永磁同步發(fā)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、密級(jí)：公開(kāi) 永磁同步發(fā)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Design of Vector Control System of PMSG學(xué) 院：專(zhuān) 業(yè) 班 級(jí)：學(xué) 號(hào)：學(xué) 生 姓 名：指 導(dǎo) 教 師： （教授） 2012年 6月I 摘 要在永磁同步發(fā)電機(jī)應(yīng)用在發(fā)電系統(tǒng)中，存在著一些問(wèn)題。由于無(wú)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，所以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)存在著不可控性，也就是說(shuō)，永磁同步發(fā)電機(jī)的輸出電流和輸出電壓存在著不可控性。為解決上述問(wèn)題，提出了利用三相橋式有源逆變電路的控制策略，并基于AT89C51單片機(jī)為核心，介紹了三相橋式逆變器的控制單元電路、各種檢測(cè)保護(hù)電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路和軟件控制的設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)過(guò)程，應(yīng)用PWM控制技術(shù)和永磁同

2、步電機(jī)的矢量控制方法，基于三相電壓型逆變電路的工作原理，運(yùn)用PWM技術(shù)使輸出電壓、電流接近正弦波。逆變器采用89C51單片機(jī)及單相PWM集成電路SA4828后，控制電路大為簡(jiǎn)化、器件減少，結(jié)構(gòu)緊湊、降低了成本，提高了可靠性。并通過(guò)編程來(lái)有效的控制永磁同步發(fā)電機(jī)的輸出電壓及輸出電流。通過(guò)調(diào)試運(yùn)行取得了比較理想的結(jié)果。關(guān)鍵字：永磁同步發(fā)電機(jī)；三相橋式逆變電路；PWM；單片機(jī)；矢量控制AbstractThere is still some problem remaining to be solved when permanent magnet synchronous generator applie

3、s in system. Because of No rotor exciter current, rotor field is uncontrollable, which means the output current and voltage of permanent magnet synchronous generator is uncontrollable. In order to solve the aforementioned problem, someone has come up with this device called three-phase bridge which

4、has a function of reverse current, and uses AT89C51 SCM as a core, three-phase bridge type inverter is introduced. Its Control unit circuit, all kinds of test protection circuit, IGBT driver circuit and the design principle and procedure of the software control, which unitizes PMW control technology

5、 and the vector control method of permanent-magnet synchronous motor, based on the working principle of the three phase bridge inverter circuit, applies PMW technology to enable output voltage, make current close to Sine wave. After 89C51 SCM and Single-phase PWM integrated circuit SA4828 of the con

6、verter is applied, the control circuit has been simplified essentially, component has been reduced, the cost is lowered, and more reliability is ensured. What's more, controlled by programming technology has effectively controlled the output voltage and output current of the permanent magnet syn

7、chronous generator. A satisfactory result is obtained by adjusting the setting. Keywords: PMSG; DSP; adaptive control; direct torque controlI 目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 研究背景、目的和意義11.2 課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)21.3 論文的主要研究?jī)?nèi)容51.4 本論文的結(jié)構(gòu)安排5第2章 理論分析和論述62.1 永磁同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型和矢量分析62.2 矢量控制技術(shù)92.3 IGBT的工作原理112.4 三相逆變橋電路及其控制1

8、32.5 PWM控制技術(shù)172.6 89C51單片機(jī)介紹192.7 SA4828芯片介紹23第3章 硬件電路設(shè)計(jì)263.1 永磁同步發(fā)電機(jī)基本控制電路263.2 單片機(jī)外圍電路263.3 檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)28第4章 永磁同步發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)304.1 控制器主程序設(shè)計(jì)314.2 控制系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)32第5章 結(jié)論34參 考 文 獻(xiàn)35致 謝36沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1章 緒論1.1 研究背景、目的和意義工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)和裝備設(shè)計(jì)多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，其中所應(yīng)用的計(jì)算機(jī)相當(dāng)于人的大腦，負(fù)責(zé)對(duì)信息進(jìn)行數(shù)值計(jì)算、邏輯推理、決策判斷，并發(fā)出控制指令。這些控制命令代表著對(duì)自動(dòng)化裝備運(yùn)動(dòng)規(guī)律的希

9、望和要求，然而并不能單靠計(jì)算機(jī)自身去實(shí)現(xiàn)這些命令。雖然計(jì)算機(jī)可以靈活、快速地發(fā)出任何命令，但是，因?yàn)槠涿钭陨硭鶖y帶的能量極為有限，并且沒(méi)有工具區(qū)執(zhí)行“大腦”的一致實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。自動(dòng)化裝備執(zhí)行計(jì)算機(jī)發(fā)出的運(yùn)動(dòng)命令，需要機(jī)電機(jī)構(gòu)來(lái)完成。接收控制命令，對(duì)控制信號(hào)運(yùn)算操作，提高執(zhí)行能力，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行工具運(yùn)動(dòng)，完成特定任務(wù)，這就要用到電氣、氣動(dòng)、液壓、機(jī)械等裝置。接收控制命令，產(chǎn)生動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成特定的運(yùn)動(dòng)，就是伺服系統(tǒng)的任務(wù)。因此可以說(shuō)，伺服驅(qū)動(dòng)裝置是工程自動(dòng)化不可或缺的基本技術(shù)裝備。發(fā)電裝置經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，由于永磁材料的應(yīng)用，高頻大功率開(kāi)關(guān)變流器的發(fā)展，高性能微電子器件的普及，電機(jī)理論的成熟與自動(dòng)

10、控制理論的最新進(jìn)展，傳感器技術(shù)的進(jìn)步，才使得當(dāng)代交流伺服發(fā)電機(jī)和數(shù)字驅(qū)動(dòng)技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，達(dá)到了很高的水平，幾近完美。電動(dòng)伺服技術(shù)因具有一系列優(yōu)點(diǎn)倍受重視永磁伺服發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)更是居先，獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。但時(shí)代在前進(jìn)，技術(shù)在進(jìn)步，要求愈來(lái)愈高，精益求精，永無(wú)止境?，F(xiàn)代交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置也不例外，對(duì)于體積、質(zhì)量、成本與可靠性、靈活性、跟蹤的快速性、精確性和抗擾動(dòng)魯棒性等方面，也愛(ài)不斷追求新的高度和目標(biāo)?！?】永磁發(fā)電機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)： 1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高 永磁式發(fā)電機(jī)省去了勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組、碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，避免了勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組易燒毀、斷線(xiàn)，碳刷、滑環(huán)易磨損等故

