基于單片機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

1、華東交通大學(xué)理工學(xué)院Institute of Technology. East China Jiaotong University畢 業(yè) 論 文 Graduation Thesis（20082012年）題 目 基于單片機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 分 院： 電氣與信息工程分院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 電牽20082 學(xué) 號(hào)： 20080210470307 學(xué)生姓名： 于志偉 指導(dǎo)教師： 張紹彪 起訖日期： 2012.12012.5 華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性申明本人鄭重申明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行的研究工作所取得的研究成果。設(shè)

2、計(jì)（論文）中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖件、資料，均已在設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用，除此之外，本設(shè)計(jì)（論文）不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識(shí)到本申明的法律后果由本人承擔(dān)。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者簽名： 日期： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者完全了解學(xué)院有關(guān)保留、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交設(shè)計(jì)（論文）的復(fù)印件和電子版，允許設(shè)計(jì)（論文）被查閱和借閱。本人授權(quán)華東交通大學(xué)理工學(xué)院可以將本設(shè)計(jì)（論文）的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以

3、采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）。（保密的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）在解密后適用本授權(quán)書(shū)） 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名：簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)論文摘 要隨著電力電子器件的發(fā)展，交流變頻調(diào)速的發(fā)展也越來(lái)越快，調(diào)速性能也不斷提高，克服了直流調(diào)速難以克服的缺點(diǎn)。變頻調(diào)速是交流調(diào)速中的發(fā)展方向。變頻調(diào)速也有多種方法，本文介紹了一種利用專用集成電路SA4828 設(shè)計(jì)電機(jī)變頻調(diào)速的方法。系統(tǒng)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(jī)的控制?？刂齐娐酚蒑CS-51系列的89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)和SA4828 三相

4、SPWM 產(chǎn)生器及少量的擴(kuò)展外圍芯片構(gòu)成，充分發(fā)揮其控制電路簡(jiǎn)單、控制方式靈活、輸出波形優(yōu)點(diǎn)多的特點(diǎn)，結(jié)合相應(yīng)的軟件，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速要求。其中主要內(nèi)容包括：SA4828的特性介紹及變頻系統(tǒng)的主電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、速度檢測(cè)、調(diào)速系統(tǒng)及軟件編程設(shè)計(jì)方法。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速的全數(shù)字化控制，實(shí)時(shí)性好，可靠性高。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；SA4828；變頻調(diào)速；SPWM；感應(yīng)電動(dòng)機(jī)3華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)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(diào)速技術(shù)簡(jiǎn)介31.2調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展方向41.3 交流調(diào)速系統(tǒng)51.4 單片機(jī)控制的變頻調(diào)速62.電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)72.1 變頻調(diào)速原理72.2 單片機(jī)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)82.2.1 系統(tǒng)框圖82.2.2 硬件系統(tǒng)原理圖92.2.3 脈沖寬度調(diào)制93. 系

9、統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)113.1 IPM模塊113.1.1 IPM的基本工作特性113.1.2 IPM驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)133.1.3 IPM的選用143.1.4 IPM相關(guān)參數(shù)163.2 89C51主控制模塊173.2.1 主要特性173.2.2 管腳說(shuō)明173.2.3 振蕩器特性193.2.4 芯片擦除193.3 SPWM波發(fā)生模塊193.3.1 SA4828的引腳功能203.3.2 SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)213.3.3 SA4828初始化編程223.4 其他模塊簡(jiǎn)介253.4.1 串口通信253.4.2 驅(qū)動(dòng)模塊263.4.3 保護(hù)電路263.4.4 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊273.4.5 速度反饋294.

10、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)30總 結(jié)33參考文獻(xiàn)34后 記35引 言經(jīng)過(guò)大約30年的發(fā)展，交流調(diào)速電氣傳動(dòng)已經(jīng)上升為電器調(diào)速傳動(dòng)的主流。在電氣調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)，可以相信在不久的將來(lái)，交流調(diào)速將會(huì)完全取代直流調(diào)速傳動(dòng)。對(duì)于可調(diào)速的電力拖動(dòng)系統(tǒng)，工程上往往根據(jù)電動(dòng)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。它們最大的不同之處主要在于交流電力拖動(dòng)免除了改變直流電機(jī)電流流向變化的機(jī)械向器整流子。 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(dòng)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(dòng)態(tài)響應(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

