SPWM变频器设计.docx

SPWM变频器设计.docx

《SPWM变频器设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《SPWM变频器设计.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

SPWM变频器设计

SPWM变频器设计

金伟江

（自动化与电气工程学院指导教师：

项小东）

摘要：

随着电力电子技术和微机控制技术的飞速发展和人们对交流电机调速方法的研究的不断深入，直流调速逐步被交流调速所取代。

在现有的交流电动机调速方法中，变频调速受到人们的普遍关注，已经在很多领域得到了应用，在我国也被列为重点的技术推广项目。

电压型正弦脉宽调制（SPWM）变频器以其独有的技术优势而得到快速的发展和广泛应用。

先进的控制策略，高性能的控制芯片，智能化高速开关器件相结合成为现代交流调速技术发展的主流趋势。

数字方法在可靠性、灵活性、可控性等方面具有模拟方法无法比拟的优越性。

目前，市场上相继推出的数字式SPWM变频器中，大多数都采用了专用SPWM芯片。

虽然，可使编程简单，但这些器件往往价格高昂，增加了硬件成本。

鉴于此，本设计中的变频器采用Microchip推出的电机专用8位微控制器PIC16F767构成数字化变频器，通过编程产生驱动信号SPWM波，大大简化了用于产生PWM波形的软件和硬件，使系统简化，同时提高了其动、静态性能。

关键词：

变频调速；SPWM；电机；PIC16F767

Abstract:

WiththepowerelectronicsandmicrocomputercontroltechnologyandtherapiddevelopmentofthepeopleofACmotorspeedcontrolofthein-depthstudyDCSpeedexchangesweregraduallyreplacedbythegovernor.TheexistingACmotorspeedcontrolmethods,VVVFbypeople'sattention,InmanyareashasbeenusedinChinahavebeenlistedasakeyprojecttopromotethetechnology.-Sinusoidalvoltagepulsewidthmodulation（SPWM）converterwithuniqueadvantagesintechnologyandtherapiddevelopmentandwideapplication.Advancedcontrolstrategies,thecontrolofhigh-performancechips,intelligenthigh-speedswitchingdevicescombiningmodernACtrendofthemainstreamofdevelopment.Digitalmethodsintermsofreliability,flexibility,controllability,andotheraspectssimulationmethodunmatchedsuperiority.Currently,themarkethasintroducedadigitalINVERTER;mosthaveadoptedaspecialSPWMchip.Althoughtheprogramwillenablesimple,butthesedevicesareoftenexpensiveandincreasethecostofhardware.

Becauseofthis,ThedesignoftheinverterusingMicrochipintroducedtheMotorexclusiveeightPIC16F76microcontroller7adigitalconverter,havedriventhroughprogrammingSPWMsignal,greatlysimplifiedforthepurposeofgeneratingaPWMwaveformsoftwareandhardware,allowingthesystemtosimplifyandimprovetheirstaticanddynamicproperties.

Keywords：

frequencyspeedcontrol；SPWM；electricalmachine；PIC16F767

1绪论

众所周知，传统的电动机直流传动系统因其调速性能好，在变速传动领域中一直占据主导地位，但直流电机结构复杂，成本较高，维修保养费用较贵，而且存在换向问题使直流电动机无法做成高速大容量的机组。

而交流电动机与直流电动机相比，有结构简单、牢固，成本低廉，运行可靠等许多优点，缺点是调速困难。

但是随着电力电子技术和微机控制技术的飞速发展和人们对交流电机调速方法的研究的不断深入，直流调速逐步被交流调速所取代。

在现有的交流电动机调速方法中，变频调速受到人们的普遍关注，已经在很多领域得到了应用，在我国也被列为重点的技术推广项目。

而近代交流调速中，越来越多地采用变频调速方案。

电压型正弦脉宽调制（SPWM）变频器以其独有的技术优势而得到快速的发展和广泛应用。

先进的控制策略，高性能的控制芯片，智能化高速开关器件相结合成为现代交流调速技术发展的主流趋势。

在SPWM波形生成方法中，已很少采用模拟方法。

数字方法在可靠性、灵活性、可控性等方面具有模拟方法无法比拟的优越性。

目前，市场上相继推出的数字式SPWM变频器中，大多数都采用了专用SPWM芯片（如HEF4752、SLE480）。

虽然，可使编程简单，但这些器件往往价格高昂，增加了硬件成本。

鉴于此，本设计中的变频器采用Microchip推出的电机专用8位微控制器PIC16F767构成数字化变频器，通过编程产生驱动信号SPWM波，大大简化了用于产生PWM波形的软件和硬件，使系统简化，同时提高了其动、静态性能。