11、障，可靠性大為提高。 2、體積小、重量輕、比功率大 永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的采用，使得發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)排列得很緊湊，體積、重量大為減少。永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，還使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減少，實(shí)用轉(zhuǎn)速增加，比功率（即功率、體積之比例）達(dá)到一個(gè)很高的值。 3、中、低速發(fā)電性能好 功率等級(jí)相同的情況下，低速時(shí)，永磁式發(fā)電機(jī)要比勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)的輸出功率高一倍，也就是說(shuō)，永磁式發(fā)電機(jī)是實(shí)際等功率等級(jí)的勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)。 4、能顯著地延長(zhǎng)蓄電池壽命，減少蓄電池維護(hù)工作 主要原因是永磁式發(fā)電機(jī)采用的是開(kāi)關(guān)式的整流穩(wěn)壓方式，穩(wěn)壓精度高，充電效果好。避免了過(guò)電流充電造成的蓄電池壽命縮短。永磁式發(fā)電機(jī)的開(kāi)頭式整流輸出對(duì)蓄電池采用小電流脈

12、沖充電，相同的充電電流充電效果更好，從而延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。 5、效率高 永磁式發(fā)電機(jī)是一種節(jié)能產(chǎn)品。永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)免去了產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)所需的勵(lì)磁功率和碳刷、滑環(huán)之間磨擦的機(jī)械損耗，使得永磁式發(fā)電機(jī)效率大為提高。普通勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)在1500轉(zhuǎn)/分至6000轉(zhuǎn)/分之間的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平均效率只有45%至55%，而永磁式發(fā)電機(jī)則可高達(dá)75%至80%。 1.2 課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)在整個(gè)二十世紀(jì)，大多數(shù)工業(yè)，商業(yè)設(shè)備及家用電器上的傳動(dòng)裝置基本上都設(shè)計(jì)成恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行。對(duì)于很多機(jī)械負(fù)載已證實(shí)，若采用變速傳動(dòng)裝置將改善其性能、生產(chǎn)效率和用電效率。最近一二十年，電氣傳動(dòng)經(jīng)歷了較大的變革，其原因有二：1、由于電力電

13、子開(kāi)關(guān)器件和微處理器控制的發(fā)展，使得變速傳動(dòng)得應(yīng)用成為可能，其成本不斷降低；2、由于對(duì)目前與將來(lái)電能的成本和可利用性的關(guān)心不斷增加，變速傳動(dòng)裝置正日益被用于新系統(tǒng)和現(xiàn)有系統(tǒng)的改造，使系統(tǒng)產(chǎn)品和用電效率兩方面更加優(yōu)化。永磁交流發(fā)電機(jī)為現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提供了一種具有諸多優(yōu)點(diǎn)和適用廣泛 的裝置。采用永久磁鐵產(chǎn)生氣隙磁通而不需要外部勵(lì)磁，這樣就能設(shè)計(jì)出具有極好效率特性的永磁同步電機(jī)，這種高效率的優(yōu)點(diǎn)受到了越來(lái)越多的重視。另一方面，合理的應(yīng)用永久磁鐵可能帶來(lái)的低損耗，可使得電機(jī)設(shè)計(jì)獲得極高的功率密度以及轉(zhuǎn)矩慣量比。這些特性對(duì)哪些要求快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的加速器和伺服系統(tǒng)具有很大的吸引力。永磁同步電機(jī)傳動(dòng)控制的出

14、現(xiàn)是永磁發(fā)電機(jī)發(fā)展過(guò)程中兩種不同開(kāi)發(fā)路線(xiàn) 匯合的結(jié)果。一條路線(xiàn)是早期發(fā)展的可直接起動(dòng)的帶有轉(zhuǎn)子鼠籠繞組的永磁電動(dòng)機(jī)，這種電機(jī)是為直接由公用交流電網(wǎng)供電的方式運(yùn)行設(shè)計(jì)的。這種特殊類(lèi)型的混合式永磁同步電機(jī)的出現(xiàn)可以追溯至50年代，主要應(yīng)用于一些重要的工業(yè)設(shè)備，如紡織生產(chǎn)線(xiàn)，這里需要大量的發(fā)電機(jī)以相同額定速度運(yùn)行。在其后的70年代，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)的直接起動(dòng)型永磁同步發(fā)電機(jī)，采用了鐵氧體和稀土材料，具有很好的效率特性，但其成本高于異步發(fā)電機(jī)而未能廣泛使用。第二條發(fā)展路線(xiàn)的標(biāo)志是永磁直流伺服發(fā)電機(jī)開(kāi)始取代傳統(tǒng)的帶勵(lì)磁繞組的直流發(fā)電機(jī)。這種永磁直流伺服發(fā)電機(jī)在60年代已經(jīng)用于高性能機(jī)床的伺服機(jī)構(gòu)。此時(shí)，高強(qiáng)

15、度稀士永久磁鐵已有效使用。最后在70年代，這兩條路線(xiàn)匯合在一起，產(chǎn)生了無(wú)轉(zhuǎn)子鼠籠的永磁同步電動(dòng)機(jī)，它與調(diào)頻逆變器結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)了高性能的運(yùn)動(dòng)控制。首先開(kāi)發(fā)的是梯形永磁同步發(fā)電機(jī)，這種結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化控制裝置，此后在70年代后期以及80年代，高性能的正弦波永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)始飛速發(fā)展。70年代末以來(lái)，隨著電力電子學(xué)、微電子學(xué)、傳感技術(shù)、永磁技術(shù)和控制理論的驚人發(fā)展，永磁交流伺服的研究和應(yīng)用取得了舉世矚目的發(fā)展，已具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)態(tài)精度、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)及四象限運(yùn)行等良好性能，其動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能已可以和直流伺服系統(tǒng)相媲美。并且隨著永磁材料性能的大幅度提高和價(jià)格的降低，其在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用將越

