基于單片機(jī)控制的變頻器設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)限制的變頻器設(shè)計(jì)目錄'、前言P3:、本實(shí)驗(yàn)所選取器件及技術(shù)指標(biāo)-P5三、硬件設(shè)計(jì)P5四、AT89C51程序設(shè)計(jì)及仿真P8五、總結(jié)P11六、參考文獻(xiàn)P12一、前言1變頻器原理：變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能限制裝置.我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交一直一交方式VVVF變頻或矢量限制變頻先把工頻交流電源通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電源,然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可限制的交流電源以供應(yīng)電動(dòng)機(jī).變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個(gè)局部組成.整流局部為三相橋式不可控整流器,逆變局部為IGBT三相橋式逆變器,且輸出為PWM波形,中間直流環(huán)

2、節(jié)為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無(wú)功功率.2變頻器開(kāi)展歷程及未來(lái)展望：變頻器及其限制系統(tǒng)的開(kāi)展主要經(jīng)歷三個(gè)階段：第一階段八十年代初日本學(xué)者提出了根本磁通軌跡的電壓空間矢量或稱(chēng)磁通軌跡法.該方法以三相波形的整體生成效果為前提,以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的,一次生成二相調(diào)制波形.這種方法被稱(chēng)為電壓空間矢量限制.典型機(jī)種如1989年前后進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的FUJI富士FRN5OOOG5/P5、SANKEN三墾MF系歹U等.第二階段矢量限制,也稱(chēng)磁場(chǎng)定向限制.它是七十年代初由西德F.Blasschke等人首先提出,以直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)比擬的方法分析闡述了這一原理,由此開(kāi)創(chuàng)了交流電動(dòng)機(jī)等效直流電動(dòng)機(jī)

3、限制的先河.它使人們看到交流電動(dòng)機(jī)盡管限制復(fù)雜,但同樣可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、磁場(chǎng)獨(dú)立限制的在本質(zhì).第三階段1985年德國(guó)魯爾大學(xué)Depenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論DirectTorqueControl簡(jiǎn)稱(chēng)DTC.直接轉(zhuǎn)矩限制與矢量限制不同,它不是通過(guò)限制電流、磁鏈等量來(lái)間接限制轉(zhuǎn)矩,而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來(lái)限制.變頻器的未來(lái)展望：隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及限制技術(shù)的開(kāi)展,變頻器的性能價(jià)格比越來(lái)越高,體積越來(lái)越小,而廠家仍然在不斷地提升可靠性實(shí)現(xiàn)變頻器的進(jìn)一步小型輕量化、高性能化和多功能化以及無(wú)公害化而做著新的努力.具體凸顯出六大開(kāi)展特性：主電路功率開(kāi)關(guān)元件的自關(guān)斷化

4、、模塊化、集成化、智能化,開(kāi)關(guān)頻率不斷提升,開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)一步降低.變頻器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面：實(shí)現(xiàn)變頻器再生能量向電網(wǎng)回饋和節(jié)省能量,網(wǎng)側(cè)變流器應(yīng)為可逆變流器,同時(shí)出現(xiàn)了功率可雙向流動(dòng)的雙PWM變頻器,對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器加以適當(dāng)限制可使輸入電流接近正弦波,減少對(duì)電網(wǎng)的公害.脈寬調(diào)制變壓變頻器的限制方法可以采用正弦波脈寬調(diào)制SPWM限制、消除指定次數(shù)諧波的PWM限制、電流跟蹤限制、電壓空間矢量限制曬鏈跟蹤限制.交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)整限制方法的進(jìn)展主要表達(dá)在由標(biāo)量限制向高動(dòng)態(tài)性能的矢量限制與直接轉(zhuǎn)矩限制開(kāi)展和開(kāi)發(fā)無(wú)速度傳感器的矢量限制和直接轉(zhuǎn)矩限制系統(tǒng)方面.數(shù)字限制成為現(xiàn)代的開(kāi)展方向本次實(shí)驗(yàn)所選器件及其技術(shù)指

