一種數(shù)字控制SPWM逆變器的設(shè)計(jì)
王偉，尹真，黎昌浪
(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)
摘要：研究了一種數(shù)字控制逆變器，采用智能功率模塊Ps21865，減少了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高系統(tǒng)的可靠性。分析了單極性sPwM控制策略的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用場合，給出了基于轉(zhuǎn)速／電流雙閉環(huán)控制的sPwM閾制策略，完成了對直流變頻空調(diào)壓縮機(jī)的控制，并給出實(shí)驗(yàn)波形。
關(guān)鍵詞：sPwM逆變器；單極性；智能功率模塊；雙閉環(huán)控制
O引 言
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種逆變器在各行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。具有高速運(yùn)算能力的DsP的問世，使逆變器控制的全數(shù)字化成為現(xiàn)實(shí)，許多先進(jìn)的現(xiàn)代控制理論和方法在逆變器中得到應(yīng)用，使逆變器的穩(wěn)定性和可靠性大幅度提高。目前正弦脈寬調(diào)制技術(shù)SPwM是應(yīng)用****泛的技術(shù)。與PwM方波驅(qū)動(dòng)相比，正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和轉(zhuǎn)矩特性并無明顯變化，但是采用正弦波驅(qū)動(dòng)方式的無刷直流電動(dòng)機(jī)，具有效率高、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、噪聲低、響應(yīng)快、調(diào)速特性好、運(yùn)行可靠、控制特性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。sPwM制驅(qū)動(dòng)又可以分為單極性驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)兩種。雙極性驅(qū)動(dòng)適合于對效率沒有要求的高精度伺服應(yīng)用場合，而對于像家電這類對系統(tǒng)能效有較高要求而調(diào)速控制精度要求不是很高場合，更適合采用單極性驅(qū)動(dòng)。本文設(shè)計(jì)了一種數(shù)字控制逆變器，采用智能功率模塊和單極性sPwM控制策略，完成了轉(zhuǎn)速／電流雙閉環(huán)控制。
l逆變器電路設(shè)計(jì)
常用的電力電子全控型功率半導(dǎo)體器件有晶閘管、功率場效應(yīng)管、雙極型晶體管等。功率場效應(yīng)管具有開關(guān)速度高、電壓控制實(shí)現(xiàn)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但是器件導(dǎo)通時(shí)壓降較大，且電壓、電流容量相對較小；雙極型晶體管的優(yōu)缺點(diǎn)則正好與功率場效應(yīng)管的優(yōu)缺點(diǎn)相反。絕緣柵一雙極型復(fù)合晶體管(以下簡稱IGBT)是功率場效應(yīng)管與雙極型晶體管所形成的復(fù)合器件，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種大中型電力電子裝置當(dāng)中。
各種分立型功率器件需要設(shè)計(jì)專門的驅(qū)動(dòng)電路才能實(shí)現(xiàn)使器件工作在開關(guān)狀態(tài)并獲得較低的動(dòng)靜態(tài)損耗的效果，而隨著功率器件工作頻率不斷提高，分立元件固有的引線電感、寄生電容等對器件造成了更大的電應(yīng)力，主要表現(xiàn)為過電壓、過電流尖峰。本設(shè)計(jì)采用的IPM智能功率模塊是以IGBT為功率器件，并同時(shí)將驅(qū)動(dòng)電路和各種保護(hù)電路集成到同一模塊內(nèi)的新型混合集成電路，較好地解決了寄生電感和電容的影響。IPM模塊對電源電路和驅(qū)動(dòng)電路的引線設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化處理，所以浪涌電壓、門極振蕩、噪聲干擾等問題得到有效控制，能夠?qū)崿F(xiàn)更快的開關(guān)速度，降低系統(tǒng)的復(fù)雜性并提高系統(tǒng)的可靠眭。
本文控制系統(tǒng)的輸入電壓為220 V(AC)，整流以后的直流電壓****值為311 V(Dc)，控制對象為直流變頻空調(diào)壓縮機(jī)，其功率為800 w，該壓縮機(jī)電機(jī)的結(jié)構(gòu)為無刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)。考慮到系統(tǒng)的通用性和擴(kuò)展性，選擇了600 V／20 A的IPM模塊，型號(hào)為三菱公司的PS21865。圖1中的PS21865采用的是上橋臂IGBT管單獨(dú)配置驅(qū)動(dòng)電路，下橋臂三管共用驅(qū)動(dòng)電路的方式。這樣簡化了電路的設(shè)計(jì)，
同時(shí)在內(nèi)部電路設(shè)計(jì)時(shí)方便了布線。
圖1是逆變器功率電路原理圖，由于DsP是弱電部分，工作電壓僅為5 V，而盡管IPM的輸入信號(hào)與DsP的電平兼容，但是為了保護(hù)DsP以及弱電電路，在DSP和IPM之間使用了光電耦合器實(shí)現(xiàn)電氣隔離。本設(shè)計(jì)必須使用高速光電耦合器才能滿足驅(qū)動(dòng)信號(hào)變化迅速的要求，在此使用的是6N136，即圖中的ul～u6。而故障輸出則可以采用通用光電耦合器如Pc817，以降低成本。在圖1中，由于Ps21865輸入信號(hào)自帶有下拉電阻，因此在6N136后又接一級(jí)緩沖電路(采用集成總線緩沖器74Hc244)來驅(qū)動(dòng)IPM模塊工作。R10作為母線采樣電阻，采集母線電流，經(jīng)過由C1、R9構(gòu)成的低通濾波器送人PS21865。c2控制故障輸出的低電平寬度，一般取值為2．2 nF，對應(yīng)的時(shí)間為1．8 ms。
2單極性SPwM技術(shù)
sPwM逆變器，即期望其輸出電壓是純粹的正弦波形，那么，可以把一個(gè)正弦半波分成N等分，如圖2所示，然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)重合。這樣，由N個(gè)等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦的半周等效。同樣，正弦波的負(fù)半周也可用相同的方法來等效。
sPwM驅(qū)動(dòng)可以分為單極性驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)兩種。單極性驅(qū)動(dòng)是 |
