1、內蒙古科技大學本科生畢業設計說明書（畢業論文）題 目：異步電動機變頻調速系統設計及其MATLAB仿真學生姓名：李慶學 號：2004051317專 業：自動化班 級：自2004-3班指導教師：高 鵬 57內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）異步電動機變頻調速系統設計及其MATLAB仿真摘  要交流異步電動機因為結構簡單、體積小、重量較輕、價格便宜、維護方便等特點，在生產和生活中得到廣泛的應用，與其他電機相比，交流異步電機的市場占有率始終居第一位。 近二十年來新型快速的電力電子元件的產生，使得交流異步電動機調速成為可能，并得到迅速地普及。87C196MC電機專用控制芯片的出現，由于其

2、其獨特的事件處理陣列EPA和SPWM波形直接輸出功能可很好地解決以前由于受CPU速度的限制很難輸出高頻信號，且硬件電路較為復雜的問題，EPA可以直接處理轉速反饋脈沖, 加上SPWM的波形直接輸出功能, 既簡化了硬件, 又大幅度提高了調速性能。從SIMULINK4.1版開始，有了電力系統模型庫（Power System Blockset）, 用該模型庫中的模塊，可以很方便的進行電力電子電路、電機控制系統的仿真。本系統中電力拖動控制系統的仿真就是在MATLAB/SIMULINK環境下，主要使用電力系統模型庫和SIMULINK兩個模塊庫進行的。通過對電機控制系統的仿真，不僅展示了SIMULINK的強

3、大功能，并且可以學習控制系統仿真的方法和技巧，研究電路和系統的原理和性能。關鍵詞：異步電動機；變頻調速；87C196MC；MATLAB/SIMULINK；仿真Induction Motor Control System Design and Simulation of MatlabAbstractThe asynchronous motor because of its simple structure, small volume, light weight, cheap price and conveniet maintenance,obtains the widespread applic

4、ation in the production and life, compared with other electrical machinery,the market of asynchronous machine share first ranks throughout. For 20 years new electric power electronic component production,causes the exchange asynchronous motor to result in thevelocity modulation to become possible,an

5、d rapidly become popular.87c196mc electrical machinery special-purpose control chip appearance,andbecause its unique event processes array epa and the spwm profile direct work function perform well to solve before because the cpu speed limit is very difficult to output the high frequency signal,also

6、 hardware electric circuit more complex question,epa may directly process the rotational speed feedback pulse,inaddition spwm profile direct output function,both simplified the hardware,and large scale enhanced the velocity modulation performance.Started from the simulink4.1 version,to have the elec

7、trical powersystem model storehouse (Power System Blockset), with this model storehouse in module, was allowed very convenient to carry on the electric power electronic circuit, the electrical machinery control system simulation. In this system the electric power drives the control system the simula

8、tion is under the matlab/simulink environment, the main electrification system model storehouse and the simulink two module storehouses carry on. Through electrical machinery control system simulation, not only has demonstrated the matlab/simulink formidable function, and may study the control syste

9、m simulation themethod and the skill,studies the electric circuit and the system principle and the performance.Key words: asynchronous motor; frequency conversion velocity modulation; 87c196mc; matlab/simulink; simulation內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）目 錄摘  要IAbstractII第一章 緒 論11.1 變頻器技術的發展狀況11.2 變頻調速技術發展方

10、向31.3 變頻調速技術的應用41.4 論文主要任務5第二章 變頻調速原理及系統組成62.1 異步電動機變頻調速原理62.2 變頻調速系統主電路72.2.1 系統主電路72.2.2 交-直部分82.2.3 直-交部分9第三章 IGBT的保護與驅動電路113.1 IGBT的保護113.2 IGBT的驅動電路113.2.1 驅動器的基本要求123.2.2 驅動電路-EXB84113第四章 控制電路及鍵盤顯示164.1 87C196MC芯片簡介164.1.1 87C196MC 的基本結構164.1.2 87C196MC的獨特功能174.1.3 87C196MC的應用184.2 鍵盤及顯示電路194.

11、2.1 鍵盤電路194.2.2 顯示電路20第五章 檢測電路225.1 電壓、電流檢測電路225.2 霍爾傳感器225.3 泵升檢測電路245.4 轉速檢測電路255.4.1 增量式光電碼盤255.4.2 速度測量265.5 光電耦合器275.5.1 光電耦合器件簡介275.5.2 光電耦合器件6N13728第六章 輔助電路306.1 集成穩壓電源306.1.1 由7800系列集成穩壓器組成的恒流源電路306.1.2 由LM317組成恒流源電路316.2 時鐘及復位電路32第七章 交流變頻調速系統的MATLAB仿真357.1 系統仿真綜述357.2 SIMULINK中電力系統工具箱和仿真元件簡

12、介377.3 變流電路的仿真407.3.1 整流電路仿真407.3.2 三相電壓源型SPWM逆變器仿真437.4 轉速開環變頻調速系統的仿真467.5 小結50結 論52參考文獻53致 謝55內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）第一章 緒 論1.1 變頻器技術的發展狀況交流傳動與控制技術以其優異的調速和起制動性能、高效率、高功率因數和節能效果、廣泛應用的范圍及其他許多優點而被國內外公認為最有發展前途及發展最為迅速的技術之一，這是電力電子器件制造技術、變流技術控制技術以及微型計算機和大規模集成電路的高速發展密切相關。交流調速取代直流調速和計算機數字控制技術，取代模擬控制技術已成為發展趨勢。以