2总体设计方案

2.1变频器分布式控制系统结构

图1为三相电机变频驱动的分布式控制系统总体结构。

本系统采用了RS485通讯方式，因在许多工业过程控制中，要求用最少的信号线来完成通信任务，目前广泛应用RS-485串行接口总线就是为适应这种需要而产生。

RS-485采用了一对平衡差分信号线，适合多站互连，一个发送驱动器最多可连接32个负载设备。

为实现电脑对多个变频器的分布式控制，本系统参考了MODBUS协议通讯方式，该协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。

通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。

它已经成为一通用工业标准。

有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。

它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。

它制定了消息域格局和内容的公共格式。

当在一Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。

如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。

在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。

这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法[1]。

2.2变频驱动器硬件结构

图2为三相电机变频驱动器的硬件结构图。

本三相电机变频驱动器从硬件结构上分主要分为三个单位，通讯单元，控制单元，功率模块单元。

通讯单元：

采用RS-485通讯方式，提高了通讯的可靠性。

控制单元：

以16F767单片机作为系统的控制核心，产生数字SPWM信号输出。

功率模块单元：

利用6个场效应管构建成三相逆变桥，作为系统的功率输出模块。

2.3系统总体软件流程

图3三相电机变频驱动器主流程图

图4中断服务流程图

变频器原理和应用

2.4SPWM法实现电机变频变压调速

2.4.1目前变频器分类

变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/F控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等[3]。

低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。

其控制方式经历了以下四代：

1、U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式

其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。

但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。

另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。

因此人们又研究出矢量控制变频调速。

2、电压空间矢量（SVPWM）控制方式

它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。

经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。

但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。

3、矢量控制（VC）方式

矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。

其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。

通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。

矢量控制方法的提出具有划时代的意义。

然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

4、矩阵式交—交控制方式

VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。

其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。

为此，矩阵式交—交变频应运而生。

由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。

它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。

该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。

其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。

具体方法是：

——控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；

——自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；

——算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；

——实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。

2.4.2SPWM法原理：

具体方法如图5单极性和图6双极性所示，它是以一个正弦波作为基准波或称调制波，用一列等幅的三角波或称载波与基准正弦波相交，由它们的交点确定逆变器的开关模式：

当基准正弦波高于三角波时，使相应的开关器件导通；当基准正弦波低于三角波时，使相应的开关器件截止。

1）．单极性SPWM法如图5所示，它的每半个周期内所有三角波的极性均相同即单极性，且每半个周期内所得SPWM脉冲系列也是单极性的。

工作特点：

在每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断地工作，另一个完全截止；而在另半个周期内，两个器件的工况正好相反。

2）．双极性SPWM法如图6所示，它的载波为双极性的等腰三角波，且由调制波和载波所得SPWM脉冲系列也是双极性的，不过所得线电压脉冲系列却是单极性的。

双极性法工作

特点：

在逆变桥工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按所得脉冲系列的规律交替地导通和关断，毫不停息。

而流过负载的是按线电压规律变化的交变电流。

除了用上面这种方法产生SPWM波外，还有许多类似的SPWM方法，不过无论那种方法，都为了如何使变频器的输出电压更好地获得三相对称的正弦波。

如何算出SPWM脉冲系列波的宽度，对于用微机来实现SPWM控制的调速系统中，如采用自然采样法，因计算SPWM序列工作量太大不适合由微机实现实时控制，所以较多地采用规则采样法（如图7），为了使所形成的阶梯波更接近于正弦波。

在此采用平均对称规则采样法（如图8）。

图8中Tt为三角波的周期，Ur为三角波的幅值，正弦波为Ucsinwt，Ts为采样周期，平均对称规则采样法只在三角波的谷底位置对正弦波采样而形成阶梯波，所以Tt=Ts。

2.5变频器的启动设计

启动转距：

Tst∝（U1/f1）（U1/f1）/f1

最大转距：

Tm∝（U1/f1）（U1/f1）

从以上两个公式可制电机的转距和电压和频率的比列有关，而V/F控制的原理也是保证V/F比列不变，当启动时频率很小，则电压值也很小，由于电动机有内阻（平时由于电压比较大可以忽视），则电压值会明显减小，必须在启动时保持一恒定电压来保证转距。

如下图：

图9图10

2.6变频器的停止设计

2.6.1能耗制动的必要性

不少的生产机械在运行过程中需要快速地减速或停车，而有些设备在生产中要求保持若干台设备前后一定的转速差或者拉伸率，这时就会产生发电制动问题，使电机运行在第二或第四象限。