11、與直流電力拖動(dòng)媲美。許多傳統(tǒng)的由直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)拖動(dòng)的工業(yè)設(shè)備改由交流變頻調(diào)速系統(tǒng)拖動(dòng)，從而提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用。隨著變頻調(diào)速應(yīng)用的日益廣泛，相關(guān)技術(shù)的日益成熟，人們不僅對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的精度要求越來(lái)越高，而且對(duì)控制的功能要求越來(lái)越多，對(duì)系統(tǒng)的智能化要求越來(lái)越高，對(duì)系統(tǒng)的抗擾能力要求越來(lái)越高，以滿足生產(chǎn)的需求并適應(yīng)不同的工作環(huán)境。隨著電力電子器件，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論向交流電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的滲透，為交流調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究進(jìn)一步創(chuàng)造了有利的條件。諸如交流電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速、各種類型的變頻調(diào)速，特別是矢量控制技術(shù)的應(yīng)用，使得交流調(diào)速系統(tǒng)逐步具備了寬

12、的調(diào)速范圍、較高的穩(wěn)速精度、快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運(yùn)行等良好的技術(shù)性能。現(xiàn)在從數(shù)百瓦的伺服系統(tǒng)到數(shù)百千瓦的特大功率高速傳動(dòng)系統(tǒng)，從一般要求的小范圍調(diào)速傳動(dòng)到高精度、快響應(yīng)、大范圍的調(diào)速傳動(dòng)，從單機(jī)傳動(dòng)到多機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，已幾乎都可采用交流調(diào)速傳動(dòng)。交流調(diào)速傳動(dòng)的客觀發(fā)展趨勢(shì)已表明，它完全可以和直流傳動(dòng)相媲美、相抗衡，并有取代的趨勢(shì)。在交流調(diào)速技術(shù)中，變頻調(diào)速具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，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(guò)程自動(dòng)化，深受工業(yè)行業(yè)的青睞。交流變頻調(diào)速的優(yōu)異特性：調(diào)速時(shí)平滑性好，效率高。低速時(shí)，特性靜關(guān)率較高，相對(duì)穩(wěn)定性好； 調(diào)速范圍較大

13、，精度高；起動(dòng)電流低，對(duì)系統(tǒng)及電網(wǎng)無(wú)沖擊，節(jié)電效果明顯；變頻器體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化；在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，低速段電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力大為降低。交流電動(dòng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，價(jià)格低廉，維修方便，故而應(yīng)用面很廣，幾乎所有的調(diào)速傳動(dòng)都采用交流電動(dòng)機(jī)。盡管從1930年開(kāi)始，人們就致力于交流調(diào)速系統(tǒng)的研究，然而主要局限于利用開(kāi)關(guān)設(shè)備來(lái)切換主回路達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，制動(dòng)和有級(jí)調(diào)速的目的。變極對(duì)調(diào)速，電抗或自藕降壓?jiǎn)?dòng)以及繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻的有級(jí)調(diào)速都還處于開(kāi)發(fā)的階段。交流調(diào)速緩慢的主要原因是決定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要因素的交流電源頻率的改變和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距控制都是非常困難的

14、，使交流調(diào)速的穩(wěn)定性，可靠性，經(jīng)濟(jì)性以及效率均不能滿足生產(chǎn)要求 。后來(lái)發(fā)展起來(lái)的調(diào)壓，調(diào)頻控制只控制了電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通，而不能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)距。SPWM正弦脈寬調(diào)制法這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，具有開(kāi)關(guān)頻率固定，控制和調(diào)節(jié)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(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn)，是一種比較好的波形改善法。它的出現(xiàn)為中小型逆變器的發(fā)展起了重要的推動(dòng)作用。SPWM技術(shù)成為目前應(yīng)用最為廣泛的逆變型PWM技術(shù)。本文主要內(nèi)容是研究采用單片機(jī)89C51與SA4828芯片組成SPWM波發(fā)生電路，并結(jié)合智能功率模塊IPM，通過(guò)軟件編程控制電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)。1 概述1.1 變頻調(diào)速技術(shù)簡(jiǎn)介變頻

15、調(diào)速技術(shù)是一種以改變交流電動(dòng)機(jī)的供電頻率來(lái)達(dá)到交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速目的的技術(shù)。大家都知道，目前，無(wú)論哪種機(jī)械調(diào)速，都是通過(guò)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。從大的范圍來(lái)分，電機(jī)有直流電機(jī)和交流電機(jī)。由于直流機(jī)調(diào)速容易實(shí)現(xiàn)，性能好，因此過(guò)去生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)速多用直流電動(dòng)機(jī)。但直流機(jī)固有的缺點(diǎn)：由于采用直流電源，它的滑環(huán)和碳刷要經(jīng)常拆換，故費(fèi)時(shí)費(fèi)工，成本高，給人們帶來(lái)太大的麻煩。因此人們希望，讓簡(jiǎn)單可靠廉價(jià)的籠式交流電機(jī)也像直流電動(dòng)機(jī)那樣調(diào)速。這樣就出現(xiàn)了定子調(diào)速、變極調(diào)速、滑差調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串極調(diào)速等交流調(diào)速方式。當(dāng)然也出現(xiàn)了滑差電機(jī)、繞線式電機(jī)、同步式交流電機(jī)。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了變

