基于單片機控制的交流變頻調速系統(tǒng)

基于單片機控制的交流變頻調速系統(tǒng)姓名：田冰杰學號：1030301134417專業(yè)：電氣自動化技術班級：電氣1343引言隨著電力電子技術、微機控制技術以及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，基于集成PWM電路構成的變頻調速系統(tǒng)以其結構簡單、運行可靠、節(jié)能效果顯著、性價比高等突出優(yōu)點而得到廣泛使用。本文介紹的GTRSPWM變頻調速系統(tǒng)是以大規(guī)模專用集成電路HEF4752和單片機（80C51）為核心構成的控制電路，由HEF4752產生的三相PWM信號經隔離、放大后，驅動由GTR構成的三相橋式逆變器，使之輸出三相SPWM的波形，實現(xiàn)異步電機變頻調速。第1章概述1.1三相異步電動機變頻調速的發(fā)展隨著變頻調速異步電動機在國內外市場上日益擴大使用。自90年代中期以來，我國有眾多電動機生產企業(yè)設計、研制和生產適用于不同使用的各種系列變頻調速三相異步電動機，例如：通用變頻調速電動機系列、起重冶金變頻調速電動機系列、隔爆變頻調速電動機系列、電梯變頻調速電動機系列、輥道變頻調速電動機系列、牽引變頻調速電動機系列等。從目前情況看，這些系列電動機能基本滿足國內市場的需求。據資料顯示，我國對于變頻凋速三相異步電動機的品種不斷擴大，產品設計也不斷改進。為了適應不同用途、不同工作條件和使用環(huán)境、不同工況等各種要求，專用系列和改型系列變頻調速電動機產品不論現(xiàn)在和將來，都在迅速發(fā)展。變頻器供電電源會存電動機端子和各相繞組的前幾匝線圈上產生高頻瞬間脈沖峰值電，因此，如果不對絕緣系統(tǒng)采用增強措施.將會使繞組存高電壓應力作用下過早失效，從而引起絕緣擊穿故障。

在電氣傳動領域中，隨著自關斷器件技術水平的不斷提高，脈寬調制技術（簡稱PWM技術）也日趨成熟。PMW交流變頻調速以其高效率、高功率因數(shù)、輸出波形好、結構簡單等優(yōu)點，在井下風機、水泵、造紙機等設備中得到了廣泛的使用。將單片機使用于交流變頻調速系統(tǒng)，可有效地避免傳統(tǒng)調速方案中的一些缺點，達到了提高控制精度的目的，其特點：（1）采用單片機可以使絕大多數(shù)控制邏輯通過軟件實現(xiàn)，簡化了電路。（2）單片機具有更強的邏輯功能，運算速度快，精度高，有大容量的存儲單元，可以實現(xiàn)較為復雜的控制。（3）無零點漂移，控制精度高。（4）可以提供人機界面，多機連網工作。1.1SPWM變頻調速系統(tǒng)概述二十世紀末以來，電力電子技術及大規(guī)模集成電路有了飛速的發(fā)展，在此技術背景下SPWM電路構成的變頻調速系統(tǒng)以其結構簡單、運行可靠、節(jié)能效果顯著、性價比高等突出優(yōu)點而得到廣泛使用。眾所周之早期的交-直-交變壓變頻器說輸出的交流波形都是矩形波或六拍階梯波，這是因為當時逆變器只能采用半控式的晶閘管，會有較大的低次諧波，使電動機輸出轉矩存在脈動分量，影響其穩(wěn)態(tài)工作性能。為了改善交流電動機變壓變頻調速系統(tǒng)的性能，在出現(xiàn)了全控式電力電子開關器件之后，科技工作者在20世紀80年代開發(fā)使用PWM技術的逆變器，由于它的優(yōu)良技術性能，當今國內外生產的變壓變頻器都已采用這種技術。PWM技術是利用半導體開關器件的導通和關斷把直流電壓變?yōu)殡妷好}沖序列，并通過控制電壓脈沖寬度或電壓脈沖周期以達到改變電壓的目的，或者通過控制電壓脈沖寬度和電壓脈沖序列的周期以達到變壓和變頻的目的。在變頻調速中，前者主要使用于PWM斬波（DC—DC變換），后者主要使用于PWM逆變（DC一AC變換）。PWM脈寬調制是利用相當于基波分量的信號波（調制波）對三角載波進行調制，以達到調節(jié)輸出脈沖寬度的目的。相當于基波分量的信號波（調制波）并不一定指正弦波，在PWM優(yōu)化模式控制中可以是預畸變的信號波，正弦信號波是一種最通常的調制信號，但決不是最優(yōu)信號。PWM控制技術有許多種，并且還在不斷發(fā)展中。但從控制思想上分，可把它們分成四類，即等脈寬PWM法、正弦波PWM法（SPWM）、磁鏈跟蹤PWM法（SVPWM）和電流跟蹤PWM法等。本課題設計主要介紹正弦波SPWM的變頻調

