基于電力電子與電力傳動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)正弦脈寬調(diào)制和電壓空間矢量脈寬調(diào)制.doc

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）封面1畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：交流異步電動(dòng)機(jī)的速度閉環(huán)控制及其硬件實(shí)現(xiàn)英文題目：ExchangesTheAsynchronousMotorSpeedClosed-loopControlAndTheHardwareRealization系別：電子與機(jī)械工程系學(xué)生姓名：班級：指導(dǎo)教師：專業(yè)：自動(dòng)化二零零六年六月畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘要2摘要近年來，由于直流調(diào)速的局限性和交流調(diào)速的優(yōu)越性，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子器件的不斷發(fā)展，交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)正在快速發(fā)展中。在現(xiàn)代微機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展下，計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度不斷加快提高，指令的執(zhí)行速度也達(dá)到了前所未有的高度，使得復(fù)雜算法應(yīng)用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算，執(zhí)行成為可能。經(jīng)過最近幾十年的應(yīng)用開發(fā)，交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速性能已經(jīng)優(yōu)于直流調(diào)速系統(tǒng)。所以，本設(shè)計(jì)針對交流異步電動(dòng)機(jī)的速度閉環(huán)控制及變頻調(diào)速技術(shù)的研究是非常有必要的。本文基于電力電子與電力傳動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)正弦脈寬調(diào)制和電壓空間矢量脈寬調(diào)制的方法，實(shí)現(xiàn)對閉環(huán)控制異步電機(jī)的變頻調(diào)速。交流調(diào)速的脈寬調(diào)制（PWM）控制技術(shù)在電子領(lǐng)域是一個(gè)非常重要的技術(shù)，也是本設(shè)計(jì)之所以能實(shí)現(xiàn)速度控制的關(guān)鍵之一，所以本設(shè)計(jì)花了大篇幅加以介紹。文中第四章，針對實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)涉及到的芯片加以詳細(xì)的說明。然后第五章介紹了系統(tǒng)各組成部分框圖。并在第六章中詳盡地對調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用作了抗干擾分析，主要包括硬件抗干擾措施和軟件抗干擾措施了個(gè)方面，所以能夠很好的實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，精確的達(dá)到變頻調(diào)速的目的。最后本設(shè)計(jì)在一臺三相異步電動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)調(diào)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：SVPWM調(diào)制比SPWM調(diào)制時(shí)電機(jī)電流的諧波小，電壓利用率高，電機(jī)的高頻噪聲低。關(guān)鍵詞PWM；變頻調(diào)速；閉環(huán)控制畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）Abstract3AbstractRecently,fortheDCadjusting-speedsystemhasmanylimitations,theACadjusting-speedsystemhasmanymeritsandwiththedevelopmentofnewpowerelectroniccomponentandcomputertechnology.thetechnologyofASAsynchronousMotorvariable-frequencyadjusting-speedhasbeeninfastdevelopment.Thespeedofcomputerisconationtonallyincreasinganditsexecute-instructionapedhadbeenonaveryhighlevel.Withtodaysmicrocomputertechnologysswiftdevelopment.itmakesitpossiblethatthereal-timesystemofcompelsarithmeticcouldruninacomputer.Theadjusting-speedabilityofACasynchronousMotorhadbeenalreadybetterthanDCadjusting-speedsysteminthepastseveralyears.Sothisthesisisverynecessarytodescribeit13。ThisthesisdescribestheimplementationsofSinePulseWidthMod-ulation(SPWM)usingsinglechiponateachingplatformofeclecticpowerelectrondrive,andachievesthepurposeofvariable-frequencyadjusting-speedforinductionmotor。Theexchangevelocitymodulationpulse-durationmodulation(PWM)controltechnologyintheelectronicdomainisanextremelyimportanttechnology,alsoisthisdesignthereasonthatcanrealizeoneofspeedcontrolkeys,thereforethisdesignspentthegreatlengthtointroduce.Inthearticlethefourthchapter,inviewofrealizesthechipwhichthisdesigninvolvestoperformthedetailedexplanation.Thenthefifthchapterintroducedthesystemeachconstituentdiagram.Andshouldserveastheantigamblinganalysisexhaustivelyinthesixthchaptertothevelocitymodulationsystem,mainlyincludedthehardwareantigamblingmeasureandasoftwareantigamblingmeasureaspect,thereforecouldtheverygoodrealizationtothesystemdesignrequest,preciseachievethefrequencyconversionvelocitymodulationthegoal。