16、頻調(diào)速技術(shù)，它一出現(xiàn)就以其優(yōu)異的性能逐步取代其它交流電機(jī)調(diào)速方式，乃至直流電機(jī)調(diào)速，而成為電氣傳動(dòng)的中樞1。變頻調(diào)速被認(rèn)為是一種理想的交流調(diào)速方法。但如何得到一個(gè)單獨(dú)向異步電動(dòng)機(jī)供電的經(jīng)濟(jì)可靠的變頻電源，一直是交流變頻調(diào)速的主要課題。20世紀(jì)60年代中期，隨著普通的晶閘管、小功率管的實(shí)用化，出現(xiàn)了靜止變頻裝置，它是將三相的工頻電源經(jīng)變換后，得到頻率可調(diào)的交流電。這個(gè)時(shí)期的變頻裝置，多為分立元件，它體積大、造價(jià)高，大多是為特定的控制對(duì)象而研制的，容量普遍偏小，控制方式也很不完善，調(diào)速后電動(dòng)機(jī)的靜、動(dòng)態(tài)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(chǎng)合。20世紀(jì)70年代以后，電

17、力電子技術(shù)和微電子技術(shù)以驚人的速度向前發(fā)展，變頻調(diào)速傳動(dòng)技術(shù)也隨之取得了日新月異的進(jìn)步，開(kāi)始出現(xiàn)了通用變頻器。它功能豐富，可以適用于不同的負(fù)載和場(chǎng)合，特別是進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件IGBT、矢量控制技術(shù)的成熟，微機(jī)控制的變頻調(diào)速成為主流，調(diào)速后異步電動(dòng)機(jī)的靜、動(dòng)態(tài)特性已經(jīng)可以和直流調(diào)速相媲美。隨著變頻器的專用大規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件、傳感器的性能越來(lái)越高，進(jìn)一步提高變頻器的性能和功能已成為可能?，F(xiàn)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(jìn)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(diào)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(diào)制波)與三角波(載波)比較的SPWM法、磁場(chǎng)跟蹤式SPWM法和等面積SPWM法等。 1.2調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展方向隨著電力電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和電力電子器件的更新?lián)Q代，變頻調(diào)速技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。據(jù)資料顯示，現(xiàn)在有90%以上的動(dòng)力來(lái)源來(lái)自電動(dòng)機(jī)。我國(guó)生產(chǎn)的電能60%用于電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)

19、與人們的生活息息相關(guān)，密不可分，所以要對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速有足夠的重視。我們都知道，動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)是可以相互轉(zhuǎn)化的，從這個(gè)意義上說(shuō)電動(dòng)機(jī)也是最常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)源，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的最有效方式是對(duì)運(yùn)動(dòng)源的控制。因此，常常通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。 對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制可以分為簡(jiǎn)單控制和復(fù)雜控制兩大類。簡(jiǎn)單控制是指對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)，制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)控制和順序控制。這類控制可以通過(guò)繼電器，可編程器件和開(kāi)關(guān)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。復(fù)雜控制是指對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)距，電壓，電流等物理量進(jìn)行控制，而且有時(shí)往往需要非常精確的控制。以前，對(duì)電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單控制的應(yīng)用較多，但是，隨著現(xiàn)代化步伐的前進(jìn)，人們對(duì)自動(dòng)化的需求也越來(lái)越高，使電動(dòng)機(jī)的復(fù)雜控

20、制逐漸成為主流，其應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛。在軍事和雷達(dá)天線，火炮瞄準(zhǔn)，慣性導(dǎo)航，衛(wèi)星姿態(tài)，飛船光電池對(duì)太陽(yáng)的控制等。工業(yè)方面的各種加工中心，專用加工設(shè)備，數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人，塑料機(jī)械，繞線機(jī)，泵和壓縮機(jī)，軋機(jī)主傳動(dòng)等設(shè)備的控制。計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和辦公設(shè)備中的各種磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，繪圖儀，打印機(jī)，復(fù)印機(jī)等的控制；音像設(shè)備和家用電器中的錄音機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，洗衣機(jī)，冰箱空調(diào)，電扇等的控制，我們統(tǒng)統(tǒng)稱其為電動(dòng)機(jī)的控制。 功率半導(dǎo)體器件的不斷進(jìn)步，尤其是新型可關(guān)斷器件，如BJT（雙極型晶體管）、MOSFET（金屬氧化硅場(chǎng)效應(yīng)管）、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的實(shí)用化，使得開(kāi)關(guān)高頻化的PWM 技術(shù)成為可能。目前功率半