速控制系統(tǒng)。SPWM（SinusoidalPWM）法是一種比較成熟的,目前使用較廣泛的PWM法.前面提到的采樣控制理論中的一個重要結論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同.SPWM法就是以該結論為理論基礎，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關器件的通斷,使其輸出的脈沖電壓的面積和所希望輸出的正弦波在相應區(qū)間內的面積相等，通過改變調制波的頻率和幅值則可調節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。第2章SPWM變頻調速系統(tǒng)基本原理SPWM變頻調速系統(tǒng)基本原理口PWM的原理，就是面積等效原理，在采樣控制理論中有一個重要的結論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。所以可用等幅值的不同寬度的脈沖來等效一些想要的波形。PWM技術是利用半導體開關器件的導通和關斷把直流電壓變?yōu)殡妷好}沖序列，并通過控制電壓脈沖寬度或電壓脈沖周期以達到改變電壓的目的，或者通過控制電壓脈沖寬度和電壓脈沖序列的周期以達到變壓和變頻的目的。變頻調速中，前者主要使用于PWM斬波（DC—DC變換），后者主要使用于PWM逆變（DC—AC變換）。PWM脈寬調制是利用相當于基波分量的信號波（調制波）對三角載波進行調制，以達到調節(jié)輸出脈沖寬度的目的。相當于基波分量的信號波（調制波）并不一定指正弦波，在PWM優(yōu)化模式控制中可以是預畸變的信號波，正弦信號波是一種最通常的調制信號，但決不是最優(yōu)信號。根據面積等效原理，PWM波形和正弦波是等效的，而這種的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱為SPWM（SinusoidalPWM）波形。當前逆變電源的控制技術中，滯環(huán)控制技術和SPWM控制技術是變頻電源中比較常用的兩種控制方法。滯環(huán)控制技術開關頻率不固定，濾波器較難設計，且控制復雜，難以實現(xiàn)；SPWM控制技術開關頻率固定，濾波器設計簡單，易于實現(xiàn)控制。當二者采用電壓電流瞬時值雙閉環(huán)反饋的控制策略時，均能夠輸出高質量的正弦波，且系統(tǒng)擁有良好的動態(tài)性能.系統(tǒng)設計總方案的確定在三相交流電源供電的情況下，共需經過八個主要模塊完成整個調速過程。首先是三相整流變壓器降壓，然后經二極管橋式整流，再者由電容濾波器濾波獲得直流電源，最后經IGBT逆變電路逆變，得到可調交流電源。IGBT為場控輸入器件，輸入功率小。確定主電路模塊之后，本課程設計將采用HEF4752芯片構成SPWM波形生成電路，實現(xiàn)PWM波的調制。并采用電流轉速雙閉環(huán)調制系統(tǒng)，同時確定保護電路模塊，檢測電路模塊，驅動電路模塊等。系統(tǒng)總流程圖如圖1所示。第三章主電路設計主電路功能說明主電路為AC/DC/AC逆變電路，由三相整流橋、濾波器、三相逆變器組成。三相交流電經橋式整流后，得到脈動的直流電壓經電容器濾波后供給逆變器。二極管整流橋把輸入的交流電變?yōu)橹绷麟?，電阻R1為起動限流電阻，其上的電壓波形反映了主回路的電流波形，可以用來觀察波形。C1為濾波電容?？赡鍼WM變換器主電路系采用IGBT所構成的，IGBT（VI、V2、V3、V4、V5、V6）和六個續(xù)流二極管（VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6）組成的雙極式PWM可逆變換器。經變換器逆變，可將直流電源變成穩(wěn)定的或可變的交流電源。主電路設計

.整流器本課題中的整流器是使用六個二極管組成，如圖2所示，它把工頻電源變換為直流電源。該電路整流輸出接有大電容，而且負載也不是純電感負載，但為了簡化計算，仍可按電感計算，只是電流裕量要可適當取大些即可。.平波回路在整流器整流后的直流電壓中，含有6倍頻率的脈動電壓，此外逆變變流器產生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。在濾波電容選擇時，G一般根據放電的時間常數(shù)計算，負載越大，要求紋波系數(shù)越小，一般不做嚴格計算，多取2000⑻以上..逆變器逆變器的作用是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率。3.3主電路電路圖主電路電路圖如圖所示?？刂齐娐吩O計總思路給異步電動機供電（電壓、頻率可調）的主電路提供控制信號的回路，稱為控制回路?？刂齐娐酚梢韵码娐?，頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓/電流檢測回路”，電動機的“速度檢測回路”，將運算電路的控制信號進行放大隔離的“驅動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”。下面詳細介紹各單元電路。SPWM波形產生電路2.1HEF4752芯片介紹HEF4752簡介HEF4752是采用L0CM0S工藝制造的大規(guī)模集成電路，專門用來產生三相PWM

