基于单片机控制的变频器设计.docx

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基于单片机控制的变频器设计

基于单片机控制的变频器设计

一、前言-------------------------------P3

二、本实验所选取器件及技术指标------P5

三、硬件设计---------------------------P5

四、AT89C51程序设计及仿真---------P8

五、总结-------------------------------P11

六、参考文献---------------------------P12

一、前言

（1）变频器原理：

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

（2）变频器发展历程及未来展望：

变频器及其控制系统的发展主要经历三个阶段：

第一阶段八十年代初日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量（或称磁通轨迹法）。

该方法以三相波形的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，一次生成二相调制波形。

这种方法被称为电压空间矢量控制。

典型机种如1989年前后进入中国市场的FUJI（富士）FRN5OOOG5/P5、SANKEN（三垦）MF系列等。

第二阶段矢量控制，也称磁场定向控制。

它是七十年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流电动机和交流电动机比较的方法分析阐述了这一原理，由此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河。

它使人们看到交流电动机尽管控制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的在本质。

第三阶段1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论（DirectTorqueControl简称DTC）。

直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。

变频器的未来展望：

随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地提高可靠性实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力。

具体凸显出六大发展特性：

●主电路功率开关元件的自关断化、模块化、集成化、智能化，开关频率不断提高，开关损耗进一步降低。

●变频器主电路的拓扑结构方面：

实现变频器再生能量向电网回馈和节省能量，网侧变流器应为可逆变流器，同时出现了功率可双向流动的双PWM变频器，对网侧变流器加以适当控制可使输入电流接近正弦波，减少对电网的公害。

●脉宽调制变压变频器的控制方法可以采用正弦波脉宽调制（SPWM）控制、消除指定次数谐波的PWM控制、电流跟踪控制、电压空间矢量控制（磁链跟踪控制）。

●交流电动机变频调整控制方法的进展主要体现在由标量控制向高动态性能的矢量控制与直接转矩控制发展和开发无速度传感器的矢量控制和直接转矩控制系统方面。

●数字控制成为现代的发展方向

二、本次实验所选器件及其技术指标

本次实验设计是以AT89C51单片机为控制中枢,利用EXB841专用驱动及保护器件对功率模块绝缘栅双极晶体管（IGBT）进行驱动与保护的变频器。

器件及技术指标：

4个小功率IGBT4–T4（2个双单元模块），电压等级：

1200V，适用开关频率：

≤20kHz；

电容C（其值取3000μF/450V即可）作为储能元件；

AT89C51单片机4KBFLASH，全静态工作：

0Hz-24Hz，128*8位部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源；

EXB841参数指标输入电压20V，可驱动IGBT数量为2路，可驱动上下桥臂隔离电压2kV以上，驱动能力：

结电容，1uf工作频率：

100kHz（最高）；

三、硬件设计

1.主电路方案

主电路采用交-直-交电压型逆变电路,具有接线简单、输出频率任意可调、功率因数高等优点。

原理图如下图1所示

图1、主电路

整流电路中,V1~V4采用普通整流管,结构简单无需控制,成本低廉。

逆变电路由VT1~VT44个IGBT（2个双单元模块）组成,便于实现变压变频（VVVF）控制。

电容C（其值取3000μF/450V即可）作为储能元件,构成电压型逆变器。

与电流型逆变器相比,其中间直流环节电压值不受负载影响。

IGBT模块的栅极信号来自单片机AT89C51,采用PWM技术,由软件很容易实现既变压又变频。

2.IGBT的驱动

IGBT属电压驱动元件,有一个容性输入阻抗,因此对IGBT驱动电路有较高的要求。

a驱动源阻小,栅极电压UGE有足够陡的前后沿,使IGBT的开关损耗尽量小。

b增加UGE,IGBT的通态压降和开关损耗降低,但对负载短路的保护和安全不利,实际选取UGE=15V。

c关断时,应使栅极电容迅速放电,给UGE加一负偏压,使UGE=-5V。

根据以上要求,采用EXB841厚膜IGBT高速型专用驱动电路。

EXB841的部框图如下图2所示：

图2、EXB841部框图

EXB841的引脚说明:

P1接IGBT的发射级;P2接+20V直流工作电源；P3通过150Ω电阻接IGBT的栅极;P4外接电容,防止过流保护误动作,大多数情况下可不接；P5为过流保护输出信号,正常时输出高电平,当IGBT过流时输出低电平,因此该引脚可通过光电耦合器接外电源；P6通过快速二极管接IGBT集电极,快速二极管的阳极接P6，通过检测UCE的大小判断是否发生短路或集电极电流过大；P7、P8、P10、P11为空端;P9为电源地;P14、P15分别为驱动信号输入的-、+极，约10mA信号有效,该信号由单片机产生,由于单片机在上电复位后，I/O自动输出高电平,为了避免上电时逆变桥同一侧上下桥臂同时导通而造成短路,故设置单片机I/O口输出低电平

有效,P14接单片机I/O口,P15接+12V电源。

EXB841单臂驱动电路图如下图3所示：

图3、EXB841单臂驱动电路

联接技术指标：

ａ.驱动输出端与ＩＧＢＴ栅极间串联电阻ＲＧ用于抑制ＩＧＢＴ集电极产生大的电压尖脉冲和降低开关噪声，该电阻的取值与ＩＧＢＴ的额定电压、电流有关，对于额定电压为１０００Ｖ、额定电流为５Ａ的ＩＧＢＴ,取ＲＧ＝１５０Ω；

ｂ.输入电路（光电耦合器原边）接线远离输出电路，以保证有适当的绝缘强度和高噪声阻抗；

ｃ.与ＩＧＢＴ栅射极之间的接线要小于５０ｃｍ,使用双绞线。

四、AT89C51的程序设计及仿真

ＡＴ８９Ｃ５１的程序对逆变器的性能指标起着决定性的作用。

可以充分利用ＡＴ８９Ｃ５１单片机部的软、硬件资源。

根据交流电动机的变频调速特性，采用在额定频率（５０Ｈｚ）以上时的调频不调压、在额定频率以下时恒压频比的调速方案。

1.程序设计算法思路

设变频器输出频率为ｆ，正弦脉宽调制（ＳＰＷＭ）的调制脉冲频率为５１２ｆ，根据采样控制理论中冲量相等的原则，第１个输出脉冲宽度Δｔ１确定如下：

式中：

ｆ为输出电压频率；Ｕ为整流器输出电压平均值（可选为２００Ｖ）；Ｕｍ为预期正弦交流输出电压峰值（可初定为３１１Ｖ）。

Δｔ１作为单片机定时器Ｔ０的初值，在启动定时器Ｔ０后，使Ｐ１．０输出低电平，驱动ＥＸＢ８４１的Ｐ１４引脚。

Ｔ０溢出后，置位Ｐ１．０，同时启动定时器Ｔ１，为输出第２个调制脉冲作准备。

第２个调制脉冲宽度Δｔ２，可通过下式计算确定：

定时器Ｔ１的初值ｔ１１可由下式确定：

同理，每相邻２个调制脉冲之间的时间都可通过以上方法计算得出，预先存于程序的数据表中，当前１个输出脉冲结束后，由查表指令取得数据赋给定时器Ｔ１，每个调制脉冲的宽度Δｔｉ也可通过上述方法进行计算存入另一个数据表，由查表指令获取后赋给定时器Ｔ０。

需要注意的是，当查Ｔ１１、Ｔ１２、……，直到查到Ｔ２５６后，应停止Ｐ１.０的低电平输出，保持该引脚为高电平状态，而后由Ｐ１.１输出驱动另一逆变桥臂。

在两桥臂的切换期间，应根据ＩＧＢＴ的关断时间指标确定，并加以适当的延长，以免逆变颠覆。

2.程序流程图：

变频器软件采用功能模块的方法.，由主程序、中断服务程序、显示子程序、PI控制子程序和有关子程序组成。

下图为主程序流程图：

主程序流程图

下图依次为正弦波、方波、三角波的流程图：

3.仿真图

五、总结

以8051单片机为控制核心的变频器，控制方便灵活，其设计结构合理,反应速度快,操作简单,成本低,故障率小,维护量小,适用于交流电机的全数字化控制,同时亦可作为多种调速方案的试验平台。

六、参考文献

黄俊，王兆安电力电子技术［Ｍ］．：

机械工业，2004

贾正春，马志源电力电子学［Ｍ］．：

中国电力，2002

雅轩电力电子技术［Ｍ］．：

中国电力，2004

晓安ＭＣＳ－５１单片机原理与应用［Ｍ］．：

大学，2001

德元由单片机控制的单相ＳＰＷＭ变频器的研究［Ｊ］．微型机与应用，2003