21、導(dǎo)體器件正向高壓、大功率、高頻化、集成化和智能化方向發(fā)展。脈寬調(diào)制技術(shù)PWM （Pulse Width Modu- lation）就是利用功率半導(dǎo)體器件的高頻開(kāi)通和關(guān)斷，把直流電壓變成按一定寬度規(guī)律變化的電壓脈沖序列，以實(shí)現(xiàn)變頻、變壓并有效地控制和消除諧波。PWM技術(shù)可分為三大類：正弦PWM、優(yōu)化PWM 及隨機(jī)PWM。 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式控制處理芯片的運(yùn)算能力和可靠性得到很大提高，這使得全數(shù)字化控制系統(tǒng)取代以前的模擬器件控制系統(tǒng)成為可能。目前適于交流傳動(dòng)系統(tǒng)的微處理器有單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)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(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)形式采用超高速緩沖儲(chǔ)存器、多總線結(jié)構(gòu)、流水線結(jié)構(gòu)和多處理器結(jié)構(gòu)等。核心控制算法的實(shí)時(shí)完成、功率器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生以及系統(tǒng)的監(jiān)控、保護(hù)功能都可以通過(guò)微處理器實(shí)現(xiàn)，為交流傳動(dòng)系統(tǒng)的控制提供很大的靈活性，且控制器的硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高， 成本低，使得微處理器組成全數(shù)字化控制系統(tǒng)達(dá)到了較高的性能價(jià)格比。1.3 交流調(diào)速系統(tǒng)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(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運(yùn)行

23、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(dòng)媲美。交流調(diào)速控制作為對(duì)電動(dòng)機(jī)控制的一種手段。作用相當(dāng)明顯，就交流調(diào)速系統(tǒng)目前的發(fā)展水平而言，可概括的如下：（1）已從中容量等級(jí)發(fā)展到了大容量、特大容量等級(jí)。并解決了交流調(diào)速的性能指標(biāo)問(wèn)題，填補(bǔ)了直流調(diào)速系統(tǒng)在特大容量調(diào)速的空白。（2）可以使交流調(diào)速系統(tǒng)具有高的可靠性和長(zhǎng)期的連續(xù)運(yùn)行能力，從而滿足有些場(chǎng)合不停機(jī)檢修的要求或?qū)煽啃缘奶厥庖?。?）可以使交流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高性能、高精度的轉(zhuǎn)速控制。除了控制部分可以得到和直流調(diào)速控制同樣良好的性能外，異步電動(dòng)機(jī)本身固有的優(yōu)點(diǎn)，又使整個(gè)系統(tǒng)得到更好的動(dòng)態(tài)性能。采用數(shù)字鎖相控制的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，

24、調(diào)速精度可以達(dá)到0.002%。在交流調(diào)速技術(shù)中，交流電動(dòng)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。其中變頻調(diào)速具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，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(guò)程自動(dòng)化，深受工業(yè)行業(yè)的青睞。 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)，特性靜關(guān)率較高，相對(duì)穩(wěn)定性好。 (2) 調(diào)速范圍較大，精度高。(3) 起動(dòng)電流低，對(duì)系統(tǒng)及電網(wǎng)無(wú)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(jiǎn)便。 (5) 易于實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化。 (6) 必須有專用的變頻電源，目前造價(jià)較高。(7) 在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，低速段電動(dòng)機(jī)

25、的過(guò)載能力大為降低。 1.4 單片機(jī)控制的變頻調(diào)速 微處理器（單片機(jī)）取代模擬電路作為電動(dòng)機(jī)的控制器，具有如下特點(diǎn)：（1）使電路更簡(jiǎn)單。模擬電路為了實(shí)現(xiàn)控制邏輯需要許多電子元件，使電路更復(fù)雜，采用微處理器后，絕大多數(shù)控制邏輯可通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。（2）可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的控制。微處理器具有更強(qiáng)的邏輯功能，運(yùn)算速度快，精度高，有大容量的存儲(chǔ)單元。因此，有能力實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制。（3）靈活性和適應(yīng)性。微處理器的控制方式是有軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如果需要修改控制規(guī)律，一般不必改變系統(tǒng)的硬件電路，只須修改程序即可，在系統(tǒng)調(diào)試和升級(jí)時(shí)，可以不斷嘗試選擇最優(yōu)參數(shù)，非常方便。 （4）無(wú)零點(diǎn)漂移，控制精度高 數(shù)字控制不會(huì)出現(xiàn)模