5、標(biāo)本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是以AT89C51單片機(jī)為限制中樞,利用EXB841專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)及保護(hù)器件對(duì)功率模塊絕緣柵雙極晶體管IGBT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)與保護(hù)的變頻器.器件及技術(shù)指標(biāo)：4個(gè)小功率IGBT4寸42個(gè)雙單元模塊,電壓等級(jí)：1200V,適用開(kāi)關(guān)頻率：020kHz;電容C其值取3000環(huán)/450V即可作為儲(chǔ)能元件；AT89C51單片機(jī)4KBFLASH,全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz,128*8位部RAM,32可編程I/O線,兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,5個(gè)中斷源；EXB841參數(shù)指標(biāo)輸入電壓20V,可驅(qū)動(dòng)IGBT數(shù)量為2路,可驅(qū)動(dòng)上下橋臂隔離電壓2kV以上,驅(qū)動(dòng)水平：結(jié)電容,1uf工作頻率：100kHz最高；>

6、;硬件設(shè)計(jì)1 .主電路方案主電路采用交-直-交電壓型逆變電路,具有接線簡(jiǎn)單、輸出頻率任意可調(diào)、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn).原理圖如下列圖1所示圖1、主電路整流電路中,V1V4采用普通整流管,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單無(wú)需限制,本錢(qián)低廉.逆變電路由VT1-VT44個(gè)IGBT2個(gè)雙單元模塊組成,便于實(shí)現(xiàn)變壓變頻VVVF限制.電容C其值取3000曠/450V即可作為儲(chǔ)能元件,構(gòu)成電壓型逆變器.與電流型逆變器相比,其中間直流環(huán)節(jié)電壓值不受負(fù)載影響.IGBT模塊的柵極信號(hào)來(lái)自單片機(jī)AT89C51,采用PWM技術(shù),由軟件很容易實(shí)現(xiàn)既變壓又變頻.2 .IGBT的驅(qū)動(dòng)IGBT屬電壓驅(qū)動(dòng)元件,有一個(gè)容性輸入阻抗,因此對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路有較

7、高的要求.a驅(qū)動(dòng)源阻小,柵極電壓UGE有足夠陡的前后沿,使IGBT的開(kāi)關(guān)損耗盡量小.b增力口UGE,IGBT的通態(tài)壓降和開(kāi)關(guān)損耗降低,但對(duì)負(fù)載短路的保護(hù)和平安不利,實(shí)際選取UGE=15Vc關(guān)斷時(shí),應(yīng)使柵極電容迅速放電,給UGE加一負(fù)偏壓,使UGE=-5V.根據(jù)以上要求,采用EXB841厚膜IGBT高速型專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)電路.EXB841的部框圖如下列圖2所示：過(guò)流保護(hù)圖2、EXB841部框圖EXB841的引腳說(shuō)明：P1接IGBT的發(fā)射級(jí)；P2接+20V直流工作電源；P3通過(guò)150Q電阻接IGBT的柵極；P4外接電容,預(yù)防過(guò)流保護(hù)誤動(dòng)作,大多數(shù)情況下可不接；P5為過(guò)流保護(hù)輸出信號(hào),正常時(shí)輸出高電平,當(dāng)I

8、GBT過(guò)流時(shí)輸出低電平,因此該引腳可通過(guò)光電耦合器接外電源；P6通過(guò)快速二極管接IGBT集電極,快速二極管的陽(yáng)極接P6,通過(guò)檢測(cè)UCE的大小判斷是否發(fā)生短路或集電極電流過(guò)大；P7、P8、P10、P11為空端;P9為電源地;P14、P15分別為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入的-、+極,約10mA信號(hào)有效該信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生,由于單片機(jī)在上電復(fù)位后,I/O自動(dòng)輸出高電平,為了預(yù)防上電時(shí)逆變橋同一側(cè)上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通而造成短路,故設(shè)置單片機(jī)I/O口輸出低電平有效,P14接單片機(jī)I/O口,P15接+12V電源EXB841單臂驅(qū)動(dòng)電路圖如下列圖3所示:過(guò)流保護(hù)粕出旦“EA34-10來(lái)自89C51的P國(guó)或PuEXB841+12

