PWM型变频器的基本控制方式

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通用的PWM型变频器是一种交—直—交变频，通过整流器将工频交流电整流成直流电，经过中间环节再由逆变器将直流电逆变成频率可调的交流电，供给交流负载。异步电动机调速时，供电电源不但频率可变，而且电压大小也必须能随频率变化，即保持压频比基本恒定。

PWM型变频器一般采用电压型逆变器。根据供给逆变器的直流电压是可变的还是恒定的，变频器可分成两种基本控制方式。

(1)变幅PWM型变频器这是一种对变频器输出电压和频率分别进行调节的控制方式，其基本电路如图3-3所示。中间环节是滤波电容器。

图2-3 变幅PWM型变频器

晶闸管整流器用来调压，与一般晶闸管调压系统一样，采用相位控制，通过改变触发脉冲的延迟角α来获得与逆变器输出频率相对应的不同大小的直流电压。逆变器只作输出频率控制，它一般是由6个开关器件组成，按脉冲调制方式进行控制。

图3-4所示是另一种直流电压可调的PWM变频电路。它采用二极管不可控整流桥，把三相交流电变换为恒定的直流电。分立斩波器电路，来改变输出直流电压的大小，通过逆变器输出三相交流电。

图2-4 利用斩波器的变频电路图

以上两种调压式变频电路，都需要两极可控功率级，相比较，采用晶闸管整流桥可以获得更大功率的直流电，由于可控整流桥采用相位控制，输入功率因数将随输出直流电压的减小而降低；而斩波式调压，输入功率变流级采用的是二级管整流桥，所以输入端有很高的功率因数，代价是多了一个斩波器。另外，就动态响应的快速性来说后者比前者好。

(2)恒幅PWM型变频器

恒幅脉宽调制PWM式变频电路如图3.3所示，它由二极管整流桥，滤波电容和逆变器组成。逆变器的输入为恒定不变的直流电压，通过调节逆变器的脉冲宽度和输出交流电压的频率，既实现调压又实现调频，变频变压都是由逆变器承担。此系统是目前使用较普遍的一种变频系统，其主电路简单，只要配上简单的控制电路即可。它具有下列主要优点：

1）简化了主电路和控制电路的结构。由二极管整流器对逆变器提供恒定的直流电压。在PWM逆变器内，在变频的同时控制其输出电压。系统只有一个控制功率级，从而使装置的体积小，重量轻，造价低，可靠性好。

2）由二极管整流器代替晶闸管整流器，提高了装置的功率因数。

3）改善系统的动态性能。PWM型逆变器的输出功率和电压，都在逆变器内控制和调节。因此，调节速度快，调节过程中频率和电压配合好，系统动态性能好。

4）对负载有较好的供电波形。PWM型逆变器的输出电压和电流波形接近正弦波，从而解决了由于以矩形波供电引起的电动机发热和转矩降低问题，改善了电动机运行性能。

图2-5 PWM型逆变器

但PWM型逆变器也有如下缺点：

1）在调制频率和输出频率之比固定的情况下，特别是在低频时，高次谐波影响较大，因而电动机的转矩脉动和噪声都较大。

2）在调制频率和输出频率之比作有级变化的情况下，往往使控制电路比较复杂。

3）器件的工作频率与调制频率有关。有些器件的开关损耗和换相电路损耗较大，而且需要采用导通和关断时间短的高速开关器件。

2.2.2 PWM型逆变器的基本工作原理

如图3-6所示为单相逆变器的主电路，其波形如图3.5所示。PWM控制方式是通过改变电力晶体管VT1、VT4和VT2、VT3交替导通的时间来改变逆变器输出波形的频率；改变每半周期内VT1、VT4或VT2、VT3开关器件的通、断时间比，即通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压幅值的大小。

图2-6 单相逆变器（0为直流电源的理论中心点）

（a）180°通电型输出方波电压波形

（b）脉宽调制型逆变器输出波形

图2-7 电路的波形

如果使相应开关器件在半个周期内反复通、断多次，并使每个输出矩形脉冲电压下的面积接近于对应正弦波电压下面积，则逆变器输出电压就将很接近于基波电压，高次谐波电压将大为削减。若采用快速开关器件，使逆变器输出脉冲数增多，即使输出低频时，输出波形也是比较好的。所以PWM型逆变器特别适用于异步电动机变频调速的供电电源，实现平滑起动、停车和高效率宽范围调速。 3 SPWM控制的变频调速系统