26、擬電路中經(jīng)常遇見(jiàn)的零點(diǎn)漂移問(wèn)題，無(wú)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(jī)界面，多機(jī)連網(wǎng)工作。用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)可謂功能強(qiáng)大，它有極高的速度，很強(qiáng)的運(yùn)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(guò)大，所以只用于大型的控制系統(tǒng)?？删幊炭刂破鲃t恰好相反，它只能完成邏輯判斷、定時(shí)、記數(shù)和簡(jiǎn)單的運(yùn)算，由于功能太弱，所以它只能用于簡(jiǎn)單的電動(dòng)機(jī)控制。在民用生產(chǎn)中，通常用介于工控機(jī)和可編程控制器之間的單片機(jī)作為微處理器。本次設(shè)計(jì)就是用單片機(jī)作為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制器。2.電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)2.1 變頻調(diào)速原理變頻調(diào)速是改變電動(dòng)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。變頻可以

27、調(diào)速這個(gè)概念，可以說(shuō)是交流電動(dòng)機(jī)“與生俱來(lái)”的。同步電動(dòng)機(jī)不消說(shuō)，即使是異步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速也是取決于同步轉(zhuǎn)速(即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速)的： （2-1）式中： 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，m/min電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，r/min電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率而同步轉(zhuǎn)速則主要取決于頻率 （2-2）式中：輸入頻率，Hz電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)由式（2-1）與式（2-2）可知變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： （2-3）由上式可知，在電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)不變的情況下，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，通常要考慮的一個(gè)重要因素是，希望保持電機(jī)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(jī)出現(xiàn)欠勵(lì)磁，將會(huì)影響電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，由 （2-4）（式中 ：電磁轉(zhuǎn)矩，：主磁通，：轉(zhuǎn)子電流，:轉(zhuǎn)子回路功率因素，：比例系數(shù))，可知，電機(jī)磁通的減小，勢(shì)必造成電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的減小。由于電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的磁通常處于接近飽和值，如果進(jìn)一步增大磁通，將使電動(dòng)機(jī)鐵心出現(xiàn)飽和，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)中流過(guò)很大的勵(lì)磁電流，增加電動(dòng)機(jī)的銅損耗和鐵損耗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電動(dòng)機(jī)。因此，在改變電動(dòng)機(jī)頻率時(shí)，應(yīng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的電壓進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以維持電動(dòng)機(jī)磁通的恒定。2.2 單片機(jī)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)2.2.1 系統(tǒng)框圖外圍設(shè)備（如串口、鍵盤(pán)、顯示等）AT89C51SA4828電動(dòng)機(jī)回 路檢測(cè)電路A/D保護(hù)電路圖2

29、-1 電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖 2.2.2 硬件系統(tǒng)原理圖圖圖2-2 單片機(jī)與SA4828控制的變頻系統(tǒng)原理 該硬件系統(tǒng)主要包括主電路與控制電路兩個(gè)部分，其中主電路包括交-直-交變頻電路（本設(shè)計(jì)采用IPM集成模塊）與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)；控制電路包括89C51主控制模塊、SA4825產(chǎn)生SPWM波模塊、驅(qū)動(dòng)模塊以及外圍設(shè)備模塊（如鍵盤(pán)輸入、液晶顯示、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換以及串口等）。以CPU為核心，配以鍵盤(pán)、顯示、通訊等設(shè)備，完成對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度控制。這里選用了ATMEL公司的89C51單片機(jī)，它與Intel 51系列單片機(jī)完全兼容。其內(nèi)部配置了8KB的Flash Memory ，無(wú)須擴(kuò)展外部存貯器。同時(shí)這種

30、8位單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)與SA4828完全兼容，可以直接相連。給定轉(zhuǎn)速nO可以用三種方式設(shè)定：鍵盤(pán)、電位器和上位機(jī)。用8位LED分別顯示給定轉(zhuǎn)速nO和實(shí)際轉(zhuǎn)速n，一目了然。系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、調(diào)速效果、動(dòng)態(tài)響應(yīng)的跟蹤情況都可以傳送到上位機(jī)，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(diào)制脈沖寬度調(diào)制 脈沖寬度調(diào)制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域。一種模擬控制方式，根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管柵極或基極的

31、偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶 體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)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(shí)保持恒定。 脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(wú)(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。 多數(shù)負(fù)載(無(wú)論是電感性負(fù)載還是電容性

32、負(fù)載)需要的調(diào)制頻率高于10Hz，通常調(diào)制頻率為1kHz到200kHz之間。 許多微控制器內(nèi)部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67內(nèi)含兩個(gè)PWM控制器，每一個(gè)都可以選擇接通時(shí)間和周期。占空比是接通時(shí)間與周期之比；調(diào)制頻率為周期的倒數(shù)。執(zhí)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(shè)置提供調(diào)制方波的片上定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的周期 * 在PWM控制寄存器中設(shè)置接通時(shí)間 * 設(shè)置PWM輸出的方向，這個(gè)輸出是一個(gè)通用I/O管腳 * 啟動(dòng)定時(shí)器 * 使能PWM控制器 PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無(wú)需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式

