1、xx 理工学院毕业设计（论文） 封面1xx 理工学院 xx 学院毕 业 设 计 （ 论 文 ）题 目：交流异步电动机的速度闭环控制及其硬件实现英 文 题 目：Exchanges The Asynchronous Motor Speed Closed-loop Control And The Hardware Realization 系 别： 电子与机械工程系学 生 姓 名： xx班 级： xx指 导 教 师： xx专 业： 自动化xx 理工学院毕业设计（论文） 封面2二 零 零 六 年 六 月xx 理工学院毕业设计（论文） 摘要3摘 要近年来，由于直流调速的局限性和交流调速的优越性，以及计算机
2、技术和电力电子器件的不断发展，交流异步电动机变频调速技术正在快速发展中。在现代微机技术的快速发展下，计算机运行速度不断加快提高，指令的执行速度也达到了前所未有的高度，使得复杂算法应用计算机来进行实时运算，执行成为可能。经过最近几十年的应用开发，交流异步电动机的变频调速性能已经优于直流调速系统。所以，本设计针对交流异步电动机的速度闭环控制及变频调速技术的研究是非常有必要的。本文基于电力电子与电力传动教学实验台用单片机实现正弦脉宽调制和电压空间矢量脉宽调制的方法，实现对闭环控制异步电机的变频调速。交流调速的脉宽调制（PWM）控制技术在电子领域是一个非常重要的技术，也是本设计之所以能实现速度控制的关
3、键之一，所以本设计花了大篇幅加以介绍。文中第四章，针对实现本设计涉及到的芯片加以详细的说明。然后第五章介绍了系统各组成部分框图。并在第六章中详尽地对调速系统的应用作了抗干扰分析，主要包括硬件抗干扰措施和软件抗干扰措施了个方面，所以能够很好的实现对系统的设计要求，精确的达到变频调速的目的。最后本设计在一台三相异步电动机上进行了试验调试，实验结果表明：SVPWM 调制比 SPWM 调制时电机电流的谐波小，电压利用率高，电机的高频噪声低。关键词PWM; 变频调速; 闭环控制xx 理工学院毕业设计（论文） Abstract4AbstractRecently, for the DC adjusting-
4、speed system has many limitations, the AC adjusting-speed system has many merits and with the development of new power electronic component and computer technology. the technology of AS Asynchronous Motor variable-frequency adjusting-speed has been in fast development. The speed of computer is conat
5、ion tonally increasing and its execute-instruction aped had been on a very high level. With todays microcomputer technologys swift development. it makes it possible that the real-time system of compels arithmetic could run in a computer .The adjusting-speed ability of AC asynchronous Motor had been
6、already better than DC adjusting-speed system in the past several years. So this thesis is very necessary to describe it13。This thesis describes the implementations of Sine Pulse Width Mod-ulation(SPWM)using single chip on a teaching platform of eclectic powerelectron drive, and achieves the purpose
7、 of variable-frequency adjusting -speed for induction motor。The exchange velocity modulation pulse-duration modulation (PWM) control technology in the electronic domain is an extremely important technology, also is this design the reason that can realize one of speed control keys, therefore this des