信號。它的驅動輸出經隔離放大后，既可驅動GTO逆變器，也可驅動GTR逆變器，在交流變頻調速和UPS中作中心控制器件主要特點1）能產生三對相位差120°的互補SPWM主控脈沖，適用于三相橋結構的逆變器；2）采用數(shù)控方式不僅能提高系統(tǒng)控制精度，也易于和微機聯(lián)機；3）采用多載波比自動切換方式，隨著逆變器的輸出頻率降低，有級地自動增加載波比，從而抑制低頻輸出時因高次諧波產生的轉矩脈沖和噪聲等所造成的惡劣影響。調制頻率的可調范圍為0?100Hz,且能使逆變器輸出電壓同步調節(jié)。4）為防止逆變器上下橋臂器件直通，在每相主控脈沖間插入死區(qū)間隔，間隔時間連續(xù)可調。引腳說明HEF4752為28腳雙列直插式標準封裝DIP芯片，它有7個控制輸入，4個時鐘輸入，12個驅動逆變器輸出，3個控制輸出。其外部管腳排列如圖1所示。各管腳功能描述如表1所列HEF4752工作原理HEF4752是一種基于同步式雙緣調制原理產生SPWM信號的專用集成電路,其原理框圖如圖2所示。輸入功能1）輸入I用來決定逆變器驅動輸出模式的選擇，當I為低電平時，驅動模式是晶體管，當I為高電平時，驅動模式是晶閘管口目加OBIMRRCT口目加OBIMRRCTocrK.ORtatlQ-HM?知白白FCTAVSSU47FE

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%LT4.I/O線4.80c51共有4個8位并行I/O端口：PO、Pl、P2、P3口，共32個引腳。P3口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。4.2.4SPWM波形產生電路設計說明SPWM產生電路設計如圖4所示。在該控制電路中，由外圍電路芯片產生推遲時鐘（OCT）和參考時鐘（RCT）、頻率控制時鐘（FCT）和電壓控制時鐘（VCT）3路時鐘信號供給HEF4752。RCTFCTVCTCI1M2CliMlRCTRCTFCTVCTCI1M2CliMlRCTCVKCRH1CRM2CF?CECRC1FCT再VS5vnnCBCEAVrLRSYNnYM1口YN2□YC1nVC2CSPVCTCB圖4SPWM產生電路2.5驅動電路(有強弱電隔離)驅動電路要提供控制電路和主回路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁離。這里驅動的設計我們采用一個光耦合器實現(xiàn)光隔離如圖5所示。速，故一般稱這樣的三相交流電動機為三相異步電動機。二5.1工作原理異步電動機的同步轉速，即旋轉磁場的轉速為n「60f/n其中ni為同步轉速(r/min)于i為定子頻率，也就是電源頻率(Hz);n為磁極對數(shù)。異步電機的軸轉速為n=n(1-s)=60f(1-s)/n1 p其中s為異步電機的轉差率，s=(n1-n)/n1由上面的公式可以看出，改變電源的供電頻率可以改變電機的轉速。在對異步電機調速時，希望電機的主磁通保持額定值不變。任何電動機的電磁轉矩都是磁通和電流相互作用的結果，主磁通小了，鐵心利用不充分，同樣的轉子電流下，電磁轉矩小，電動機的負載能力下降；主磁通大了，會使電動機的磁路飽和，并導致勵磁電流畸變，勵磁電流過大，嚴重時會使繞組過熱損壞電機。主磁通是由勵磁電流產生的，兩者之間的關系是由磁化特性決定的。由電機理論知道，三相異步電機定子每相電動勢的有效值為E1=4.44于1n1①〃.其中E1為氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效值(V),于1為定子頻率(Hz)/為定子每相繞組匝數(shù)，①機為極磁通里(Wb)。由上式可見主磁通中.是由E1和于1。共同決定的，如果保持E1和f1之比不變，就可以保持主磁通不變。5.2變頻調速控制方式2.1電源頻率低于工頻范同調節(jié)，電源的工頻頻率在我國為50Hz。電機定子繞組內的感應電動勢為E1=4.44flK1N1”式中f1——定子繞組中感應電動勢的頻率，和電源頻率f相等，HzK1——電機定子繞組的繞組系數(shù)，其值取決于繞組結構，K1<1N1——電機定子繞組每相串聯(lián)的線圈匝數(shù)”——電機每極磁通定子電壓U1和定子繞組感應電動勢E1的關系為U1=E1+I1Z1式中z1——定子繞組每組阻抗I1——定子繞組相電流若忽略定子瓜降I1Z1，則U產E=4.44f1KlN'把該式整理成u1=4.44f1Kl%。K=4.44K1N1 貝博士/Kf1(1)電動機的電磁轉矩M和(U/f)成正比，若下調頻率f1，同時也下調U1,使(4/fJ比值保持恒量，則磁通。不變，因此轉矩也保持常值，此時電動機拖動負載的能力不發(fā)生改變，這種控制方式稱為恒磁通調壓調頻調速，也叫恒轉調速。5.2.2電源頻率高于工頻范圍調節(jié)由于使頻率勺增加，u1/f1變小，而u1不能高于額定電壓，在該控制方式中，保持u1不變，由于頻率變高，由