調(diào)制式功率變換器的微機控制

1、?電氣傳動計算機控制?第四章 調(diào)制式功率變換器的微機控制4.1 調(diào)制式功率變換器的微機控制直流PWM變換器的原理型可逆PWM變換器的微機控制的基極驅動功放電路4.2 脈幅調(diào)制變頻器的微機控制4.3 脈寬調(diào)制變頻器的微機控制中值規(guī)那么采樣SPWM控制法 第四章 調(diào)制式功率變換器的微機控制4.1 調(diào)制式功率變換器的微機控制直流PWM變換器的原理型可逆PWM變換器的微機控制的基極驅動功放電路4.2 脈幅調(diào)制變頻器的微機控制4.3 脈寬調(diào)制變頻器的微機控制中值規(guī)那么采樣SPWM控制法 前言 調(diào)制式功率變換器有兩類：一類是脈沖寬度調(diào)制功率變換器，簡稱PWM變換器；另一類是脈沖幅值調(diào)制功率變換器，簡稱PA

2、M變換器。利用電力半導體開關器件的導通與關斷把直流電壓變成電壓脈沖列，通過控制電壓脈沖的寬度或周期到達變壓目的，完成直流直流變換。這種變換器稱為直流PWM變換器，作為直流功率變換器，廣泛應用于直流電氣傳動系統(tǒng)中。第四章 調(diào)制式功率變換器的微機控制前言 利用電力半導體開關器件的導通與關斷把直流電壓變成正負交變的電壓脈沖列，通過控制正負電壓脈沖的寬度、數(shù)量和正負交變的周期到達變壓變頻目的，完成直流交流變換。這種變換器通常稱為逆變器，也可直接稱為變頻器。因控制方式不同，它可以實現(xiàn)變壓變頻變換，簡稱VVVF；可以實現(xiàn)恒壓恒頻變換，簡稱CVCF；也可以實現(xiàn)變壓恒頻或恒壓變頻變換，分別簡稱為VVCF或CV

3、VF。在交流電氣傳動中廣泛使用的變頻器，是按VVVF控制方式進行變換的變頻器。這是因為交流電動機在輸入頻率改變的同時，必須協(xié)調(diào)地改變其輸入電壓，否那么電動機將出現(xiàn)過勵或欠勵磁。第四章 調(diào)制式功率變換器的微機控制前言 實現(xiàn)VVVF變換有兩種控制方式。一種方式是把VV與VF變換分開完成，先由交流直流變換器(如相控整流器)將交流電變成可變電壓的直流電，完成VV變換，再由直流交流變換器(即逆變器)將直流電變成可調(diào)頻率的交流電，完成VF變換。這種前后分開控制的VVVF控制方式，稱為脈沖幅值調(diào)制方式，簡稱PAM方式，把這種變頻器稱為PAM變頻器。另一種方式是將VV與VF變換集中由逆變器完成。由交流到直流的

4、變換由不可控整流器進行，因而直流電壓恒定，再由逆變器既完成變頻又完成變壓。這種集中控制的VVVF方式稱為脈沖寬度調(diào)制，簡稱PWM方式，把這種變頻器稱為PWM變頻器。第四章 調(diào)制式功率變換器的微機控制前言 早期的VVVF變頻器均采用PAM控制方式，這是由于當時的電力半導體開關器件是半控型晶閘管，其關斷需換流電路，工作頻率不高，逆變器輸出的交流電壓或電流波形只能是方波。要使輸出電壓的有效值隨輸出頻率的變化而改變，只能靠改變方波的幅值，即改變直流電壓的大小。隨著全控型快速電力半導體開關器件GTR(大功率晶體管)、GTO(可關斷晶閘管)、IGBT(絕緣柵雙極晶體管)、MOSFET(場效應晶體管)等的相

5、繼問世，PWM控制方式得到了迅速的開展。采用PWM控制方式整流器無需控制，簡化了電路結構和控制裝置。以不可控整流代替相控整流還提高了輸入端的功率因數(shù)，減小高次諧波對電網(wǎng)的影響。第四章 調(diào)制式功率變換器的微機控制前言 此外，由于輸出電壓波形由方波改進為PWM波，使變頻器的輸出波形有可能接近理想正弦波，為高性能指標的交流電氣傳動的實現(xiàn)提供了根本條件。因此，PWM控制技術是電氣傳動自動控制領域中的研究熱點之一。從目前的情況看，由于全控型開關器件的電流、電壓等級還不夠高，且價格較昂貴，為了降低本錢，在數(shù)百千瓦以上的大容量變頻器中仍需使用以晶閘管為開關器件的PAM控制方式。因此，本章對這兩種控制方式的微

6、機實現(xiàn)均加以介紹。第四章 調(diào)制式功率變換器的微機控制 采用全控型開關器件組成的直流脈寬調(diào)制變換器(以下簡稱PWM變換器)與晶閘管相控式整流器相比有一系列優(yōu)點。目前，它已廣泛應用于中、小功率直流電氣傳動系統(tǒng)，隨著開關器件的開展，它的應用領域必然日益擴大。 PWM變換器有不可逆和可逆兩類。可逆變換器有T型和H型電路，控制方式有雙極模式、單極模式和受限單極模式等?，F(xiàn)在以雙極模式工作的H型可逆PWM變換器為例介紹其微機控制方法，其它各種PWM變換器的微機控制可用類似方法。 直流脈寬調(diào)制變換器的微機控制4.1.1 直流PWM變換原理 H型可逆PWM變換器主電路原理圖如以下圖，它由四個全控型開關器件GTR

7、和四個續(xù)流二極管組成。固定電壓的直流電源一般由輸出側加有濾波電容的不可控整流器提供基極驅動電壓和電樞電壓波形。直流脈寬調(diào)制變換器的微機控制4.1.1 直流PWM變換原理 四個GTR分為兩組，V1、V4為一組，V2、V3為另一組。按雙極模式工作時，同一組中兩個GTR同時導通、同時關斷，兩組GTR之間那么是交替地輪流導通和關斷，即同組的GTR基極驅動電壓具有同相關系( 、 )，兩組間的基極驅動電壓具有反相關系( )。設兩組通斷一次的時間，即PWM變換器的開關周期為 ，V1、V4的導通時間為 ，V2、V3的導通時間那么為 。GTR基極驅動電壓及直流電動機電樞電壓 波形如以下圖。直流脈寬調(diào)制變換器的微

8、機控制4.1.1 直流PWM變換原理 兩組開關器件交替通斷，因而電樞電壓瞬時值 為正、負脈沖序列的電壓波形。在一個開關周期內(nèi)，當 時正脈沖比負脈沖寬， 的平均值 為正，在電動運行時電動機正轉；當 時正脈沖比負脈沖窄， 的平均值 為負，電動機反轉。當 時，正、負脈沖寬度相等， 為零，那么電動機停止。右圖所示波形是電動機正轉時的情況。直流脈寬調(diào)制變換器的微機控制4.1.1 直流PWM變換原理 H型雙極模式PWM變換器施加在直流電動機電樞上的電壓平均值 可用下式表示 41 顯然，在 一定時改變 的大小不僅可以改變 的大小，而且還可以改變 的極性，實現(xiàn)電動機的四象限運行。直流脈寬調(diào)制變換器的微機控制4

9、.1.1 直流PWM變換原理 上圖所示GTR基極驅動電壓波形是理想情況，即認為GTR的導通和關斷是同步進行的，實際上，由于導通管關斷期的存儲時間較長，使關斷時間大于開通時間。假設讓同側管的通、斷同時切換，必將出現(xiàn)退出管尚未關斷、進入管已經(jīng)導通的情況，這時同時處于導通態(tài)的兩管將電源 直接短接，產(chǎn)生極大的穿通電流，從而導致GTR損壞。這一現(xiàn)象稱為“共態(tài)直通，它是PWM變換器不能可靠工作的一個重要原因。為了防止“共態(tài)直通，應使飽和導通的GTR關斷后，同側原為截止狀態(tài)的GTR才能導通。這就需要基極驅動開通電壓有一延時，使同側對管在開關切換期間有一個延時死區(qū)。對于GTR，死區(qū)時間 大約需要幾 。防止“共

10、態(tài)直通的基極驅動電壓波形如以以下圖所示。直流脈寬調(diào)制變換器的微機控制4.1.1 直流PWM變換原理直流脈寬調(diào)制變換器的微機控制4.1.1 直流PWM變換原理 基于直流PWM變換器的根本原理，用微機來實現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制通常有兩種方法：軟件方案和硬件方案。下面介紹一種由軟件和硬件相結合來實現(xiàn)PWM基極驅動信號波形的方法，以以下圖示出了這一方法的原理電路圖。 圖44直流脈寬調(diào)制變換器的微機控制型可逆PWM變換器的微機控制 其中計數(shù)定時器及并行輸出位可以是微機的附加外圍接口芯片，也可以由單片機(如8031等)內(nèi)部提供，由所選機型以及系統(tǒng)總體設計決定。兩個計數(shù)定時器分別對開關周期 和正脈沖寬度 定時，由并

11、行輸出位PO1、PO2按邏輯非的關系成對輸出理想條件的PWM基極驅動信號(參見右圖)，以高電平為有效。硬件電路中RS觸發(fā)器的輸出存在 0 態(tài)延時，用于實現(xiàn)開關切換期的延時死區(qū)，由此得到防止“共態(tài)直通的基極驅動信號。直流脈寬調(diào)制變換器的微機控制型可逆PWM變換器的微機控制 改變R1、R2、C1、C2的大小可以方便地改變延時死區(qū)時間 。此外，該觸發(fā)器還具有對兩組基極驅動信號實現(xiàn)互鎖的功能。微機通過輸出位PO3發(fā)出的輸出信號，用來控制基極驅動信號的封鎖或開放，微機上電復位后，PO3應為封鎖態(tài)輸出。圖中的保護信號來自系統(tǒng)的過電壓、欠電壓、過電流、過熱(電動機過熱、功率轉換裝置過熱)等監(jiān)測電路。當其中任

12、一現(xiàn)象發(fā)生時，此保護信號為低電平，直接將功率級截止，強制系統(tǒng)停止運行。相應地，在截止功率級的同時，應切斷系統(tǒng)輸入電源，這是在系統(tǒng)總體設計時需考慮的問題。直流脈寬調(diào)制變換器的微機控制型可逆PWM變換器的微機控制 下面著重討論開關周期 和計數(shù)定時用計數(shù)脈沖頻率 的選定問題。 計數(shù)定時器的計數(shù)脈沖頻率為 時，對正脈沖寬度 的定時分辨率為 42 由式(41)知，正脈沖寬度 由0變到 時，對應的電樞電壓平均值 由 變到 ， 時，對 定時的時間常數(shù)為 。因而，調(diào)制電樞電壓的分辨率為直流脈寬調(diào)制變換器的微機控制型可逆PWM變換器的微機控制43 顯然，對電樞電壓平均值 的控制精度與 有關。 越小，控制精度才可

13、能越高。然而， 的控制精度還與給定控制信號 的電壓分辨率 有關。實際上， 的控制精度是由 和 中較大者決定的。 是傳動系統(tǒng)的數(shù)字控制器的輸出量，其有效位數(shù)決定于系統(tǒng)中各相關狀態(tài)量的檢測分辨率和數(shù)據(jù)處理的精度。設 的有效位數(shù)為 且 從 ，對應于 從 ，那么 的電壓分辨率可簡化為 44 為保證系統(tǒng)控制精度的要求必須使 ，那么由式(43)和式(44)可得 45 式(4-5)便是選定 和 的制約條件。直流脈寬調(diào)制變換器的微機控制型可逆PWM變換器的微機控制 GTR的工作頻率為15kHz，計數(shù)脈沖頻率 受微機系統(tǒng)硬件動特性限制，一般為12MHz，假設選用16位8254可編程計數(shù)定時器， 可達8MHz。從

14、PWM變換器工作原理知，提高開關頻率即減小開關周期 ，可減小電樞電流的脈動。但當 選定后，減小開關周期 將增大分辨率 ，影響控制精度。同時， 的減小還受有效位數(shù) 即分辨率 的制約。例如， ， ，因而 。假設取 ，那么應有 。由式(43)可知，只有在開關頻率小于2kHz時才有 。由此可見，假設用減小開關周期、提高開關頻率的方法來減小電樞電流脈動時，在計數(shù)定時器允許的情況下應相應增大 值，否那么將影響系統(tǒng)的控制精度。直流脈寬調(diào)制變換器的微機控制型可逆PWM變換器的微機控制 開關周期 定時時間常數(shù)為固定值，其計算式為 (4-6) 正脈沖寬度 與給定控制信號 的關系可簡化為 (4-7) 由式47及式4

15、2可得正脈沖寬度 定時時間常數(shù)計算式直流脈寬調(diào)制變換器的微機控制型可逆PWM變換器的微機控制(4-8) 利用圖44所示電路產(chǎn)生雙極模式PWM基極驅動信號的程序流程圖如圖45和圖46所示。圖45是開關周期T定時器的中斷效勞程序，主要完成輸出V1、V4及撤除V2、V3的基極驅動信號。圖46是正脈沖寬度 定時器的中斷效勞程序流程圖，主要完成輸出V2、V3及撤除V1、V4的基極驅動信號。直流脈寬調(diào)制變換器的微機控制型可逆PWM變換器的微機控制4546 由PO1、PO2輸出的基極驅動信號是否經(jīng)驅動功放電路作用到GTR那么由輸出位PO3單獨控制。成對的兩個驅動信號轉換期的延時死區(qū)由接口硬件實現(xiàn)，雖然上述兩

16、個中斷效勞程序占用CPU的時間都不多，但在一個開關周期內(nèi)CPU需分別處理一次。假設 較小，對于速度不太高的8位微機，CPU的剩余時間不多。為了兼顧系統(tǒng)控制運算的實時性可采用多微機方案，用單片機以最小配置專門實現(xiàn)PWM信號的形成。直流脈寬調(diào)制變換器的微機控制型可逆PWM變換器的微機控制 PWM變換器GTR基極驅動功放電路的作用，是將微機輸出的基極驅動脈沖信號放大到足以鼓勵GTR。基極驅動功放電路的優(yōu)劣和功能的完善程度，對GTR的工作性能和可靠性有直接關系。它所提供的驅動脈沖幅度和波形關系到GTR的飽和壓降，存儲時間，開通和關斷瞬間集電極電壓、電流的上升、下降速率等運行特性，直接影響其損耗和發(fā)熱，

17、對PWM變換器的性能和平安可靠有很大影響。因此，應仔細分析和選擇電路結構。除已有多種分立元件組成的驅動功放電路外，近年來國外推出了功能很強的大規(guī)模集成驅動電路，如UAA4002等。以下介紹一種具有關斷反偏的單電源GTR驅動功放電路。其它驅動電路，可查閱有關文獻。直流脈寬調(diào)制變換器的微機控制基極驅動功放電路直流脈寬調(diào)制變換器的微機控制基極驅動功放電路 圖47所示驅動功放電路采用光電耦合器實現(xiàn)主電路和控制電路之間的電氣隔離，功放電源由變壓器隔離。當 為低電平時，V1導通，V2、V5截止，V3、V4導通，加速電容C1使基極驅動電流具有較陡的前沿，并有一定的過沖，加快GTR的開通，減小開通損耗。當 為

18、高電平時，V1截止，V2、V5導通，V3、V4截止，電容C2放電，為GTR提供反向偏置基極電流，減小存儲時間，加快關斷速度，減小關斷損耗。直流脈寬調(diào)制變換器的微機控制基極驅動功放電路 脈寬調(diào)制變頻器即PWM變頻器，它是一種交直交功率變換器，其主電路示意圖如圖412所示。它的交直變換為不可控整流器；中間直流環(huán)節(jié)采用大電容器濾波，可視直流電壓為恒定；直交變換那么是利用PWM控制方式，由逆變器既完成變壓又完成變頻(即VVVF)。脈寬調(diào)制變換器的微機控制 對PWM變頻器的控制也就是對逆變器的控制。由全控型開關器件GTR和續(xù)流二極管組成的逆變器，其主電路原理圖如以以下圖所示。脈寬調(diào)制變換器的微機控制 實

19、現(xiàn)逆變器PWM控制方式的方法很多，并且還在不斷開展中。PWM控制技術主要著眼于兩個方面：一是如何使變頻器的輸出電壓盡可能逼近三相對稱的正弦波，即如何把輸出電壓的諧波分量，特別是低次諧波分量盡可能減小或消除；另一方面那么是如何使控制裝置簡單。為此，組成逆變器的GTR基極的PWM控制信號通常由微機產(chǎn)生。隨著大規(guī)模集成技術的開展，現(xiàn)已出現(xiàn)由專用的集成電路芯片產(chǎn)生PWM波。本節(jié)主要討論由微機產(chǎn)生PWM控制信號的兩種典型的控制方法。脈寬調(diào)制變換器的微機控制 SPWM法是從電源的角度出發(fā)，著眼于如何生成一個可以調(diào)壓調(diào)頻的正弦型電源。中值規(guī)那么采樣SPWM法是從自然采樣SPWM法演變開展得出的一種PWM控制法。自然采樣SPWM法采用正弦波作為調(diào)制波，采用上下寬度線性對稱變化的等腰三角波作為載波，利用比較法以正弦波和三角波瞬時值相等的時刻即兩個波形的相交點作為跳變時刻，獲得經(jīng)調(diào)制的幅值相等、面積按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖列信號。因而把這種PWM控制法稱為正弦波PWM控制法，簡稱SPWM法。中值規(guī)那么采樣SPWM控制法脈寬調(diào)制變換器的微機控制中值規(guī)那么采樣SPWM控制法脈寬調(diào)制變換器的微機控制 三角載波的頻率 和正弦調(diào)制波的頻率 之比即 ，稱為載波比。用生成的SPWM波控制逆變器開關器件的通斷，可得到等幅且脈沖