33、可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。 對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長(zhǎng)通信距離。在接收端，通過(guò)適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。3. 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)3.1 IPM模塊IPM（Intelligent Power Module），即智能功率模塊，不僅把功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起。而且還內(nèi)藏有過(guò)電壓，過(guò)電流和過(guò)熱等故障檢測(cè)電路，并可將檢測(cè)信號(hào)送到CPU。它由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的

34、門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路以及快速保護(hù)電路構(gòu)成。即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，也可以保證IPM自身不受損壞。IPM一般使用IGBT作為功率開(kāi)關(guān)元件，內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動(dòng)電路的集成結(jié)構(gòu)。IPM以其高可靠性，使用方便贏得越來(lái)越大的市場(chǎng)，尤其適合于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻器和各種逆變電源，是變頻調(diào)速、冶金機(jī)械、電力牽引、伺服驅(qū)動(dòng)、變頻家電的一種非常理想的電力電子器件。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.1。圖圖3-1 IPM內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 3.1.1 IPM的基本工作特性 3.1.1.1 IPM的結(jié)構(gòu)IPM由高速、低功率的IGBT芯片和優(yōu)選的門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路構(gòu)成，其中，IGBT是GTR和MOSFET的復(fù)合，由MOSFET驅(qū)動(dòng)GTR，因而IGBT

35、具有兩者的優(yōu)點(diǎn)。 IPM根據(jù)內(nèi)部功率電路配置的不同可分為四類：H型(內(nèi)部封裝一個(gè)IGBT)、D型(內(nèi)部封裝兩個(gè)IGBT)、C型(內(nèi)部封裝六個(gè)IGBT)和R型(內(nèi)部封裝七個(gè)IGBT)。小功率的IPM使用多層環(huán)氧絕緣系統(tǒng)，中大功率的IPM使用陶瓷絕緣。 3.1.1.2 IPM內(nèi)部功能機(jī)制IPM內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路使系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單、可靠，縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間，也提高了故障下的自保護(hù)能力。與普通的IGBT模塊相比，PM在系統(tǒng)性能及可靠性方面都有進(jìn)一步的提高。 保護(hù)電路可以實(shí)現(xiàn)控制電壓欠壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)。各種保護(hù)功能具體如下： (1) 控制電壓欠壓保護(hù)(UV)：PM使用單一的+15V

36、供電，若供電電壓低于12.5V，且時(shí)間超過(guò)toff10ms，發(fā)生欠壓保護(hù)，封鎖門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。 (2) 過(guò)溫保護(hù)(OT)：在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝了一個(gè)溫度傳感器，當(dāng)IPM溫度傳感器測(cè)出其基板的溫度超過(guò)溫度值時(shí)，發(fā)生過(guò)溫保護(hù)，封鎖門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。 (3) 過(guò)流保護(hù)(OC)：若流過(guò)IGBT的電流值超過(guò)過(guò)流動(dòng)作電流，且時(shí)間超過(guò)toff，則發(fā)生過(guò)流保護(hù)，封鎖門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。為避免發(fā)生過(guò)大的di/dt，大多數(shù)IPM采用兩級(jí)關(guān)斷模式。其中，VG為內(nèi)部門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓，ISC為短路電流值，IOC為過(guò)流電流值，IC為集電極電流，IFO為故障輸出電流。 (4)短路保護(hù)

37、(SC)：若負(fù)載發(fā)生短路或控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致短路，流過(guò)IGBT的電流值超過(guò)短路動(dòng)作電流，則立刻發(fā)生短路保護(hù)，封鎖門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。跟過(guò)流保護(hù)一樣，為避免發(fā)生過(guò)大的di/dt，大多數(shù)IPM采用兩級(jí)關(guān)斷模式。為縮短過(guò)流保護(hù)的電流檢測(cè)和故障動(dòng)作間的響應(yīng)時(shí)間，IPM內(nèi)部使用實(shí)時(shí)電流控制電路(RTC)，使響應(yīng)時(shí)間小于100ns，從而有效抑制了電流和功率峰值，提高了保護(hù)效果。當(dāng)IPM發(fā)生UV、OC、OT、SC中任一故障時(shí)，其故障輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間FO為18ms(SC持續(xù)時(shí)間會(huì)長(zhǎng)一些)，此時(shí)間內(nèi)IPM會(huì)封鎖門(mén)極驅(qū)動(dòng)，關(guān)斷IPM;故障輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間結(jié)束后，IPM內(nèi)部自動(dòng)復(fù)位，門(mén)極驅(qū)動(dòng)通道開(kāi)放。

