1、运动控制系统设计第 1 页SPWM 变压变频调速控制系统设计一、课程设计目的掌握交-直-交电压源型变频器的结构组成和工作原理，掌握变频器的主电路、控制电路、驱动电路以及保护电路的设计方法，掌握变频器主要元器件的选型方法。二、设计内容、技术条件和要求设计交-直-交电压源型三相 SPWM 变频器，整流部分为二极管三相不控整流，并由大电容滤波，获得恒定直流电压，逆变器由 6 个电力晶体管 GTR 和 6 个续流二极管组成，并由 8051 和大规模集成电路 HEF4752 组成 SPWM 变压变频调速系统的控制电路。基本设计参数：异步电动机额定功率 11kW，额定电流 22A，线电压 380V，允许过
2、载倍数=1.5，泵升电压 Us=150V，逆变器输出频率范围 460Hz，额定输出频率50Hz，负载功率因数 cos 0.5，负载引起直流电压脉动百分比K5%， Uin(max)=10V，设计任务： 1. 设计主电路：选择 GTR 开关管和滤波电容参数； 2. 设计控制电路：采用大规模集成电路 HEF4752，并设 fsmax=1000Hz，计算8253 分频系数； 3. 设计驱动电路：采用分立元件或集成电路模块均可； 4. 画出系统主电路图、控制电路图、驱动电路图、保护电路图（过压保护和过流保护二选一） ； 5. 写出设计心得体会。三、SPWM 调速系统基本原理PWM 的原理，就是面积等效原
3、理，在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。所以可用等幅值的不同宽度的脉冲来等效一些想要的波形。PWM 技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变为电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或电压脉冲周期以达到改变电压的目的，或者通过控制电压脉冲宽度和电压脉冲序列的周期以达到变压和变频的目的。 变频调速中，前者主要应用于 PWM 斩波（DCDC 变换） ，后者主要应用于 PWM 逆变（DCAC 变换） 。PWM 脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波（调制波）对三角载波进行调制，以达到调节输出脉冲宽度的目的。相当于基波分量的信号波（调制
4、波）并不一定指正弦波，在 PWM 优化模式控制中可以是预畸变的信号波，正弦信号波是一种最通常的调制信号，但决不是最优信号。根据面积等效原理，PWM 波形和正弦波是等效的，而这种的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形，也称为 SPWM（Sinusoidal PWM）波形。三相交流电动机定子绕组中的三相交流电在定子隙圆周上产生一个旋转磁场，这个旋转磁场的转速称同步转速，记为 n 实际电动机转速 n 要低于同步转速，故一般称这样的三相交流电动机为三相异步电动机。异步电动机运动控制系统设计第 2 页的同步转速，即旋转磁场的转速为 ：n1=60f1/np 其中 1n 为同步转速(r/min)
5、 f 1 为 定 子 频率，也就是电源频率(Hz); np 为 磁 极 对数。 异步电机的轴转速为 n=n1(1-s)=60f1(1-s)/np 其中 s 为异步电机的转差率, 由上面的公式可以看出，改变电源的供电频率可以改变电机的转速。由电机理论知道，三相异步电机定子每相电动势的有效值为 E1=4.44f1n1m .其中 E1 为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值(V), f1 为定子频率(Hz), n1 为定子每相绕组匝数，m 为极磁通里(Wb)。由上式可见主磁通中.是由 E1 和 f 1。共同决定的，如果保持E1 和 f1 之比不变，就可以保持主磁通不变。主电路设计1) 主电路功能说
6、明主电路为 AC/DC/AC 逆变电路，由三相整流桥、滤波器、三相逆变器组成。三相交流电经桥式整流后，得到脉动的直流电压经电容器滤波后供给逆变器。 二极管整流桥把输入的交流电变为直流电，电阻R1 为起动限流电阻，其上的电压波形反映了主回路的电流波形，可以用来观察波形。C1 为滤波电容。可逆 PWM 变换器主电路系采用 IGBT 所构成的，IGBT (V1、V2、V3、V4、V5、V6）和六个续流二极管（VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6）组成的双极式 PWM 可逆变换器。经变换器逆变，可将直流电源变成稳定的或可变的交流电源。2) 主电路设计整流器本课题中的整流器是使用六个二极管组成
