4) 變頻器體積小，便于安裝、調試、維修簡便。 (5) 易于實現過程自動化。 (6) 必須有專用的變頻電源，目前造價較高。(7) 在恒轉矩調速時，低速段電動機

25、的過載能力大為降低。 1.4 單片機控制的變頻調速 微處理器（單片機）取代模擬電路作為電動機的控制器，具有如下特點：（1）使電路更簡單。模擬電路為了實現控制邏輯需要許多電子元件，使電路更復雜，采用微處理器后，絕大多數控制邏輯可通過軟件來實現。（2）可以實現較為復雜的控制。微處理器具有更強的邏輯功能，運算速度快，精度高，有大容量的存儲單元。因此，有能力實現復雜的控制。（3）靈活性和適應性。微處理器的控制方式是有軟件來實現的，如果需要修改控制規律，一般不必改變系統的硬件電路，只須修改程序即可，在系統調試和升級時，可以不斷嘗試選擇最優參數，非常方便。 （4）無零點漂移，控制精度高 數字控制不會出現模

26、擬電路中經常遇見的零點漂移問題，無論被控量是大還是小，都可以保證足夠的控制精度。（5）可以提供人機界面，多機連網工作。用工業控制計算機可謂功能強大，它有極高的速度，很強的運算能力和接口功能，方便的軟件功能，但是由于成本高，體積過大，所以只用于大型的控制系統。可編程控制器則恰好相反，它只能完成邏輯判斷、定時、記數和簡單的運算，由于功能太弱，所以它只能用于簡單的電動機控制。在民用生產中，通常用介于工控機和可編程控制器之間的單片機作為微處理器。本次設計就是用單片機作為感應電動機的控制器。2.電機變頻調速系統2.1 變頻調速原理變頻調速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉速的調速方法。變頻可以

27、調速這個概念，可以說是交流電動機“與生俱來”的。同步電動機不消說，即使是異步電動機，其轉速也是取決于同步轉速(即旋轉磁場的轉速)的： （2-1）式中： 電動機的轉速，m/min電動機的同步轉速，r/min電動機的轉差率而同步轉速則主要取決于頻率 （2-2）式中：輸入頻率，Hz電動機的磁極對數由式（2-1）與式（2-2）可知變頻調速技術的基本原理是根據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系： （2-3）由上式可知，在電動機磁極對數不變的情況下，通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。在進行電機調速時，通常要考慮的一個重要因素是，希望保持電機中每極磁通量為額定值，并保持不變。如果磁通太弱

28、，即電機出現欠勵磁，將會影響電機的輸出轉矩，由 （2-4）（式中 ：電磁轉矩，：主磁通，：轉子電流，:轉子回路功率因素，：比例系數)，可知，電機磁通的減小，勢必造成電機電磁轉矩的減小。由于電動機設計時，電動機的磁通常處于接近飽和值，如果進一步增大磁通，將使電動機鐵心出現飽和，從而導致電動機中流過很大的勵磁電流，增加電動機的銅損耗和鐵損耗，嚴重時會因繞組過熱而損壞電動機。因此，在改變電動機頻率時，應對電動機的電壓進行協調控制，以維持電動機磁通的恒定。2.2 單片機控制的變頻調速系統2.2.1 系統框圖外圍設備（如串口、鍵盤、顯示等）AT89C51SA4828電動機回 路檢測電路A/D保護電路圖2

29、-1 電動機變頻調速系統框圖 2.2.2 硬件系統原理圖圖圖2-2 單片機與SA4828控制的變頻系統原理 該硬件系統主要包括主電路與控制電路兩個部分，其中主電路包括交-直-交變頻電路（本設計采用IPM集成模塊）與感應電動機；控制電路包括89C51主控制模塊、SA4825產生SPWM波模塊、驅動模塊以及外圍設備模塊（如鍵盤輸入、液晶顯示、A/D模數轉換以及串口等）。以CPU為核心，配以鍵盤、顯示、通訊等設備，完成對感應電動機的速度控制。這里選用了ATMEL公司的89C51單片機，它與Intel 51系列單片機完全兼容。其內部配置了8KB的Flash Memory ，無須擴展外部存貯器。同時這種

30、8位單片機的總線結構與SA4828完全兼容，可以直接相連。給定轉速nO可以用三種方式設定：鍵盤、電位器和上位機。用8位LED分別顯示給定轉速nO和實際轉速n，一目了然。系統對電動機運行狀態的數據監測、調速效果、動態響應的跟蹤情況都可以傳送到上位機，以表格或曲線的形式輸出，以便于觀察分析。2.2.3 脈沖寬度調制脈沖寬度調制 脈沖寬度調制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調制。它是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用于測量，通信，功率控制與變換等許多領域。一種模擬控制方式，根據相應載荷的變化來調制晶體管柵極或基極的