16、來(lái)越廠(chǎng)泛?？梢灶A(yù)見(jiàn)，交流伺服系統(tǒng)的研究將繼續(xù)成為電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，并帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。永磁電機(jī)的發(fā)展是與永磁材料的發(fā)展密切相關(guān)的。我國(guó)是世界上最早發(fā)現(xiàn)永磁材料的磁特性并把它應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐的國(guó)家。19世紀(jì)20年代出現(xiàn)的世界上第一臺(tái)電機(jī)就是由永磁體產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)的永磁電機(jī)。但當(dāng)時(shí)所用的永磁材料是天然鐵礦石（Fe3O4）,磁能密度很低，用它制成的電機(jī)體積龐大，不久被電勵(lì)磁電機(jī)所取代。20世紀(jì)30年代出現(xiàn)的鋁鎳鈷永磁（最大磁能積可達(dá)85KJm3）和50年代出現(xiàn)的鐵氧體永磁材料（最大磁能積現(xiàn)可達(dá)40 KJm3），磁性能有了很大的提高，各種微型和小型電機(jī)又紛紛使用永磁體勵(lì)磁。這段時(shí)期在永磁

17、電機(jī)設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法、充磁和制造技術(shù)等方面也都取得了突破性發(fā)展，形成了以永磁體工作圖圖解法為代表的一套分析研究方法。永磁同步發(fā)電機(jī)的工作原理與電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)相同，但它以永磁體提供的磁通替代了后者的電勵(lì)磁繞組勵(lì)磁，使電機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，降低了加工和裝配費(fèi)用，且省去了容易出問(wèn)題的集電環(huán)和電刷，提高了發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性；又因無(wú)需勵(lì)磁電流，省去了勵(lì)磁損耗，提高了發(fā)電機(jī)的效率和功率密度。因此永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、損耗小，效率和功率因數(shù)高等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而它是近年來(lái)應(yīng)用非常廣泛，幾乎遍及航空航天、國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。永磁電機(jī)由于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生，制成后難以調(diào)節(jié)磁場(chǎng)來(lái)控

18、制其輸出電壓和功率因數(shù)，同時(shí)永磁材料加工工藝的分散性，永磁材料（特別是鐵氧體永磁和釹鐵硼永磁）的溫度系數(shù)大，導(dǎo)致電機(jī)的輸出電壓分散，偏離額定電壓；采用稀土永磁后，目前價(jià)格昂貴。隨著電力電子器件的性能價(jià)格比不斷提高，目前正逐步采用可控整流器和變頻器來(lái)調(diào)節(jié)電壓，上述缺點(diǎn)可以得到彌補(bǔ)。但是，鋁鎳鈷永磁的矯頑力偏低（36160KAm），鐵氧體永磁的剩磁密度不高（0.20.44T），限制了它們?cè)陔姍C(jī)中的應(yīng)用范圍。一直到上世紀(jì)60年代和80年代，稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁（二者統(tǒng)稱(chēng)稀土永磁）相繼問(wèn)世，它們的高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線(xiàn)性的退磁曲線(xiàn)的優(yōu)異性能特別適合制造電機(jī)，從而使永磁電機(jī)的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新

19、的歷史時(shí)期。稀土永磁材料的發(fā)展大致可以分為三個(gè)階段。1967年美國(guó)KJStrnat教授發(fā)現(xiàn)的釤鈷永磁為第一代稀土永磁，其化學(xué)式可以表示成RCO5（其中R代表釤、鐠等稀土元素），產(chǎn)品最大的磁能積現(xiàn)已超過(guò)199KJm3。1973年又出現(xiàn)了磁性性能更好的第二代稀土永磁，其化學(xué)式為R2CO7.產(chǎn)品的最大磁能積現(xiàn)已達(dá)258.6KJm3。1983年日本住友特殊金屬公司和美國(guó)通用汽車(chē)公司各自研制成功釹鐵硼（NdFeB）永磁，在實(shí)驗(yàn)室中的最大磁能積現(xiàn)高達(dá)431.3KJm3，商品生產(chǎn)現(xiàn)已達(dá)397.9 KJm3，稱(chēng)為第三代稀土永磁。由于釹鐵硼永磁的磁性能高于其他永磁材料，價(jià)格又低于稀土鈷永磁材料，在稀土礦中釹的含

20、量是釤的十幾倍，而且不含戰(zhàn)略物資鈷，因而引起了國(guó)內(nèi)外磁學(xué)界的和電機(jī)界的極大關(guān)注，紛紛投入大量的人力物力進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。目前正在研究新的更高性能的永磁材料，如釤鐵氮永磁、納米復(fù)合稀土永磁等，希望能有更大的突破。永磁同步發(fā)電機(jī)的工作原理與電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)相同，但它以永磁體提供的磁通替代了后者的電勵(lì)磁繞組勵(lì)磁，使電機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，降低了加工和裝配費(fèi)用，且省去了容易出問(wèn)題的集電環(huán)和電刷，提高了發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性；又因無(wú)需勵(lì)磁電流，省去了勵(lì)磁損耗，提高了發(fā)電機(jī)的效率和功率密度。因此永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、損耗小，效率和功率因數(shù)高等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而它是近年來(lái)應(yīng)用非常廣泛，幾乎遍及航空航天、國(guó)防、

21、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。永磁電機(jī)由于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生，制成后難以調(diào)節(jié)磁場(chǎng)來(lái)控制其輸出電壓和功率因數(shù)，同時(shí)永磁材料加工工藝的分散性，永磁材料的（特便是鐵氧體永磁和釹鐵硼永磁）的溫度系數(shù)大，導(dǎo)致電機(jī)的輸出電壓分散，偏離額定電壓；采用稀土永磁后，目前價(jià)格昂貴。隨著電力電子器件的性能價(jià)格比不斷提高，目前正逐步采用可控整流器和變頻器來(lái)調(diào)節(jié)電壓，上述缺點(diǎn)可以得到彌補(bǔ)?！?】1.3 論文的主要研究?jī)?nèi)容本課題研究了永磁同步發(fā)電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，首先對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、工作原理、各矢量關(guān)系及磁場(chǎng)分布進(jìn)行研究，由于永磁同步發(fā)電機(jī)與電勵(lì)磁電機(jī)氣隙的不同，永磁同步發(fā)電機(jī)的定子磁勢(shì)可以忽略不計(jì)。