7、，它把工频电源变换为直流电源。 该电路整流输出接有大电容，而且负载也不是纯电感负载，但为了简化计算，仍可按电感计算，只是电流裕量要可适当取大些即可。平波电路在整流器整流后的直流电压中，含有 6 倍频率的脉动电压，此外逆变变流 器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉 动电压（电流） 。在滤波电容选择时，C1 一般根据放电的时间常数计算，负载 越 大，要求纹波系数越小，一般不做严格计算，多取 2000F 以上.逆变器逆变器的作用是将直流功率变换为所要求频率的交流功率。3) 主电路电路图M3 A C C 1 x 3R 1K 1C T 1R 2R 3+ P- NUP
8、NV T 7R 4 D 7C 3V T 1V T 2V T 6V T 4V T 5V T 3图 1 主电路电路图运动控制系统设计第 3 页主电路采用了交直交变频器，工作原理即：先将工频交流电源通过整流器变换成直流电，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流电，由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直溜环节” ，所以又称间接式变频器。它又分为电压源型和电流源型两种，电压源型采用较大电容量的电容器进行滤波，直流电路电压波形平直，输出阻抗小，电压不易变化，相当于直流恒压源，它在当前中小功率变频调速系统中应用十分广泛。如下图 3.2 整流部分原理图图 2 交-直-交变频电源整流部
9、分原理图如图 3，其中 A，B，C 是交流电输入端，接有熔丝，当出现电流过大时熔丝会自动熔断，起到保护整个电路的作用，在整流电路入口还接有电容和电阻，能够起到抗干扰的作用，使得系统的性能更加的稳定。图 3 整流部分原理图4) IGBT 的分立驱动的实现IGBT 的驱动设计问题亦即 MOSFET 的驱动设计问题，设计时应注意以下几点： 、IGBT 栅极耐压一般在20V 左右，因此驱动电路输出端要给栅极加电压保护，通常的做法是在栅极并联稳压二极管或者电阻。前者的缺陷是将增加等效输入电容 Cin，从而影响开关速度，后者的缺陷是将减小输入阻抗，增大驱动电流，使用时应根据需要取舍。、尽管 IGBT 所需
10、驱动功率很小，但由于 MOSFET 存在输入电容Cin，开关过程中需要对电容充放电，因此驱动电路的输出电流应足够大。假定开通驱动时，在上升时间 tr 内线性地对 MOSFET 输入电容 Cin 充电，则驱动电流为IgtCinUgs/tr，其中可取 tr2.2RCin，R 为输入回路电阻。 、为可靠关闭 IGBT， 防止擎住现象，要给栅极加一负偏压，因此最好采用双电源供电。运动控制系统设计第 4 页四、驱动电路设计1) 辅助电源电路设计为了驱动主电路逆变桥的三个上桥臂的 IGBT，必须给每一路提供一个隔离的 25V 电源而三个下桥臂可以共用一个电源。此外，HEF4752 及单片机系统还需要+5V
11、 电源以及异步通讯所需的12V 电源，一共需要6 路电源，如图 4 所示。 该电源可以采用线性电源，也可采用开关电源。前者体积大，笨重，但电路简单，各路电源完全独立，调试容易。后者则轻便、小巧，电路相对较复杂。采用单片开关电源芯片可大大简化电路。1 #+ V0A M 13 #+ V0B M 15 #+ V0C M 14 #+ V0A M 26 #B M 22 #C M 2A C cebcebcebcebcebceb图 4 辅助电源电路设计2) 驱动电路设计为了保证 GTR 的理想驱动波形（见下图 5）在驱动电路的设计中，这里可以有两种设计方案;1，采用分立元件2，采用驱动模块运动控制系统设计第
