SPWM变频调速系统设计论文 (4)

2.4.SPWM控制信号的产生方法

从所能收集到的科研文献中，可以归结出很多种生成SPWM脉冲的方法，大致分为两大类:第一类是完全由模拟电路生成;第二类是由专用集成芯片生成.本设计采用数字控制方式。

(1)SPWM的模拟控制

原始的SPWM是由模拟控制来实现的。图2-7是SPWM模拟控制电路原理框图。

三相对称的参考正弦电压调制信号ura，urb，urc由参考信号发生器提供，其频率和幅值都是可调的。三角载波信号ut由三角波发生器提供，各相共用。它分别与每相调制信号在比较器上进行比较，给出正或零的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波uda，

udb，udc，作为变压变频器功率开关器件的驱动信号。

uda 参考信号 udc 三角波发生器 图2-7 SPWM波模拟控制电路

发生器 驱动V1-V6 SPWM波形 本方法原理简单而且直观。但是，由于正弦波调制和三角载波由硬件电路生成，硬件开销大，系统可靠性差。并且当控制电路的直流电源电压有波动或有噪声干扰时，都将引起SPWM脉冲宽度的变化，从而影响到变频器输出频率和电压的稳定性。整个系统受温漂和时漂的影响大，当输出频率低、调制深度很小时，噪声干扰尤其严重，输出频率精度很差。由于以上缺点,SPWM 的模拟控制电路现已很少应用，但它的原理往往是其他控制方法的基础，仍须充分了解。 (2) SPWM的数字控制

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数字控制是SPWM目前常用的控制方法。可以采用微机存储预先计算好的SPWM数据表格，控制时根据指令调出;或者通过软件实时生成SPWM波形;也可以采用大规模集成电路专用芯片产生SPWM信号。

分析生成SPWM波形的实现方式,模拟控制和数字控制两种形式。传统的模拟控制在逆变器中应用广泛，技术成熟，控制性能优良，但模拟控制也存在一些缺陷：元件众多，设计周期长，调试复杂，不易管理维护等。随着数字信号处理技术的蓬勃发展，数字控制技术已经成功地应用到电力电子与电力传动控制领域中来，逆变器的数字控制逐渐成为研究热点。

由于微型技术的迅速发展和应用，交流电机变频调速系统的控制回路均以单片微机和SPWM脉宽调制共同完成。由于微机的高度集成化和很强的运算功能，用于PWM调速系统进行直接数字控制，可得到高度的稳定性、高度可靠性以及小型化和便于维修、节能、提高产品质量等应用效果。

随着微电子技术的发展，开发出一些专门用于发生控制信号的集成电路芯片，配合微处理器进行控件生成SPWM信号方便得多。国内制的电动机微机控制系统，大多采用8031, 8098等。由于这些芯片并非为电动机控制设计的，为了实现电动机控制的某些功能，不得不增加较多的外器件必须以多片集成电路方能构成完整的控制系统。

近年，国外著名半导体集成电路厂商为满足高性能电动制需要，推出了一些电动机控制专用单片微处理器。它们可频驱动的交流电动机、采用斩波器驱动的直流伺服电动机或步进电动控制也可用于UPS电源等.其中较有代表性的就是Intel公司的MCS-96系列16位单片机中的80C196MC.本文所述系统就是利80C196MC单片机的波形发生器WFG产生六路双极性的SPWM驱动信号，来驱动主电路的IGBT进行逆变的。由于单片机运算速度极快(采用16M晶振)，完全可以实现双极性SPWM控制。

变频调速系统的硬件实现电路主要以80C196MC为控制主题，由芯片产生SPWM波形，通过驱动电路控制IGBT逆变，实现双极性SPWM控制。

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三 变频调速系统的硬件实现

该系统以单片机为核心，采用新型三相SPWM专用芯片80C196MC组成的三相脉宽调制逆变器控制电路组成性能良好的新型全数字化逆变器调速系统，该系统具有不仅需少量的外围元件，而且无需繁杂的软件编程等优点。

3.1变频调系统的整体硬件电路设计

本系统主要由主电路、驱动电路、控制电路以及保护电路构成。其结构框图如图3-7a, b, c，其中控制电路原理图见附录。

键盘显示电 模拟输入 检测电流预留口 8279 外部扩展存储器 80C196MC单片SPWM输出 a控制电路框图

保护电路输入口 直流电源 晶体管放大电路 光电隔离电路 输出给IGBT基极控制信号BU BX BV BY BW BZ

SPWM输入信号 b驱动电路框图

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电源 整流电路 滤波电路 C主电路方框图 图3-1 硬件电路方框图

控制电路以80C196MC为核心，输出六路互补SPWM波形，输入和电位器模拟输入两种输入方式，可以用键盘数字电流检测以及测速码盘的接入口在控制电路中全都预留有接口，

驱动电路是控制电路和主电路之间的接口电路，主要完成SPWM波形的隔离、放大，然后驱动主电路。

逆变电路 3.2主电路的设计

3.2.1主电路硬件结构

主电路是交一直一交电压源型，单相220V工频交流供电，采用不可控的二极管整流桥，大电容滤波，采用大功率晶体管IGBT作为输出SPWM波形的开关器件。目前的大功率开关器件都是以集成的大功率场效应管IGBT为主流，另外系统中设置了保护电路，包括过压、过流的保护等。

该主电路由二极管三相整流桥向电压型逆变器提供恒定的直流电压，变频器的变压、变频均在逆变器内进行。逆变器由六只IGBT管组成三相桥式逆变电路，并辅以吸收电路构成。平波电容器C起中间能量存储作用，使逆变器与交流电网去耦，并可以向电机提供无功功率。由于二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流的途径，所以一般都用电阻吸收制动能量。制动时，异步电机进入发电状态，首先通过IGBT两端并联的续流二极管D向电容C充电，当中间直流回路电压升高到一定限制值时，通过电压限制电路将电机释放的动能消耗在制动电阻R上。

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图3-2主电路结构图

逆变(DC／AC)技术是电力电子技术的重要组成部分，是把直流电变成交流电的过程，完成逆变功能的电路称为逆变电路逆变电路根据直流侧电源性质不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。它们也分别被称为电压源型逆变电路和电流源型逆变电路。

电压型逆变电路在直流侧接有大电容，相当于电压源，直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗的特点。本节主要介绍电压型逆变电路的基本构成，并分析其工作原理。

3.2.2三相电压型逆变电路

三相交流负载需要三相逆变器，在三相逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆变电路。采用IGBT作为可控元件的电压型三相逆变电路如图2．7所示，可以看出电路由三个半桥组成。

电压型三相逆变桥的基本工作方式与单相逆变桥相同，也是180导电方式，即每个桥臂的导电角度为180，同一相(同一半桥)上下两个臂交替导电，各相开始导电的时间依次相差180。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂，下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此，也被称为纵向换流。

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