22、其次，對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)的控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用三相逆變橋式電路進(jìn)行控制，通過(guò)控制IGBT的通斷，來(lái)控制輸出PWM波形，等效為正弦波，給永磁同步發(fā)電機(jī)施加反向電壓，來(lái)控制永磁同步發(fā)電機(jī)的輸出電壓的幅值。然后，利用單片機(jī)來(lái)通過(guò)控制IGBT的通斷用以控制輸出的PWM波形，以便控制永磁同步發(fā)電機(jī)的輸出電壓波形，作出單片機(jī)的硬件接線(xiàn)圖。最后，對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，畫(huà)出流程圖。1.4 本論文的結(jié)構(gòu)安排1、對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)的矢量控制所應(yīng)用的到的理論基礎(chǔ)進(jìn)行分析和介紹2、對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)的控制電路進(jìn)行介紹3、介紹單片機(jī)的硬件接線(xiàn)圖4、畫(huà)出控制單片機(jī)的軟件流程圖第2章 理論分析和論述2.1 永磁同步發(fā)電機(jī)數(shù)

23、學(xué)模型和矢量分析永磁發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的最大區(qū)別在于它的勵(lì)磁磁場(chǎng)是由永磁體產(chǎn)生的。永磁體在電機(jī)中既是磁源，又是磁路的組成部分。永磁體的磁性能不僅與生產(chǎn)廠(chǎng)的制造工藝有關(guān)，還與永磁體的形狀和尺寸、充磁機(jī)的容量和充磁方法有關(guān)，具體性能數(shù)據(jù)的離散性很大。而且永磁體在電機(jī)中所能提供的磁通量和磁動(dòng)勢(shì)還隨磁路其余部分的材料性能、尺寸和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)而變化。此外，永磁發(fā)電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)多種多樣，漏磁路十分復(fù)雜而且漏磁通占的比例較大，鐵磁材料部分又比較容易飽和，磁導(dǎo)是非線(xiàn)性的。這些都增加了永磁發(fā)電機(jī)電磁計(jì)算的復(fù)雜性，使計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度低于電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。因此，必須建立新的設(shè)計(jì)概念，重新分析和改進(jìn)磁路結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)；必

24、須應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，研究新的分析計(jì)算方法，以提高設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確度；必須研究采用先進(jìn)的測(cè)試方法和制造工藝。永磁同步發(fā)電機(jī)的基本原理與電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)一樣。從結(jié)構(gòu)上電機(jī)分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分，轉(zhuǎn)子上由永磁體材料產(chǎn)生恒定的機(jī)械旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。機(jī)械旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，其以同步轉(zhuǎn)速切割定子三相對(duì)稱(chēng)繞組，在定子繞組中感應(yīng)出三相對(duì)稱(chēng)電勢(shì)。當(dāng)定子三相繞組帶三相對(duì)稱(chēng)負(fù)載時(shí)感生出三相對(duì)稱(chēng)電流，此時(shí)發(fā)電機(jī)就能實(shí)現(xiàn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的目的。永磁發(fā)電機(jī)制成后不需外界能量即可維持其磁場(chǎng)，但也造成從外部調(diào)節(jié)、控制其磁場(chǎng)極為困難。這些使永磁發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍受到了限制。但是，隨著MOSFET、IGBT等電力電子器件的

25、控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，永磁發(fā)電機(jī)在應(yīng)用中無(wú)需磁場(chǎng)控制而只進(jìn)行電機(jī)輸出控制。設(shè)計(jì)時(shí)需要釹鐵硼材料，電力電子器件和微機(jī)控制三項(xiàng)新技術(shù)結(jié)合起來(lái)，使永磁發(fā)電機(jī)在嶄新的工況下運(yùn)行。 首先對(duì)于永磁同步發(fā)電機(jī)本身來(lái)說(shuō)，通過(guò)空間矢量坐標(biāo)變化，建立永磁同步發(fā)電機(jī)d-q軸數(shù)學(xué)模型。在建立數(shù)學(xué)模型之前，先做了如下的假設(shè)：忽略定、轉(zhuǎn)子鐵心的磁阻，不考慮渦流與磁滯損耗；永磁材料的電導(dǎo)率為零，永磁體內(nèi)部的磁導(dǎo)率與空氣相同；永磁體產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)和三相繞組產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁場(chǎng)在氣隙中均為正弦分布；穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形為正弦波?！?】磁鏈方程： （2-1） （2-2） （2-3）電磁轉(zhuǎn)矩方程： （2-4）通常把激磁電

26、動(dòng)勢(shì)與電樞電流的時(shí)間相位差稱(chēng)為內(nèi)功率因數(shù)角，并用0表示，它與電機(jī)的內(nèi)阻抗和負(fù)載性質(zhì)有關(guān)。取主極軸線(xiàn)超前于A相軸線(xiàn)90°的時(shí)刻來(lái)分析永磁同步發(fā)電機(jī)的矢量，如圖2-1所示 圖2-1 永磁同步發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子瞬間位置習(xí)慣上把轉(zhuǎn)子柱磁極的軸線(xiàn)稱(chēng)為直軸，用d軸表示，把與直軸正交的軸線(xiàn)稱(chēng)為交軸，用q軸表示。在圖2.1瞬間，A相繞組交鏈的主磁通0A為零，但A相繞組切割的主極磁力線(xiàn)最多，因此A相感應(yīng)的激磁電動(dòng)勢(shì)0A達(dá)到最大值，此時(shí)0A與時(shí)軸重合，0A超前0A 90°：一般情況下，電樞電流A滯后0A一個(gè)銳角，即0°<0<90°。若把A相相軸與時(shí)軸取為重合。由于永磁

27、同步發(fā)電機(jī)的電樞磁通勢(shì)可以忽略不計(jì)，可得定子電壓方程為 (2-5)整理得， (2-6) 在時(shí)間相位上，滯后 90°，所以-超前 90°?？僧?huà)出永磁同步發(fā)電機(jī)與控制系統(tǒng)的矢量圖如圖2-2所示：圖2-2 永磁同步發(fā)電機(jī)矢量圖其中是永磁同步發(fā)電機(jī)基波主磁通，同步發(fā)電機(jī)的同步電抗；功率角，內(nèi)功率角，功率因數(shù)。為發(fā)電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)，公式為 （2-7）式中：N電樞繞組的每一相串聯(lián)匝數(shù)，繞組因數(shù)；氣隙磁通的波形系數(shù)，每極空載氣隙磁通（Wb）。保持系統(tǒng)最優(yōu)發(fā)電狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速，提高發(fā)電系統(tǒng)的工作效率，發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩必須要可以進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，使其具備良好的機(jī)械特性，電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠快速得到響應(yīng)。當(dāng)系統(tǒng)