38、60;   可以看出，器件自身產(chǎn)生的故障信號(hào)是非保持性的，如果FO結(jié)束后故障源仍舊沒(méi)有排除，IPM就會(huì)重復(fù)自動(dòng)保護(hù)的過(guò)程，反復(fù)動(dòng)作。過(guò)流、短路、過(guò)熱保護(hù)動(dòng)作都是非常惡劣的運(yùn)行狀況，應(yīng)避免其反復(fù)動(dòng)作，因此僅靠IPM內(nèi)部保護(hù)電路還不能完全實(shí)現(xiàn)器件的自我保護(hù)。要使系統(tǒng)真正安全、可靠運(yùn)行，需要輔助的外圍保護(hù)電路。3.1.1.3 IPM模塊的優(yōu)點(diǎn)智能功率模塊 IPM（Intelligent Powr Module）不僅把功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，而且還內(nèi)藏有過(guò)電壓，過(guò)電流和過(guò)熱等故障檢測(cè)電路，并可將檢測(cè)信號(hào)送到 CPU或 DSP 作中斷處理。它由高速低工耗的管芯和優(yōu)化的門(mén)級(jí)驅(qū)

39、動(dòng)電路以及快速保護(hù)電路構(gòu)成。 即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)， 也可以 IPM自身不受損壞。 IPM一般使用 IGBT作為功率開(kāi)關(guān)元件，并內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動(dòng)電路的集成結(jié)構(gòu)。1）  開(kāi)關(guān)速度快。IPM 內(nèi)的 IGBT芯片都選用高速型，而且驅(qū)動(dòng)電路緊靠 IGBT芯片，驅(qū)動(dòng)延時(shí)小，所以 IPM 開(kāi)關(guān)速度快，損耗小。2）  低功耗。IPM 內(nèi)部的 IGBT 導(dǎo)通壓降低，開(kāi)關(guān)速度快，故 IPM 功耗小。3）  快速的過(guò)流保護(hù)。IPM 實(shí)時(shí)檢測(cè) IGBT 電流，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重過(guò)載或直接短路時(shí)，IGBT將被軟關(guān)斷，同時(shí)送出一個(gè)故障信號(hào)。4）  過(guò)熱保護(hù)。在靠近 IGBT 的

40、絕緣基板上安裝了一個(gè)溫度傳感器，當(dāng)基板過(guò)熱時(shí)，IPM內(nèi)部控制電路將截止柵級(jí)驅(qū)動(dòng)，不響應(yīng)輸入控制信號(hào)。5）  橋臂對(duì)管互鎖。在串聯(lián)的橋臂上，上下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互鎖。有效防止上下臂同時(shí)導(dǎo)通。6）  抗干擾能力強(qiáng)。優(yōu)化的門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)與 IGBT 集成，布局合理，無(wú)外部驅(qū)動(dòng)線。7）  驅(qū)動(dòng)電源欠壓保護(hù)。當(dāng)?shù)陀隍?qū)動(dòng)控制電源（一般為 15V）就會(huì)造成驅(qū)動(dòng)能力不夠，增加導(dǎo)通損壞。IPM自動(dòng)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電源，當(dāng)?shù)陀谝欢ㄖ党^(guò) 10?s時(shí)，將截止驅(qū)動(dòng)信號(hào)。8）  IPM  內(nèi)藏相關(guān)的外圍電路?？s短開(kāi)發(fā)時(shí)間，加快產(chǎn)品上市。9）  無(wú)須采取防靜電措施。10）

41、60; 大大減少了元件數(shù)目。體積相應(yīng)小。3.1.2 IPM驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)電路是IPM主電路和控制電路之間的接口，良好的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)對(duì)裝置的運(yùn)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(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) IGBT的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)問(wèn)題亦即MOSFET的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：IGBT柵極耐壓一般在±20V左右，因此驅(qū)動(dòng)電路輸出端要給柵極加電壓保護(hù)，通常的做法是在柵極并聯(lián)穩(wěn)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(kāi)關(guān)速度，后者的缺陷是將減小輸入阻抗，增大驅(qū)動(dòng)電流，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)需要取舍。盡管IGBT所需驅(qū)動(dòng)功率很小，但由于MOSFET

