CN1013332B

CN1013332B - 采用微处理器的脉宽调制逆变器控制装置

Info

Publication number: CN1013332B
Application number: CN 88101216
Authority: CN
Inventors: 钟彦儒; 金东海
Original assignee: SHAAXI MECHANICAL ENGINEERING COLLEGE
Current assignee: SHAAXI MECHANICAL ENGINEERING COLLEGE
Priority date: 1988-03-06
Filing date: 1988-03-06
Publication date: 1991-07-24
Also published as: CN1035743A

Abstract

本发明用于控制交-直-交逆变器，对交流异步电动机进行变频调速。采用8085CPU等8位微处理器集成电路元件组成。可产生使电动机脉动转矩最小的优化PWM控制信号。可对死区时间td(逆变器同一桥臂两只功率元件延迟导通时间)引起的逆变器输出电压、电流波形畸变进行补偿，补偿电路只包括电动机-相电流的过零点检测，其余功能由应用软件完成。

Description

本发明属于可变频率的交流-直流-交流变换器，用于对交流电动机的变频调速。

本发明是对由可关断的电力电子元件组成的三相逆变器进行脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）的微处理器控制装置。组成逆变器的电力电子元件可以是大功率晶体管（GTR）、门极可关断晶闸管（GTO）或场效应晶体管（MOSFET）。

本发明也可用于不停电电流（UPS）或太阳能发电的PWM逆变器，产生符合用户要求的PWM控制信号。

在本发明做出之前，已有多种PWM逆变器控制装置发表，如：1.日本特许公报（B2）昭59-8152，正弦波逆变器（正弦波.ィニバ-タ）;2.Y.村井，具有开关延迟时间的PWM逆变器的波形畸变与其校正电路，IEEE-IAS-1985年会论文集P.436（Y.Murai，Waveform Distortion and Correction Circuit for PWM Inverters With Switching Lagtimes，Conference Record P.436，IEEE-IAS-1985 Annual Meeting）。

本发明设计了一种优化的PWM控制模式（Pattern），这种最优化是将PWM逆变器与所驱动的交流异步电动机作为一个整体考虑时所得到的，优化的结果是使电动机旋转时的震动最小，即脉动转矩最小。本发明采用8085CPU、8155、8212、2732、8253等集成电路组成一个最小微机系统，编制了应用程序，可产生最优化的PWM控制信号。采用对标准PWM控制信号修正的方法，来补偿由于死区时间td（为防止同一桥臂上两个GTR同时导通而使欲开通的一个GTR延时导通的时间也写作Deadtime）而引起的输出电压、电流波形畸变。由于设计了应用程序，使得只须检测电动机的一相电流过零点便可以达到对三相进行补偿的效果，这也是在以前各发明中所未见的。由于本发明对死区时间td补偿，使得电动机在低速运转时的性能得到提高。

本发明采用8085CPU及其他8位微处理机接口集成电路，实现对三相交流异步电动机的最优控制。

该控制信号通过驱动器驱动组成逆变器的电力电子元件，如GTR，使逆变器输出频率为3～60Hz（频率分辨率为0.25Hz）和3～120Hz（频率分辨率为0.5Hz）的三相交流电压，该电压可直接驱动三相交流异步电动机。输出的交流电压有效值V与输出频率f的关系，按电动机负载的不同要求，可按附图2的两种方式选择。附图2-a）适用于恒转矩负载，附图2-b）适用于风机和泵类的负载。

由于采用专用集成电路与8253计数器相配合，可以产生符合最优化要求的PWM信号，并使得实现这一功能的硬件费用减至最少。

附图1是本发明的工作原理框图。其中1是给定电路，2是A/D转换电路，3是8085CPU，4是8253计数器，5是Dead time形成电路，6是GTR的驱动电路，7是8155接口芯片，8是2732 EPROM，9是6116 RAM，10是瞬时过流的检测与保护电路，11是电动机电流检测电路。