12、 5 页图 5 GTR 理想驱动波形采用分立元件时，如图 6 所示。电路由电气隔离和晶体管放大电路两部分构成。电路中的二极管 VD2 和电位补偿二极管 VD3 组成贝克箝位抗饱和电路，可使 GTR 导通时处于临界饱和状态。当负载轻时，如果 V5 的发射极电流全部注入 V，会使 V 过饱和，关断时退饱和时间延长。有了贝克电路后，当 V 过饱和使得集电极电位低于基极电位时，VD2 就会自动导通，使得多余的驱动电流流入集电极，维持 Ubc0。这样，就使得 V 导通时始终处于临界饱和。图中的 C2 为加速开通过程的电容，开通时，R5 被 C2 短路。这样就可以实现驱动电流的过冲，同时增加前沿的陡度，加
13、快开通。另外，在 V5 导通时 C2 充电，充电的极性为左正右负，为 GTR 的关断做做准备。当 V5 截止 V6 导通时，C2上的充电电压为 V 管的发射结施加反电压，从而 GTR 迅速关断。+ 1 5 VAV T 1G D 2 1 1kRk682kR.3154RV T 2V D 1V T 3pFC70V T 4V T 5V T 6V D 2V D 3V D 4V D 5V S T+ U s 30R72+图 6 分立元件构成的驱动电路当采用驱动模块时，这里使用 M57215BL 型驱动模块。M57215BL 是双列直插、 8 引脚 GTR 集成驱动电路，单电源自生负偏压工作，可以驱动 50A
14、，1000V 以下的 GTR 模块一个单元;外加功率放大可以驱动75400A 以上 GTR 模块。它的主要特点 是：运动控制系统设计第 6 页输入和输出之间通过光耦电气隔离具有大的驱动电流和关断电流能力低损耗、体积小、与 TTL 兼容。前级放大76548321V T 1V T 2U i n图 7 M57215BL 驱动模块它的主要原理图如下图 8 所示：IcIb7654 8321+ 5 V 2 2 0 V8 V8 VM 5 7 2 1 5 B LC 1C 2+R e x tR 2R 1V S TC e x t+Ui nUE EUC CUoA图 8 M57215BL 驱动模块原理图Uin为低电平
15、(01V)，GTR 模块的基射极被 UEE反向偏置，GTR 可靠截止。Uin为高电平(45V)，GTR 模块正向偏置，产生驱动电流 ib。五、控制电路设计1) HEF4752 芯片介绍HEF4752 是采用 LOCMOS 工艺制造的大规模集成电路，专门用来产生三相 PWM 信号。它的驱动输出经隔离放大后，既可驱动 GTO 逆变器，也可驱动 GTR 逆变器，在交流变频调速和 UPS 中作中心控制器件。、主要特点：能产生三对相位相差 120的互补 SPWM 主控脉冲，适用于三相桥结构的逆变器。采用数控方式不仅能提高系统控制精度，也易于与微机联机采用多载波比自动切换方式，随着逆变器的输出频率降低，有
16、级地自动增加载波比，从而抑制低频输出时因高次谐波产生的转矩脉冲和噪声等所造成的恶劣影响。调制频率的可调范围为 0100Hz，且运动控制系统设计第 7 页能使逆变器输出电压同步调节。为防止逆变器上下桥臂器件直通，在每相主控脉冲间插入死区间隔，间隔时间连续可调。、引脚说明：HEF4752 为 28 脚双列直插式标准封装 DIP 芯片，它有 7 个控制输入，4 个时钟输入，12 个驱动逆变器输出，3 个控制输出。其外部管脚排列如图 9 所示。各管脚功能描述如表 1 所列。图 9 HEF4752 外部引脚排列表 1 HEF4752 引脚功能运动控制系统设计第 8 页2) HEF4752 的调制方式和调
17、制比它的调制方式为双边缘正弦调制，这种调制方式不同于三角波-正弦波调制法。采用从载波脉冲两端改变脉冲宽度的双边缘正弦调制。优点：在于可获得两倍载波频率的输出线电压脉冲，从而可减小低速 时的脉动转矩。 00123图 10 HEF4752 的正弦调制方式它的调制比定义为： ABVU其中 U 为逆变器输出线电压有效值UAB为电动机额定线电压有效值改变调制比 V，就可以改变逆变器输出电压 U V与时钟 FCT 和 VCT 的“频率比”成正比如满足： 5.0VCTFf则有 VCTFf2可见：当固定 fVCT时，调制比 V与 fFCT成正比关系，而 fFCT又与逆变器输出频率 fout成正比关系。所以：调
