基于matlan的三相正弦波变频电源的仿真设计

基于matlan的三相正弦波变频电源的仿真设计内容摘要：

流电源 即 可实现对功率IGBT 或 MOSFET 的最优驱动，还具有完善的保护功能。 这样 可以使整个第 12 页 共 34 页 驱动电路简单可靠。 (1) IR2130 驱动芯片的特点 IR2130 可用来驱动工作在母 线 电压不高于 600V 的电路中的功率 MOS门器件。 它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络，使用户可方便的用来 保护被驱动的 MOS 门功率管，加之内部自举技术的巧妙运用使其可用于高压系统，它还可对同一桥臂上下 2 个功率器件的门极驱动信导产生 2μs 互锁延时时间 ，避免上下臂直通。 它自身工作和电源电压的范围较宽 (3～ 20V)，在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的 3 个通道的高压侧驱动器和低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的 3 个低压侧驱动器，并且输入信号与 TTL 及 COMS 电平兼容。 VCC1HIN12HIN23HIN34LIN15LIN26LIN37FAULT8ITRIP9CA010CA11VSS12VS013LO314LO215LO116NC17VS318HO319VB320NC21VS222HO223VB224NC25VS126HO127VB128IR2130 图 24 IR2130 引脚图 IR2130 引脚如上图 24 所示。 VB1～ VB3：悬浮电源连接端，通过自举电容为 3 个上桥臂功率管的驱动器提供内部悬浮电源， VS1～ VC3 是其对应的悬浮电源地端。 HIN1～ HIN LIN1～ LIN3：逆变器上桥臂和下桥臂功率管的驱动信号输入端，低电平有效ITRIP：过流信号检测输入端，可通过输入电流信号来完成过流或直通保护。 CA、 CAO、 Vso：内部放大器的反相端、输出端和同相端，可用来完成电流信号检测。 HO1～ HO LO1～ L03：逆变器上下桥臂功率开关器件驱动器信号输出端。 FAULT：过流、直通短路、过压、欠压保护输出端，该端提供一个故障保护的指示信号。 它在芯片内部是漏极。 Vcc、 Vss：芯片供电电源连接端， Vcc 接正电源，而 Vss 接电源地。 第 13 页 共 34 页 (2) IR2130 内部结构及其工作原理 IR2130 的内部结构如 下 图 25 所示。 图 25 IR2130 的内部结构 它的内部集成有 1 个电流比较器 CURRENT COMPARATOR， 1 个电流放大器 CURRENT AMP ， 1 个自身工作电源欠压检测器 UNDERVOLTAGE DETECTOR， 1 个故障处理单元 FAULT LOGIC 及 1 个清除封锁逻辑单元 CLEAR LOGIC。 除上述外，它内部还集成 有 3 个输入信号处理器 INPUT SIGNAL GENERATOR 两个脉冲处理和电平移位器 PULSE GENERATOR LEVEL SHIFTER， 3 个上桥臂侧功率管驱动信号锁存器 LATCH， 3 个上桥臂侧功率管驱动信号与欠压检测器， UV DETECTOR 及 6 个低输出阻抗 MOS 功率管驱动器DRIVER 和 1 个或门电路。 正常工作时，输入的 6 路驱动信号经输入信号处理器处理后变为 6 路输出脉冲，驱动下桥臂功率管的信号 L1～ L3 经输出驱动器功放后，直接送往被驱动功率器件。 而驱动上桥臂功率管的信号 H1～ H3 先经集成于 IR2130 内部的 3 个脉冲处理器和电平移位器中的自举电路进行电位变换，变为 3 路电位悬浮的驱动脉冲，再经对应的 3 路输出锁存器锁存并经严格的驱动脉冲与否检验之后，送到输出驱动器进行功放后才加到被驱动的功率管。 具体保护如下： 1． 过流保护。 电流检测元件 DWI、 R1 送出的信号接至过流检测输入端 Im9脚），当外电路发生过流或直通， I，端电压高于 0． 5v时， IR2130 内部保护电路使其输出驱动信号全为低电乎，从而使被驱动的 M0S 器件全部截止，保同护时了功率管，同时 IR2130 的 FAULT（引脚 8 变为低电平，该信号接发 光二极管进行故障报警，也可将其引入前一极控制电路封锁脉冲形成环节的输出。 2． 欠压保护。 若 IR2130 的工作电源欠电压，与过流保护相似，内部的欠压保护电路使其输出驱动信号全为低电乎，同时从 FAULT 端输出故障信号。 直到 第 14 页 共 34 页 故障清除后，在信号输入端 LIN1～ LIN3 同时被输入高电平，才可以解除故障闭锁状态。 3． 逻辑封锁。 当前一级控制电路的脉冲发生逻辑错误时， IR2130 接受到功率元件同一桥臂高压 侧 和低压侧两功率器件的驱动信号全为高电平时，则IR2130 输出的 2 路门极驱动信号全为低电平，从而可靠地避免桥臂直通 现象发生。 (3) 采用 IR2130 的逆变器电路结构 图 26 给 出了 IR2130 驱动 3 相逆变装置 的电路示意图。 图中 C5, C6, C7 是自举电容，为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量， D14， D15， D16 的作用防止上桥臂导通时的直流电压母线电压到 IR2130 的电源上而使器件损坏，因此D1 应有足够的反向耐压。 且 为了满足主电路功率管开关频率的要求， 其 应选快速恢复二极管。 R22， R24， R25 组成过流检测电路。 IR2130 的 HIN1～ HINLIN1～ LIN3 作为功率管的输入驱动信号与 SPWM 产生电路 连接。 FAULT 与单片机外部中断引脚连接，由单片机中断程序来处理故障。 