Thedesignschemeistestedanddebuggedonanthree-phaseasynchronousmotorintheend,andtheresultsshowthatthemethodofSVPWMhaslowercurrentharmonic,moreefficientuseofsupplyvoltage,lowernoisethanthesinepulsewidthmodulation(SPWM)15。KeywordsPWM；variablefrequencydrive；closed-loopcontrol畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目錄4目錄摘要與關(guān)鍵詞英文摘要與關(guān)鍵詞緒論1.異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理11.1變頻調(diào)速的基本控制方式11.1.1基頻以下調(diào)速11.1.2基頻以上調(diào)速21.2恒壓恒頻時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性22.閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)42.1原理介紹42.2PID算法及其改進(jìn)52.3單片機(jī)控制調(diào)速的實(shí)現(xiàn)63.交流調(diào)速的脈寬調(diào)制（PWM）控制技術(shù)73.1正弦波PWM調(diào)制原理73.2SPWM信號的產(chǎn)生93.3SPWM的數(shù)字控制94.PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)134.1系統(tǒng)硬件框圖134.2.IPM選擇134.3系統(tǒng)保護(hù)電路155.芯片介紹165.1C8051芯片165.2PWM的專用芯片HEF4752185.3鍵盤顯示專用芯片Intel8279205.4編程和記數(shù)定時(shí)器芯片8253215.574LS373；74LS138；2764；6264；74LS245芯片介紹226.系統(tǒng)各組成部分框圖246.1逆變器觸發(fā)單元設(shè)計(jì)246.2轉(zhuǎn)速檢測電路247.系統(tǒng)的抗干擾措施257.1硬件抗干擾措施257.2.軟件抗干擾措施25結(jié)論27致謝28參考文獻(xiàn)29附錄1匯編程序代碼30附錄2系統(tǒng)原理圖51畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）緒論1緒論現(xiàn)狀：目前，國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究非?；钴S，再加上調(diào)速系統(tǒng)所運(yùn)用到的電動(dòng)機(jī)具有高效、節(jié)能、低振動(dòng)、低噪聲、性能可靠、安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)，因此，為了加快國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，許多技術(shù)人員和科技工作者都投入了大量的精力來對變頻調(diào)速系統(tǒng)加以研究，開發(fā)和改善。由于交流電機(jī)控制理論不斷發(fā)展，控制策略和控制算法也日益復(fù)雜。擴(kuò)展卡爾曼濾波、FFT、狀態(tài)觀測器、自適應(yīng)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等均應(yīng)用到了各種交流電機(jī)的矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制當(dāng)中。交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式有多種，諸如調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級調(diào)速、滑差調(diào)速、變頻調(diào)速等，其中變頻調(diào)速具有節(jié)能顯著、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，是當(dāng)今國際上應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)速方式。而本設(shè)計(jì)就是運(yùn)用變頻技術(shù)來對交流電機(jī)加以精確的速度控制。PWM技術(shù)是本設(shè)計(jì)的一個(gè)重要的模塊，它是交流調(diào)速系統(tǒng)的控制核心，任何控制算法的最終實(shí)現(xiàn)幾乎都是以各種PWM控制方式完成的。目前已經(jīng)提出并得到實(shí)際應(yīng)用的PWM控制方案就不下十幾種，關(guān)于PWM控制技術(shù)的文章在很多著名的電力電力國際會議上，如PESC，IECON，EPE年會上已形成專題。尤其是微處理器應(yīng)用于PWM技術(shù)并使之?dāng)?shù)字化以后，花樣是不斷翻新，從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦；從效率最優(yōu)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最少，再到消除噪音等，PWM控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng)新和不斷完善的過程。到目前為止，還有新的方案不斷提出，進(jìn)一步證明這項(xiàng)技術(shù)的研究方興未艾。其中，空間矢量PWM技術(shù)以其電壓利用率高、控制算法簡單、電流諧波小等特點(diǎn)在交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用。同時(shí)，本設(shè)計(jì)也對涉及到的逆變電路作了大篇幅的介紹。目前，研究較多的大功率逆變電路有：多電平電壓型逆變器，變壓器耦合的多脈沖逆變器，交交變頻器，雙饋交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。展望：在交流調(diào)速的研究與制造過程中，硬件的設(shè)計(jì)與組裝占了相當(dāng)大的比重。電機(jī)制造以及調(diào)速裝置的制造需要大批的技術(shù)熟練工人，對人員的素質(zhì)有一定要求。而國外相關(guān)產(chǎn)業(yè)的人工成本相對較高，在近十年內(nèi)，交流調(diào)速的制造業(yè)有可能向發(fā)展中國家轉(zhuǎn)移。對中國來說，這也是一個(gè)機(jī)遇，如果我們抓住這個(gè)機(jī)會，再利用本身的市場有利條件，有可能在我國形成交流調(diào)速系統(tǒng)的制造業(yè)中心，使我國工業(yè)上一個(gè)新的臺階。需要注意的是發(fā)達(dá)國家在高技術(shù)領(lǐng)域是不會輕易放棄的，他們非常注意核心技術(shù)及軟件的保護(hù)和保密，為此，必須加大該領(lǐng)域的科研與開發(fā)的力度。