18、节 fFCT可调电机转速，并实现 U/fout =常值的“恒磁通控制” 。3) 单片机 8051 介绍运动控制系统设计第 9 页单片机的 40 个引脚大致可分为 4 类：电源、时钟、控制和 I/O 引脚。 电源: VCC - 芯片电源，接+5V； VSS - 接地端； 时钟: XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 控制线: 控制线共有 4 根， ALE/PROG:地址锁存允许/片内 EPROM 编程脉冲 ALE 功能：用来锁存 P0 口送出的低 8 位地址 PROG 功能：片内有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，此引脚输入编程脉冲。（2）PSEN:外 RO
19、M 读选通信号 （3）RST/VPD:复位/备用电源。 RST（Reset）功能：复位信号输入端。 VPD 功能：在 Vcc 掉电情况下，接备用电源。 （4）EA/Vpp:内外 ROM 选择/片内 EPROM 编程电源。 EA 功能：内外 ROM 选择端。 Vpp 功能：片内有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间， 施加编程电源 Vpp。4. I/O 线80C51 共有 4 个 8 位并行 I/O 端口：P0、P1、P2、P3 口，共 32 个引脚。P3 口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线） 。图 11 80C51 单片机外部引脚图4) 8253 可编程计数
20、器/定时器8253 通道 2，参考时钟 RCT 与延迟时钟 OCT：CLK=2M，设为工作方式 3（分频, 方波发生器）运动控制系统设计第 10 页sfTKMfCLZ HzfffHzOCTRTsOTTs 5728016,172802801280102(max)(max) 延 时 时 间当设8253 通道 1，电压控制时钟 VCT ：()11() ()1()0.6472doutnmeeVCToutnmVCTnomVffffLKZf其中：Vd: 直流侧电压f1e:电机额定频率V1e:电机额定电压CLK=2M，设为工作方式 3（分频, 方波发生器）8253 通道 0，频率控制时钟 FCT：63025
21、960,1(max)in0(in)axMfCLKZf ffHzfFTOUTFCTOUT频 率 控 制 通 道设通道 0：最大、最小分频系数 5966。5) 4527 比例乘法器CD4527 是低功耗 4 位数字比例乘法器，其主要功能是输出的脉冲数等于时钟脉冲乘以某一系数，该范围为 0.10.9，由 BCD 输入确定。若由两个 4527 同时工作，则范围为 0.010.99。若输出频率在 1100Hz 之间变化时，计算机控制 8253 的 0 通道（分频系数）从 6596 变化。但变化的台阶较大，故增加细分电路。频率将受到 8253 和 4572 数字比例乘法器的双重制约，使输出更为精密。475
22、7 的加法模式如下：运动控制系统设计第 11 页图 12 4757 的加法模式4757 的乘法模式如下：图 13 4757 的乘法模式具体计算过程如下：4527x2CLOCK OUT NOUTNCP加细分电路后， 0461036OUTCPMNff ZFCT 0=/1OUTfff0=/TN其中， N OUT 作 0 通道时钟，Z0 为 8253 分频系数。运动控制系统设计第 12 页取 M=460 即可满足系统工作要求。六、设计心得本次课程设计的主要创新点在于:利用单片微机和集成芯片配合产生SPWM 波形控制逆变开关的通断，控制算法容易编程实现，实现了全数字化控制，结构简单，与采用模拟器件相比，
23、减少了生产成本，性能良好；具有易于改变控制算法、程序易于移植、控制精度高、可靠性好等优点，采用变频技术后，可以节省大量的能源，有良好的经济价值和环保效果。这种系统在电力电子设备与人们生活日益密切的今天有着广泛的应用。 通过课程设计，真正的学习到了不少东西，让自己知道了工科学生扎实的基本功是必不可少的，对于创新能力的培养和加强得引起高度的重视，光课堂的学习是不够的，通过自学是提高的一个途径，能够将所学到的知识和自学的新知识柔和在一起已证明了我们具有一定的能力。七、参考文献1 阮毅, 陈伯时, 杨影. 运动控制系统 M. 第五版. 北京: 机械工业出版社, 20162 陈伯时. 运动控制系统 M. 第三版. 北京: 机械工业出版社, 20033 童福尧. 电力拖动自动控制系统习题例题集 M. 北京: 机械工出版社.4 徐志跃. 基于 HEF4752 的变频器设计 J. 电气传动，2006