9、V0(-3-圖3、EXB841單臂驅(qū)動(dòng)電路聯(lián)接技術(shù)指標(biāo)：a.驅(qū)動(dòng)輸出端與IGBT柵極問(wèn)串聯(lián)電阻RG用于抑制IGBT集電極產(chǎn)生大的電壓尖脈沖和降低開(kāi)關(guān)噪聲,該電阻的取值與IGBT的額定電壓、電流有關(guān),對(duì)于額定電壓為1000V、額定電流為5A的IGBT,取RG=150Q;b.輸入電路光電耦合器原邊接線遠(yuǎn)離輸出電路,以保證有適當(dāng)?shù)慕^緣強(qiáng)度和高噪聲阻抗；c.與IGBT柵射極之間的接線要小于50cm,使用雙絞線.四、AT89C51的程序設(shè)計(jì)及仿真AT89c51的程序?qū)δ孀兤鞯男阅苤笜?biāo)起著決定性的作用.可以充分利用AT89c51單片機(jī)部的軟、硬件資源.根據(jù)交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速特性,采用在額定頻率50Hz以

10、上時(shí)的調(diào)頻不調(diào)壓、在額定頻率以下時(shí)恒壓頻比的調(diào)速方案.1 .程序設(shè)計(jì)算法思路設(shè)變頻器輸出頻率為f,正弦脈寬調(diào)制SPWM的調(diào)制脈沖頻率為512f,根據(jù)采樣限制理論中沖量相等的原那么,第1個(gè)輸出脈沖寬度At1確定如下：/2n/5122 幾fAtU=Umsin仇d<4Jo式中：f為輸出電壓頻率；U為整流器輸出電壓平均值可選為200V;Um為預(yù)期正弦交流輸出電壓峰值可初定為311V.At1作為單片機(jī)定時(shí)器T0的初值,在啟動(dòng)定時(shí)器T0后,使P1.0輸出低電平,驅(qū)動(dòng)EXB841的P14弓I腳.T0溢出后,置位P1.0,同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T1,為輸出第2個(gè)調(diào)制脈沖作準(zhǔn)備.第2個(gè)調(diào)制脈沖寬度At2,可通過(guò)下

11、式計(jì)算確定：4兀/5122冗fAbU=Ulusin3td3t五/512定時(shí)器T1的初值til可由下式確定：tH=141l+J_1At*11512f221512f2同理,每相鄰2個(gè)調(diào)制脈沖之間的時(shí)間都可通過(guò)以上方法計(jì)算得出,預(yù)先存于程序的數(shù)據(jù)表中,當(dāng)前1個(gè)輸出脈沖結(jié)束后,由查表指令取得數(shù)據(jù)賦給定時(shí)器T1,每個(gè)調(diào)制脈沖的寬度At1也可通過(guò)上述方法進(jìn)行計(jì)算存入另一個(gè)數(shù)據(jù)表,由查表指令獲取后賦給定時(shí)器TOo需要注意的是,當(dāng)查T(mén)11、T12、,直到查到T256后,應(yīng)停止P1.0的低電平輸出,保持該引腳為高電平狀態(tài),而后由P1.1輸出驅(qū)動(dòng)另一逆變橋臂在兩橋臂的切換期間,應(yīng)根據(jù)IGBT的關(guān)斷時(shí)間指標(biāo)確定,并

12、加以適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng),以免逆變顛覆.2.程序流程圖：變頻器軟件采用功能模塊的方法.,由主程序、中斷效勞程序、顯示子程序、PI限制子程序和有關(guān)子程序組成.下列圖為主程序流程圖:顯示OFF|顏率品不修譯主程序流程圖下列圖依次為正弦波、方波、三角波的流程圖:3.仿真圖-.-X.-.J3,.J汨.:為會(huì)SB:工r_,!,：工._2-»*-,-''"-"'A'MiO.AlQ<teXt>rF皿8cLATAL1PC1/5E5.AFCZ/TCIKXTAL2KC3JTMSPAJC/APCQPC*TDOPC5/TDIFA'/AHCfP03/TOSC1PA2/A&C2PC7/TOSC2PA3/ADC3PA4/APC4POWRXDPAff/APC$PD1/TKDPAt/AbC6PP2/1NT0fA7/AfrC7PO3/INT1PBC/XCkOTOPB1/T1PfMfOCIBPiwrociAPD6/ICPPDIMT2(AIH0PD7/0C2PB3/O：0MIN1PBi/SSPBf/MDSIPBC/MISOAMCCPB7/SCKAREF貨嚏噎嚏tfw=¥_UaJp至EE打啊1R¥WQ*ut.國(guó)5SPWM波形一段Li六*7P字i力y*jpjS6速波囪得正恢波五、總結(jié)以8051單片機(jī)為限制核心的變頻器,