理工科毕业设计

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1、摘要本文采用交-直-交变频调速来实现电机很大范围内的速度的自动平滑的调节。首先介绍了变频调速的发展现状与趋势，接下来对变频的工作原理进行了分析，包括：整流环节、滤波环节和逆变环节。然后，设计了系统的主电路，包括过压保护环节、整流环节、滤波环节和逆变环节，并对元件进行选型。本设计的核心是控制系统的设计，控制部分采用的控制芯片是电机专用单片机87C196MC此单片机可以产生脉冲信号（SPW/M控制智能功率模块IPM的开关时间，实现对电动机进行调速的目的。控制部分的硬件电路包括：87C196MC勺控制电路、系统的测速电路和系统的测流电路。其中测速电路选用的是光电码盘，测流环节用的是霍尔传感器，其输出

2、的是电压信号方便单片机读取转换。最后是对系统的软件设计并给出了部分程序的流程图。本文所设计系统的特点是选用了智能功率模块（IPM）代替IGBT电路来实现逆变。由于智能功率模块集成了各种保护，从而大大简化了硬件电路，提高了系统的性能并且控制方便。本文设计的是转速闭环调速系统，可以提高转速的稳定性。关键词：87C196MC智能功率模块变频调速AbstractThisarticleadoptstheAC-DC-ACinverterformotorverywiderangeofspeedautomaticsmoothingadjustment.Itdescribesinverterdevelopmen

3、tstatusandtrends,thenextconversionworkanalysis,links,including:rectificationfilterandinvert.Then,thedesignofthesystemsmaincircuit,includingtheovervoltageprotectionlink,rectificationfilterandlinks,invert,andcomponentselection.Thecoreofthisdesignisthedesignofcontrolsystems,controlpartofcontrolchipismo

4、tordedicatedmicrocontroller87C196MC,theSCMcanproduceapulsesignal(SPWM)controlIPMswitchtime,achievethepurposeofelectricmotorspeedcontrol.Thecontrolsegmenthardwarecircuitincluding:87C196MCofcontrolcircuits,systemsandspeedtothecircuitandsystemofmeasuringflowcircuit.Wherespeedcircuitselectionisencoder,m

5、easuringflowlinksusingaHallsensor,itsoutputisavoltagesignalconvenientsingle-chipreadsconversion.Lastisasystemofsoftwaredesignandgivessomeoftheprogramsoftheflowchart.ThisarticleisdesigningthesystemischaracterizedbytheuseofIPM(IPM)insteadofIGBTInvertercircuittoimplementation.Becausesmartpowermoduleint

6、egratesthevariousprotection,whichcangreatlysimplifyhardwarecircuit,improvessystemperformaneeandcontrol.Thisarticleisdesignedforspeedcontrolsystem,youcanincreasethespeedandstability.Keywords:87C196MCintelligentpowermodulefrequencyconversion1绪论1.1选题的背景和意义交流变频调速技术是微机技术、电力电子技术和电机传动技术的综合应用，是强弱电混合、机电一体的综合

7、性技术。其实质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，其基本原理是通过整流桥将工频交流电压变为直流电压，再由逆变器转换为频率、电压可调的交流电压作为交流电机的驱动电源，使电动机获得无级调速所需的电压和电流，是一种无附加转差损耗的高效调速方式之一。变频调速技术之所以在能源危机中应运而生，就是因为它能根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速、减速，从而大幅度提高工作效率。因而被国内外公认为最有发展前途的调速方式，成为节电、改善工艺流程以及提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。掌握变频调速技术是将其应用到工程实践中的理论基础，同时也是保证构成的变频调速系统具

8、有高性价比、最简捷的外围电路、最佳的性能指标的技术基础。所以掌握变频调速技术不仅可以解决就业问题，而且也将成为创业的一种资本。1.2什么是变频调速变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：n=60f（1-s）/p（1-1）（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。三相异步电动机转速公式为：n=60f/p（1-s）从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可太到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。在生产机械中广泛使用

9、不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如

10、果调速范围不大，能量损耗是很小的。1.3变频调速的发展概况变频调速在我国的发展概况在电气传动领域，人们关心的是如何合理地使用电动机以节约电能和有目的地控制机械的运转状态（位置、速度、加速度等），在实现电能-机械能之间的转换过程中达到优质、高产、低耗的目的。近年来交流调速最活跃、发展最快的就是变频调速技术，是交流调速的基础和主干内容，其根本原因在于变频调速在节能和调速特性优于其他调速方式，当然，电力电子器件发展、计算机技术、自动控制技术的迅速发展也为它的实现提供了基础。我过关于变频调速的研究始于20世纪60年代初期，当时典型的技术是交-交变频器供电的交流变频调速传动；继此之后80年代主体技术为电

11、压或电流型六脉冲逆变器供电的交流变频调速传动；从90年代中期至今，随着电力电子器件、调制技术以及控制技术的发展，BJT（IGBT）PWM2变器供电的交流变频调速空前发展，并得到广泛应用，而随着SPW的发展，变频系统的有点越来越突出，应用也越来越广。我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。在变频调速方面，国内虽然投入了一定的人力和物力，但由于力量分散，并未形成一定的技术规模和生产规模，再加上相关产业的落后，使得至今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上20世纪80年代中后期的水平。随着改革开放，经济高速发展，形成了一个巨大的市场，很多最先进的产品从发达国家进口，在我国

12、运行良好，满足了我国生产和生活的需要。国内许多合资公司生产着国际上最先进的产品，国内的成套部门在自行设计制造的成套装置中采用进口外国公司先进设计和装置，自行开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。虽然取得很大的成绩，但产品的可靠性和工艺水平与国外还有差距，并且国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性还很严重。目前国内变频调速方面主要的产品状况如下：(1) 在中、小功率变频调速中主要是IGBT的PWM逆变器供电的交流变频调速设备。这类设备的市场很大，总容量占的比例虽然不大，但台数多，需求增长快。产品应用的范围从单机到全生产线；控制方式从简单的u/f控制到高调速性

13、能的矢量控制，但目前u/f控制占主体，矢量控制数量还比较少，此类产品和质量还不能满足市场的需要，每年要大量进口。此类国内产品中合资企业生产的比重较大。(2) 电流源型晶闸管逆变器供电的交流变频调速设备。这类产品在大容量风机、泵、压缩机和轧机传动方面有很大的需求，国内有能力制造的单位不多。目前功率装置有国内自行生产，数字化控制装置的控制设备由国外进口，应用软件由国内自行开发设计。(3) 交-交变频器供电的交流调速设备。这类产品在轧机和矿井卷扬传动方面由较大的需求，虽然需求台数不多，但该类装置功率大，国内只有极少数科研单位由能力制造。目前最大容量可做到7000KW至8000KW此类产品主要靠进口，

14、目前的国内产品的生产状态是功率装置由国内自行生产，数字控制装置的控制设备由国外进口，应用软件由国内自行开发设计，但系统可靠性方面与国外还有很大的差距。132国外交流变频调速技术的现状国外交流变频调速技术的发展主要体现在以下几个方面：（1）控制理论和控制技术的发展。矢量控制、直接转矩控制、模糊控制、神经网络、专家系统、自适应控制、预测控制、解耦控制、微分几何学、随机控制等控制理论为高性能变频器提供了理论基础。（2）功率开关器件和微电子技术的发展。功率开关器件由最初的半控型发展到现在的全控型，功率开关器件和变频调速技术相辅相成、互相促进、共同发展。国外的电力电子功率开关器件正向低开关损耗、高开关频

15、率、低开关电压、高功率等方面的发展。（3）功能更强大，智能化程度更高。新一代的变频器由于有功能很强的微处理器支持，除能完成电动机变频调速的基本功能外，还具有内置的可编程、参数辨识等功能。（4）通信能力强。新型变频器一般都带有的通信接口，可以实现上位工控机对变频的1对1或1对32的通信功能，可将上位机的运行指令下达，或将变频器的运行状态上传。（5）朝大功率、大容量方面发展。高电压、大功率器件SCRGTQIGBTIGCTHV-IGBT的生产及其串联、并联技术发展迅速，促进了高电压、大中功率变频器产品的生产和应用。（6）生产社会化、专业化。通用变频器相关配套器件社会化、专业化生产，小功率通用变频器已

16、实现全数字化，采用IGBT的通用变频器已成系列产品，正向软件化、网络化、智能化为基础的高动态性能方向发展。（7）更加绿色环保。新型变频器设计都已极力减小谐波和电磁污染。（8）结构更加优化。新型变频器已做到结构紧凑化、标准化，体积最小化。变频调速技术的发展趋势在20世纪90年代初，有人提出了网络控制系统的概念。网络控制系统又称为网络化的控制系统或分布式网络控制系统，即在网络环境下实现的控制系统，是指在某个区域内一些现场检测、控制及操作设备和通信线路的集合，用以提供设备之间的数据传输，使该区域内部同地点的设备和用户实现资源共享和协调操作。网络控制系统的主要优点在于可以实现资源共享、价格低、重量轻、

17、能耗小、安装方便、容易维护。智能化的机器人现在已经出现了，虽然还不是太理想，但已经给我们提供了极大的方便。我深信随着变频调速技术、计算机技术、微电子技术、信息技术、网络技术和传感器技术等的飞速发展，网络化、智能化无疑成为了变频调速控制系统发展的必然趋势。1.4本文所作的主要工作本文采用的的控制芯片Intel公司生产的电机专用单片机87C196MC该单片机是变频调速的核心，此单片机可以产生脉冲信号（SPWM控制智能功率模块IPM的开关时间，实现电动机调速的目的。论文中所作的工作如下：（1）阐述了变频调速的工作原理，给出了系统的设计方案，介绍了系统结构、系统组成。（2）采用速度闭环对系统进行控制，

18、建立了系统的数学结构图，建立了各环节的数学模型。（3）以87C196M（单片机作为控制器设计出了系统的硬件电路，主要包括包括单片机的晶振电路、单片机的复位电路、显示电路、WG永冲的放大隔离电路、单片机对智能功率模块的封锁电路、测速电路和测流电路。（4）系统中用的电动机为BPY系列的5.5KW，额定电压为380V，额定电流为11.6A。2变频的原理2.1变频的基本结构变频根据变流环节可以分为交-交变频和交-直-交变频两种方式，交-直-交变频又可分为电压型和电流型两类。交-交变频器与交-直-交变频器主要特点比较见表2-1，电压型与电流型交-直-交变频器主要特点比较见表2-2。表2-1交-交变频器与

19、交-直-交变频器主要特点比较类型比较内容交-交变频器交-直-交变频器换能方式一次换能效率较咼二次换能效率略低换流方式电源电压换流强迫换流负载换流元件数量较多较少元件利用率较低较高调频范围输出最咼频率为电压频率的1/2到1/3频率调节范围宽电源功率因数较低如用可控整流桥调压，则低频低压时功率因数较低，如用斩波器或是PW方式调压则功率因数较咼适用场合低速大功率传动各种传动装置，稳频稳压电源和不间断电源表2-2电压型与电流型交-直-交变频器主要特点比较类型比较内容电流型电压型直流滤波环节电抗器电容器输出电压波取决于负载，异步电机为正矩形波形弦波输出电流矩形取决于逆变器电压与负载电动机电势，有较大的谐

20、波分量输出功态阻抗大小再生制动方便，主电路不需要附加设需要在电源侧设置反并联备逆变器过流保护及短路保护容易困难动态特性快较慢，如用PWM则快对晶闸管要耐压咼，对关断时间无严格耐压一般较低，关断时间求要求要求短线路结构较简单较复杂适用范围单机，不频繁切换的多机传多机传动、稳频稳压电源动及不间断电源通过比较可知，交-直-交变频的电路较简单并且可以在范围内调速，所以本设计米用交-直-交的变频方式。又因电压型变频器的输出波形为矩形且输出功态阻抗小，所以选用电压型。下面来着重讲下交-直-交电压型变频的原理。交-直-交变频的框图如下图2-1交-直-交变频的框图2.2整流环节的工作原理整流环节是把交流变为直

21、流的电路。整流电路的分类：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。按电路结构可分为桥式电路和零式电路。按交流输入相数分为单相电路和多相电路。电容滤波的单相不可控整流电路电容滤波的单相不可控整流电路如图2-2所示idIIVD3+cUM图2-2电容滤波的单相桥式不可控整流电路假设该电路已工作于稳态，同时由于实际中作为负载的后级电路稳态时消耗的直流平均电流是一定的，所以分析中选择电阻R作为负载。该电路的基本工作过程是，在u2正半周过零点至31=0期间，因u2小于ud,故二极管均不导通，此阶段电容C向R放电，提供负载所需电流，同时Ud下降。至31=0之后，U2将超过Ud，使得VD1和VD4导通，Ud

22、=U2，交流电源向电容充电，同时向负载R供电。设VD1和VD4导通的时刻与U2过零点相距角，则U2如下式所示u2=2U2sin(3t+)(2-1)在VD1和VD4导通期间，以下方程式成立ud(0)=V2u2sin6t(2-2)JUd(O)+1/c(icd垄u2式中，Ud（0）为VD1、VD4开始导通时刻的直流侧电压值。将u2带入并求解得ic=，23CU2cos(3t+)(2-3)而负载电流为ir=u2/R=2U2sin(3t+)/R(2-4)于是id=ic+ir(2-5)由上面的分析可得，空载时，放电时间常数为无穷大，输出电压最大，Ud=2U2。输出电流平均值Ir=Ud/R。在稳态时，电容C在

23、一个电源周期内吸收的能量和释放的能量相等，其电压平均值保持不变。相应的，流经电容的电流在一个周期内的平均值为零，即Id=IR。同时二极管所承受的反向电压最大值为变压器二次电压最大值，即2U2。电容滤波的三相不可控整流电路在电容滤波的三相不可控整流电路中，最常用的是三相桥式结构，图2-3给出了其电路图如下J1?111VD51kJkKUat.r*VUdRWjcTK5Akjk图2-3电容滤波的三相不可控整流电路该电路中，当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压中的最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电，Ud按指数规律下降。设二极管在距线电压过零

24、点角处开始导通，并以二极管VD6和VD1开始同时导通的时刻为时间零点，则线电压为Uab=.6U2sin(3t+)(2-6)而相电压为Ua=2u2sin(3t+-二/6)(2-7)在3t=0时，二极管VD6和VD1开始同时导通，直流侧电压等于Uab；下一次同时导通的一对管子是VD1和VD2，直流侧电压等于uac。这两段导通过程之间的交替有两种情况，一种是在VD1和VD2同时导通之前VD6和VD1是关断的，交流侧向直流侧的充电电流id是断续的。另一种是VD1直导通，交替时由VD6导通至VD2导通，id是连续的。介于两者之间的临界情况是，VD6和VD1同时导通的阶段与VD1和VD2同时导通的阶段在3

25、t+=2二3处恰好衔接了起来，id恰好连续，由前面所述电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件，即RC.3（2-8）所以RC大于,3是电流id断续的条件，而RC小于等于.3是电流id连续的条件。主要的数量关系输出电压平均值空载时，输出电压平均值最大，为Ud6U2=2.45U2。随着负载加重，输出电压平均值减小，至，RC3进入id连续情况后，输出电压波形成为线电压的包络线，其平均值为Ud=2.34U2。可见，Ud在2.34U2到2.45U2之间变化。与电容滤波的单相桥式不可控整流电路相比，Ud的变化范围小得多，当负载加重到一定程度后，Ud就稳定在2.34U2不变了。电流平均值输出电流平均值IR

26、为Ir=Ud/R（2-9）与单相电路情况一样，电容电流ic平均值为零，因此Id=Ir（2-10）在一个电源周期中，id有6个波头，流过每一个二极管的是其中的两个波头，因此二极管电流平均值为ld的1/3。二极管承受的电压6U2。二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为2.3逆变的工作原理分析在生产实践中，存在着与整流过程相反的要求，即要求把直流电转变成交流电，这种对应于整流的逆向过程，定义为逆变(Invertion)。把直流电逆变成交流电的电路常称为逆变点电路。当交流侧和电网连接时，这种逆变电路称为有源逆变电路。有源逆变电路常用于直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电

27、等方面。对于可控整流电路而言，只要满足一定的条件，就尅工作于有源逆变状态。此时，电路形式并未发生变化，只是电路工作条件转变，因此将有源逆变工作作为整流电路的一种工作状态进行分析。有些教材为了叙述方便，将这种既工作在整流状态又工作在逆变状态的整流电路称为交流电路如果交流电路的交流侧不与电网连接，而直接接到负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载，称为无源逆变。231逆变电路的基本工作原理以图2-4的单相桥式逆变为例说明其最基本的工作原理.图中Si、S2、S3、S4是桥式电路的四个桥臂，它们由电力电子器件及其辅助电路组成。当开关Si、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压U0为正；当

28、开关Si、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压u0为负。这样，就把直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。这就是逆变电路最基本的工作原理。图2-4单相桥式逆变电路当负载为电阻时，负载电流io和电压U0的波形相同，相位也相同。当负载为阻感时，io相位滞后于Uo，两者波形的形状也不同，图2-5给出的就是阻感负载时的i0波形。设t1时刻以前S1、S4导通，u0和i0均为正。在t1时刻断开图2-5逆变电路的波形Si、S4，同时合上S2、S3，则Uo的极性立刻变为负。但是，因为负载中有电感，其电流方向不能立刻改变而仍维持原方向。这时负载电流从直流电源负极流出，经S2、负载和

29、S3流回正极，负载电感中储存的能量向直流电源反馈，负载电流逐渐减小，到t2时刻降为零，之后io才反向并逐渐增大。S2、S3断开,Si、S4闭合时的情况类似。上面是Si、S2、S3、S4均为理想开关时的分析，实际电路要复杂一些。232三相电压型逆变电路图2-6三相电压型桥式逆变电路采用IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路如图2-6所示，可以看成由三个半桥逆变电路组成。图2-6电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了分析方便，画出串联的两个电容器并标出了假想中点N。和单相半桥、全桥逆变电路相同，电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式也是180导电方式，即每个桥臂的导电角度为180,同一

30、相（即同一半桥）上下两个桥臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此也称为纵向换流。下面来分析电压型三相桥式逆变电路的工作波形。对于U相输出来说，当桥臂1导通时，UuN，=Ud/2,当桥臂4导通时，Uun=-Ud/2。因此Uun，的波形是幅值为Ud/2的矩形波。V、W两相的情况和U相类似，Uvn、uWN的波形和Uuw相同，只是相位相差120。UuN，、UvN、Uwn的波形如图2-7的a、b、c所示。a)b)JJi)h)图2-7电压型三相桥式逆变电路的工作波形负载线电压Uuv、Uvw、Uwu可由下式求

31、出UUV-UUN1UVN(2-8)Uvw=Uvn-Uwn(2-9)Uwu-Uwn-Uun(2-10)依照上面各式可画出UUV的波形如图2-7d设负载中点N与直流电源假想中点N之间的电压为uNN,则负载各相的相电压分别为:(2-11)(2-12)(2-13)(2-14)(2-15)UUN-UUN-UnnUvn=UvNUnNUWN-UWN一UNN把上面各式相加并整理可求得UNN=1/3（UUNUVNUWN）_1/3（UUNUVNUWN）设负载为三相对称负载，则有UunUvnUwn=0,故可得Unn=1/3（UunUvnUwn）因此，Unw的波形也是矩形波（如图2-7e所示），并且其频率为Uun，频

32、率的3倍，幅值为其1/3。2.3.3 输出线电压的有效值UUV为Uuv=J1/2兀uUv加t=0.816Ud（2-16）负载相电压的有效值Uun为/2Uun=1/2叫心如=0.471Ud（2-17）SPWM调制原理SPWM的概念在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调制。一个连续函数是可以用无限多个离散函数逼近或替代的，因而可以设想用多个不同幅值的矩形脉冲波来替代正弦波，如图2-8所示。图

33、中，在一个正弦半波上分割出多个等宽不等幅的波形（假设分出的波形数目n=12），如果每一个矩形波的面积都与相应时间段内正弦波的面积相等，则这一系列矩形波的合成面积就等于正弦波的面积，也即有等效的作用。为了提高等效的精度，矩形波的个数越多越好,a)b)图2-8与正弦波等效的等宽不等幅矩形脉冲波序列显然，矩形波的数目受到开关器件允许开关频率的限制。3系统的主电路的设计3.1系统的总体框图本设计所采用的变频方式时交-直-交的变频方式，其中逆变部分采用的是智能功率模块IPM(intelligentpowermodule)和单片机87C196MC控制的变频调速系统。该系统主要具有下列功能：1. 电机的运行

34、控制：转速给定、调速、起动停止、正反转、制动等。2. 运行状态显示：转速显示。3. 系统的过流保护、过压保护等保护措施。系统的总体框图如下：图3-1系统的总体框图3.2系统的主电路的设计系统的主电路主要有过压保护电路、整流电路、滤波电路、逆变电路等组成。321整流电路为了减少外围电路，所以设计中的整流电路采用的集成的整流模块6RI30G-160.其输入为三相交流电380V，输出直流电压为220V，最高反向电压1600V.绝缘电压2500V,最大整流电流30A。正向峰值电压1.5V，反向峰值电流2.0mA,工作结温150C。其封装如下：n141ICME)G-1605RI3CdN图3-26RI30

35、G-160的管脚逆变部分的设计逆变部分是变频调速系统中十分重要的组成部分，这关系到调速系统是否能够稳定的工作，并且达到预想工作效果。本设计中所采用的逆变器件是集成的IGBT模块即智能功率模块IPM（IntelligentPowerModule），智能功率模块IPM是以IGBT为内核的先进混合集成功率部件，由高速低功耗管芯（IGBT）和优化的门极驱动电路，以及快速保护电路构成，IPM内的IGBT管芯都是选用高速型的，而且驱动电路紧靠IGBT，驱动延时小，所以IPM开关速度特别的快，损耗也很小。IPM内部集成了能连续检测IGBT电流和温度的实时检测电路，当发生严重过载甚至直接短路时，以及温度过热时

36、，IGBT将被有控制的软关断，同时发出故障信号。夕卜IPM还具有桥臂对管互锁、驱动电源欠压保护等功能。尽管IPM的价格稍微有点贵，但由于集成的驱动、保护功能使IPM与单纯的IGBT相比具有结构紧凑、可靠性高、易于使用等优点。下图是7MBP50RA120引脚封装图。图3-37MBP5ORA120勺引脚封装图vuVinU曲耐QUaNovVfi-eWVkiWVoc伽XGNDV*inZVmDBAIL鹹*Ju图3-47MBP50RA120的内部电路图本系统所选用的智能功率模块为7MBP50RA120。该器件带有IGBT驱动电路和自诊断、保护功能完善并且体积小、更可靠、更具智能化。所以被广泛应用在变频器、

37、数控机床、工业机器人等电能转换设备中。智能功率模块7MBP50RA120内部含有一个三相H桥（逆变桥）和一个制动单元的七个IGBT和7个快速功率二极管，并且含有相应的驱动电路。另外它的保护功能相当完善，内含过流保护（OC）、过热保护（OH）、短路保护（SC）、驱动电源欠电压保护（UV）、报警输出（ALM）等。7MBP50RA120是富士电机推出的第四代R-系列智能功率模块IPM，它克服了在传统的IGBT-IPM中，当工作温度迅速上升时IPM可能被击穿（这种击穿发生时因为提供温度保护的温控器安装在IGBT芯片的绝缘基板上）以及有时由于寄生电容或控制电路产生的电感而引起的噪声使IGBT产生误动作的

38、缺点，并且该系列的IPM所使用的原件数量比传统的IPM少得多（仅为5%）,可靠性得到很大的提高。图3-3中VinU、VinV、VinW为逆变桥上桥臂的驱动信号输入端，VinX、VinY、VinZ为逆变桥下桥臂的驱动信号输入端。P、N两个引脚是7MBP50RA120的输入端，U、V、W为7MBP50RA120的输出端，VccU、VccV、VccW分别为上桥臂的电源供电引脚，Vcc为三个下桥臂的公共电源引脚。GNDU、GNDV、GNDW分别为上桥臂的接地引脚，而GND为三个下桥臂的公共接地引脚。VinDB为封锁引脚，当此引脚接收到单片机的信号时将封锁7MBP50RA120的输出，ALM为故障输出端

39、，当智能功率模块内部的故障检测电路检测到有故障时，ALM立即发出故障信号，此信号送至87C196MC的EXTINT端，以便87C196MC及时实施对智能功率模块电路的封锁，保护IPM及其它电路不致损坏。5V+5VT1R305.IKR31r350EXTINTALMI/Q87N狈:luF丄J9R29f5N13jIK图3-5ALM与单片机中断口的连接六单元IGBT拓扑结构图需要注意的是，模块要求U,V,W三相的上桥臂驱动电源必须由3个相互隔离的独立电源供电，U,V,W三相的下桥臂公用1个驱动电源.驱动电源均为+15V电源。驱动电源用三菱公司为IPM系列产品专门配置的模块M57140-01和M5712

40、0L-01。在M57120L-01的输入端加一路113V到400V的直流电压可以在输出端得到一路20V的直流电压，在M57140-01的输入端加一路18V到22V的直流电压，输出端可以得到4路相互隔离的15V电压，方便为IPM供电。其电路图如下：直流母线电压即P,N间的电压推荐不高于450V。在25C时，功耗不大于39W。工作环境温度范围为-20到+100C。最大电流50A，最大耐压值1200V。主电路的过压保护电路过压保护电路能够防止电路电压过大，从而使器件受到损害。本设计中用的浪涌吸收电路来防止过压，器件选用压敏电阻。电路图如下：图3-7浪涌吸收电路4控制系统的硬件电路设计4.1单片机的选

41、型及简介该系统的控制核心是单片机87C196MC，该单片机与其它类型单片机相比具有的一大亮点是带有一个波形发生器（WFG），可以产生3对完美的脉宽调制信号，从而简化了单片机的外围电路，因此特别适合于对交流电机的控制，也能控制无电刷直流电动机以及完成直流到交流的转换。所以选用的单片机为87C196MC，该单片机是由美国著名的Intel公司推出的高性能单片机，是真正的16位微控制器它在MCS-96基础上结构和功能又有了重大突破，是196系列中功能最为卓著，最具典型意义的一种。Intel87C196MC特别适合于电动机和反相器等高速控制领域，在工业界受到了普遍的重视和欢迎。同时，它是由CHMOS电路

42、构成，功耗低，并具有省电的工作方式，所以也适于集成于各种电路中长期使用，可靠性极高。4.287C196MC的系统结构87C196MC具有64K字节的地址空间。它的主要部分包括CPU，几种类型的存储器，中断，7个I/O口和一些片内外设。其中的片内外设为一个A/D转换器，一个事件处理器阵列（EPA），两个定时器（定时器1和定时器2），一个三相波形发生器（WFG）和一个脉宽调制单元（PWM）。其基本结构如图4-1XTALEXINTNMI时神控制遷辑A/D1B/72恨定时器ROM51?字节图4-187C196MC的基本结构图RALUP,口P*口為口中央处理器（CPU和存储器中央处理器（CPU）由一个寄

43、存器算术逻辑运算单元（RALU）和一个512字节的寄存器空间所构成。在512字节的寄存器空间中，低位24个字节用作特殊功能寄存器，不能用做遍用的RAM。RALU包括3个暂存器，其中两个具有自己的移位逻辑，几个内部常数寄存器用以提高RALU的运算速度以及一个用于位测试指令操作时产生屏蔽信号的位选择寄存器。196MC的CPU采用寄存器寄存器结构，即RALU可直接对寄存器空间的低256字节进行操作，它实质上是提供了256个字节的累加器”这些寄存器都具有累加器的特殊功能，因此提高了数据处理能力和频繁的输入/输出能力，解决了传统累加器结构中的瓶颈问题。196MC还提供了窗口功能，允许RALU通过窗口直接

44、寻址寄存器空间的高256字节和位于1F00H到1FFFH的内部特殊功能寄存器组。直接对这些存储空间的访问为编程提供了方便，而且代码效率高，执行速度快。存储器其它区域的访问由存储控制器来完成。存储控制器包括一个4字节的指令预取队列用来提高程序执行速度和一个总线控制器。总线控制器包括3个存储区域的寻址：片内16K字节的ROM/EPROM，由存储器空间仆40H至U1FFFH映像的内部特殊功能寄存器组以及外部存储器。外部存储器是通过地址/数据总线寻址的，它可工作于8位方式或16位方式。通过总线控制信号的选择可支持各种外部存储器的配置。422中断87C196MC具有灵活而高效的中断处理系统，它包括两个部

45、分：可编程的中断控制器和外围事件服务器（PTS）。用户可通过软件修改中断控制器的硬件优先级，并可人为地屏蔽某些中断。用户可选择将多数中断交由PTS处理而不用中断控制器。外围事件服务器PTS与正常指令交叉执行，从宏观上讲几乎是并行的。它通过执行伪代码来完成中断处理，其结果是降低了CPU的开销。PTS支持在任何存储器位置的字节、字或成块的信息的传递，管理多个模数转换以及控制一个软件串行通道。片内外设97C196MC单片机内部还提供了完成各种应用的片内外设。CPU是通过外设的特殊功能寄存器对它们进行管理的。外设的特殊功能寄存器（SFR）能通过间接方式或窗口方式寻址，因此它们又可看做是CPU的累加器”

46、。87C196MC单片机的片内外设功能强大而完善，较其它系列单片机有较大的优势，是单片机家族中功能最为卓著的一种。（1）定时器和事件处理器阵列（EPA）87C196MC单片机有两个16位定时器，定时器1和定时器2,它们和事件处理器阵列（EPA）共同完成对高速的输入输出事件的自动管理。在输入方式下，EPA监视输入信号的变化，记录下输入事件发生时的信号状态和定时器值，即记录下了所发生事件的时间。在输出方式下，EPA在定时器达到某一种存储的计数值时就置位，复位或触发某一输出管脚，完成对输出事件的自动控制。高速的输入，输出事件均可由中断或PTS进行处理。87C196MC单片机的EPA具有4种捕捉/比较

47、方式和4种只比较方式。两个定时器能通过内部时钟发生器定时，定时器还能用于外部信号源定时。（2）脉宽调制单元（PWM）87C196MC单片机提供了两个脉宽调制单元（PWM）,它是独立于波形发生器之外的。输出周期固定、脉冲宽度可调的脉冲。在PWM方式下，其分辨率为8位。即1/256。每个通道输出的占空比是可通过各自的8位周期寄存器编程的。另外，在脉宽调制单元内还有一个8位计数器，两个8位PWM比较寄存器。PWM的输出由波形发生器的输出控制寄存器控制。PWM信号经平滑滤波后，可变为模拟信号，实现高精度的8位D/A转换。（3）A/D转换器87C196MC单片机具有7个I/O口，端口号为0到6。每个端口

48、的管脚功能都是复用的，即可做位标准口又可产生特殊信号。除了口1是5位的外，其它口都是8位的。口0，1和2由特殊功能寄存器（SFR）控制，并且可通过寄存器空间的一个窗口由RALU直接寻址。口0和口1既可用做13个通道的A/D转换输入，又可用做一般的数据输入。口2可设置成标准的I/O口或用做特殊功能引脚。口6位脉宽调制单元（PWM）和波形发生器（WG）的输出口。口3,4和5是存储器的映像，不能做为窗口使用。一般将口3和口4用做16位的地址/数据总线，特别是在外接存储器构成系统时尤为重要。口5可设置成标准I/O口或做为系统控制总线。4.3 87C196MC的特殊工作方式除了正常的运行方式外，87C1

49、96MC单片机还具有另外的几种特殊工作方式。这也是以往的芯片所不具备的，这一特点降低了芯片功耗，提高了芯片寿命和所构成系统的使用寿命。同时也为用户的开发利用提供了方便。芯片特殊的工作方式包括三种：空闲方式（IDLE）,停机方式（Powerdown）和电路仿真方式（ONCE）。在空闲方式下，CPU停止执行而外设时钟继续有效。此时电源功耗降至正常情况下的40%。该方式由执行IDLPD#1指令来进入。在停机方式下，所有内部时钟将停止（处于逻辑0状态）并且振荡电路关闭。如果Vcc继续维持有效，则寄存器空间，RAM和多数外设将保持其原值。此时功耗降低到芯片的电源漏泄电流仅为微安级。该方式由执行IDLPD

50、#2指令来进入。电路仿真方式ONCE(ON-Circuit-Emulation)对用户来讲是一种有效的测试方式。它主要用于对87C196MC内的EPROM独立编程，而无须将芯片从电路板的插座上拔下。另外，87C196MC还能设置成几种对EPROM的编程方式，其中实用的有三种：1.自动编程方式，它使得单片机能自己编程而无须特殊的EPROM编程器。2从编程方式，它提供了一个用EPROM编程器编程的标准接口和一种检验ROM中内容的方法。3实时编程方式，它允许用户在软件控制下，在正常程序执行期间对每个EPROM单元编程。与其他方式不同，实时编程方式的完成没有进入一般的EPROM编程方式。87C196M

51、C的外围电路复位电路87C196MC是低电平复位的单片机，其复位电路图如下图4-2复位电路RESET:芯片复位信号。此信号至少要保持16个状态周期的低电平时才能使芯片复位。正常运行时该引脚为高电平。RESET内部具有1Q的上拉电阻。442晶振电路XTAL1:晶振振荡电路的反向输入，输入到内部时钟发生器。用外部时钟源时采用此引脚。XTAL2:晶体振荡电路的反向输出。XTAL1XTAL2115MHz2CpF图4-387C196MC的晶振连接电路显示电路单片机87C196MC的电源电压Vcc为+5V，Vss:数字地，共有三个引脚，都必须接地。ANGND:A/D转换器的参考地，通常和Vss相同。数码管

52、显示的是电动机的转速，PORT3,PORT4（即AD00到AD15）:这些引脚是具有很大的上拉电阻和具有漏极开路输出的8位双向I/O口。一般用做复用的地址/数据总线。显示电路的连接如图4-4所示，AJXIOAM1AH2AW3ADC4AM5KW7AMSAH?AI1QAD11AGNDs图4-4显示电路87C1SN5MC本设计中数码管的型号为7SEG-MPX4-CC四个共阴二极管显示器，共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上,当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字

53、段就不亮。数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms,由于人的视觉

54、暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。数码管使用时的电流：静态时，推荐使用10-15mA;动态时，16/1动态扫描时，平均电流为4-5mA，峰值电流50-60mAo4.4.4 设计中显示的驱动由NPN型三极管9013进行驱动。9013的主要参数如下：集电极-发射极电压25V;集电极-基电压45V;射极-基极电压5V;集电极电流0.5A;耗散功率0.625W;结温150C;特怔频率最小150MHZ;放大倍数：D64-91E7

55、8-112F96-135G122-166H144-2201190-300（半导体三极管的放大倍数每管都不完全一样，因为晶体管参数的离散性很大，不象真空电子管的批次产品参数离散性很小，参数稳定。）0WFG发出脉冲的隔离电路87C196MC单片机的最为显著的特点就是具有一个波形发生器（WFG），它能产生3对完美的脉宽调制信号，因此特别适合于对交流电机的控制，也能控制无电刷直流电动机以及完成直流到交流的转换。这一功能在工业控制领域具有广泛的应用前景，故而Intel87C196MC推出便受到普遍的关注和欢迎。通过P6口直接输出的六路SPWM信号，驱动电流可达20mA,驱动信号频率可达8MHz，波形发生

56、器（WFG）的每个信号都可独立编程，具有很大的应用灵活性。通过编程设置死区互锁时间，防止同一桥臂上、下两个功率管同时导通而造成短路。在使用16MHz晶振时，死区时间可设定在0.125到125us之间。本文设计了采用光耦（6N137）的快速隔离驱动电路，光电耦合器件结构简单、使用方便，利用电-光-电转换来完成隔离功能，IPM要求光电耦合器的电流传输比CTR不能小于15%，而6N137的电流传输比最小为20%。由于IPM驱动电路要求开关信号的延迟时间再0.5us以内，因此器件采用了快速光耦。为提高控制信号的传输速度，选用逻辑门光电耦合器件6N137o该器件隔离电压高、共模抑制强、速度快等特点。6N

57、137的供电电源是+5V，而驱动电源也是+5V，隔离电压为3kV，频率在10MHz以上。C4的作用是保持电源平稳，修正线路的阻抗。PWM输入信号侧为了防止信号振荡加了RC滤波电路，同时PWM输入信号与光耦之间信号传输通过三极管来隔离，增加它的抗干扰能力。+5VR85.1KQ150土CIOO.luFU16N137R2O_IK图4-5WFG的隔离电路44587C196MC的最小系统INTEL87C196MC33K21soC322uFR42931伽P5j6/READALEWEHTIMT条KTAL1XTAL2P6JP2j6皿P討P23PUpP21PM3ACW3acmAcmgACpojiP05wA0HT

58、VOAPDJACHBACH?ACH10ACH11WGJWO1wBHEWKBUSWAD14ADBADISytcAD12AD11AD1ADO?AD0AD07ADQ6ADOJAD04ADOSAD02AD01AD00RESETNMA砸富VtcWG-3WO3W526059575655复53R901C4J35DTuF+5VT1AiJ9C229pFc叩2QpF16MH2KTALt5V图4-687C196MC的最小硬件电路图值得注意的是所有未使用的输入引脚都必须接到Vcc或Vss,如这些引脚被浮置，它们可能出于某一中间电压电平并引起很大的噪声。有些引脚如NMI或EXTINT还会产生伪中断（图中为了看起来简洁而

59、没接到Vcc或Vss上）。BUSWIDTH（P5.7）为总线宽度选择引脚。若CCR.0=CCR.1=1,则该引脚在程序运行过程中动态地选择总线宽度。若CCR.0和CCR.1某一位位0另一位为1,则在BUSWIDTH为低时，产生8位总线宽度。在BUSWIDTH为高时，产生16位总线宽度。该引脚在不用做BUSWIDTH功能时，用做标准I/O口引脚。NMI:外部非屏蔽中断。该引脚输入一个高电平时，将产生一个不可屏蔽的中断，中断向量的地址为203EH。它仅在Intel公司系统开发与测试时用。如果不使用该引脚，则应将它连到Vss上。446系统的控制按键系统的控制按键有起停按键、正反转按键和速度给定按键。

60、当起停键第一次按下时，单片机将输出6路PWM波进行逆变，从而使电机开始运转。当起停键再次按下时，单片机将禁止PWM波的输出，从而电机停机。当正反转按钮按下时，单片机通过控制PWM的输出波形，使三相交流电机的两相电流反向来到达使电机正反转的目的。速度给定键的输入电压与单片机的基准电压经过比较计算后可得电机的转速。4.5系统的检测电路检测电路有测速电路和测流电路两部分组成。测速电路的设计测速部分也是本设计一个不可活缺的组成部分，设计人为了知道电机的转速是否符合设计的期望值。这时候就需要用一个原件来测量电机的转速。测速电机和光电码盘都是常用的测速器件。测速电机测速发电机是一种测量转速的信号元件，它将

61、输入的机械转速信号变换为电压信号输出。这就要求测速发电机的输出电压与转速成正比的关系。测速发电机一般用来测量和调节转速，或将它的输出电压反馈到电子放大器的输入端以稳定转速。测速发电机按电流种类可分为直流和交流测速发电机两种。（1）交流测速发电机交流测速发电机分同步式和异步式两种，同步测速发电机又可分为永磁式、感应式和脉冲式三种。永磁式交流测速发电机实质上就是一台单相永磁转子同步发电机。异步式测速发电机的结构和两相交流伺服电动机类似。现以异步式测速发电机为例，介绍其工作原理。异步式测速发电机的定子上装有两个绕组，一个称为励磁绕组，外加稳频稳压的交流电源激磁：另一个称为输出绕组，其两端的电压即为测速发电机的输出电压。定子的两个绕组的轴线互相垂直，在空间上相隔90其原理如图4-7所示。它的转子一般为杯形转子，通常是由铝合金制成的空心薄壁圆筒。此外，为了减小磁场