8、ign spent the great length to introduce. In the article the fourth chapter, in view of realizes the chip which this design involves to perform the detailed explanation. Then the fifth chapter introduced the system each constituent diagram. And should serve as the antigambling analysis exhaustively i
9、n the sixth chapter to the velocity modulation system, mainly included the hardware antigambling measure and a software antigambling measure aspect, therefore could the very good realization to the system design request, precise achieve the frequency conversion velocity modulation the goal。The desig
10、n scheme is tested and debugged on an three-phase asynchronous motor in the end, and the results show that the method of SVPWM has lower current harmonic, more efficient use of supply voltage, lower noise than the sine pulse width modulation(SPWM) 15。KeywordsPWM; variable frequency drive； closed-loo
11、p controlxx 理工学院毕业设计（论文） 目录5目录摘要与关键词英文摘要与关键词绪论1. 异步电动机变频调速原理 11.1 变频调速的基本控制方式 11.1.1 基频以下调速 11.1.2 基频以上调速 21.2 恒压恒频时异步电动机的机械特性 22. 闭环调速系统 42.1 原理介绍 42.2 PID 算法及其改进 52.3 单片机控制调速的实现 63. 交流调速的脉宽调制（PWM）控制技术 73.1 正弦波 PWM 调制原理 73.2 SPWM 信号的产生 93.3 SPWM 的数字控制 94. PWM 变频调速系统的硬件设计 134.1 系统硬件框图 134.2. IPM 选择
12、134.3 系统保护电路 155. 芯片介绍 165.1 C8051 芯片165.2 PWM 的专用芯片 HEF4752 185.3 键盘显示专用芯片 Intel8279205.4 编程和记数定时器芯片 8253 215.5 74LS373; 74LS138; 2764; 6264; 74LS245 芯片介绍226. 系统各组成部分框图246.1 逆变器触发单元设计246.2 转速检测电路 247.系统的抗干扰措施 257.1 硬件抗干扰措施 257.2.软件抗干扰措施 25结论27致谢28参考文献 29附录 1 汇编程序代码 30附录 2 系统原理图 51xx 理工学院毕业设计（论文） 绪论
13、1绪论 现状：目前，国内变频调速系统的研究非常活跃，再加上调速系统所运用到的电动机具有高效、节能、低振动、低噪声、性能可靠、安装维护方便等特点，因此，为了加快国内变频调速系统的发展，许多技术人员和科技工作者都投入了大量的精力来对变频调速系统加以研究，开发和改善。由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。扩展卡尔曼滤波、FFT、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等等均应用到了各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。交流异步电动机的调速方式有多种，诸如调压调速、变极调速、串级调速、滑差调速、变频调速等，其中变频调速具有节能显著、性能稳定的特点，是当今国际上应用最广泛的一种调速