附图2是PWM逆变器输出电压V与输出频率f之间的关系图，使用时可在a）和b）间任一选择。

附图3是对本发明依据的计算公式说明。

附图4是本发明应用程序中主程序的流程图。

附图5是应用程序中中断服务程序SUB75的流程图。

附图6是主程序中防止在N＝fs/fo切换时电动机发生冲击的程序流程图。

附图7是死区时间td形成的原理图。

附图8是死区时间td对电压波形畸变影响的说明。

附图9是本发明对死区时间td补偿的原理说明。

附图10是本发明补偿死区时间td的有关程序流程图。

附图是本发明一实施例。现结合附图对本发明的工作原理加以说明：

本发明按式（1）计算PWM的模式：

其中T是载波的1/2周期，△t′、△t″分别是所选择的两个非零空间电压矢量（在附图3中是V₆和V₂）在T内持续的时间，△t′′′是两个零空间电压矢量V₀和V₇分别在T内的持续时间。△Φ＝ω₁T，ω₁为PWM逆变器输出电压中基波角频率。W_m为PWM逆变器输出相电压基波的最大值，V_dc为PWM逆变器直流输入电压值。

由式（1）计算出的△t′、△t″、△t′′′适合于产生60°内的三相PWM脉冲。但只要在每60°内选择不同的空间电压矢量，便可以形成完整的360°三相PWM脉冲。在应用程序中设置了一个标志PHAS（PHAS＝6，5，4，3，2，1）来区分一个周期中的6个60°，各个PHAS中有相应的空间电压矢量与之对应，在附图5的中断服务程序SUB75中表示了按PHAS选择空间电压矢量。

本发明的应用程序主要包括主程序（流程图为附图4）与中断服务程序SUB75（流程图为附图5）。下面结合附图4、附图5，对主程序和中断服务程序的功能说明如下：在主程序中通过A/D转换电路2读入给定的频率值fo，然后按（1）式计算出60°内的各个△t′、△t″、△t′′′，再转换成计数器8253对应的计数值、控制8253计数输出PWM脉冲。所计算的8253的计数值，存贮在RAM中的表格TABL1或TABL2中。TABL1或TABL2之一是当前工作的TABLE，另一是备用TABLE，供新的计数值写入。中断服务程序SUB75在每1/2fs（fs为逆变器的载波频率）内执行一次，按PHAS值选择空间电压矢量，也就是选择8253的通道，将TABLE中的计数值装入所选择的8253通道，8253计数后产生PWM脉冲。

如果给定频率fo变化，新的计数值将在主程序中计算出并写入备用TABLE中，并将标志READY置1来通知子程序SUB75。在每60°的最后一次中断程序SUB75中检测READY是否为1，如果READY＝1，则将备用TABLE更换为工作TABLE，完成输出电压频率的切换。TABL1与TABL2交替为工作TABLE。

本发明中载波频率fs与输出电压频率fo之间是同步的，并且二者之比N＝fs/fo随fo变化。N＝3（2n+1），n＝0，1，2……可自动选择。为防止在变频过程中N切换时频率变化不连续而电动机发生冲击，设计了防冲击程序，如附图6所示。

上述的PWM逆变器控制装置，其特征在于采用主程序、中断子程序SUB75等应用程序来配合硬件电路，在线计算PWM模式，完成变频控制，并且防止了在N＝fs/fo切换时可能产生的电动机的冲击。

为了防止逆变器同一桥臂上两只GTR同时导通，对PWM脉冲附加延时导通时间（也称死区时间）td是必须的。本发明具有一个由单稳态集成元件74LS123、集成D触发器74LS74和与门、或非门组成的td形成电路，如附图7-a）所示，附图7-b）是其工作原理说明。单稳元件74LS123控制74LS74D触发器的翻转，使其Q端产生一个与D端波形相同但滞后td的信号，用与门和或非门组合Q端波形与D端波形，可以形成逆变器同一桥臂上两个GTR的控制信号，带有滞后时间td。调节单稳态电路的R、C参数可以改变td的大小。

为了防止桥臂的短路，死区时间td是必不可少的。但td的引入也带来逆变器输出电压、电流波形畸变的问题，附图8用以说明td引起的逆变器输出电压波形畸变。附图8-a）中12是逆变器，13是电动机，14是td形成电路，15是PWM控制器，PWM控制器15产生最优化PWM脉冲y_u、y_v、y_w，经14后形成带有td的y_u'、y_v'、y_w'，再经功率驱动电路（图8-a）中未画出）去驱动逆变器中GTR的基极。逆变器输出的理想电压波形应与控制器15的输出y_u、y_v、y_w形状相同，如附图8-b）所示。但是当i_u＜0时，当GTRT⁺ _u从导通变为关断，T^- _u从关断到导通时会产生输出电压波形畸变，如附图8-b）所示。这是因为T⁺ _u虽关断，但i_u＜0经续流二极管D⁺ _u形成通路，输出电压仍是+E。直至经过td后T^- _u导通，输出电压才变为0。这样输出电压就在后沿增加了宽度为td，高为E的一块面积。当i_u＞0时，在T^- _u从开通到关断，T⁺ _u从关断到开通，输出电压波形也会发生畸变。因为i_u＞0，T^- _u虽关断，但D^- _u续流，输出电压仍是0，直至T⁺ _u导通输出电压才变为+E，其前沿缺少宽度为td，高为E的一块面积。电压波形畸变必然引起电流的畸变，造成电动机运转时震动增加。td引起的波形畸变程度与PWM逆变器的载波比N＝fs/fo有关，载波比N越大，td引起的波形畸变越严重。td的大小也直接与波形畸变程度相连系。所以常用二者乘积N·td来描述td引起的波形畸变程度。若不对td引起的电压畸变进行补偿，则电动机在低速运转时会产生很大的震动与噪音。

在已经发表的对td进行补偿的方案中（日本特许公报（B2）昭59-8152，正弦波逆变器;Y.村井，具有开关延迟时间的PWM逆变器的波形畸变与其校正电路，IEEE-IAS-1985年会论文集P.436），都需要增加两部分硬件：1.对三相电流i_u、i_v、i_w进行过零检测的装置，包括电流互感器与过零检测电路。2.根据i＜0或i＞0修正y_u′、y_v′、y_w′控制信号的电路。本发明针对上述发明电路复杂、制造成本高而提出一种新的补偿由于死区时间td引起的电压、电流波形畸变的方案。在本发明中：补偿电路的硬件部分是只对电动机-相电流的过零点进行过零检测的过零检测电路，根据对称性，电动机其余两相电流的过零点用编制的应用程序计算出，这样电流过零检测部分的成本可减少67%;采用对标准PWM控制信号修正的方法，对y_u′、y′_v、y′_w的修正在程序中实现，如附图9、附图10所示，完全省去了相应的硬件电路，节省了此部分费用。在达到同样补偿效果的情况下，本发明只保留了必不可少的一相电流过零检测电路，因而成本低。

本发明对死区时间td引起的电压、电流波形畸变进行补偿，是采用对所产生的标准PWM控制信号修正的方法。即当电动机电流（以u相电流i_u为例）i_u＜0时，修正所产生的u相PWM信号y_u，将其后沿向前移动td宽度，当i_u＞0时，修正y_u的前沿，将其前沿向前移td宽度。这样，本发明产生如附图8-c）所示的y_u、y_v、y_w控制信号，加上td后为y'_u、y'_v、y'_w，去控制逆变器。对td补偿后的结果如图8-c）所示。

附图9为N＝fs/fo＝9，逆变器输出电流i滞后的相位角Φ＝30°～90°情况下，按本发明的对标准PWM控制信号修正的方法，对PWM控制信号y_u、y_v、y_w的前、后沿修正的说明。在检测到i_u过零点后，根据程序中的标志PHAS与子程序SUB75中断的次数可以确定i_v、i_w的过零点。控制写入8253的计数值即可以使y_u、y_v、y_w的前沿或后沿移动，输出如附图8-c）所示的信号。

本发明不对TABLE中的数据进行修正，而是在子程序SUB75中判断i＜0或i＞0，根据PHAS的值和SUB75中断的次数，来判断是y_u（或y_v、y_w）的前沿或后沿，取出TABLE中的计数值，减去td后写入8253计数器。完成修正y_u、y_v、y_w的程序如附图10所示。

Claims

1、一种采用微处理器的脉宽调制逆变器控制装置，由8085CPU通过A/D转动电路读入给定电路给出的逆变器输出频率设定值，计算出PWM脉冲宽度计数值送入8253计数器，8253计数器的定时脉冲送至死区时间(td)形成电路，带有死区时间(td)的PWM脉冲送至GTR驱动电路放大后形成的GTR基板驱动脉冲，送至GTR(T⁺ _M、T^- _μ、T⁺ _V、T^- _V、T⁺ _W、T^- _W)，使逆变器输出相应于给定频率的PWM脉冲电压，本发明的特征在于：

a)具有一个由单稳态集成元件(74LS123)、集成D触发器(74LS74)和与门、或非门组成的死区时间(td)形成电路，单稳元件(74LS123)控制D触发器(74LS74)的翻转，使其Q端产生一个与D端波形相同但滞后(td)的信号，用与门和或非门组合Q端波形与D端波形，形成带有滞后时间(td)的逆变器同一桥臂上两个GTR的控制信号，用调节单稳态电路的R、C参数来改变(td)的大小；

b)采用了一种补偿由于死区时间(td)引起的电压、电流波形畸变的技术，设置了只对电动机-相电流的过零点进行过零检测的过零检测电路，根据对称性，电动机其余两相电流的过零点由应用程序(包括主程序和中断服务程序SUB75)计算出，即在(SUB75)子程序中检测到电流(i_u)过零点后，根据程序中的标志(PHAS)与子程序(SUB75)中断的次数，确定电流(i_v、i_w)的过零点。

2、根据权利要求1所述的脉宽调制逆变器控制装置，其特征在于，配置的应用程序，在主程序中，通过A/D转换电路读入给定的频率值（f₀），然后计算出60°内的各个时间间隔（△t′、△t″、△t′″）再转换成计数器（8253）对应的计数值，控制8253计数器输出PWM脉冲，8253的计数值存贮在RAM中的表格TABL₁或TABL₂中，TABL₁、TABL₂之一是当前工作的TABLE，另一个是备用的TABLE，供新的计数值写入;中断服务程序（SUB75）在每个时间（1/2f_f）（f_s为逆变器的载波频率）内执行一次，按PHAS值选择空间电压矢量，也就是选择8253的通道，将TABLE中的计数值装入所选择的8253通道，8253计数后产生PWM脉冲。

3、根据权利要求1所述的脉宽调制逆变器控制装置，其特征在于，采用应用程序来配合硬件电路，在线计算PWM模式，完成变换控制，在主程序中调用防止在载波比（N＝f_f/f_o）切换时产生的电动机冲击的防冲击程序。

4、根据权利要求1所述的脉宽调制逆变器控制装置，其特征在于，所述的补偿由于死区时间（td）引起的电压、电流波形畸变的技术：在子程序（SUB75）中判断电流（i＜0或i＞0），根据PHAS的值的SUB75中断的次数，来判断是脉冲（y_u）（或y_v、y_w）的前沿或后沿，取出TABLE中的计数值，减去死区时间（td）后写入8253计算器，即使脉冲（y_u、y_v、y_w）的前沿或后沿移动，补偿死区时间（td）引起的电压、电流畸变。