逆变电路中 D4, D5, D6, D10, D11, D12 为箝位二极管 ,防止栅级电压过高而损坏功率管。 R4 和 R5 是 IGBT的门极驱动电阻，一般采用 10 到几十欧。 IGBT 选用 IRF580. D10VCC1HIN12HIN23HIN34LIN15LIN26LIN37FAULT8ITRIP9CA010CA11VSS12VS013LO314LO215LO116NC17VS318HO319VB320NC21VS222HO223VB224NC25VS126HO127VB128U2IR213010KR9Q6Q115R410KR2020R15D4D1D7+15V20R320R14D1110KR10Q8Q215R6D6D3D920R720R18U VU VP+15V10KR2115R17D5D2D820R520R16D1210KR11Q7Q315R810KR2215R19D1610uFC1610uFC1710uFC18D17 D18FAULT+5VDS3LED1500R29R31NNCAO22113KR4015KR41CAOU WVVB1 VB2 VB3VB2 VB3VB1R28R32WW 图 26 驱动电路原理图 23 滤波输出及过压过流缺相检测与保护 当过压过流和负载缺相时，为避免损坏器件或防止事故范围扩大，需对系统进行过压过流保护。 本系统利用单片机检测，一旦发生过压过流和缺相，单片机控制继电器切断输入电路从而达到保护。 第 15 页 共 34 页 1. 滤波输出 从 IGBT 输出的电压为脉冲序列，若带阻性负载，需加入低通滤波器将脉冲序列还原成正弦波，如图 27 所示。 电容使用油浸电容，其具有较好的低频特性。 2mHL12mHL22mHL3U 相V 相W 相470uFC17470uFC17470uFC17NNNA 相负载B 相负载C 相负载 图 27 滤波电路原理图 2. 过流检测 直接采用 IR2130 的电流检测功能对负载电流进行检测。 原理图如图 28(实际是 IR2130内部的电流放大器与外部电阻构成 )：负载电流为 I时 , CAOV =I，当 I4A时，单片机拉高 Protect 端口 ,利用继电器切断输入，从而达到过流保护。 12453Current Amp12KR133KR14R21NCAOI 图 28 过流检测 3. 电压与缺相检测 由于要求输出 电压值为稳定的 36V，故必须采用闭环反馈控制。 电压取样控制可采取母线电压取样也可以对输出进行取样。 另外还需进行缺相检测，故采用输出取样。 这样既能做缺相检测也可做电压检测。 原理图下图 29： COM3buf in1NC2buf out14DB out7DEN IN6OUT offest4Cav8Vin13Vo9NC12+Vs11Vs10CS51 AD637147+15V15V100K+15V15V+10uF10K24K+33uF24K+22uFAR1OPAMPAR2OPAMP15V+15V15V+15V送 ADT2电压互感器15KR20NV相1KR17N1 245 3U3OP371KR141KR11T1电压互感器15KR19NU相1KR16N1 245 3U2OP371KR131KR10T3电压互感器15KR21N1KR18N1 245 3U4OP371KR151KR12W相Y22Y01Y3Y34VCC16Y15EN6X13VEE7GND8X012B9A10X311X215X114U1CD4052BCSJVCC 5V接至单片机+15V103+10uF15V103+10uF 图 29 电压与缺相检测 第 16 页 共 34 页 输出电压经电压互感器降压输入至 AD637 进行真有效值变换。 本系统利用一颗 AD637 和一颗模拟开关 CD4052，采用分时操作分别对三路信号进行采集。 采集的信号送 MSP430 单片机的 AD 口。 24 变频 电源的 控制 1. 变频电源控制方式的发展历程 变频电源按功率分可分为大功率变频电源和小功率变频 电源。 变频电源的 工作频率 一般 为 0～ 400Hz，它的主电路都采用交 —直 —交电路。 其控制方式经历了以下 四代。 以下讨论以电机负载为重点。 (1) U/f=C 的正弦脉宽调制（ SPWM）控制方式 其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。 但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。 另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负 载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。 因此人们又研究出矢量控制变频调速。 (2) 电压空间矢量（ SVPWM）控制方式 它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。 经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。 但控制电路环节较多，且没有引入 转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。 (3) 矢量控制（ VC）方式 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流 Ia、Ib、 Ic、通过 abc/dq 变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流 Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流 Im It1（ Im1相当于直流电动机的励磁电流； It1 相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。 其实质是将交流电动。