31、偏置，來實現開關穩壓電源輸出晶 體管或晶體管導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定。 脈沖寬度調制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。 多數負載(無論是電感性負載還是電容性

32、負載)需要的調制頻率高于10Hz，通常調制頻率為1kHz到200kHz之間。 許多微控制器內部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67內含兩個PWM控制器，每一個都可以選擇接通時間和周期。占空比是接通時間與周期之比；調制頻率為周期的倒數。執行PWM操作之前，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作： * 設置提供調制方波的片上定時器/計數器的周期 * 在PWM控制寄存器中設置接通時間 * 設置PWM輸出的方向，這個輸出是一個通用I/O管腳 * 啟動定時器 * 使能PWM控制器 PWM的一個優點是從處理器到被控系統信號都是數字形式的，無需進行數模轉換。讓信號保持為數字形式

33、可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變為邏輯0或將邏輯0改變為邏輯1時，也才能對數字信號產生影響。 對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優點，而且這也是在某些時候將PWM用于通信的主要原因。從模擬信號轉向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當的RC或LC網絡可以濾除調制高頻方波并將信號還原為模擬形式。3. 系統主要模塊設計3.1 IPM模塊IPM（Intelligent Power Module），即智能功率模塊，不僅把功率開關器件和驅動電路集成在一起。而且還內藏有過電壓，過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送到CPU。它由高速低功耗的管芯和優化的

34、門極驅動電路以及快速保護電路構成。即使發生負載事故或使用不當，也可以保證IPM自身不受損壞。IPM一般使用IGBT作為功率開關元件，內藏電流傳感器及驅動電路的集成結構。IPM以其高可靠性，使用方便贏得越來越大的市場，尤其適合于驅動電機的變頻器和各種逆變電源，是變頻調速、冶金機械、電力牽引、伺服驅動、變頻家電的一種非常理想的電力電子器件。其內部結構如圖3.1。圖圖3-1 IPM內部結構圖 3.1.1 IPM的基本工作特性 3.1.1.1 IPM的結構IPM由高速、低功率的IGBT芯片和優選的門級驅動及保護電路構成，其中，IGBT是GTR和MOSFET的復合，由MOSFET驅動GTR，因而IGBT

35、具有兩者的優點。 IPM根據內部功率電路配置的不同可分為四類：H型(內部封裝一個IGBT)、D型(內部封裝兩個IGBT)、C型(內部封裝六個IGBT)和R型(內部封裝七個IGBT)。小功率的IPM使用多層環氧絕緣系統，中大功率的IPM使用陶瓷絕緣。 3.1.1.2 IPM內部功能機制IPM內置的驅動和保護電路使系統硬件電路簡單、可靠，縮短了系統開發時間，也提高了故障下的自保護能力。與普通的IGBT模塊相比，PM在系統性能及可靠性方面都有進一步的提高。 保護電路可以實現控制電壓欠壓保護、過熱保護、過流保護和短路保護。各種保護功能具體如下： (1) 控制電壓欠壓保護(UV)：PM使用單一的+15V

36、供電，若供電電壓低于12.5V，且時間超過toff10ms，發生欠壓保護，封鎖門極驅動電路，輸出故障信號。 (2) 過溫保護(OT)：在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝了一個溫度傳感器，當IPM溫度傳感器測出其基板的溫度超過溫度值時，發生過溫保護，封鎖門極驅動電路，輸出故障信號。 (3) 過流保護(OC)：若流過IGBT的電流值超過過流動作電流，且時間超過toff，則發生過流保護，封鎖門極驅動電路，輸出故障信號。為避免發生過大的di/dt，大多數IPM采用兩級關斷模式。其中，VG為內部門極驅動電壓，ISC為短路電流值，IOC為過流電流值，IC為集電極電流，IFO為故障輸出電流。 (4)短路保護

37、(SC)：若負載發生短路或控制系統故障導致短路，流過IGBT的電流值超過短路動作電流，則立刻發生短路保護，封鎖門極驅動電路，輸出故障信號。跟過流保護一樣，為避免發生過大的di/dt，大多數IPM采用兩級關斷模式。為縮短過流保護的電流檢測和故障動作間的響應時間，IPM內部使用實時電流控制電路(RTC)，使響應時間小于100ns，從而有效抑制了電流和功率峰值，提高了保護效果。當IPM發生UV、OC、OT、SC中任一故障時，其故障輸出信號持續時間FO為18ms(SC持續時間會長一些)，此時間內IPM會封鎖門極驅動，關斷IPM;故障輸出信號持續時間結束后，IPM內部自動復位，門極驅動通道開放。