28、采用控制的永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式由公式2-3變?yōu)?（2-8）因?yàn)閷?duì)于永磁同步發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)基波磁通的磁鏈為定值，當(dāng)控制PMSG功率因數(shù)為常數(shù)時(shí)，在軸系下發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩只隨著定子電流的轉(zhuǎn)矩電流分量成線(xiàn)性關(guān)系。故此，可以通過(guò)控制達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的目的?！?】2.2 矢量控制技術(shù)1971年，德國(guó)學(xué)者Blaschke和Hasse提出了交流電動(dòng)機(jī)的矢量控制理論，它是電動(dòng)機(jī)控制理論的第一次質(zhì)的飛躍，解決了交流電機(jī)的調(diào)速問(wèn)題，使得交流電機(jī)的控制跟直流電機(jī)控制一樣的方便可行，并且可以獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的動(dòng)態(tài)功能。其基本思想是在普通的三相交流電動(dòng)機(jī)上設(shè)法模擬直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，在磁場(chǎng)定

29、向坐標(biāo)上，將電流矢量分解成為產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使得兩個(gè)分量互相垂直，彼此獨(dú)立，然后分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。交流電機(jī)的矢量控制使轉(zhuǎn)矩和磁通的控制實(shí)現(xiàn)解耦。所謂解耦指的是控制轉(zhuǎn)矩時(shí)不影響磁通的大小，控制磁通時(shí)不影響轉(zhuǎn)矩。這樣交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，從原理和特性上就和直流電動(dòng)機(jī)相似了。因此矢量控制的關(guān)鍵仍是對(duì)電流矢量的幅值和空間位置(頻率和相位)的控制。矢量控制是通過(guò)對(duì)兩個(gè)電流分量的分別控制實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)電機(jī)方程所確定的電磁關(guān)系，一定的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)于一定的id和iq，通過(guò)對(duì)這兩個(gè)電流的控制，跟蹤相應(yīng)的給定值，便實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制。而且由于位于d、q軸的電流分量相互正交，

30、使對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制和對(duì)磁場(chǎng)的控制實(shí)現(xiàn)了解耦，因此便于實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)的控制策略。對(duì)于永磁同步發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁通位置與轉(zhuǎn)子機(jī)械位置相同，這樣通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子實(shí)際位置就可以得知電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈位置，從而使永磁同步電機(jī)的矢量控制比起異步電機(jī)的矢量控制大大簡(jiǎn)化。因此，需要借助于坐標(biāo)變換，使得各個(gè)物理量從靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，然后，站在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上進(jìn)行觀察，發(fā)電機(jī)的各個(gè)空間矢量都變成了靜止矢量，在同步坐標(biāo)系上的各個(gè)空間矢量就都變成了直流量，可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式的幾種形式，找到轉(zhuǎn)矩和被控矢量的各個(gè)分量之間的關(guān)系，實(shí)時(shí)的計(jì)算出轉(zhuǎn)矩控制所需要的被控矢量的各個(gè)分量值，即直流給定量。由于這些直流給定量在物理上是不存在的，

31、是虛構(gòu)的，因此，還必須再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)的逆變換過(guò)程，從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系回到靜止坐標(biāo)系，把上述的直流給定量變換成實(shí)際的交流給定量，在三相定子坐標(biāo)系上對(duì)交流量進(jìn)行控制，使其實(shí)際值等于給定值。5矢量控制技術(shù)運(yùn)用到以下三種坐標(biāo)系：1)三相定子坐標(biāo)系(U.V.W坐標(biāo)系)其中三相交流電機(jī)繞組軸線(xiàn)分別為U、V、W，彼此之間互差120度空間電角度，構(gòu)成了一個(gè)UVW三相坐標(biāo)系?？臻g任意一矢量在三個(gè)坐標(biāo)上的投影代表了該矢量在三個(gè)繞組上的分量。2)兩相定子坐標(biāo)系(坐標(biāo)系)兩相對(duì)稱(chēng)繞組通以?xún)上鄬?duì)稱(chēng)電流也能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。對(duì)于空間的任意一矢量，數(shù)學(xué)描述時(shí)習(xí)慣采用兩相直角坐標(biāo)系來(lái)描述，所以定義一個(gè)兩相靜止坐標(biāo)系，即坐標(biāo)系，它的軸和三相

32、定子坐標(biāo)系的A軸重合，軸逆時(shí)針超前軸90度空間電角度。由于軸固定在定子A相繞組軸線(xiàn)上，所以坐標(biāo)系也是靜止坐標(biāo)系。3)轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系(dq坐標(biāo)系)轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系d軸位于轉(zhuǎn)子磁鏈軸線(xiàn)上，q軸逆時(shí)針超前d軸90度空間電角度，該坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)子一起在空間上以轉(zhuǎn)子角速度旋轉(zhuǎn)，故為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)，d軸是轉(zhuǎn)子磁極的軸線(xiàn)。矢量控制亦稱(chēng)磁場(chǎng)定向控制,其基本思路是:通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)模擬直流電機(jī)的控制方法來(lái)對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制,。矢量控制中用到的變換有:將三相平面坐標(biāo)系向兩相平面直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換(Clarke變換)和將兩相靜止直角坐標(biāo)系向兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系的變換(Park變換)。其實(shí)現(xiàn)步驟如下：1、根據(jù)磁勢(shì)和功率

33、不變的原則通過(guò)正交變換,將三相靜止坐標(biāo)變換成二相靜止坐標(biāo)，也就是Clarke變換，將三相的電流先轉(zhuǎn)變到靜止坐標(biāo)系，再通過(guò)旋轉(zhuǎn)變換將二相靜止坐標(biāo)變成二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，也就是 Park 變換，Park 變換中定子電流矢量被分解成按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的 2 個(gè)直流分量 id、iq(其中 id 為勵(lì)磁電流分量,iq為轉(zhuǎn)矩電流分量)。2、通過(guò)控制器對(duì)其速度電流環(huán)進(jìn)行控制,控制 id 就相當(dāng)于控制磁通,而控制 iq 就相當(dāng)于控制轉(zhuǎn)矩。Iq 調(diào)節(jié)參考量是由速度控制器給出，經(jīng)過(guò)電流環(huán)調(diào)節(jié)后得出其 d，q 軸上的電壓分量即 ud 和 uq。.3、控制量 ud 和 uq 通過(guò) Park 逆變換。4、根據(jù)SVPWM 空間矢量