13、變頻調速器為調速控制器的同步控制系統，比例控制系統和同速系統等已廣泛應用于冶金、機械、紡織化工等工業1。1.功率器件變頻技術是建立在電力電子技術基礎之上的。在低壓交流電動機的傳動控制中，應用最多的功率器件有GTO、 GTR 、IGBT以及智能模塊IPM( In2telligent Power Module) , 而IGBT以及IPM集GTR的低飽和電壓特性和MOSFET的高頻開關特性于一體，是目前變頻器中最廣泛使用的主流功率器件。目前，采用溝道型柵極技術、非穿通技術等方法的第4代IGBT也已問世。第4代IGBT的應用使變頻器的性能有了很大的提高。IGBT開關器件發熱減少；高載波控制，使輸出電流

14、波形有明顯改善；開關頻率提高，實現了電機運行的靜音化；驅動功率減少，體積趨于更小。IPM的應用比IGBT晚大約兩年，IPM包含了IGBT芯片及外圍的驅動和保護電路。有的把光耦也集成于一體，因此是更為好用的集成型功率器件。目前，在模塊額定電流10600A范圍內的變頻器均有采用IPM的趨勢。它具有開關速度快、驅動電流小、控制驅動更為簡單，內含電流傳感器可以高效迅速地檢測出過電流和短路電流，能對功率芯片給予足夠的保護，故障率大大降低；優化了器件內部電源電路并在驅動電路的配線設計上做到優化，浪涌電壓、門極振蕩、噪聲引起的干擾等問題得到控制，保護功能豐富，如電流保護、電壓保護、溫度保護一應俱全，隨著技術

15、的進步，保護功能將進一步日臻完善；采用IPM后的開關電源容量、驅動功率容量的減小和器件的節省以及綜合性能提高等，其性價比已高過IGBT，有很好的經濟性。2.控制方式早期變頻器大多數為開環恒壓比(V/F=常數)的控制方式，其優點是控制結構簡單、成本較低，缺點是系統性能不高，比較適合應用在風機、水泵調控場合。具體來說，其控制曲線會隨著負載的變化而變化；轉矩響應慢，電勢轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降，穩定性變差等。電壓空間矢量控制以三相波形的整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成二相調制波形，該控制方式基于電機的穩態模型，用直流電流

16、信號重建相電流，以此估算出磁鏈幅值，并通過反饋控制來消除低速時定子電阻對性能的影響；引入頻率補償控制，以消除速度控制的穩態誤差；將輸出電壓、電流進行閉環控制, 以提高動態負載下的電壓控制精度和穩定度, 同時也一定程度上求得電流波形的改善。這種控制方法的另一個好處是對再生引起的過電壓、過電流抑制較為明顯，從而可以實現快速的加減速。矢量控制，也稱磁場定向控制。其基本特點是控制轉子磁鏈，以轉子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉矩和磁場兩個分量，經過坐標變換實現正交或解耦控制。但由于轉子磁鏈難以準確觀測，以及矢量變換的復雜性，使得實際控制效果往往難以達到理論分析的效果，此外它必須直接或間接地得到轉

17、子磁鏈在空間上的位置才能實現定子電流解耦控制，在控制系統中需要配留轉子位置或速度傳感器，給許多應用場合帶來不便。盡管如此，矢量控制技術仍然融入通用型變頻器中。直接轉矩控制。與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量來控制。其優越性在于：轉矩控制是控制定子磁鏈，本質上不需要轉速信息；控制上對除定子電阻外的所有電機參數變化魯棒性良好；所引入的定子磁鍵觀測器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地實現無速度傳感器化。這種控制被稱為無速度傳感器直接轉矩控制；這種控制依賴于精確的電機數學模型和對電機參數的自動識別，通過自動識別運行自動確立電機實際的定子阻抗互感、

18、飽和因素、電動機慣量等重要參數，然后根椐精確的電動機模型估算出電動機的實際轉矩、定子磁鏈和轉子速度，這種系統可以實現很快的轉矩響應速度和很高的速度、轉矩控制精度。3.PWM技術PWM控制技術一直是變頻技術的核心之一。從最初采用模擬電路完成三角調制波和參考正弦波比較，產生正弦脈寬調制SPWM信號以控制功率器件的開關開始，到目前采用全數字化方案，完成優化的實時在線的PWM信號輸出，可以說直到目前為止，PWM在各種應用場合仍占主導地位，并一直是人們研究的熱點。由于PWM可以同時實現變頻變壓反抑制諧波的特點，由此在交流傳動乃至其他能量變換系統中得到廣泛應用。PWM控制技術大致可以分為三類：正弦PWM、

19、優化PWM及隨機PWM。多重PWM技術改善了輸出電壓、電流波形，降低了電源系統諧波，使其在大功率變頻器中有獨特的優勢；優化PWM所追求的則是實現電流諧波畸變頻(THD)最小，電壓利用率最高，效率最優，及轉矩脈動最小以及其他特定優化目標。可以說隨機PWM技術提供了一個分析、解決問題的全新思路。1.2 變頻調速技術發展方向交流變頻調速技術是強弱電混合、機電一體的綜合性技術。其發展的趨勢1大致為：1)主控一體化。將功率芯片和控制電路集成在一塊芯片上使逆變功率器件和控制電路達到一體化、智能化和高性能化的HVIC(高耐壓IC)、SOC(System on Chip)的概念已被用戶接受，隨著功率做大，此產