3.1 SPWM控制的变频调速系统组成

基于SPWM控制的变频调速系统组成如图2-1所示。

控制电路——当今，PWM变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆

变器工作的SPWM信号，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的SPWM信号。微机芯片主要采用8位或16位的单片机，或用32位的DSP。本课题选用了STC89C52RC高性能单片机。

STC单片机发出的SPWM信号控制各开关器件轮流导通和关断，可使输出端得到三相交流电压。在某一瞬间，控制一个开关器件关断，同时使另一个器件导通，就实现了两个器件之间的换流。

以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。

图3-2 SPWM波形控制原理

按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。

⏹ 如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，

所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。 ⏹ 如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM

波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。

uU-U

图3-3 一周期单极性SPWM波形

3.2 SPWM波形的单片机实现

波形数据的实时计算：由于PWM变压变频器的应用非常广泛，已制成多种专用集成电路芯片作为SPWM信号的发生器，后来更进一步把它做在微机芯片里面，生产出多种带PWM信号输出口的电机控制用的8位、16位微机芯片和DSP。本文主要采用8位STC单片机实现单相SPWM信号。

方法：事先在计算机内存中存放正弦函数和Tc /2值，控制时查出正弦值，与调速系统所需的调制度M作乘法运算，再根据给定的载波频率查出相应的Tc /2值，由计算公式计算脉宽时间和间隙时间。

3.2.1 SPWM控制方案

SPWM控制方案有两种：即单极性调制和双极性调制法。单极性法所得的SPWM信号有正、负和0三种电平，而双极性得到的只有正、负两种电平。比较二者生成的SPWM波可知：在相同载波比情况下，生成的双极性SPWM波所含谐波量较大；并且在正弦逆变电源控制中，双极性SPWM波控制较复杂。因此一般采用单极性SPWM波控制的形式。

由单片机实现SPWM控制，根据其软件化方法的不同，有如下几种方法：自然采样法、对称规则法、不对称规则法和面积等效法等。理论分析发现面积等效法相对于其它方法而言，谐波较小，对谐波的抑制能力较强。而且实时控制简单，利于软件实现。因此本文采用面积等效法实现SPWM控制。

（1）正弦波PWM调制原理

调制信号为正弦波的脉宽调制叫做正弦波脉宽调制（SPWM），产生的脉宽调制波是等幅而不等宽的脉冲列，脉宽调制的方法很多，从脉宽调制的极性上看，有单极性和双极性之分；从载波和调制波的频率之间的关系来看，又有同步调制、异步调制和分段同步调制。

图3-5所示为双极性脉宽调制波形，图中三角波ur为载波，正弦波uC为调制波，当载波与调制波曲线相交时，在交点的时刻产生控制信号，用来控制功率开关器件的通断，就可以得到一组等幅而脉冲宽度正比于对应区间正弦波曲线函数值的矩形脉冲ud。

uuU -U图3-5 双极性脉宽调制波形

SPWM逆变器输出基波电压的大小和频率均由调制电压来控制。当改变调制电压的幅值时，脉宽随之改变，即可改变输出电压的大小；当改变调制电压的频率时，输出电压频率随之改变。但正弦调制波最大幅值必须小于三角波的幅值，否则输出电压的大小和频率就将失去所要求的配合关系。

在实行SPWM脉宽调制时，同步调制和异步调制优缺点如下：

①同步调制 在同步调制方式中，载波比N等于常数，变频时三角载波的频率与正弦调制波的频率同步改变，因而逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数是固定不变的。如果取N为3的倍数，则同步调制能保证输出波形的正、负半波始终保持对称，并能严格保证三相输出波形间具有互差120o的对称关系。当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使电机产生较大

的脉动转矩和较强的噪声。

②异步调制 异步调制是逆变器的整个变频范围内，载波比N不等于常数。一般在改变调制信号频率时保持三角载波频率不变，因而提高了低频时的载波比。这样输出电压半波内的矩形脉冲可随输出频率的降低而增加，相应的可减少电机的转矩脉动与噪声，改善了系统的低频工作性能。

异步调制方式的缺点是当载波比N随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是3的倍数，势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电机工作不平稳。

③混合调制 混合调制综合了上面两种方法的优点，把整个变频范围划分为若干频段，在每个频段内都维持载波比N恒定，而对不同的频段取不同的N值，频率低时，N取大些，一般大致按等比级数安排。

（2）SPWM信号的产生

产生SPWM调制信号主要有三种方法：

1采用分立元件的模拟电路法，缺点是精度低、稳定性差、实现过程复杂以○

及调节不方便等，该方法目前基本不用。

2采用专用集成电路芯片产生SPWM信号，如常用的HE4752芯片等这些○

芯片的应用使变流器的控制系统得以简化，但由于这些芯片本身的功能存在不足之处，致使它们的应用受到限制。

3单片机数字编程法，其中高档单片机将SPWM信号发生器集成在单片机○

内，使单片机和SPWM信号发生器容为一体，从而较好地解决了波形精度低、稳定性差、电路复杂、不易控制等问题，并且可以产生多种SPWM波形，实现各种控制算法和波形优化。

（3）SPWM的数字控制

数字控制是SPWM目前常用的方法。可以采用微机存储预先计算好的SPWM数据表格，控制时根据指令查表得到数据进行运算；或者通过软件实时生成SPWM波形；也可以采用大规模集成电路专用芯片产生SPWM信号。下面介绍几种常用SPWM波形的软件生成方法：

1自然采样法按照正弦调制波与三角载波的交点进行脉冲宽度与间歇时间○

的采样，从而生成SPWM波形，叫做自然采样法，如图3.8所示，图中截取了

任意一段正弦调制波与三角载波一个周期的相交情况。交点A是发生脉冲的时刻，B点是结束脉冲的时刻。Tc为三角载波的周期；t1和t3是间歇时间；t2为AB之间的脉宽时间，Tc=t1+t2+t3。

图3-6 生成SPWM波形的自然采样法

若以单位量1表示三角载波的幅值Utm，则正弦调制波的幅值就是调制度M，正弦调制波可写作

uM=Msinω1t

式中，ω1是调制波频率，即逆变器输出频率。

由于A、B两点对三角载波的中心线的不对称性，须把脉宽时间t2分成两部'''分t2与t2。按相似直角三角形的几何关系，可知

2

Tc2

2

Tc2

经整理得

'''t2=t2+t2==1+Msinω1tA 't21+Msinω1tB ''t2=Tc

2⎡M⎤()1+sinωt+sinωt1A1B⎥ ⎢2⎣⎦

这是一个超越方程，实时计算很困难。因此，自然采样法虽能确切反映正弦脉宽，却不适于微机实时控制。

若变频调速系统用于三相异步电动机调速还应形成三相的SPWM波形。即使三相正弦调制波在时间上互差2π3，而三角载波是共用的，这样就可在同一

个三角载波周期内获得图3-7中所示的三相SPWM脉冲波形。

图3-7 三相SPWM波形

在图3-7中，每相的脉宽时间ta2、tb2和tc2都可用公式（3-4）计算，即

ta2=

tb2=

tc2

三相脉宽时间的总和为 Tc(1+Msinω1te+120︒) （3-6） 2T=c(1+Msinω1te+240︒）2

3Tc （3-7） 2

3Tc （3-8） 2Tc(1+Msinω1te)2ta2+tb2+tc2=三相间歇时间总和为 ta1+tb1+tc1+ta3+tb3+tc3=3Tc-(ta2+tb2+tc2)=

在数字控制中用计算机实时产生SPWM波形就是基于上述的采样原理和计算公式。一般可以离线先在通用计算机上算出相应的脉宽t2后写入EPROM，然后由调速系统的微机通过查表和加减运算求出各相脉宽时间和间歇时间，称为查表法。也可以在内存中存储正弦函数和Tc2值，控制时先取出正弦值与调速系统所需的调制度M做乘法运算，再根据给定的载波频率取出对应的Tc2值，与Msinω1te做乘法运算，然后运用加、减、移位既可算出脉宽时间t2和间歇时间t1和t3,即实时计算法。按查表法或实时计算法所得的脉冲数据都送入定时器，利

用定时中断向接口电路送出相应的高、低电平，以实时产生SPWM波形的一系列脉冲。对于开环控制系统，在某一给定转速下某调制度M与频率ω1都有确定值，所以宜采用查表法。对于闭环控制的调速系统，在系统运行中调制度M值须随时被调节，所以用实时计算法更为适宜。

2面积等效法 ○

正弦波S1面积为：

图3-8 SPWM面积法

UNπsinωtdt=Umk-1π-coskπ] mk-1πωNNN

逆变器输入直流电压为Ud，脉冲面积S2与S1相等，即有： δkUd=kUm

ω[cosk-1kπ-cosπ] NN

所以第k个区间的脉冲宽度δk

δkUd=Umk-1k[cosπ-cosπ] ωUdNN

M =ω[cosk-1kπ-cosπ] NN

式中：M为调制度。N为半个周期内的脉冲个数。考虑载波比、输出谐波等因素，本文取N=25、26、50。由上式计算出的SPWM脉宽表是一个由窄到宽、再由宽到窄的N个值的正弦表，将其存入STC单片机的ROM中以供调用。

3.2.2 SPWM控制波形的STC89C52单片机实现

1）STC89系列单片机的优点及特性

选择STC单片机的理由：降低成本，提升性能，原有程序直接使用，硬件无需改动。可以选用PLCC，PQFP小型封装，3.3V工作电压单片机，用STC提供的STC-ISP.exe工具将原有的代码下载到STC相关的单片机即可，或用通用编程器编程。

图3-9 STC单片机结构图

STC单片机的优点：

1超低功耗： ○

A掉电模式：典型功耗 0.5uA，可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序

B空闲模式：典型功耗 2mA

C正常工作模式：典型功耗 4mA-7mA

2超强抗干扰： ○

A I/O口 输入/输出口经过特殊处理，很多干扰是从I/O进去的，每个I/O均有对VCC/对GND二极管箝位保护。

B电源 单片机内部的电源供电系统经过特殊处理，很多干扰时从电源进去的

C时钟 单片机内部的时钟电路经过特殊处理，很多干扰从时钟部分进去的

D看门狗 单片机内部的看门狗电路经过特殊处理，打开后无法关闭，可放心省去外部看门狗

E复位电路

单片机内部的复位电路经过特殊处理，很多干扰时从复位电路部分进去的，STC89C51RC/RD+系列单片机为高电平复位。推荐外置复位电路为

MAX810/STC810,STC6344,STC6345,813L,706P；也可用R/C复位，10uF电容/10k电阻，22Uf/8.2k等。

F宽电压，不怕电源抖动

G高抗静电（高ESD保护），轻松过2000V快脉冲干扰。

2）STC89C51RC/RD+系列单片机 管脚图 编译器及仿真器

STC单片机的管脚图：

图3-10 DIP封装

关于编译器/ 汇编器：

1任何老的编译器/ 汇编器均可使用Keil C51 中: Device 选择标准的○

Intel8052头文件包含标准的

2新增特殊功能寄存器如要用到，则用“s f r”及“sbit”声明地址即可 ○

3汇编中用“data”,或“EQU”声明地址 ○

关于仿真及仿真器：

1任何仿真器均可使用 ○

2老的仿真器仿真他可仿真的基本功能 ○

3新增特殊功能用ISP 下载看结果即可 ○

3）ISP下载编程及应用电路（针对C版单片机）

图3-11 STC单片机典型应用电路（89C51RC/RD+系列，C版）

关于/EA（/EA管脚已内部上拉到Vcc）

1如外部不加上拉,或外部上拉到Vcc,上电复位后单片机从内部开始执行○

程序;

2如外部下拉到地,上电复位后单片机从外部开始执行程序 ○

复位电路：

1阻容复位时,电容为10uF,电阻为10K; ○

2RC/RD+ 系列单片机C 版本，RESET 脚内部已有45k-100k 下拉电阻 ○

4）STC 89C51RC/RD+ 系列单片机在系统可编程的使用

将用户代码下载进单片机内部，不用编程器

图3-12 STC单片机在线编程线路, STC RS-232 转换器

STC89系列单片机大部分具有在系统可编程（ISP）特性，ISP 的好处是：省去购买通用编程器，单片机在用户系统上即可下载/ 烧录用户程序，而无须将单片机从已生产好的产品上拆下，再用通用编程器将程序代码烧录进单片机内部。有些程序尚未定型的产品可以一边生产，一边完善，加快了产品进入市场的速度，减小了新产品由于软件缺陷带来的风险。由于可以将程序直接下载进单片机看运行结果故也可以不用仿真器。