34、合成方法實(shí)現(xiàn)矢量控制量輸出，達(dá)到矢量控制的目的?！?】2.3 IGBT的工作原理絕緣柵雙極晶體管簡(jiǎn)稱(chēng)IGBT，是由MOSFET和晶體管技術(shù)結(jié)合而成的復(fù)合型器件，是80年代出現(xiàn)的新型復(fù)合器件，在電機(jī)控制、中頻和開(kāi)關(guān)電源，以及要求快速、低損耗的領(lǐng)域備受青睞。IGBT是在功率MOSFET的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，兩者結(jié)構(gòu)十分相似，IGBT是三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。不同之處是IGBT多了一個(gè)P+層發(fā)射極，可形成PN發(fā)射結(jié)J1，并由此引出漏極；門(mén)極和源極與MOSFET相似。IGBT 按緩沖區(qū)的有無(wú)來(lái)分類(lèi)，緩沖區(qū)是介于P發(fā)射區(qū)和N漂移區(qū)之間的N層。無(wú)緩沖區(qū)N者稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)型IGBT，也稱(chēng)為非穿痛型

35、IGBT；有N緩沖區(qū)者稱(chēng)為非對(duì)稱(chēng)型IGBT，也稱(chēng)為穿通型IGBT。因?yàn)闃?gòu)造不同造成其特性的不同，非對(duì)稱(chēng)型IGBT由于存在N區(qū)，反向阻斷能力弱，但其正向壓降低、關(guān)斷時(shí)間短、關(guān)斷時(shí)尾部電流小。與之相反，對(duì)稱(chēng)型IGBT具有正反向阻斷能力，其他特性不及非對(duì)稱(chēng)型IGBT。IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)GTR，其等效電路如圖2-3a所示，N溝道IGBT圖形符號(hào)如圖2-3b所示。對(duì)于P溝道IGBT，其圖形符號(hào)中的箭頭方向恰好相反。圖中的電阻是厚基區(qū)GTR基區(qū)內(nèi)的擴(kuò)展電阻。IGBT是以GTR為主導(dǎo)元件，MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件的達(dá)淋頓結(jié)構(gòu)。圖示器件為N溝道IGBT，MOSFET為N 溝道型，GTR

36、為PNP型。 a) 等效電路 b) 圖形符號(hào)圖2-3 IGBT的簡(jiǎn)化等效電路與IGBT的圖形符號(hào) IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷是由門(mén)極電壓來(lái)控制的。門(mén)極施以正電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并以PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通。在門(mén)極上施以負(fù)電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即為關(guān)斷。當(dāng)VCE為負(fù)時(shí)，J3結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，類(lèi)似于反偏二極管，器件呈反向阻斷狀態(tài)。當(dāng)VCE為正時(shí)，有兩種可能：1、若門(mén)極電壓小于開(kāi)啟電壓，即VGVT，則溝道不能形成，器件呈反向阻斷狀態(tài)；2、若門(mén)極電壓大于開(kāi)啟電壓，即VGVT，絕緣門(mén)極下面的溝道形成，N+區(qū)的電子通過(guò)溝道進(jìn)入N

37、漂移區(qū)，漂移到J3結(jié)，此時(shí)J3結(jié)是正向偏置，也向N區(qū)注入空穴，從而在N區(qū)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制，使器件正向?qū)?。在器件?dǎo)通之后，若將門(mén)極電壓突然減至零，則溝道消失，通過(guò)溝道的電子電流為零，使漏極電流有所突減，但由于N區(qū)注入了大量的電子、空穴對(duì)，因而使漏極電流不會(huì)馬上為零，因而出現(xiàn)一個(gè)拖尾時(shí)間。除上述IGBT的正常工作情況外，從結(jié)構(gòu)圖中可以看出，由于IGBT結(jié)構(gòu)中寄生著PNPN四層結(jié)構(gòu)，存在著由于再生作用而將導(dǎo)通狀態(tài)鎖定起來(lái)的可能性，從而導(dǎo)致漏極電流失控，進(jìn)而引起器件產(chǎn)生破壞性失效。IGBT的鎖定現(xiàn)象分為靜態(tài)鎖定、動(dòng)態(tài)鎖定和柵分布鎖定。靜態(tài)鎖定就是IGBT在穩(wěn)態(tài)電流導(dǎo)通時(shí)出現(xiàn)的鎖定，此時(shí)漏極電壓低，鎖定發(fā)

38、生在穩(wěn)態(tài)電流密度超過(guò)某一數(shù)值的時(shí)候。動(dòng)態(tài)鎖定發(fā)生在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，在大電流、高電壓的情況下，以及由于過(guò)大的dvdt引起的位移電流造成的。柵分布鎖定是由于絕緣柵的電容效應(yīng)，造成在開(kāi)關(guān)過(guò)程中個(gè)別先開(kāi)通或后關(guān)斷的IGBT之中的電流密度過(guò)大而形成局部鎖定。應(yīng)當(dāng)采取各種工藝措施提高IGBT的鎖定電流，克服由于鎖定而產(chǎn)生失效?！?】IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：1、IGBT開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。有關(guān)資料表明，在電壓為1000V以上時(shí)，IGBT的開(kāi)關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當(dāng)；2、在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力；3、IG

39、BT的同臺(tái)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域；4、IGBT的輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類(lèi)似；5、與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和同流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)可保持開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn)。根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗可以確定IGBT在導(dǎo)通工作狀態(tài)的參數(shù)極限范圍，即正向偏置安全工作區(qū)；根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCEdt，可以確定IGBT在阻斷工作狀態(tài)下的參數(shù)極限范圍，即反向偏置安全工作區(qū)?！?】2.4 三相逆變橋電路及其控制與整流相對(duì)應(yīng)，把直流電變成交流電稱(chēng)為逆變。當(dāng)交流側(cè)接在電網(wǎng)上，即交流側(cè)接有電源

40、時(shí)，稱(chēng)為有源逆變；當(dāng)交流側(cè)直接和負(fù)載連接時(shí)，稱(chēng)為無(wú)源逆變。逆變電路的應(yīng)用非常廣泛。在已有的各種電源中，蓄電池、干電池、太陽(yáng)能電池等都是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時(shí)，就需要逆變電路。另外，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置使用非常廣泛，其電路的核心部分都是逆變電路。當(dāng)然，逆變電路也可以通過(guò)其輸出的電壓來(lái)改變發(fā)電機(jī)輸出的電壓的波形。用三個(gè)單相逆變電路可以組成一個(gè)三相逆變電路。但在三相逆變電路中，應(yīng)用最廣的還是三相橋式逆變電路。采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件的三相電壓型橋式逆變電路如圖2-4所示。圖2-4 三相電壓型橋式逆變電路9電壓型逆變電路有以下主要特點(diǎn)：1、直

41、流側(cè)位電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗；2、由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)。而交流側(cè)輸出的電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況不同而不同；3、當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無(wú)功功率，直流側(cè)電容起緩沖無(wú)功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。10圖2-4電路的直流側(cè)通常只有一個(gè)電容器就可以了，但為了分析方便，畫(huà)作串聯(lián)的兩個(gè)電容器并標(biāo)出假想終點(diǎn)N。三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式也是180°到點(diǎn)方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為180°，同一相（即同一半

42、橋）上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電，各相開(kāi)始導(dǎo)電的角度一次相差120°。這樣，在任一瞬間，將有三個(gè)橋臂同事導(dǎo)通?？赡苁巧厦嬉粋€(gè)臂下面兩個(gè)臂，也可能是上面兩個(gè)臂下面一個(gè)臂同時(shí)導(dǎo)通。下面來(lái)分析三相電壓型橋式逆變電路的工作波形。對(duì)于U相來(lái)說(shuō)，當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時(shí)，uUN=Ud/2,當(dāng)橋臂3導(dǎo)通時(shí)，uUN= Ud/2。因此，uUN的波形是幅值為Ud/2的矩形波。V、W兩項(xiàng)的情況和U相類(lèi)似，uVN 、uWN的波形形狀和uUN相同，只是相位依次差120°。uUN 、uVN 、uWN的波形如圖2.5a、b、c所示。所以負(fù)載線(xiàn)電壓、為 （2-9）負(fù)載相電壓、為 （2-10）負(fù)載中點(diǎn)和電源中點(diǎn)間電壓為 （2-

43、11）負(fù)載三相對(duì)稱(chēng)時(shí)有 （2-12）于是 （2-13）所以也是矩形波，其頻率為的3倍，幅值為其1/3，即Ud/6。三相逆變輸出的電壓與電流分析類(lèi)似，負(fù)載參數(shù)已知，以U相為例，負(fù)載的阻抗角不一樣，的波形形狀和相位都有所不同，在阻感負(fù)載下時(shí)，從通態(tài)轉(zhuǎn)換到斷態(tài)時(shí)，因負(fù)載電感中電流不能突變，先導(dǎo)通續(xù)流，待負(fù)載電流降為零，才開(kāi)始導(dǎo)通。負(fù)載阻抗角越大，導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)。在時(shí)，時(shí)為導(dǎo)通，時(shí)為導(dǎo)通；在時(shí)，時(shí)導(dǎo)通，時(shí)為導(dǎo)通。、的波形與形狀相同，相位一次相差。將三個(gè)橋臂電流相加可得到直流側(cè)電流?！?1】圖2-5 三相電壓型橋式逆變電路的工作波形2.5 PWM控制技術(shù)PWM控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過(guò)對(duì)一

44、系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，對(duì)逆變電路的影響也最為深刻?，F(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中，絕大部分都是PWM型逆變電路?？梢哉f(shuō)PWM控制技術(shù)正是有賴(lài)于在逆變電路中的應(yīng)用，才發(fā)展的比較成熟，從而確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。近年來(lái)，PWM技術(shù)在整流電路中也開(kāi)始應(yīng)用，并顯示了突出的優(yōu)越性。在采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加載具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即窄脈沖的面積。這里所說(shuō)的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出相應(yīng)波形基本相同。其中，脈沖的寬度按爭(zhēng)先規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱(chēng)

45、SPWM波形。要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只要按照同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可。PWM波形可分為等幅PWM波和不等幅PWM波兩種。由直流電源產(chǎn)生的PWM波通常是等幅PWM波，由于直流電源電壓幅值基本恒定，因此PWM波是等幅的。不管是等幅PWM波還是不等幅PWM波，都是基于面積等效原理來(lái)進(jìn)行控制的，因此其本質(zhì)是相同的。本文用調(diào)制法對(duì)PWM逆變電路進(jìn)行控制。所謂調(diào)制法，就是把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波。因?yàn)榈妊遣ㄉ先我稽c(diǎn)的水平寬度和高度成線(xiàn)性關(guān)系且左右對(duì)稱(chēng)，當(dāng)它與任何一個(gè)平緩變化的調(diào)制波相交時(shí)，

46、如果在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以得到寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，這正好符合PWM控制的要求。在調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形，這種情況應(yīng)用最廣。當(dāng)調(diào)制信號(hào)不是正弦波，而是其他所需要的波形時(shí)，也能得到與之等效的PWM波。圖2-6是三相橋式PWM逆變電路，這種電路都是采用雙極性控制方式。圖2-6 三相橋式PWM逆變電路三相PWM控制公用uc，三相的調(diào)制信號(hào)urU、urV和urW依次相差120°。U相的控制規(guī)律：當(dāng)urU>uc時(shí)，給V1導(dǎo)通信號(hào)，給V4關(guān)斷信號(hào)，uUN´=Ud/2，當(dāng)urU<uc時(shí)，給V4導(dǎo)通信號(hào)，給V1關(guān)斷信號(hào)，u

47、UN´=-Ud/2；V1 和V4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)始終是互補(bǔ)的。當(dāng)給V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是二極管VD1(VD4)續(xù)流導(dǎo)通。V相及W相的控制方式都和U相相同。uUN´、uVN´和uWN´的PWM波形只有±Ud/2兩種電平，uUV波形可由uUN´-uVN´得出，當(dāng)1和6通時(shí)，uUV=Ud，當(dāng)3和4通時(shí)，uUV=Ud，當(dāng)1和3或4和6通時(shí)，uUV=0。輸出線(xiàn)電壓PWM波由±Ud和0三種電平構(gòu)成，負(fù)載相電壓PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5種電平組成。電路的

48、波形如圖2.7所示。【12】圖2-7 三相橋式PWM逆變電路波形2.6 89C51單片機(jī)介紹單片機(jī)全稱(chēng)單片微型計(jì)算機(jī)，又稱(chēng)MCU，是將計(jì)算機(jī)的基本部分微型化，使之集成在一塊芯片上的危機(jī)。片內(nèi)含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、A/D、D/A、中斷控制、系統(tǒng)時(shí)鐘及系統(tǒng)總線(xiàn)等，它本身就是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，同時(shí)也是其他嵌入式系統(tǒng)的核心。運(yùn)算器的功能是進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算。它可以對(duì)半字節(jié)、單字節(jié)等數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。例如，能完成加、減、乘、除、加1、BCD碼十進(jìn)制調(diào)整、比較等運(yùn)算，完成與、或、異或、求反、循環(huán)等邏輯操作，操作結(jié)果的狀態(tài)信息送至狀態(tài)寄存器。運(yùn)算器還包括一個(gè)布爾處理器，用來(lái)處理位操

49、作。它以近衛(wèi)標(biāo)志位C為累加器，可執(zhí)行置位、復(fù)位、取反、位判斷轉(zhuǎn)移，可在進(jìn)位標(biāo)志位與其他可位尋址的位之間進(jìn)行位數(shù)據(jù)傳送等操作，還可以完成進(jìn)位標(biāo)志與其他可尋址的位之間進(jìn)行邏輯與或操作。程序計(jì)數(shù)器PC是一個(gè)自動(dòng)加1的16位寄存器，用來(lái)存放即將要取出的指令碼的地址，可對(duì)64KB程序存儲(chǔ)器直接尋址。取指令碼時(shí)，PC內(nèi)容的低8位經(jīng)P0口輸出，高8位經(jīng)P2口輸出。取指令碼后，PC寄存器的內(nèi)容自動(dòng)加1，指向下一指令碼地址。指令寄存器用于存放指令代碼。CPU執(zhí)行指令時(shí)，由程序存儲(chǔ)器中讀取的指令代碼送入指令寄存器，經(jīng)指令譯碼器譯碼后由定時(shí)與控制電路發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，完成指令功能。存儲(chǔ)器用于存放程序和數(shù)據(jù)，半導(dǎo)體

50、存儲(chǔ)器由一個(gè)個(gè)存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)單元有個(gè)編號(hào)（稱(chēng)為地址），一個(gè)單元存放一個(gè)8位的二進(jìn)制數(shù)（即一個(gè)字節(jié)）；當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)多于8位時(shí)，就需要多個(gè)單元存放。ROM用來(lái)存放程序、表格和始終要保留的常數(shù)，單片機(jī)中稱(chēng)其為程序存儲(chǔ)器；RAM通常用來(lái)存放程序運(yùn)行中所需要的數(shù)據(jù)（常數(shù)和變量）或運(yùn)算的結(jié)果，單片機(jī)中稱(chēng)其為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。單片機(jī)的尋址方式分為立即尋址、直接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、變址尋址、相對(duì)尋址和位尋址。本文重點(diǎn)介紹89C51單片機(jī)，89C51單片機(jī)引腳圖如圖2-8所示。 圖2-8 89C51單片機(jī)引腳圖各管腳作用如下：VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個(gè)8位漏極開(kāi)路雙向I/

51、O口，每腳可接收8個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/ 地址的第八位。在FLASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FLASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)T

52、TL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流

53、，這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： P3.0/XD：串行輸入口P3.1/XD：串行輸出口 P3.2/：外部中斷0 P3.3/：外部中斷1 P3.4/ T0：記時(shí)器0外部輸入 P3.5/T1：記時(shí)器1外部輸入 P3.6/：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通 P3.7/：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/:當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻

54、率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。 ：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取址期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。但在訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)。 /VPP：當(dāng)保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程

55、序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出?！?3】AT89C51的編程方法如下：1、在地址線(xiàn)上加上要編程單元的地址信號(hào)； 2、在數(shù)據(jù)線(xiàn)上加上要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)字節(jié)；3、激活相應(yīng)的控制信號(hào)；4、在高電壓編程方式時(shí)，將EA/Vpp 端加上+12V 編程電壓；5、每對(duì)Flash 存儲(chǔ)陣列寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)或每寫(xiě)入一個(gè)程序加密位，加上一個(gè)ALE/PROG 編程脈沖。每個(gè)字節(jié)寫(xiě)入周期是自身定時(shí)的，通常約為1.5ms。重復(fù)15 步驟，改變編程單元的地址和寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，直到全部文件編程結(jié)束。14

56、2.7 SA4828芯片介紹逆變器中開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)時(shí)間要由調(diào)制波與載波的交點(diǎn)來(lái)確定。在調(diào)制波的頻率、幅值和載波的頻率這三個(gè)參數(shù)中，不論哪一個(gè)發(fā)生變化，都將使得載波與調(diào)制波的交點(diǎn)發(fā)生變化。因此，在每一次變頻調(diào)整時(shí)，都要重新計(jì)算交點(diǎn)的坐標(biāo)。這是一組超越方程，單片機(jī)的計(jì)算能力和速度顯然難以勝任。過(guò)去最常用的辦法是，把各種頻率和電壓對(duì)應(yīng)的交點(diǎn)坐標(biāo)事先計(jì)算好，用表格的形式存放起來(lái)，使用時(shí)通過(guò)查表來(lái)調(diào)用。這樣將占用大量的存儲(chǔ)器和CPU的資源，使其無(wú)法發(fā)揮更好的作用。近年來(lái)一些廠(chǎng)家研制出了專(zhuān)門(mén)用于生成三相SPWM波控制信號(hào)的大規(guī)模集成電路芯片，如SA4828等。采用這樣的集成電路芯片，可以大大地減輕CPU的負(fù)擔(dān)，僅當(dāng)需要改變頻率和電壓時(shí)，單片機(jī)才去干預(yù)SA4828，使控制系統(tǒng)可以空出更多的時(shí)間用于檢測(cè)和監(jiān)控。SA4828是由英國(guó)MITEL公司推出的一種三相脈寬調(diào)制波發(fā)生器，它采用不對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣SPWM算法，通過(guò)存儲(chǔ)在片內(nèi)ROM中的調(diào)制波與片內(nèi)產(chǎn)生的