逆變電路中采用新型功率器件-智能功率模塊IPM是本系統(tǒng)的又一特色。IPM內(nèi)部集成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）緒論2了高速、低耗的IGBT芯片和優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)及過流、短路、欠壓和過熱保護(hù)電路，它提高了系統(tǒng)的性能和可靠性，降低了系統(tǒng)成本，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，是值得推廣的產(chǎn)品開發(fā)途徑。對異步電機(jī)高效率的追求正成為制造界的一種潮流，而基于效率的電機(jī)優(yōu)化技術(shù)也普遍受到電機(jī)界的關(guān)注。所以，對于交流異步電機(jī)的利用將來一定會越來越廣泛，越來越普遍2。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理11.異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理系統(tǒng)的工作原理介紹：由異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式n=60f1(1-s)/p可知,當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí),基本上正比于f1,所以改變供電電源頻率f1,即可調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方法,可以獲得很大的調(diào)速范圍,很好的調(diào)速平滑性和相對穩(wěn)定性3。1.1變頻調(diào)速的基本控制方式在進(jìn)行異步電機(jī)調(diào)速時(shí)，希望保持電機(jī)中每極磁通量m為額定量不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的鐵心，也不能產(chǎn)生足夠的電磁力矩，影響電機(jī)的加減速時(shí)的快速性；如果增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會因繞組過熱而損壞電機(jī)。三相異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢的有效值是Eg=4.44f1N1kNm（1-1）式中，f1定子頻率；N1定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；kN基波繞組系數(shù)；m每極氣隙磁通量。由式Eg=4.44f1N1kNm可知，N1、kN是常數(shù)，只要控制好Eg和f1，便可達(dá)到控制磁通m的目的。對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。1.1.1基頻以下調(diào)速由公式（1-1）可知，要保持m不變，當(dāng)頻率f1從額定值f1向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低Eg,使Eg/f1=常值，即采用恒定的電動(dòng)勢頻率比的控制方式。然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢是難以直接測量的，當(dāng)電動(dòng)勢的值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓U1Eg,則得：U1/f1=常值，這是恒壓頻比的控制方式。低頻時(shí)，U1和Eg都較小，定子漏阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不能再忽略，這時(shí)，可以人為的把電壓U1抬高一些，以便近似的補(bǔ)償定子漏阻抗壓降。其控制特性如（圖1-1）所示。1-不帶定子壓降補(bǔ)償2-帶定子壓降補(bǔ)償圖1-1恒壓頻比控制特性畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理21.1.2基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從f1向上增高，但電壓U1卻不能超過電機(jī)的額定電壓U1，最多只能保持U1=U1。由式（11）可知，這將迫使磁通與頻率成反比的降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。把基頻以下和基頻以上的情況結(jié)合起來可得圖2.2所示的異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速控制特性。如果電動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，即電機(jī)都能在溫升允許情況下長期運(yùn)行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。據(jù)拖動(dòng)原理，在基頻以下，磁通恒定時(shí)轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì)；而在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時(shí)轉(zhuǎn)矩降低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”4。圖1-2異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速控制特性1.2異步電動(dòng)機(jī)電壓、頻率協(xié)調(diào)控制的穩(wěn)態(tài)機(jī)械特性恒壓恒頻時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，在下述假定條件下：（1）忽略空間和時(shí)間諧波，（2）忽略磁飽和，（3）忽略鐵損，異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路如（圖1-3）所示。圖1-3異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路圖R1、R2定子每相電阻和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻；Ll1、Ll2定子每相漏感和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感；Lm定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的等效電感，即勵(lì)磁電感；U1、1電動(dòng)機(jī)定子相電壓和供電角頻率；S轉(zhuǎn)差率；Eg氣隙磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢；Es定子全磁通的感應(yīng)電動(dòng)勢；畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理3當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)定子電壓U1和電源角頻率1都是恒定值時(shí)，電機(jī)的機(jī)械特性方程式為：（1-2）當(dāng)s很小時(shí)，可忽略上式分母中含s的各項(xiàng)，則（1-3）即s很