20、品在市場上極具竟爭力。2)小型化。緊湊型變流器要求功率和控制元件具有高的集成度，功率器件發熱的改善和冷卻技術的發展已成為重要原因。ABB公司將小型變頻器定型為Comp - ACTM ，他向全球發布的全新概念是，小功率變頻器應當象接觸器、軟起動器等電器元件一樣使用簡單、安裝方便、安全可靠。3)低電磁噪音設計。變頻器要求在抗干擾和抑制高次諧波方面符合EMC國際標準，主要做法是在變頻器輸入側加交流電抗器或有源功率因數校正電路，改善輸入電流波形降低電網諧波以及逆變橋采取電流過零的開關技術。而控制電源用的開關電源將推崇半諧振方式，這種開關控制方式在3050MHz時的噪聲可降低1520dB。4)基于電動機

21、和機械模型的控制策略，有矢量控制、磁場控制、直接傳矩控制和機械扭振補償等；基于現代理論的控制策略，有滑模變結構技術、模型參考自適應技術、采用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀察器，在某種指標意義下的最優控制技術和逆奈奎斯特陣列設計方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神經元網絡、專家系統和各種各樣的自優化、自診斷技術等。5) 數字控制。以高速微處理器為基礎的數字控制模板有足夠的能力實現各控制算法。1.3 變頻調速技術的應用我國變頻調速技術的應用，是一個由試驗到實用，由輔助系統到生產裝置，由考慮節能到全面改善工藝水平，由開環手動控制到閉環自動控制，由低壓中小容量到高壓大容量的過程。多年來

22、，國家有關部門一直致力于變頻調速技術的開發及推廣應用，并給予重點扶持，并將推廣應用變頻調速技術作為風機、水泵節能技改專項的重點投資方向。國家成立了風機水泵節能中心，開展信息咨詢和培訓。在國家經貿委“九五”資源節能綜合利用工作綱要中，變頻調速已被列入重點組織實施的10項資源節約綜合利用技術改造示范工程之一。變頻調速技術的應用范圍已發展到新階段。在石油、石化、機械、冶金等行業都得到了大量使用和整套裝置系統使用，取得了節能、增產的顯著效果。變頻調速技術已成為節約能源及提高產品質量的有效措施。實踐的結果證明，節電率一般在10%30%，有的高達40%，更重要的是生產中一些技術難點也得到解決。變頻調速技術

23、作為基礎技術、高新技術和節能技術，已經得到廣泛應用。開發數字控制的大功率交-交變頻器供電的傳動設備；風機和泵用高壓電動機的節能調速用調速傳動后可節約大量電力，特別是電壓電動機，容量大，節能效果更顯著。應用變頻調速技術來改造傳統的產業，節約能源及提高產品質量，獲得較好的經濟效益和社會效益，是今后的重大研究課題。1.4 論文主要任務本論文首先對變頻調速技術的發展狀況，今后的發展趨勢及其在我國相關領域的應用作了簡單的闡述。在論文的第二章對變頻調速的基本原理進行了詳細的分析，并對變頻器主電路的各組成環節也作了相應的介紹。第三章是對驅動電路及其保護的介紹，在本設計中用到的驅動電路是日本富士公司的EXB-

24、841。第四章介紹了變頻調速系統的控制電路，其中用到的單片機是INTEL公司的87C196MC，其特別適用于異步電動機的控制。第五章是檢測電路及其所用到的元器件的介紹。第六章主要介紹了為單片機、驅動電路等提供直流穩壓電源的集成電路。第七章是對變頻調速電路的MATLAB仿真及其研究分析。本文構造的電動機調速系統仿真模型基本由SIMULINK庫中的電力系統模塊實現的，與實際系統相對應，結構簡單明了，對異步電動機變頻調速系統的理論學習、方案設計和故障分析都有很大的幫助。第二章 變頻調速原理及系統組成2.1 異步電動機變頻調速原理交流異步電機的變頻調速原理2，可從異步電機的基本公式中得出。主要公式：同

25、步轉速方程：n0=60f/p (2-1)轉差率方程：s=(n0-n)/n0 (2-2)感應電勢方程：E1=4.44fwk (2-3)從(1)、(2)兩式得出其旋轉方程： n=(60f/p)(1-s) (2-4)式中：n為轉子轉速，r/ min；f為電源頻率，Hz；p為電機極對數；E1是定繞組產生的感應電勢，V。為了分析直觀, 設E1約等于三相異步電機的相電壓U。為此電勢方程可表示為： U=4.44fwk (2-5)式中：U為外加電源電壓，V；f為電源頻率，Hz；w為定子繞組每相總匝數；k為定子繞組系數；為每極磁通，Wb。根據式(2-4)，只需改變電源頻率f，就可改變轉速n。盡管f的升高或降低會