42、存在輸入電容Cin，開(kāi)關(guān)過(guò)程中需要對(duì)電容充放電，因此驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流應(yīng)足夠大。假定開(kāi)通驅(qū)動(dòng)時(shí)，在上升時(shí)間tr內(nèi)線性地對(duì)MOSFET輸入電容Cin充電，則驅(qū)動(dòng)電流為IgtCinUgs/tr，其中可取tr2.2RCin，R為輸入回路電阻。為可靠關(guān)閉IGBT， 防止擎住現(xiàn)象，要給柵極加一負(fù)偏壓，因此最好采用雙電源供電。 3.1.2.2 IGBT集成式驅(qū)動(dòng)電路IGBT的分立式驅(qū)動(dòng)電路中分立元件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，保護(hù)功能比較完善的分立電路就更加復(fù)雜，可靠性和性能都比較差，因此實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)采用集成式驅(qū)動(dòng)電路。日本富士公司的EXB系列集成電路、法國(guó)湯姆森公司的UA4002集成電路等應(yīng)用都很廣泛。3.1.2

43、.3 IPM驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 現(xiàn)以PM100DSA120為例進(jìn)行介紹。PM100DSA120是一種D型的IPM，內(nèi)部封裝了兩個(gè)IGBT，工作在1200V/100A以下，功率器件的開(kāi)關(guān)頻率最大為20kHz。由于IPM內(nèi)置了驅(qū)動(dòng)電路，與IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)相比，外圍驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)比較方便，只要能提供15V直流電壓即可。 圖圖3-2 IPM外部驅(qū)動(dòng)電路圖3.2所示的是一種典型的高可靠性IPM外部驅(qū)動(dòng)電路方案。來(lái)自控制電路的PWM信號(hào)經(jīng)R1限流，再經(jīng)高速光耦隔離并放大后接IPM內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路并控制開(kāi)關(guān)管工作，F(xiàn)O信號(hào)也經(jīng)過(guò)光耦隔離輸出。其中每個(gè)開(kāi)關(guān)管的控制電源端采用獨(dú)立隔離的穩(wěn)壓。15V電源，且接1只10F

44、的退耦電容器(圖中未畫(huà)出)以濾去共模噪聲。Rl根據(jù)控制電路的輸出電流選取如用MCU產(chǎn)生PWM，則R1的阻值可為330。R2根據(jù)IPM驅(qū)動(dòng)電流選值，一方面應(yīng)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(nèi)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(huà)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(shí)，首先是根據(jù)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(hào)。

45、選型時(shí)，根據(jù)IPM的過(guò)流動(dòng)作數(shù)值以確定峰值電流及適當(dāng)?shù)臒嵩O(shè)計(jì)以保證結(jié)溫峰值永遠(yuǎn)小于最大結(jié)溫額定值，使基板的溫度永遠(yuǎn)低于過(guò)熱動(dòng)作數(shù)值。峰值電流依電機(jī)的功率額定值而定。下表是根據(jù)OC動(dòng)作數(shù)值和電機(jī)峰值電流而給出的交流220V電機(jī)推薦使用的IPM類型。電機(jī)峰值電流是基于變頻器和電機(jī)工作的效率、功率因數(shù)、最大負(fù)載和電流脈動(dòng)而設(shè)定的。電機(jī)電流最大峰值可由下式計(jì)算： (3-1)式中：P電機(jī)功率(W)； OL變頻器最大過(guò)載系數(shù)；電流脈動(dòng)因數(shù)；變頻器的效率； F功率因數(shù)； VAC交流線電壓(V)。例如：電源Vac220V交流，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)P 3.7kW，OL150%，120%，0.9，F(xiàn)0.76，則Ic(峰值)

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

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

48、1（控制電源正極） 17：NC（不接） 18：WP（W組信號(hào)輸入） 19：NC（不接） 圖3-3 三菱PS21564-P IPM管腳圖20:  VNO（過(guò)流取樣時(shí)間設(shè)置） 21:  UN（U組下橋信號(hào)輸入） 22:  VN（V組下橋信號(hào)輸入）23:  WN（W組下橋信號(hào)輸入） 24:  FO（故障輸出-低有效） 25:  CFO（故障延時(shí)設(shè)置） 26:  CIN（過(guò)流取樣時(shí)間設(shè)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(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)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(jī)。 3.2.1 主要特性·與MCS-51 兼容 ·4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 ·壽命：1000寫(xiě)/擦循環(huán) ·數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年 ·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz ·三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 ·12

50、8*8位內(nèi)部RAM ·32可編程I/O線 ·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 ·5個(gè)中斷源 ·可編程串行通道 ·低功耗的閑置和掉電模式 ·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 3.2.2 管腳說(shuō)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(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向 I/O口，每腳可吸收8TTL門(mén)電流。當(dāng)P1 口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0口：89C51管腳圖

51、外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)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(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)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(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在

52、給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)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(shí)器0外部輸入） P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的

54、輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)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(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)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(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來(lái)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(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)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(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫(xiě)“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)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