38、60;   可以看出，器件自身產生的故障信號是非保持性的，如果FO結束后故障源仍舊沒有排除，IPM就會重復自動保護的過程，反復動作。過流、短路、過熱保護動作都是非常惡劣的運行狀況，應避免其反復動作，因此僅靠IPM內部保護電路還不能完全實現器件的自我保護。要使系統真正安全、可靠運行，需要輔助的外圍保護電路。3.1.1.3 IPM模塊的優點智能功率模塊 IPM（Intelligent Powr Module）不僅把功率開關器件和驅動電路集成在一起，而且還內藏有過電壓，過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送到 CPU或 DSP 作中斷處理。它由高速低工耗的管芯和優化的門級驅

39、動電路以及快速保護電路構成。 即使發生負載事故或使用不當， 也可以 IPM自身不受損壞。 IPM一般使用 IGBT作為功率開關元件，并內藏電流傳感器及驅動電路的集成結構。1）  開關速度快。IPM 內的 IGBT芯片都選用高速型，而且驅動電路緊靠 IGBT芯片，驅動延時小，所以 IPM 開關速度快，損耗小。2）  低功耗。IPM 內部的 IGBT 導通壓降低，開關速度快，故 IPM 功耗小。3）  快速的過流保護。IPM 實時檢測 IGBT 電流，當發生嚴重過載或直接短路時，IGBT將被軟關斷，同時送出一個故障信號。4）  過熱保護。在靠近 IGBT 的

40、絕緣基板上安裝了一個溫度傳感器，當基板過熱時，IPM內部控制電路將截止柵級驅動，不響應輸入控制信號。5）  橋臂對管互鎖。在串聯的橋臂上，上下橋臂的驅動信號互鎖。有效防止上下臂同時導通。6）  抗干擾能力強。優化的門級驅動與 IGBT 集成，布局合理，無外部驅動線。7）  驅動電源欠壓保護。當低于驅動控制電源（一般為 15V）就會造成驅動能力不夠，增加導通損壞。IPM自動檢測驅動電源，當低于一定值超過 10?s時，將截止驅動信號。8）  IPM  內藏相關的外圍電路。縮短開發時間，加快產品上市。9）  無須采取防靜電措施。10）

41、60; 大大減少了元件數目。體積相應小。3.1.2 IPM驅動電路的設計 驅動電路是IPM主電路和控制電路之間的接口，良好的驅動電路設計對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要意義。 3.1.2.1 IGBT的分立驅動電路的設計 IGBT的驅動設計問題亦即MOSFET的驅動設計問題，設計時應注意以下幾點：IGBT柵極耐壓一般在±20V左右，因此驅動電路輸出端要給柵極加電壓保護，通常的做法是在柵極并聯穩壓二極管或者電阻。前者的缺陷是將增加等效輸入電容Cin，從而影響開關速度，后者的缺陷是將減小輸入阻抗，增大驅動電流，使用時應根據需要取舍。盡管IGBT所需驅動功率很小，但由于MOSFET

42、存在輸入電容Cin，開關過程中需要對電容充放電，因此驅動電路的輸出電流應足夠大。假定開通驅動時，在上升時間tr內線性地對MOSFET輸入電容Cin充電，則驅動電流為IgtCinUgs/tr，其中可取tr2.2RCin，R為輸入回路電阻。為可靠關閉IGBT， 防止擎住現象，要給柵極加一負偏壓，因此最好采用雙電源供電。 3.1.2.2 IGBT集成式驅動電路IGBT的分立式驅動電路中分立元件多，結構復雜，保護功能比較完善的分立電路就更加復雜，可靠性和性能都比較差，因此實際應用中大多數采用集成式驅動電路。日本富士公司的EXB系列集成電路、法國湯姆森公司的UA4002集成電路等應用都很廣泛。3.1.2

