运动控制系统课程设计三相电压型SPWM逆变器设计

-1-课程设计用纸教师批阅三相电压型SPWM逆变器设计摘要:本设计选用EsayARM1138开发板，以LM3S1138为控制核心，辅以扩展的键盘及显示电路和SPWM逆变电路组成完整的系统。根据采样控制理论，由LM3S1138输出一系列周期性变化的等幅不等宽脉冲，控制IGBT功率开关管的导通和截止，使逆变器输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲波。输出的信号经低通滤波器滤波后，即可得到所需要的正弦波。改变调制脉冲的宽度可以控制输出电压的幅值，改变调制周期可以控制输出电压的频率，从而达到使逆变器的输出电压和幅值同时可调的目的。同时，利用matlab进行了系统仿真，给出了仿真框图和仿真结果。关键词:三相电压型逆变器LM3S1138SPWM-2-课程设计用纸教师批阅目录1设计内容...........................................................................................................-3-1.1设计目的及意义....................................................................................-3-1.2设计任务及步骤....................................................................................-3-1.3内容要求................................................................................................-3-2设计方案...........................................................................................................-4-2.1方案选择................................................................................................-4-2.2方案论证................................................................................................-4-3系统的硬件设计...............................................................................................-5-3.1整体方案设计........................................................................................-5-3.2主电路....................................................................................................-5-3.3驱动电路................................................................................................-7-3.4逆变电路................................................................................................-8-3.5抗干扰电路............................................................................................-8-4软件设计...........................................................................................................-9-4.1编程思路................................................................................................-9-4.2流程图..................................................................................................-11-5仿真.................................................................................................................-13-6心得体会..........................................................................................................-16-附录.....................................................................................................................-18-1程序清单..................................................................................................-18-2原理图......................................................................................................-24--3-课程设计用纸教师批阅1设计内容1.1设计目的及意义（1）训练学生正确地应用运动控制系统，培养解决工业控制、工业检测等领域具体问题的能力；（2）学生通过课程设计，熟悉运动控制系统应用系统开发、研制的过程，软、硬件设计的工作方法、工作内容、工作步骤；（3）对学生进行基本技能训练，例如组成系统、编程、调试、绘图等，使学生理论联系实际，提高动手能力和分析问题、解决问题的能力。1.2设计任务及步骤（1）分析并测定系统各环节的输入输出特性及其参数，调试各单元电路；（2）根据测定参数计算速度调节器参数；（3）系统开环调试并测定其开环机械特性；（4）系统闭环调试并测试系统闭环静态、动态性能。1.3内容要求（1）画出控制电路和主电路原理图；（2）画出程序流程图；（3）写课程设计论文，附有原理图、流程图、程序清单，内容要正确，概念要清楚，文字要通顺。-4-课程设计用纸教师批阅2设计方案2．1方案选择本设计选用EsayARM1138开发板，以LM3S1138为控制核心，辅以扩展的键盘及显示电路和SPWM逆变电路组成完整的系统。根据采样控制理论，由LM3S1138输出一系列周期性变化的等幅不等宽脉冲，控制IGBT功率开关管的导通和截止，使逆变器输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲波。输出的信号经低通滤波器滤波后，即可得到所需要的正弦波。改变调制脉冲的宽度可以控制输出电压的幅值，改变调制周期可以控制输出电压的频率，从而达到使逆变器的输出电压和幅值同时可调的目的。2.2方案论证在逆变器电路的设计中，控制方法是核心技术。早期的控制方法使得输出为矩形波，谐波含量较高，滤波困难，而SPWM技术较好地克服了这些缺点。目前SPWM的产生方法大致可分为以下4种：①利用分立元件，采用模拟、数字混和电路生成SPWM波。此方法电路复杂，实现困难且不易改进；②由SPWM专用芯片SA828系列与微处理器直接连接生成SPWM波，SA828是由规则采样法产生SPWM波的，相对谐波较大且无法实现闭环控制；③基于CPLD或FPGA设计，实现数字式SPWM发生器。此方法需重新学习可编程逻辑器件的相关知识及硬件描述语言，项目组成员在此方面的知识积累较少，开发周期长；④基于单片机实现SPWM，此方法控制电路简单可靠，利用软件产生SPWM波，减轻了对硬件的要求，且成本低，受外界干扰小。本课题选用此方案。-5-课程设计用纸教师批阅正弦波输出电压采样3系统的硬件设计3.1整体方案设计本系统由电源模块、控制模块、逆变模块、键盘和显示模块、输出及保护电路等5大部分组成，设计系统的总体结构框图如图3.1所示。其基本工作原理是：LM3S1138内部产生基波脉宽调制信号，经两个驱动集成块（IR2110）隔离放大后，送全桥逆变电路，控制两组绝缘栅双极晶体管（IGBT）的通断，并决定IGBT管输出脉冲信号的宽度。逆变电路输出信号送低通滤波器，经低通滤波器滤波后得到正弦基波信号送输出电路输出。低通滤波的另一路输出将当前的输出电压反馈回LM3S1138进行A/D转换，LM3S1138对A/D转换的结果进行运算和处理，并根据处理结果对当前输出电压的幅值和频率进行控制和显示。图3.1系统总体结构框图3．2主电路图3.2是SPWM逆变器的主电路，图中Vl—V6是逆变器的六个功率开关器全桥逆变直流供电驱动LM3S1138最小系统输出低通滤波LCD显示键盘-6-课程设计用纸教师批阅件，各由一个续流二极管反并联，整个逆变器由恒值直流电压U供电。一组三相对称的正弦参考电压信号由参考信号发生器提供，其频率决定逆变器输出的基波频率，应在所要求的输出频率范围内可调。参考信号的幅值也可在一定范围内变化，决定输出电压的大小。三角载波信号Uc是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波Uda，Udb，Udc作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。当UruUun=-Ud/2时，给V4导通信号，给V1关断信号Uun=-Ud/2,给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。Ud和Uwn’的PWM波形只有±Ud/2两种电平。当UruUc时，给V1导通信号，给V4关断信号，Uun’=-Ud/2。Uuv的波形可由Uun’-Uvn’得出，当1和6通时，Uuv=Ud，当3和4通时，Uuv=-Ud，当1和3或4和6通时，Uuv=0。输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成负载相电压PWM波由(±2/3)Ud,(±1/3)Ud和0共5种电平组成。3.2电源电路防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。V1V4V3V6V5V2VD1VD3VD5VD2VD6VD4R调制控制电路三相负载ucuuurUrVrWN'LNUVWUd/2CC++--Ud/2-7-课程设计用纸教师批阅3.3驱动电路由于LM3S1138产生的SPWM信号不能直接驱动IGBT，故逆变桥的驱动采用专用芯片IR2110。IR2110是一种双通道、栅极驱动、高压高速、单片式集成功率驱动模块，具有体积小(DIP14)、集成度高(可驱动同一桥臂两路)、响应快(典型ton/toff=120/94ns)、偏置电压高(600V)、驱动能力强等特点，同时还具有外部保护封锁端口[12]。IR2110采用CMOS工艺制作，逻辑电源电压范围为5V~20V，适应TTL或CMOS逻辑信号输入，具有独立的高端和低端2个输出通道。由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自的通道上，容许逻辑电路参考地(VSS)与功率电路参考地(COM)