26、影響到電機的其它參數，如輸入電壓U、輸入電流I的變化。由于在設計三相異步電機時，電機的額定電壓U、額定電流I及相應的額定頻率設計值幾乎使磁路達到了飽和值，因此由式(2-4)可知，降低f可以降低轉速n。但由式(2-5)可知，若保持U不變必須要增大值，由于磁路已趨于飽和，值是不可能增大的，因此U值無法維持不變，必定跟隨f的變化而變化，最終保持U/F=常數。正如此關系，變頻調速器在改變頻率的同時改變了電壓，保持了U/F比值恒為常數的特性，因而確保了電機在低速運轉時的轉矩特性，同時保證了電機在低速運轉時不會過流發熱，維持了電機的固有特性不變，實現了對交流電機平滑調速。2.2 變頻調速系統主電路交流變頻

27、調速系統主要由單片機系統、整流電路、逆變電路、驅動電路、檢測保護電路及轉速測量電路等環節組成3。本設計的SPWM變頻調速系統是一種交-直-交調速系統。它的工作原理是：采用三相二極管整流電路將三相交流電變成直流電；整流后的電壓波形是脈動的，脈動的直流電經濾波電容的濾波后變為電壓恒定的直流電；通過改變IGBT管各組交替導通的時間來改變逆變器輸出波形的頻率；在每組IGBT控制的周期內，改變他們通斷的時間比，即通過改變脈沖寬度來改變逆變器輸出電壓幅值的大小。如果使每組開關元件在其控制周期內反復通斷多次，并使每個輸出矩形脈沖波電壓下的面積接近于對應的正弦波電壓下的面積。則逆變器輸出電壓將很接近三相正弦波

28、。此時的三相正弦波就可作為異步電動機的供電電源，從而實現電機的平滑啟動，停車和寬范圍調速。下面的章節將詳細的介紹一下系統的各個組成部分。2.2.1 系統主電路主電路由整流電路，濾波電路及逆變電路組成。為簡化控制電路，減少諧波，整流電路采用三相二極管整流電路整流，系統的調壓調頻均由逆變電路承擔,逆變電路開關器件全部采用絕緣柵雙級型晶體管(IGBT)。系統主電路如圖2.1所示： 圖2.1 變頻器主電路2.2.2 交-直部分1.整流電路 整流電路由VD1-VD6組成三相不可控整流橋，它們將電源的三相交流全波整流成直流。整流電路因變頻器輸出功率大小不同而異。小功率的，輸入電源多用單相220V，整流電路

29、為單相全波整流橋；功率較大的，一般用三相380V電源，整流電路為三相橋式全波整流電路。2.中間直流環節 對于電壓源型變頻器而言，其中間直流環節采用大電容C進行濾波和中間儲能。 二極管整流雖然是全波整流電路，但由于整流橋輸出端接濾波電容，只有當交流電壓超過濾波電容電壓時，整流電路才進行充電（往往在交流電壓的峰值處才進行充電）。交流電壓小于電容電壓時，電流為零，這將導致在電網上產生諧波。為了抑制諧波，通常在電網和變頻器之間加一個進線電抗器Lm。 由于電容量很大，合閘突加電壓時，電容量相當于短路，將產生很大的充電電流，損壞整流二極管。為了限制充電電流，采用限流電阻R0和延時開關KM組成的預充電電路對

30、電容C進行充電。電源合閘后，延時數秒，通過R0對電容C進行充電。電容C的電壓升高到一定值后，閉合開關KM將限流電阻R0短接，避免正常運行時的附加損耗。由于二極管整流的電壓源型SPWM變頻調速系統不能再生制動，對于小容量的通用變頻器一般都用電阻吸收制動能量。制動時，變頻器整流橋處于整流狀態，逆變器也處于整流狀態，此時異步電動機進入發電狀態，整流橋和逆變器都向電容C充電，當中間直流電壓（稱為泵升電壓）升高到一定值時，通過開關器件VTb接通Rb，將電動機的動能消耗于電阻Rb上。2.2.3 直-交部分 1.逆變電路逆變管V1-V6組成逆變橋，把VD1-VD6整流后的直流電，再“逆變”成頻率、幅值可調的

31、交流電。這是變頻器實現變頻的執行環節，因而是變頻器的核心環節。當前常用的逆變管有絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、大功率晶體管（GTR）、可關斷晶閘管（GTO）、及功率場效應管（MOSFET）等。本設計所用的逆變管是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），因為隨著電力電子器件的發展，快速關斷器件如門極可關斷晶體管GTO、功率雙極型晶體管GTR、金屬氧化硅晶體管MOSFET和絕緣柵雙極晶體管IGBT等相繼開發成功。其中IGBT是集MOSEFT和GTR優點于一身。既具有少子器件GTR的通態壓降低、耐壓高、可承受大電流等優點，又兼有多子器件MOSFET的開關速度快、熱穩定性好、無二次擊穿、輸入阻抗高、驅動微功

32、耗的長處，因此倍受青睞。尤其是在電機控制、中頻電源和開關電源以及要求快速、低損耗的領域發展迅速。在大功率全橋變換中，IGBT作為功率開關元器件是非常適合的。2.續流二極管 續流二極管VD7-VD12的主要功能有：電動機的繞組是電感性的，其電流具有無功分量。VD7-VD12為無功電流返回直流電源提供通道。當頻率下降，電機處于再生制動狀態時，再生電流將通過VD7-VD12返回直流電路。V1-V6進行逆變的基本工作過程：同一橋臂的兩個逆變管，處于不停的交替導通和截止狀態。在這交替導通和截止的換相過程中，也不時地需要VD7-VD12提供通路。3.緩沖電路4緩沖電路也稱為吸收電路。它是大功率變流技術中必

33、不可少的的組成部分。緩沖回路的主要作用是可抑制IGBT的功率開關器件的開關浪涌電壓和續流二極管的恢復浪涌電壓，減少開關損耗，因此，IGBT主回路要設有緩沖電路，最普遍的是放電阻止型緩沖器，這種類型的緩沖器有三種類型：各模塊分別有緩沖電路，6個單元共用緩沖電路，2單元各模塊分別有緩沖電路。在本設計中我們選用的是2單元各模塊分別有緩沖電路。應指出，緩沖電路之所以可以減小功率器件的開關損耗，是因為將開關損耗從器件本身轉移至緩沖器上，目的是使功率器件損耗減小，保證安全工作，但總的損耗并未減小。緩沖電路的工作原理如下所述：逆變管V1-V6每次由導通狀態切換截止狀態的關斷瞬間，集電極和發射極間的電壓UCE

34、將極為迅速的由近乎0V上升至直流值UD。這過高的電壓增長率將導致逆變管損壞。因此，C01-C06的功能便是降低V1-V6在每次關斷時的電壓增長率。V1-V6每次由截止狀態切換成導通狀態的接通瞬間，C01-C06上所充的電壓將向逆變管V1-V6放電。此放電電流的初始值將是很大的，并且將疊加到負載電流上，導致V1-V6的損壞。因此，R01-R06的功能是限制逆變管在接通的瞬間C01-C06的放電電流。R01-R06的接入，又會影響C01-C06在V1-V6關斷時降低電壓增長率的效果。當二極管VD01-VD06接入后，在V1-V6的關斷過程中，使R01-R06不起作用；而在V1-V6的接通過程中，又

35、使C01-C06的放電電流流經R01-R06。第三章 IGBT的保護與驅動電路3.1 IGBT的保護IGBT作為一種混合型器件，正日益廣泛地應用于小體積、低噪音、高性能的電源、逆變器、電機速度控制裝置之中。在實際應用中，除考慮其耐壓和電流容量外，其保護和驅動電路還應考慮以下幾個方面的因素5：（1）短路(過電流)保護發生短路時，IGBT集電極電流增加并超過額定值，使CE間電壓劇增。此時，由于在IGBT上被加上了高電壓、大電流。因此，必須在短路極限值所規定的時間內關斷IGBT。（2）過電壓保護由于IGBT開關速度較高，IGBT關斷時，產生很高的di/ dt，由于其周圍的接線電感，就產生了關斷浪涌電

36、壓，其值可能超過IGBT的CE間耐壓值而造成損壞。為此，在IGBT中裝有保護電路可吸收浪涌電壓；調整IGBT的驅動電路的Vce或Rg，使di/dt最小。（3）柵極電阻IGBT的輸入阻抗很高，且為純容性阻抗(即存在3000PF左右的極間電容)，靜態時不需直流電流，只需對輸入電容進行沖放電的動態電流，幾乎不消耗功率。為了改善控制脈沖的前后沿陡度和防止震蕩，減少IGBT集電極大的電壓尖脈沖，需在柵極串聯電阻Rg。當Rg增大時會使IGBT的通斷時間延長，能耗增加；而減少Rg又會加大電流變化，可能引起誤導通或損壞IGBT,因此應根據電流容量和電壓額定值及開關頻率的不同, 選擇合適的阻值。3.2 IGBT

37、的驅動電路隨著電力電子器件的發展 ,快速關斷器件如門極可關斷晶體管GTO、功率雙極型晶體管GTR、金屬氧化硅晶體管MOSFET和絕緣柵雙極型晶體管IGBT等相繼開發成功。其中IGBT是集MOSEFT和GTR優點于一身。即具有少子器件GTR的通態壓降低、耐壓高、可承受大電流等優點，又兼有多子器件MOSFET的開關速度快、熱穩定好、無二次擊穿、輸入阻抗高、驅動微功耗的長處，因此倍受青睞。尤其是在電機控制、中頻和開關電源以及要求快速、低損耗的領域發展迅速。在大功率全橋變換中，IGBT作為功率開關元器件是非常適合的。3.2.1 驅動器的基本要求IGBT是一壓控器件。它所需的驅動電流與驅動功率非常小，可

38、直接與模擬或數字功能模塊相接，不需加任何附加接口電路而且轉換功率也大大提高。IGBT的導通與關斷是由柵極電壓UGE來控制的。當UGE大于開啟電壓UGE(th)時，IGBT導通，當柵極和發射極間施加反向或不加信號時，使得IGBT關斷。用IGBT作大功率全橋變換的功率元件時，由于工作在高速大功率開關狀態，要使它安全可靠地工作，設計好驅動電路是重要環節。一個理想的IGBT驅動器應具有以下基本要求6：（1）能提供適當的正、反向門極電壓。為使 IGBT穩定工作，一般要求雙電源供電，所以驅動電路要求采用正反偏壓的兩電源形式。IGBT導通后的管壓降與所加柵極電壓有關。當UGE增大時，IGBT承受短路或過電流

39、時間減小，對 IGBT安全不利。一般選 UGE要綜合考慮，選取 +12V- +20V為好。在 IGBT關斷期間，由于電路中其他部分的工作會在柵極電路中產生一些高頻振蕩信號，這些信號輕則會使本該截止的IGBT處于微通狀態，增加管子的功耗。重則將使逆變電路處于短路直通狀態，因此恰好給應處于截止狀態的IGBT加一反向柵壓。一般選取-5V- +15V，使IGBT在柵極出現開關噪聲時仍能可靠截止。（2）信號應有足夠的功率驅動電路輸入的信號作用于IGBT的柵極和射極之間。當UGE很小或為零時，IGBT的C和E之間加很大的電壓時IGBT才能導通。這種硬開通會導致IGBT較大的開關損耗，影響IGBT的開關功率

40、與輸出能力，因此，為使合格元件能正常工作，驅動信號可以大于柵極規定的電壓、電流，并留有一定的余量。（3）信號具有一定的前沿陡度和寬度IGBT的門源特性呈電容性，與開關速度有關，因此驅動器須具有足夠的瞬時電流的吞吐能力，才能使IGBT柵、射電壓建立或消失的足夠快，從而使開關損耗降較低的水平。（4）驅動電路必須與主電路隔離在許多電路(如橋式逆變器)中的IGBT的工作電位差別很大，不允許控制電路與其直接耦合，為了保證驅動電路和主電路之間信號傳輸的暢通無阻，常采用光電耦合和變壓器耦合。（5）輸出與輸入必須有很好的跟隨性輸入、輸出信號傳輸無延時，一方面能減小系統的響應滯后，另一方面能提高系統保護的快速性

41、。（6）驅動電路簡單、成本低。（7）驅動電路自身應有一定的保護功能。IGBT柵極驅動實用電路最好自身對IGBT具有保護功能，并有較強的抗干擾能力。在出現短路、過流的情況下，能迅速發出過流保護信號供控制電路進行處理。（8）防止同一橋臂上的IGBT誤導通。3.2.2 驅動電路-EXB841IGBT常用的驅動模塊有許多種，其中EXB系列應用最廣。EXB84系列為日本富士公司推出的IGBT專用驅動芯片，能驅動高達300A/1200V的IGBT。它具有隔離強度高、反應速度快、參數一致性好、具有防擎住效應的緩關斷電路等優點，并可以對IGBT實施過流保護。模塊內功能較全，用+20V直流電源供電，能產生+15

42、V開柵電壓和-5V關柵電壓，內裝TLP550高速光耦信號隔離電路7。如圖3.1所示。電路的內部還集成有過流檢測電路和慢速過流切斷電路，其過流檢測電路按驅動與集電極電壓之間的關系檢測過流。當流過IGBT的電流超過內部設定值時，慢速切換電路以不使IGBT損壞的較慢速度關斷IGBT。其中，為了防止IGBT集電極產生大的電壓尖脈沖，在柵極串聯電阻 RG、47VF電解電容器吸收由于電流源接線電阻引起的供電電壓變化，而不是電源濾波的電容器。圖3.1 EXB841驅動電路該電路在使用時應注意以下幾個方面：（1）被驅動的IGBT柵-射極驅動回路往反接線必須小于1M，且柵-射極接線應采用絞線。（2）如在IGBT

43、集電極產生較大的電壓尖脈沖，那么可增加IGBT柵極串聯電阻RG。（3）圖中電容C用來吸收由電源接線阻抗引起的供電電壓變化，它不是電源濾波電容器。 （4）圖中R1的選擇應滿足EXB840，EXB841輸入電流為本10MA的要求，EXB850，為方便用4MA。（5）電容C的選用EXB840，EXB850為33VF，而對EXB841為47VF。第四章 控制電路及鍵盤顯示4.1 87C196MC芯片簡介近幾年來，大功率開關器件得到迅速發展，交流變頻調速系統的應用也越來越廣泛。通常變頻調速是由微處理器和SPWM逆變器共同完成的。控制電機用的SPWM信號通常是由微處理器根據算法計算、查表、定時輸出三路波形

44、，然后再通過外部硬件電路進行延時互鎖變成三相六路脈沖，這樣的硬件電路復雜，容易引入干擾，系統的可靠性較低。Intel公司最近推出的高性能16位微處理器87C196MC8，是專門為三相異步電機和直流無刷電機設計的，它除了具有16位單片機的通用功能外，還有獨特的事件處理陣列EPA，使電機控制更加簡單，提高了系統的穩定性。4.1.1 87C196MC 的基本結構87C196MC與Intel公司的8096、8XC196KC、8XC196KB等16位單片機均屬MCS296 系列，它主要包括算術邏輯運算部件RALU、寄存器集、內部陣列EPA、三相互補SPWM 波形發生器WG以及看門狗、時鐘、中斷邏輯等電路

45、。87C196MC有512個字節的寄存器集，其中的低24位專為特殊功能寄存器SFR保留, 不能用作通常目的的RAM。RALU擁有256個累加器，能直接對寄存器集中的低256位進行操作，從而避免了其它單片機常有的因只使用一個累加器而造成的“瓶頸”效應；寄存器集的高256字節用作寄存器RAM，直接訪問這些高端寄存器使得編程容易、執行速度快。標準SFR位于存儲空間1F00H-1FFFH，在使用SFR時,通常采用視窗技術切換到寄存器區，可以加快操作進度。87C196MC內部自帶13路的10位/8位的高速A/D轉換器，轉換時間可編程設置在1. 3940.2s之間，A/D也可作為可編程的比較器，在輸入跨過

46、一個門檻電平時產生中斷。87C196MC采用CHMOS工藝，有三種封裝方式可供選擇：SDIP(642L)、PLCC(842L)、EIAJ/QFP(802L)，工作溫度-40+85，它支持16kb的EPROM，晶振頻率為16MHz，完成16位乘以16位的乘法只要1.75s，32位除以16位除法只要3.0s，非常適合于控制系統的快速性要求。87C196MC有七個I/O口，每個端口的管腳都是多功能的, 可用作標準I/O口或用來傳送特殊信號。4.1.2 87C196MC的獨特功能（1）SPWM三相波形發生器(WFG)三相波形發生器WFG9是87C196MC的一大特色。它有3個主要部件即時基發生器、相位

47、驅動通道和相位控制電路。時基發生器產生載波周期，相位驅動通道決定占空比，而控制電路決定工作模式和控制中斷發生器。它的內部設置了一個三相互補的SPWM波形發生器(WFG)，通過P6口直接輸出用于逆變器驅動的6路SPWM信號，驅動電流可達20mA，驅動信號頻率可達8MHz，每路的SPWM信號都可獨立編程。它也可以采用規則取樣法產生波形，三相脈寬由軟件編程計算。為了防止逆變橋同一橋臂上下兩個功率管發生直通造成短路，該SPWM發生電路通過編程設置死區互鎖時間，使驅動同一橋臂上下兩功率器件的SPWM脈沖信號具有互補功能，且在電平切換時設置皆為高電平的死區時間，以確保同一橋臂的上下功率器件不會同時導通。采

48、用16MHz晶振時，死區時間可設定為0.125125s之間。三相異步電動機與87C196MC的連接方法如圖4.1所示。波形發生器的每一對輸出WGX和WGX#經過功率驅動電路接至逆變器，逆變器每一個橋臂由一對互補IGBT功率管VT1和VT2組成，VT1對應WGX，VT2對應WGX#。為了避免同時導通而造成短路，在波形發生器中必須加有無信號時間。當出現外部過電流等故障中斷信號時，保護電路立即封鎖SPWM的輸出，并發出軟件中斷請求，向CPU報告外部故障的發生。圖4.1 三相異步電動機與87C196MC的連接方法 （2）事件處理陣列EPAEPA主要執行輸入、輸出功能。輸入方式時, EPA監視輸入管腳的

49、信號變化, 在事件發生時記錄其時間值, 這個過程稱為捕捉。輸出方式時, 等到定時器符合一個儲存的時間值，就設置、清除或觸發輸出管腳。這是一個比較事件。捕捉和比較事件都能產生正常服務流程或中斷, 87C196MC有四個捕捉/比較模塊和四個只比較模塊。EPA10還含有兩個16位的雙向定時/計數器T1和T2。定時器T1可按外部時鐘源計時，在這種工作方式下，EPA可以直接處理位置傳感器(如光電碼盤)輸出的兩路在相位上互差90°的脈沖信號，從而監視電機的運轉速度和方向。（3）外部事件處理服務器PTS87C196MC的中斷處理系統有兩類：可編程中斷控制器和PTS。可編程中斷可以被設置成PTS中斷

50、服務方式，PTS擁有數種微指令碼化的硬件中斷服務流程，可與CPU并行工作，能完成數據塊傳遞、處理多路A/D轉換、控制串行通訊等功能。4.1.3 87C196MC的應用本設計是用87C196MC構成的變頻調速控制系統9，功率管采用德國SEMIKRON公司的IGBT(IC=100A,VCE=1200V)，功率管驅動模塊采用日本富士公司的EXB841，三相異步電機功率為10kw。87C196MC的P6口發出的六路SPWM信號直接接到IGBT的六個驅動模塊EXB841的15腳上，不需要外加隔離器件，因為EXB841自身帶有光電隔離器件。EXB841采用20V單電源供電，內部還有自動保護電路和溫度檢測電

51、路，當出現故障時可以及時封鎖，同時這個故障信號也送往單片機的EXTINT端，封鎖六路SPWM信號輸出。電機的速度檢測由光電碼盤完成, 光電碼盤輸出的A、B兩路相位差90°的脈沖經光電隔離分別送到單片機的T1CLK和T1DIR的兩引腳，利用87C196MC的晶振時鐘模式檢測反饋信號，當T1CLK管腳上信號的上升沿先于T1DIR信號的上升沿時，T1加計數，反之，T1減計數，由此來判別電機的轉向，采用變M/T法可算出轉速。4.2 鍵盤及顯示電路微機控制系統中除了與生產過程進行信息傳遞的過程輸入，輸出通道與接口外，還要有與操作人員進行信息交換的輸入，輸出設備或器件，這種人機聯系的設備或器件稱