然后在实际应用中，由于大多通用变频器都采用电压原的控制方式，其中间直流环节有大电容钳制着电压，使之不能迅速反向，另外交直回路又通常采用不可控整流桥，不能使电流反向，因此要实现回馈制动和四象限运行就比较困难。

2.6.2能耗制动的工作方式

能耗制动采用的方法是在变频器直流侧加放电电阻单元组件，将再生电能消耗在功率电阻上来实现制动。

这是一中处理在生能量的最直接的办法，它是将再生能量通过专门的能耗制动电路消耗在电阻上，转化为热能，因此又被称为电阻制动，它包括制动单元和制动电阻两部分。

2.6.2.1制动单元

制动单元的功能是当直流回路的电压超过规定的限制是，接通耗能电路，使直流回路通过制动电阻后以热能方式释放能量。

制动单元可分内置式和外置式，前者是使用与小功率的通用变频器，后者则是适用与大功率变频器或是制动有特殊要求的工况中，从原理上讲两者并无区别，都是作为接通制动电阻方式，它包括功率管、电压采样比较电路和驱动电路。

2.6.2.2制动电阻

制动电阻是用于将电机的再生能量以热能方式消耗的载体，它包括电阻阻值和功率容量两个重要参数。

通常在工程上选用较多的是纹波电阻和铝合金电阻两种：

前者采用表面立式波有利于散热。

后者易紧密安装外型美观。

2.6.2.3制动过程

能耗制动过程如下；A、当电机在外力作用下减速、反转时，电机即以发电状态运行，能量反馈回直流电路，使母线电压升高；B、当直流电压达到制动单元开的状态时，制动单元的功率管导通，电流流过制动电阻；C、制动电阻消耗电能为热能，电机的转速下降，母线电压也降低；D、母线电压至制动单元要关断的值，制动单元的功率管截止，制动电阻无电流流过；E、采样母线电压值，制动单元重复过程，平衡母线电压，使系统正常运行。

如图11所示：

2.6.3直流制动

 直流制动是在电机定子中通入直流电流，以产生制动转矩。

因为电机停车后会产生一定的堵转转矩，所以直流制动可在一定程度上替代机械制动；但由于设备及电机自身的机械能只能消耗在电机内，同时直流电流也通入电机定子中，所以使用直流制动时，电机温度会迅速升高，因而要避免长期、频繁使用直流制动；直流制动是不控制电机速度的，所以停车时间不受控。

停车时间根据负载、转动惯量等的不同而不同；

PIC16F767系统硬件概况

2.7核心区域和外围模块区域

2.8程序存储器组织结构

PIC16F767有一个13位宽的程序计数器，最大可寻址8K字x14位的程序存储器空间。

PIC16F767片内的程序存储器容量为8K字。

PIC16F767程序存储器的映射如图13所示。

2.9数据存储器组织结构

数据存储器被划分成多个存储区，每个存储区由通用寄存器和特殊功能寄存器两部分组成。

RP1（Status<6>）和RP0（Status<5>）位是存储区选择位。

如图14所示：

每个存储区多达7Fh（128字节）。

每个存储区的低位地址单元被特殊功能寄存器占据，除此之外则为通用寄存器，用作静态RAM。

所有存储区均包括特殊功能寄存器，某些使用频率较高的特殊功能寄存器可以从一个存储区映射到另一个存储区中，以节省代码和提高存储速度。

2.10捕捉/比较/PWM模块

每一个捕捉/比较/PWM（CCP）模块都有一个16位寄存器，该寄存器可以作为：

●16位捕捉寄存器

●16位比较寄存器

●PWM主/从占空比寄存器

CCP1、CCP2和CCP3模块的操作基本一致，不同之处仅在于特殊事件触发器。

三相电机变频驱动器主要利用其PWM工作模块功能，在脉宽调制模式下，CCPx引脚上可输出分辨率高达10位的PWM输出。

因为CCP1引脚与PORTC数据锁存器复用，TRISC<2>位必须清零以将CCP1引脚设置为输出。

下图15是CCP模块在PWM模式下的简化示意图，关于如何逐步设置CCP模块使其工作在PWM模式下。

图15PWM简化结构示意图

PWM的输出有一个时基（周期）和一个保持输出为高电平的时间（占空比）。

PWM的频率是周期的倒数（1/周期）。

如下图16所示：

2.10.1PWM周期

PWM的周期可通过向PR2寄存器写入来设定。

PWM周期可由以下公式来计算：

PWM周期=[（PR2）+1]•4•TOSC•（TMR2预分频值）

PWM频率定义为1/[PWM周期]。

当TMR2等于PR2时，在下一个递增周期将发生以下三种情况：

●TMR2被清零

●CCP1引脚被置1（例外：

如果PWM占空比=0%，

CCP1引脚不置1）

●PWM占空比从CCPR1L锁存到CCPR1H

2.10.2PWM占空比

通过写入CCPR1L寄存器和CCP1CON<5:

4>位可以设定PWM占空比，分辨率可高达10位。

CCPR1L包含高8位而CCP1CON<5:

4>包含低2位，该10位值由CCPR1L:

CCP1CON<5:

4>表示。

用以下公式计算PWM的占空比：

PWM占空比=（CPR1L:

CCP1CON<5:

4>）•TOSC•（TMR2预分频器值）

CCPR1L和CCP1CON<5:

4>可在任何时候写入，但在PR2和TMR2匹配前（即周期完成），该占空比的值不会被锁存到CCPR1H。

在PWM模式下，CCPR1H是只读寄存器。

CCPR1H寄存器和2位内部锁存器用于为PWM占空比提供双缓冲，这种双缓冲对于无毛刺PWM操作是必需的。

当CCPR1H和2位内部锁存值与连接到内部2位Q时钟或2位TMR2与分频器相匹配时，CCP1引脚被清零。

在PWM频率给定的情况下，最大PWM分辨率（位数）由以下公式给出：

2.10.3PWM操作设置

在将CCP模块设置为PWM操作时，应遵照以下步骤：

1.向PR2寄存器写入以设定PWM周期。

2.向CCPR1L寄存器和CCP1CON<5:

4>位写入以设定PWM占空比。

3.将TRISC<2>清零以设定CCP1引脚为输出状态。

4.设置TMR2预分频器值，并通过写入T2CON以使能Timer2。

5.设定CCP1模块为PWM操作。

2.11TIMER1模块

Timer1模块是由两个可读写的8位寄存器（TMR1H和TMR1L）组成的16位定时器/计数器。

TMR1寄存器（TMR1H:

TMR1L）从0000h开始递增计数，一直加到FFFFh后，再翻转到0000h。

如果中断使能，TMR1溢出时会产生中断，而且溢出会锁存到中断标志位TMR1IF（PIR1<0>）。

该中断的使能/禁止可以通过置位/清除TMR1IE（PIE1<0>）中断使能位来设置。

Timer1振荡器可以作为低功耗模式下的辅助时钟源。

当T1RUN位被置1且SCS<1:

0>=01，则Timer1振荡器提供系统时钟信号。

如果时钟故障检测被使能，而Timer1振荡器作为系统时钟时发生故障，查询T1RUN位可以确定当前系统时钟是由Timer1振荡器还是其他时钟源提供。

在实际应用中，只需要很少的外接元件和代码开销，即可利用Timer1来提供实时时钟（RTC）信号。

Timer1有以下三种工作模式：

●定时器方式

●同步计数器方式

●异步计数器方式

工作模式由时钟选择位TMR1CS（T1CON<1>）确定。

在定时器工作模式下，Timer1在每个指令周期进行递增计数。

在计数器模式下，Timer1在T1CKI引脚上的外部时钟的每个上升沿进行增量计数。

Timer1可以通过置位/清零TMR1ON（T1CON<0>）控制位来使能和禁止。

Timer1还有一个内部“复位输入”，它可由CCP1模块产生，作为特殊事件触发信号。

当Timer1的振荡器被使能（T1OSCEN位置1）时，RC1/T1OSI/CCP2和RC0/T1OSO/T1CKI引脚成为输入引脚。

即，TRISB<7:

6>值被忽略而这些引脚读作“0”[12]。

3三相电机变频驱动器设计

3.1硬件设计

通讯单元：

本系统采用的是RS-485通讯方式，利用MAX485作为通讯接口芯片，同时MAX485与控制芯片PIC16F767采用了光耦隔离，有效防止电机产生的干扰信号进入通讯网络，并有效防止当本变频器出现烧毁故障时祸及同个网络中的设备。

如图17所示：

控制单元：

本系统以16F767单片机作为系统的控制核心，利用以内部的三个外围功能模块（CCP）为基础，利用该模块具有的PWM功能，软件控制三路SPWM波形的输出。

再将3路SPWM波形输出端通过74HC14施密特反向器变换成互补导通的6路，经隔离放大后驱动场效应管，实现对输出的控制。

如图18所示：

功率模块单元：

本系统以单相交流电网作为供电来源，首先对单相交流电通过整流桥进行整流，再利用电容进行滤波得到300V左右的直流电源，该电源一部分直接接入系统的由6个MOS管构成的三相逆变桥电路，另一小部分经过DC-DC降压电路降压，得到的2路隔离的15V直流电源，一路15V直