14、方式。而本设计就是运用变频技术来对交流电机加以精确的速度控制。PWM 技术是本设计的一个重要的模块 ，它是交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种 PWM 控制方式完成的。目前已经提出并得到实际应用的 PWM 控制方案就不下十几种，关于 PWM 控制技术的文章在很多著名的电力电力国际会议上，如 PESC，IECON，EPE 年会上已形成专题。尤其是微处理器应用于PWM 技术并使之数字化以后，花样是不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等，PWM 控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。到目前为止
15、，还有新的方案不断提出，进一步证明这项技术的研究方兴未艾。其中，空间矢量 PWM 技术以其电压利用率高、控制算法简单、电流谐波小等特点在交流调速系统中得到了越来越多的应用。 同时，本设计也对涉及到的逆变电路作了大篇幅的介绍。目前，研究较多的大功率逆变电路有：多电平电压型逆变器 ，变压器耦合的多脉冲逆变器 ，交交变频器 ，双馈交流变频调速系统。展望：在交流调速的研究与制造过程中，硬件的设计与组装占了相当大的比重。电机制造以及调速装置的制造需要大批的技术熟练工人，对人员的素质有一定要求。而国外相关产业的人工成本相对较高，在近十年内，交流调速的制造业有可能向发展中国家转移。对中国来说，这也是一个机遇
16、，如果我们抓住这个机会，再利用本身的市场有利条件，有可能在我国形成交流调速系统的制造业中心，使我国工业上一个新的台阶。需要注意的是发达国家在高技术领域是不会轻易放弃的，他们非常注意核心技术及软件的保护和保密，为此，必须加大该领域的科研与开发的力度。逆变电路中采用新型功率器件-智能功率模块 IPM 是本系统的又一特色。IPM 内部集成xx 理工学院毕业设计（论文） 绪论2了高速、低耗的 IGBT 芯片和优化的门极驱动及过流、短路、欠压和过热保护电路，它提高了系统的性能和可靠性，降低了系统成本，缩短了产品开发周期，是值得推广的产品开发途径。对异步电机高效率的追求正成为制造界的一种潮流，而基于效率的
17、电机优化技术也普遍受到电机界的关注。所以，对于交流异步电机的利用将来一定会越来越广泛，越来越普遍 2。xx 理工学院毕业设计（论文） 异步电动机变频调速原理11. 异步电动机变频调速原理系统的工作原理介绍：由异步电动机的转速公式 n = 60 f1(1- s)/ p 可知,当转差率变化不大时,基本上正比于 f1,所以改变供电电源频率 f1,即可调节异步电动机的转速。这种调速方法,可以获得很大的调速范围,很好的调速平滑性和相对稳定性 3。 1.1 变频调速的基本控制方式在进行异步电机调速时，希望保持电机中每极磁通量 m 为额定量不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，也不能产生足够的电磁力矩
18、，影响电机的加减速时的快速性；如果增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。三相异步电机定子每相电动势的有效值是Eg = 4.44 f1N1kN m （1-1）式中， f1定子频率；N1定子每相绕组串联匝数；kN 基波绕组系数；m每极气隙磁通量。由式 Eg = 4.44 f1N1kN m 可知，N1、kN 是常数，只要控制好 Eg 和 f1，便可达到控制磁通 m 的目的。对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。1.1.1 基频以下调速由公式（1-1）可知，要保持 m 不变，当频率 f1 从额定值 f1 向下调节时，必须同时降低 Eg,使 Eg
19、 /f1 = 常值，即采用恒定的电动势频率比的控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以直接测量的，当电动势的值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 U1 Eg,则得： U1/ f1 = 常值 ，这是恒压频比的控制方式。低频时，U1 和 Eg 都较小，定子漏阻抗压降所占的份量就比较显著，不能再忽略，这时，可以人为的把电压 U1 抬高一些，以便近似的补偿定子漏阻抗压降。其控制特性如（图 1-1）所示。1-不带定子压降补偿 2-带定子压降补偿图 1-1 恒压频比控制特性xx 理工学院毕业设计（论文） 异步电动机变频调速原理21.1.2 基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从 f