43、.3 IPM驅動電路設計 現以PM100DSA120為例進行介紹。PM100DSA120是一種D型的IPM，內部封裝了兩個IGBT，工作在1200V/100A以下，功率器件的開關頻率最大為20kHz。由于IPM內置了驅動電路，與IGBT驅動電路設計相比，外圍驅動電路的設計比較方便，只要能提供15V直流電壓即可。 圖圖3-2 IPM外部驅動電路圖3.2所示的是一種典型的高可靠性IPM外部驅動電路方案。來自控制電路的PWM信號經R1限流，再經高速光耦隔離并放大后接IPM內部驅動電路并控制開關管工作，FO信號也經過光耦隔離輸出。其中每個開關管的控制電源端采用獨立隔離的穩壓。15V電源，且接1只10F

44、的退耦電容器(圖中未畫出)以濾去共模噪聲。Rl根據控制電路的輸出電流選取如用MCU產生PWM，則R1的阻值可為330。R2根據IPM驅動電流選值，一方面應盡可能小以避免高阻抗IPM拾取噪聲，另一方面又要足夠可靠地控制IPM。可在2k6.8k內選取。C1為2端與地間的O.1F濾波電容器，PWM隔離光耦可選用HCPIA503型、HCPIA504型、PS204l型(NEC)等高速光耦，且在光耦輸入端接1只O.1F的退耦電容器(圖中未畫出)。FO輸出光耦可用低速光耦(如PC817)。3.1.3 IPM的選用IPM在選用時，首先是根據變頻裝置的容量與供電電源容量，確定其額定值和最大值，然后選擇具體型號。

45、選型時，根據IPM的過流動作數值以確定峰值電流及適當的熱設計以保證結溫峰值永遠小于最大結溫額定值，使基板的溫度永遠低于過熱動作數值。峰值電流依電機的功率額定值而定。下表是根據OC動作數值和電機峰值電流而給出的交流220V電機推薦使用的IPM類型。電機峰值電流是基于變頻器和電機工作的效率、功率因數、最大負載和電流脈動而設定的。電機電流最大峰值可由下式計算： (3-1)式中：P電機功率(W)； OL變頻器最大過載系數；電流脈動因數；變頻器的效率； F功率因數； VAC交流線電壓(V)。例如：電源Vac220V交流，感應電動機P 3.7kW，OL150%，120%，0.9，F0.76，則Ic(峰值)

46、36.1A。3.1.4 IPM相關參數PS21564-P 、PS21564-SP 智能IPM功率模塊控制端口定義：1：VUFS（U組驅動電源地）2：NC（不接） 3：VUFB（U組驅動電源正 極）4：VP1（控制電源正極）5：NC（不接）6：UP（U組信號輸入） 7：VVFS（V組驅動電源地）                        

47、;    8：NC（不接） 9：VVFB（V組驅動電源正極）                           10：VP1（控制電源正極） 11：NC(不接) 12：VP（V組信號輸入）13：VWFS（V組驅動電源地）14： NC（不接）15：VWFB (W組驅動電源正極) 16：VP

48、1（控制電源正極） 17：NC（不接） 18：WP（W組信號輸入） 19：NC（不接） 圖3-3 三菱PS21564-P IPM管腳圖20:  VNO（過流取樣時間設置） 21:  UN（U組下橋信號輸入） 22:  VN（V組下橋信號輸入）23:  WN（W組下橋信號輸入） 24:  FO（故障輸出-低有效） 25:  CFO（故障延時設置） 26:  CIN（過流取樣時間設置）27:  VNC（與直流母線,光耦副邊共地） 28：VN1（控制電源正極）29：NC（不接）30：NC（不接）31：P（直流母線正極）3

49、2：U（U組輸出） 33：V（V組輸出）34：W（W組輸出）35：N：（與直流母線地之間串取樣電阻） 3.2 89C51主控制模塊89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。 3.2.1 主要特性·與MCS-51 兼容 ·4K字節可編程閃爍存儲器 ·壽命：1000寫/擦循環 ·數據保留時間：10年 ·全靜態工作：0Hz-24Hz ·三級程序存儲器鎖定 ·12

50、8*8位內部RAM ·32可編程I/O線 ·兩個16位定時器/計數器 ·5個中斷源 ·可編程串行通道 ·低功耗的閑置和掉電模式 ·片內振蕩器和時鐘電路 3.2.2 管腳說明 圖3-5 89C51仿真芯片圖VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向 I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1 口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。 P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0口：89C51管腳圖

51、外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在

52、給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（

53、記時器0外部輸入） P3.5 T1（記時器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數據存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數據存儲器讀選通） P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的

54、輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。 /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP

55、）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 3.2.3 振蕩器特性XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 3.2.4 芯片擦除整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節被重復編程以前，該操作必須被執行。 此外，AT89C51設有穩態邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM