IGBT驱动电路的设计(周豪)

摘要近年来,交流电机变频调速及其相关技术的研究己成为现代电气传领域的一个重要课题,随着新的电力电子器件和微处理器的推出以及交流电机控制理论的发展，交流变频调速技术还将会取得巨大进步。本文对变频调速理论，逆变技术，几种PWM产生原理进行了研究，在此基础上设计了一种新型数字化变压变频调速系统，以8051控制专用集成芯片为核心，采用IGBT作为主功率器件，同时采用TLP250构成IGBT的驱动电路，整流电路采用二极管，可使功率因数接近1，并且只用一级可控的功率环节，电路结构比较简单。本文在控制上采用恒f/V控制，同时，软件程序使得参数的输入和变频器运行方式的改变极为方便，新型集成元件的采用也使得它的开发周期短。关键词：变压变频；8051；IGBT；恒f/VⅠ小容量异步电动机变压变频调速系统设计AbstractInrecentyears,researchhasACMotorandrelatedtechnologiesbecomeanimportanttopicinthefieldofmodernelectricaltransmission,alongwiththedevelopmentofnewpowerelectronicdevicesandmicroprocessoraswellasthelaunchofACmotorcontroltheory,ACvariablespeedtechnologywillalsomadegreatprogress.Inthispaper,thetheoryoffrequencycontrol,invertertechnology,severalPWMgenerationprinciplewerestudiedbasedonthisdesignofanewdigitalvariablevoltagevariablefrequencycontrolsystem,inordertocontrolspecificintegratedchip8051core,usingIGBTasthemainpowerdevices,whileusingtheIGBTdrivingcircuitconstitutedTLP250,arectifyingcircuitusingadiode,allowsthepowerfactorcloseto1,andonlypartofthepowerlevelcontrolled,thecircuitconfigurationisrelativelysimple.Inthispaper,theconstantf/Vcontrolinthecontrol,whilethesoftwareprogramenableschangingtheinputparametersandtheoperatingmodeisextremelyeasytodrive,thenewintegratedelementsalsomakesuseofitsshortdevelopmentcycle.Keywords:VVVF;8051;IGBT;constantf/VⅡ小容量异步电动机变压变频调速系统设计目录摘要.........................................................................................................ⅠAbstract..................................................................................................Ⅱ1.设计任务和要求...................................................................................11.1要求...............................................................................................11.2设计内容........................................................................................12.变压变频调速系统组成及分析...........................................................32.1主电路与驱动电路...........................................................................32.2信号采集与故障综合电路................................................................42.3微机数字控制电路..........................................................................42.4控制软件........................................................................................43.控制电路设计......................................................................................53.1控制电路原理图及分析...................................................................53.2驱动电路设计................................................................................53.3几种PWM控制方式的实现方法......................................................74.实验总结..............................................................................................105.成绩评定..............................................................................................116.答辩记录..............................................................................................12参考文献.................................................................................................13附录:六路pwm信号控制下的IGBT驱动电路第1页1设计任务与要求1.1要求设计一个变压变频调速系统，系统包括速度设定、速度显示、速度测量、速度控制、正反转控制、声光报警等，且根据交流异步电动机的容量采用由三相二极管整流桥、电容滤波、基于全控型开关器件IGBT或MOSFET的三相PWM逆变桥构成的主电路给异步电动机供电。已知：（1）异步电动机：额定容量PN=3KW，额定电压UN=380V，额定电流IN=6.9A，额定转速为nN=1400r/min，额定频率fN=50Hz，定子绕组Y联接。由实验测得定子电阻Rs=1.85Ω，转子电阻Rr=2.658Ω，定子自感Ls=0.294H，转子自感Lr=0.2898H，定、转子互感Lm=0.2838H，转子参数已折算到定子侧，系统转动惯量J=0.1284kg.m2。（2）变频电源主要技术指标：1）输入电压额定值：三相、380VAC、50Hz，2）效率：80%以上，3）额定输出容量：4KVA或250VA，4）额定输出电压：三相、380VAC，5）输出频率：5~400Hz，6）控制方式：开环恒压频比控制方式/转速闭环转差频率控制方式，CFPWM、SPWM、SVPWM脉冲产生方式。1.2设计内容（1）系统理论分析（2）系统总体结构设计（3）主电路设计（4）系统仿真分析利用Matlab/Simulink建立转速开环变压变频调速系统和转速闭环转差频率控制变压变频调速系统的仿真模型；对系统在电流跟踪式PWM、自然采样SPWM、规则采样PWM、SVPWM控制方式下，加与不加给定积分器的条件下，对变频器的输出电压和电流波形、电机的转速和转矩波形等进行仿真分析。（5）系统控制电路设计小容量异步电动机变压变频调速系统设计第2页1）单片机（51单片机或DSP）数字控制电路设计2）电压（2路交流电压、1路直流电压）采样电路3）电流（2路交流电压、1路直流电流）采样电路4）电网交流电压同步信号检测电路5）控制系统辅助供电电源电路6）PWM控制脉冲产生、光电隔离放大电路及驱动电路,毕答案,课件7）过流、过压、过温保护电路和泵升电压限制电路8）逻辑保护电路设计（4）系统软件设计1）系统总体设计2）主程序设计3）转速开环恒压频比控制软件设计4）M法、T法、M/T法测速程序5）转速PI控制算法程序6）电压和电流采样程序7）电流滞环控制程序8）键盘与显示程序9）过流、过压、过热故障检测与保护中断服务程序10）上位机监控软件设计（5）用Proteus软件进行系统软硬件仿真测试小容量异步电动机变压变频调速系统设计第3页2.变压变频调速系统组成原理图2-1变频器-异步电动机调速系统硬件结构图由图2-1可知，主电路部分380V的工频交流电经过进线电抗器进入到整流桥，至此交流电被整为直流电，经过大电容滤波，滤去一些高频谐波，再经过由IGBT组成的全控型逆变电路，整成直流，再进行一级滤波电路，供给异步电动机。控制电路部分由51单片机组成的核心部分对主电路实行控制，其中包括ADC/DAC、采样电路、同步信号检测电路、各种保护电路、驱动电路以及基本的单片机外围电路。本系统的控制方式有CFPWM、SPWM、SVPWM等，由51单片机编程实现，进而控制驱动电路来实现IGBT的通断，最后对异步电送机实现变压变频调速。详细的各部分介绍如下：2.1主电路与驱动电路主电路由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。为了避免大电容C在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻或电抗。T7和R3为泵升电压限制电路，由于二极管整流小容量异步电动机变压变频调速系统设计第4页器不能为异步电机的再生制动提供反向电流通路，因此除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时，异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容C充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压）升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。为便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。驱动电路的作用是将微机控制电路产生的PWM信号经功率放大后，控制电力电子器件的开通或关断，起到弱电控制强电的作用。2.2信号采集与故障综合电路电压、电流、温度等检测信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大等综合处理，再进入A/D转换电路，输入给CPU作为控制算法的依据，并同时用作显示和故障保护。2.3微机数字控制电路现代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PWM信号。微机芯片主要采用8位或16位的单片机，或用32位的D