52、為人機接口。由人機接口輸入程序或數據，可完成各種操作控制，顯示生產過程的工藝狀況與運行結果。這種人機接口的典型裝置是一個操作顯示臺或操作顯示面板。由于生產過程要求控制和管理的內容不同，操作顯示臺或操作顯示面板也有較大的差異。操作臺上除開關、旋鈕、撥盤及各種打印機、繪圖儀類I/設備外，一般必不可少的是鍵盤與LED顯示器或CRT顯示器。4.2.1 鍵盤電路鍵盤11是由若干個按鍵組成的開關矩陣，它是單片機最簡單的信息輸入裝置。操作員通過鍵盤向單片機系統輸入數據或命令，實現簡單的人機通信，按鍵是以開關的狀態來設置控制功能和輸入數據的。若鍵盤上閉合鍵的識別是由專用硬件實現的，則稱為編碼鍵盤；若靠軟件實現

53、的，則稱為非編碼鍵盤。非編碼鍵盤是由一些按鍵排列成的一個行、列矩陣。按鍵的作用只是簡單地實現開關的接通或斷開，但必須有一套相應的程序與之配合，來完成按鍵的識別，防止抖動以及鍵值的產生等工作。因此，鍵盤接口電路和軟件程序必須解決以下問題：（1）檢查是否有鍵按下。（2）若有鍵按下，判斷是哪個鍵按下并確定鍵號或鍵值。（3）去抖動。 （4）處理多鍵同時按下。對于同時有兩個以上的鍵按下的情況，有三種處理方法：第一，雙鍵同時按下。用軟件掃描鍵盤處理，當只有一個鍵按下時才讀取鍵盤的輸出，并認為最后按下的鍵為有效鍵。第二，鍵鎖定。只處理一個鍵，任何其他按下又松開的鍵不產生任何鍵值。通常第一個被按下的鍵或最后一

54、個被松開的鍵產生鍵值，這種方法簡單實用。第三，軟件處理。當有鍵按下時，單片機應能實現該按鍵所設功能。非編碼鍵盤可分為獨立連接的非編碼鍵盤和矩陣式連接的非編碼鍵盤。獨立式的連接是指，每一個按鍵單獨占用一根I/O線，每根I/O線上的按鍵工作狀態不會影響其他I/O線的工作狀態。這種鍵盤結構的優點是簡單，軟件識別方便；缺點是占用較多的I/O線。在系統配置中需要的按鍵較少時，常采用這種按鍵方式。矩陣式鍵盤又稱行列式鍵盤。在按鍵數量較多是，可以減少占用I/O線。用I/O線組成行，列結構，行列線不相通，而是通過一個按鍵設置在行列的交叉點上來連通。在這個設計中用的是矩陣式連接非編碼鍵盤，采用了16個按鍵的配置

55、，即十個數字鍵和6個功能鍵。數字鍵為0-9，功能鍵為：R/S啟動/停止鍵，PIDPID參數設置鍵，RESET系統復位鍵，SPEED電機轉速設置鍵，ENTER設置確認鍵，P/N正反轉控制鍵。P3.4p3.6接譯碼器74LS138的輸入端，譯碼器的輸出Y0Y7作為鍵盤列掃描線，查詢線接單片機的p4.0、p4.1。4.2.2 顯示電路LED顯示器12有兩種顯示方式：靜態顯示和動態顯示。（1）LED靜態顯示方式所謂靜態顯示就是將N位共陰極LED顯示器的陰極連在一起接地，每一LED是N位LED要求有N*8位I/O線，占用I/O線太多，故多在顯示位數較少時使用。（2）LED動態顯示方式所謂動態顯示方式就是

56、用掃描方式一位一位地輪流點亮LED顯示器的各個位。特點是：將多個LED顯示器同名端的段選線復接在一起，只用一個8位I/O線控制各個LED顯示器公共陰極輪流點亮接地的方法，逐一掃描點亮，使每位LED顯示該位應當顯示的字符。恰當地選擇點亮LED的時間間隔，會給人一種視覺暫停效應，似乎多位LED都在同時點亮。為了精確的顯示電機轉速等系統的運行參數，以及能詳盡的描述系統的啟動，制動等運行狀態。本系統采用8位8段共陰極的LED顯示器。LED的位選線由74LS138譯碼器經驅動器產生，段選線由P3.0P3.4通過驅動器CD4511提供。第五章 檢測電路 5.1 電壓、電流檢測電路電壓檢測采用運算放大器配合

57、光電耦合器件與單片機實現接口；電流檢測采用霍爾傳感器檢測直流電流；一旦檢測到電壓或電流超過設定的參數，單片機則立刻產生中斷處理，即刻封鎖輸出給IGBT的PWM信號。5.2 霍爾傳感器近年來, 新一代功率半導體器件大量進入電力電子、交流變頻調速、逆變裝置及開關電源等領域。原有的電流、電壓檢測元件已不適應中高頻、高di/dt電流波形的傳遞和檢測。霍爾電流、電壓傳感器/變送器13模塊是近十幾年發展起的測量控制電流、電壓的新一代工業用電量傳感器, 是一種新型的高性能電氣檢測元件。霍爾電流、電壓傳感器/變送器由于具有精度高、線性好、頻帶寬、響應快、過載能力強和不損失被測電路能量等諸多優點，因而被廣泛應用于變頻調速裝置、逆變裝置、逆變焊機、變電站、電解電鍍、數控機床、微機監測系統、電網監控系統和需要隔離檢測大電流、電壓的各個領域中。在電力電子產品中，對大電流、電壓進行精確的檢測和控制也是產品安全可靠運行的根本保證。1.霍爾傳感器/變送器的性能特點霍爾電流、電壓傳感器/變送器模塊具有優越的電性能