20、1 向上增高，但电压 U1 却不能超过电机的额定电压 U1 ，最多只能保持 U1 =U1 。由式（11）可知，这将迫使磁通与频率成反比的降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上的情况结合起来可得图 2.2 所示的异步电动机变压变频调速控制特性。如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，即电机都能在温升允许情况下长期运行，则转矩基本上随磁通变化。据拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质；而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速” 4。 图 1-2 异步电机变压变频调速控制特性1.2 异步电动机电压、频率协调控制的稳态机械特性恒压恒频时异步
21、电动机的机械特性根据电机学原理，在下述假定条件下：（1）忽略空间和时间谐波， （2）忽略磁饱和， （3）忽略铁损，异步电动机的稳态等效电路如（图 1-3） 所示。图 1-3 异步电机稳态等效电路图R1、 R2 定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；Ll1、 Ll2定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；Lm 定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；U1、1 电动机定子相电压和供电角频率；S转差率；Eg 气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势；Es 定子全磁通的感应电动势；xx 理工学院毕业设计（论文） 异步电动机变频调速原理3当异步电动机定子电压 U1 和电源角频率 1 都是恒定
22、值时，电机的机械特性方程式为：（1-2 ）当 s 很小时，可忽略上式分母中含 s 的各项，则（1-3 ）即 s 很小时，转矩近似与 s 成正比，机械特性 Te = f (s)是一段直线。图 1-4 恒压恒频时异步电动机的机械特性当 s 接近于 1 时，可忽略式（14）分母中的 R2，则（1-4 ）即 s 接近于 1 时转矩近似与 s 成反比，这时，Te = f (s)是对称于原点的一段双曲线。当 s 为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如（图 1-4）所示本文设计的 PWM 变频调速系统。它的工作原理是：采用三相二级管整流电路 所示。将三相交流电变成直流电；整流后的电压
23、波形是脉动的，脉动的直流电经过平波电抗器 Ld,滤波电容 C 的滤波后变为电压恒定的直流电，再经过逆变电路将直流电变成交流电，完成交-直-交的变化过程，最后加到异步电动机上 5。东华理工学院毕业设计（论文） 闭环调速系统 42.闭环调速系统2.1 原理介绍闭环控制系统（反馈控制系统）：将输出量检测出来，经变换后反馈到输入端与给定量进行比较，并利用所得偏差信号经控制器对控制对象进行控制。可实现高精度控制。按功能分：(1)位置控制系统 按预定精度控制机器执行机构直线位移或角位移的系统，称为位置控制系统。这类系统也称为伺服机构位置控制系统一般是闭环控制，具有位移测量装置。(2)运动轨迹控制系统 按预
24、定的时间函数控制机器执行机构的运动轨迹，按要求的精度形成曲线或曲面。(3)速度控制系统 速度控制系统是控制或调节机器运行速度的装置。(4)力(转矩)控制系统 力控制系统是具有力反馈的闭环控制系统，使机器的执行机构按预定值或预定函数输出力或转矩，控制受载系统承受的载荷。(5)功率控制系统 功率控制系统的功能是调整机器某一运动参数(如速度、流量等)，使输出功率保持恒定。对于载荷变化剧烈的机器，根据负载的变化，调节运行参数，使机器的负载功率保持恒定，可以充分发挥机器的效能，避免因长时在超载情况下运行而引起的故障。(6)计算机控制系统 数字计算机参与控制的系统称为计算机控制系统。上列各类控制系统都可以
25、是计算机控制系统。采用计算机控制，可以方便地通过软件实现不同控制算法。在本系统中所采用的闭环控制主要就是用做速度的反馈控制，利用 M/T 测速法将检测到的速度送回计算机，与用户所需要的速度进行不断比较的过程，中间比较的过程就是一个 PID 比较过程，具体的动态图如下：I + -图 2-1 调速系统动态流图PID 控制 执行机构 异步电机东华理工学院毕业设计（论文） 闭环调速系统 52.2 PID算法及其改进PID 算法：PID（比例积分微分）控制器，广泛应用于传感器和工业控制中。PID 控制算法的一种传统表示式为：OUTPUT（t）=PE（T）式中 t时间E控制过程变量，E 通常是跟踪误差，等
26、于传感器实际测量值减设置点值。P比例增量。I积分增量。D微分增量。参量 P、I 和 D 是特定应用中控制器的可调设置。控制器用控制工作 OUTPUT，定标之后并经调节控制器（例如开关）迫使控制过程接通和稳定在设置点（即 E=0） 。具体的 PID 控制算法如下所示由位置算法求出：（2-1）再求出： （2-2）两式相减，得出控制量的增量算法：（2-3）上式称为增量式 PID 算法，归纳得：（2-4）PID 算法的改进：引入积分作用的目的是消除余差，离散 PID 控制算法中的积分控制作用有三点值得改进。东华理工学院毕业设计（论文） 闭环调速系统 6(1)圆整误差问题;(2)积分分离;(3)数值积分
27、的改进.2.3 单片机控制调速的实现在本系统中，调速时用的到的就是用单片机输出的 U（K）加载 PWM 的过程，其中 U（K）的介绍如下，关于加载 PWM 技术见附录软件设计中，主要思想就是实际的频率，对应加在电机上的实际电压，对应 U（K） ，再对应 HEF4752 所需要的四个输入信号，然后由计算机调用列表中的值，即可达到调速目的。u(k)=u(k-1)+a*e(k)-b*e(k-1)+c*e(k-2) u(k)是当前要输出的 duty cycle; e(k)是当前误差; a b c 是控制参数。其实可以用查表法，这样就不用耗时的乘法了，查表一加就得下一个 duty cycle 的值，这样
28、快很多。在本系统中 PID 的应用就是用于比较，通过 PID 的作用输出一个 e(k)=e(用户)-e(实际)，即进行一个差值计算，让实际的转速与用户需要的转速相一致，具体的见附录中程序流程图和程序设计。东华理工学院毕业设计（论文） 交流调速的脉宽调制（PWM）控制技术 73. 交流调速的脉宽调制（PWM）控制技术所谓脉宽调制技术（Pulse Width ModulationPWM）是指利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，实现变压、变频控制并且消除谐波的技术，简称 PWM 技术。1964 年，德国的 A.Schonung 等人率先提出了脉宽调制变频的思想，他
29、们把通信系统中的调制技术应用于变频调速中，为交流调速技术的发展和实用化开辟了新的道路。40 多年以来，PWM 控制技术经历了一个不断创新和不断完善的发展过程。目前 PWM 技术已经广泛应用到变频调速系统中。利用微处理器实现 PWM 技术数字化后，PWM 技术不断优化和翻新，从追求电压波形为正弦波，到电流波形为正弦波，再到磁通波形为正弦波；从效率最优，转矩脉动最小，再到消除谐波噪声等。变频调速系统采用 PWM 技术不仅能够及时、准确地实现变压变频控制要求，而且更重要的是抑制逆变器输出电压或电流中的谐波分量，从而降低或消除了变频调速时电机的转矩脉动，提高了电机的工作效率和调速系统性能。目前，实际工
30、程中主要采用的 PWM 技术是正弦 PWM（SPWM） ，使变频器输出电压或电流波形更接近于正弦波形。SPWM 方案多种多样，归纳起来可以分为电压正弦 PWM、电流正弦 PWM 和磁通正弦 PWM 等三种基本类型，其中电压正弦 PWM 和电流正弦 PWM 是从电源角度出发的 SPWM，磁通正弦 PWM（也称为电压空间矢量 PWM）是从电机角度出发的 SPWM 6。3.1 正弦波 PWM 调制原理调制信号为正弦波的脉宽调制叫做正弦波脉宽调制（SPWM） ，产生的脉宽调制波是等幅而不等宽的脉冲列，脉宽调制的方法很多，从脉宽调制的极性上看，有单极性和双极性之分；从载波和调制波的频率之间的关系来看，又
31、有同步调制、异步调制和分段同步调制。 （图 2-1） 为 PWM 逆变器的主电路。图 3-1PWM 逆变器的主电路（图 3-2） 所示为双极性脉宽调制波形，图中三角波 uC 为载波，正弦波 uM 为东华理工学院毕业设计（论文） 交流调速的脉宽调制（PWM）控制技术 8调制波，当载波与调制波曲线相交时，在交点的时刻产生控制信号，用来控制功率开关器件的通断，就可以得到一组等幅而脉冲宽度正比于对应区间正弦波曲线函数值的矩形图 3-2双极性脉宽调制波形图 3-3 脉冲 udSPWM 逆变器输出基波电压的大小和频率均由调制电压来控制。当改变调制电压的幅值时，脉宽随之改变，即可改变输出电压的大小；当改变调
32、制电压的频率时，输出电压频率随之改变。但正弦调制波最大幅值必须小于三角波的幅值，否则输出电压的大小和频率就将失去所要求的配合关系。在实行 SPWM 脉宽调制时，同步调制和异步调制优缺点如下：（1）同步调制 在同步调制方式中，载波比 N 等于常数，变频时三角载波的频率与正弦调制波的频率同步改变，因而逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数是固定不变的。如果取 N 为 3 的倍数，则同步调制能保证输出波形的正、负半波始终保持对称，并能严格保证三相输出波形间具有互差 120o 的对称关系。当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使电机产生较大的脉动转矩和较强的噪声。（2）异步调制东华理
33、工学院毕业设计（论文） 交流调速的脉宽调制（PWM）控制技术 9异步调制是逆变器的整个变频范围内，载波比 N 不等于常数。一般在改变调制信号频率时保持三角载波频率不变，因而提高了低频时的载波比。这样输出电压半波内的矩形脉冲可随输出频率的降低而增加，相应的可减少电机的转矩脉动与噪声，改善了系统的低频工作性能。异步调制方式的缺点是当载波比 N 随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是 3 的倍数，势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电机工作不平稳。（3）混合调制混合调制综合了上面两种方法的优点，把整个变频范围划分为若干频段，在每个频段内都维持载波比 N 恒定
34、，而对不同的频段取不同的 N 值，频率低时，N 取大些，一般大致按等比级数安排 7。3.2. SPWM 信号的产生产生 SPWM 调制信号主要有三种方法：(1)采用分立元件的模拟电路法，缺点是精度低、稳定性差、实现过程复杂以及调节不方便等，该方法目前基本不用。(2)采用专用集成电路芯片产生 SPWM 信号，如常用的 HE4752 芯片等 这些芯片的应用使变流器的控制系统得以简化，但由于这些芯片本身的功能存在不足之处，致使它们的应用受到限制。(30 单片机数字编程法，其中高档单片机将 SPWM 信号发生器集成在单片机内，使单片机和 SPWM 信号发生器容为一体，从而较好地解决了波形精度低、稳定性
35、差、电路复杂、不易控制等问题，并且可以产生多种 SPWM 波形，实现各种控制算法和波形优化, Intel 公司推出的 16 位单片机 8XC196MC 就是这样一种具有高性能的特别适用于 PWM 控制技术的单片机。3.3 SPWM 的数字控制数字控制是 SPWM 目前常用的方法。可以采用微机存储预先计算好的 SPWM 数据表格，控制时根据指令查表得到数据进行运算；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。下面介绍几种常用 SPWM 波形的软件生成方法：(1) 自然采样法：按照正弦调制波与三角载波的交点进行脉冲宽度与间歇时间的采样，从而生成 SP
36、WM 波形，叫做自然采样法，如图 3 所示，图中截取了任意一段正弦调制波与三角载波一个周期的相交情况。交点 A 是发生脉冲的时刻，B 点是结束脉冲的时刻。Tc 为三角载波的周期；t1 和 t3 是间歇时间； t2 为 AB 之间的脉宽时间， （Tc = t1 +t2 +t3） 。 生成 SPWM 波形的自然采样法 若以单位量 1 表示三角载波的幅值 Utm ，则正弦调制波的幅值就是调制度 M，正弦调制波可写作：UM = M sin1t （3-1）东华理工学院毕业设计（论文） 交流调速的脉宽调制（PWM）控制技术 10式中，1 是调制波频率，即逆变器输出频率。由于 A、B 两点对三角载波的中心线
37、的不对称性，须把脉宽时间 t2 分成两部分t2与 t2。按相似直角三角形的几何关系，可知（3-2）经整理得（3-3）这是一个超越方程，实时计算很困难。因此，自然采样法虽能确切反映正弦脉宽，却不适于微机实时控制 8。(2）规则采样法 自然采样法的主要问题是， SPWM 波形每一个脉冲的起始和终了时刻对三角波的中心线不对称，因而求解困难。工程上实用的方法要求算法简单，只要误差不太大，允许作出一些近似处理，这样就提出了各种规则采样法。为了减小误差，可对采样时刻作另外的选择，这就是图 4b 所示的规则采样 II法。图中仍在三角载波的固定时刻找到正弦调制波上的采样电压值，但所取的不是三角载波的正峰值，而
38、是其负峰值，得图中 E 点，采样电压为 uce。在三角载波上由 uce 水平线截得 A、B 两点，从而确定了脉宽时间。由于 A、B 两点坐落在正弦调制波的两侧，因此，减少了脉宽生成误差，所得的 SPWM 波形也就更准确了。由图可以看出，规则采样法的实质是用阶梯波代替正弦波，从而简化了算法。只要载波比足够大，不同的阶梯波都很逼近正弦波，所造成的误差就可以忽略不计了 9。在规则采样法中，三角载波每个周期的采样时刻都是确定的，都在正峰值或负峰值处，不必作图就可计算出相应时刻的正弦波值，因而脉宽时间和间歇时间可以很容易计算出来。由图可得规则采样法 II 的计算公式：（3-4）(3-5)东华理工学院毕业
39、设计（论文） 交流调速的脉宽调制（PWM）控制技术 11A 规则采样 I 法 b 规则采样 II 法图 2-4 生成 SPWM 波形的规则采样法若变频调速系统用于三相异步电动机调速还应形成三相的 SPWM 波形。即使三相正弦调制波在时间上互差 2 /3，而三角载波是共用的，这样就可在同一个三角载波周期内获得图 5 中所示的三相 SPWM 脉冲波形。图 2-5三相 SPWM 波形东华理工学院毕业设计（论文） 交流调速的脉宽调制（PWM）控制技术 12在图 2-5 中，每相的脉宽时间 ta 、tb 和 tc 都可用公式 计算，即：（3-6）三相脉宽时间的总和为（3-7三相间歇时间总和为（3-8）在
40、数字控制中用计算机实时产生 SPWM 波形就是基于上述的采样原理和计算公式。一般可以离线先在通用计算机上算出相应的脉宽 t2 后写入 EPROM，然后由调速系统的微机通过查表和加减运算求出各相脉宽时间和间歇时间，称为查表法。也可以在内存中存储正弦函数和 Tc 2 值，控制时先取出正弦值与调速系统所需的调制度 M 做乘法运算，再根据给定的载波频率取出对应的 Tc 2 值，与 M sin1te 做乘法运算，然后运用加、减、移位既可算出脉宽时间 t2 和间歇时间 t1 和 t3,即实时计算法。按查表法或实时计算法所得的脉冲数据都送入定时器，利用定时中断向接口电路送出相应的高、低电平，以实时产生 SP
41、WM 波形的一系列脉冲。对于开环控制系统，在某一给定转速下某调制度 M 与频率 1 都有确定值，所以宜采用查表法。对于闭环控制的调速系统，在系统运行中调制度 M 值须随时被调节，所以用实时计算法更为适宜。东华理工学院毕业设计（论文） PWM 变频调速系统的硬件设计134. PWM 变频调速系统的硬件设计PWM 变频调速是目前用得比较广泛的调速方法，下面就 PWM 作了相关的介绍：4.1系统硬件框图：图 4-1 PWM 变频调速的硬件框图4.2 IPM 选择.逆变电路的功率器件选用 IPM（智能功率模块） ，该模块内含栅极驱动电路、逻辑控制电路以及欠压、过流、短路、过热等保护电路，模块的主电路部
42、分共分为五个端子，即直流电压输入端+、-，三相交流电压输出端 U、V、W，控制部分共有 18个端子，用于 PWM 信号输入、故障信号输出及驱动电源等，驱动电源为 4 组+15V电源，单片机生成的 PWM 信号需要通过光耦合器隔离后输入。该智能模块的应用，减小了装置的体积，提高了变频系统的性能与可靠性。(1) IPM 的参数选择IGBT 正反向峰值电压：（4-1）考虑 22.5 倍的安全系数，取耐压值为 800V。通态峰值电流： 东华理工学院毕业设计（论文） PWM 变频调速系统的硬件设计14（4-2）考虑 1.52 倍的安全系数，取电流额定为 2.5A。由以上 IGBT 参数计算，可选用型号为
43、 PM20CSJ060 的 IPM。(2) 以 IPM 为功率器件的逆变电路的设计驱动电源：驱动电源必须采用四组隔离电源。上桥臂每相各用一组电源，下桥臂三相共用一组。四组驱动电源的隔离度应达到 1200V。驱动电源电压在 13.5V16.5V 之间，IPM 能够正常工作。若电源电压高于16.5V，则 IGBT 因驱动电源过高，保护性能得不到充分的保证，高于 20V 时 IGBT管的栅极会损坏，因此绝对不能加这么高。若电源电压低于 13.5V，IGBT 驱动电源电压不足，这时控制信号为无效操作。典型的工作值一般取为 15V。控制信号输入：由单片机产生的六路 PWM 信号需要经光耦隔离后再输入 I
44、PM。控制信号输入端需连接上拉电阻以防止由于 Du/dt 的作用而产生误动作。IPM 的自保护功能：IPM 有精良的内置保护电路以避免因系统失控或过载而使功率器件损坏。如果IPM 模块其中有一种保护电路动作，IGBT 栅极驱动单元就会关断电流并输出一个故障信号（FO） 。以下介绍各保护功能的工作情况。驱动电源欠压锁定（UV） 。内部驱动电路由一个 15V 直流电源供电。如果由于某种原因这一电源电压低于规定的欠压动作值（UV） ，该功率器件将被关断并输出一个故障信号。如果小毛刺干扰时间小于规定的 tdUV ，则不影响驱动电路工作，欠压保护电路不予理睬。过热保护（OT） 。在靠近 IGBT 芯片附
45、近的绝缘基板上已安装一个温度传感器。如果基板温度超过过热动作数值（OT） ，IPM 内部控制电路将关断下桥臂的三个IGBT，上桥臂 IGBT 的关断不受其影响，直到温度恢复正常，从而保护了功率器件。过流保护（OC） 。如果流过 IGBT 的电流超出过流动作数值（OC）的时间大于toff(OC)，IGBT 将被关断(toff(OC)=10 S)，同时输出一个故障信号。若过流时间小于 toff，则过流保护电路不予理睬。(OC)短路保护（SC） 。如果负载发生短路或因系统控制器故障而导致上下桥臂同时导通，IPM 内置短路保护将关断 IGBT，同时输出一个故障信号。注意：虽然 IPM 内含有相应保护电路，但在实际运行中不能长期过载，因此当系统输出故障信号 FO 后应立即送入控制系统的中断口，产生中断，立即停止运行并封锁送到 IPM 的输入信号，在排除了故障之后再启动运行。东华理工学院毕业设计（论文） PWM 变频调速系统的硬件设计154.3 系统保护电路虽然在 IPM 模块中已经设有过流、过热等保护，但为了提高系统的可靠性及更好的保护 IGBT 器件，我们仍需设置一套快速而准确的保护环节以防止各种故障。在此，