大部分STC89系列单片机在销售给用户之前已在单片机内部固化有ISP 系统引导程序，配合PC 端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，故无须编程器(速度比通用编程器快)。不要用通用编程器编程，否则有可能将单片机内部已固化的ISP 系统引导程序擦除，造成无法使用STC 提供的ISP软件下载用户的程序代码。

STC-ISP.exe 软件工作环境

已经固化有ISP引导码,并设置为上电复位进入ISP的STC89C51RC/RD+系列单片机出厂时就已完全加密,需要单片机内部的电放光后上电复位(冷起动)才运行系统ISP 程序。

图3-13 STC单片机程序下载环境

Step1/ 步骤1：选择你所使用的单片机型号，如STC89C58RD+,

STC89LE516AD 等

Step2/ 步骤2：打开文件，要烧录用户程序，必须调入用户的程序代码（*.bin, *.hex）

Step3/ 步骤3：选择串行口，你所使用的电脑串口，如串行口1--COM1, 串行口2--COM2,...

Step4/ 步骤4：设置是否双倍速，双倍速选中Double Speed 即可STC89C51RC / RD+ 系列可以反复设置 双倍速/ 单倍速STC89LE516AD 为单倍速，

STC89LE516X2 为双倍速,用户自己无法指定 双倍速/ 单倍速STC89C516RD 系列出厂时为单倍速，用户可指定设为双倍速，如想从双倍速恢复成单倍速，则需用通用编程器擦除整个晶片方可，这会将单片机内部已烧录的I S P 引导程序擦除。一般使用缺省设置即可，无须设置。OSCDN: 单片机时钟振荡器增益降一半选 1/2 gain 为降一半，降低EMI；选 full gain（全增益）为正常状态。

Step5/ 步骤5：选择“Download/ 下载”按钮下载用户的程序进单片机内部，可重复执行Step5/步骤5， 也可选择“Re-Download/ 重复下载”按钮

一般先选择“Download/ 下载”按钮，然后再给单片机上电复位(先彻底断电)，而不要先上电。

5）中断系统

RC/RD+ 系列8051 单片机 中断 特殊功能寄存器Interrupt SFRs。

中断与普通8052 完全兼容，优先级可设为4 级，另增加2 个外部中断INT2/P4.3,

INT3/P4.2。

6）看门狗的应用

适用型号: RC/RD+ 系列 8051 单片机 看门狗定时器 特殊功能寄存器 Watch Dog Timer SFR Symbol 符号Function 功能

EN_WDT 看门狗允许位, 当设置为“1 ”时，看门狗启动。

CLR_WDT 看门狗清“0 ”位, 当设为“1 ”时，看门狗将重新计数。硬件将自动清“0 ”此位。

IDLE_WDT 看门狗“I D L E ”模式位, 当设置为“1 ”时, 看门狗定时器在“空闲模式”计数；当清“0”该位时, 看门狗定时器在“空闲模式”时不计数。

看门狗溢出时间 = (N x Pre-scale x 32768) / 当在12 clock mode 时, N = 6, 当在6 clock mode 时设时钟为12MHz, 12时钟模式看门狗溢出时间 = (12 x

Pre-scale x 32768) / 12000000 = Pre-scale x 393216 / 12000000C，语言程序示例： #include

sfr WDT_CONTR = 0xe1;

void main()

{

WDT_CONTR = 0x34;

/* 0011,0100 EN_WDT = 1,CLR_WDT = 1, IDLE_WDT = 0, PS2 = 1, PS1 = 0, PS0 = 0 */

while(1){

display();

keyboard();

WDT_CONTR = 0x34; /* 喂狗, 不要用 WDT_CONTR = WDT_CONTR |

0x10;*/

}

}

用TX-1C单片机开发板实物图如下：