交流異步電動機的速度閉環(huán)控制及其硬件實現(xiàn) 精品.doc

題 目：交流異步電動機的速度閉環(huán)控制及其硬件實現(xiàn)緒論隨著社會的不斷發(fā)展,我們面臨著能源短缺,電機調(diào)速技術(shù)的不斷更新等許多問題,尤其是閉環(huán)調(diào)速在交流電機上的應(yīng)用以來,使得變頻調(diào)速逐漸顯示出很大的潛力。 現(xiàn)狀：能源工業(yè)作為國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，對于社會、經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高都極為重要。作為能源消耗大戶之一的電機在節(jié)能方面是大有潛力可挖的。目前，國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究非常活躍，但是在產(chǎn)業(yè)化方面還不是很理想，市場的大部分還是被國外公司所占據(jù)。因此，為了加快國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，就需要對國際變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢和國內(nèi)的市場需求有一個全面的了解。PWM技術(shù)：脈寬調(diào)制技術(shù)(簡稱PWM技術(shù))是交流調(diào)速系統(tǒng)的控制核心，以其高效率，高功率因數(shù)，輸出波形好，結(jié)構(gòu)簡單，可組成傳動等優(yōu)點而得到了越來越廣泛的應(yīng)用，而且任何控制算法的最終實現(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子國際會議上，如PESC，IECON，EPE年會上已形成專題。PWM控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個不斷創(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，進一步證明這項技術(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、電流諧波小等特點在交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用8。 研究內(nèi)容：在本中主要研究的變頻調(diào)速系統(tǒng)是以大規(guī)模專用集成電路芯片HEF4752為主要部分構(gòu)成的，由HEF4752產(chǎn)生的三相SPWM信號經(jīng)隔離、放大后，驅(qū)動由IGBT構(gòu)成的三相逆變器，使之輸出SPWM的波形，實現(xiàn)異步電動機變頻調(diào)速，整個過程可由單片機來控制，用到了專門用于產(chǎn)生SPWM波形的芯片HEF4752，自身帶有過電流，過電壓，過熱，短路等保護設(shè)計的IGBT的集成芯片IPM，專門用于鍵盤，顯示電路的8279芯片，和C51，8253等芯片，使整個調(diào)速的過程變得簡單了不少，由于采用了閉環(huán)控制，使得變頻調(diào)速所達到的結(jié)果更加精確，轉(zhuǎn)速檢測部分采用了M/T測速法，即采用了光電碼盤測速，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度。隨著全球能源的不斷的緊張和變頻技術(shù)的不斷的成熟，這種微機控制的變頻調(diào)速將得到越來越多的關(guān)注。交流調(diào)速的優(yōu)點：(1)在傳統(tǒng)的可調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)中，直流電動機調(diào)速系統(tǒng)占絕對優(yōu)勢。但是直流電動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，又有換向器和電刷，在運行中常出故障。與此相反，鼠籠式異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，價格便宜等優(yōu)點。但是交流電動機調(diào)速困難。自從上世紀80年代初交流變頻技術(shù)出現(xiàn)以來，使用變頻調(diào)速器和調(diào)節(jié)器來進行交流電動機無級調(diào)速成為可能。它具有調(diào)速范圍寬，穩(wěn)速精度高，動態(tài)響應(yīng)快，運行可靠等技術(shù)性能，已逐步取代直流電動機調(diào)速系統(tǒng)。所以，研究交流調(diào)速很有意義，這也是我們立體原因所在。(2)交流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及節(jié)省電能方面帶來了巨大的經(jīng)濟和社會效益，發(fā)展表明，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及社會發(fā)展的需要推動了交流調(diào)速的飛速發(fā)展；現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和應(yīng)用，電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，微機控制技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展和應(yīng)用為交流調(diào)速的飛速發(fā)展創(chuàng)造了技術(shù)和物質(zhì)條件，現(xiàn)在，交流調(diào)速系統(tǒng)正在逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。交流調(diào)速在電氣傳動領(lǐng)域中占據(jù)了統(tǒng)治地位已是公認的事實。 單片機控制變頻調(diào)速的優(yōu)點： 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，無論是生產(chǎn)還是生活當中，人民對數(shù)字化信息的依賴程度越來越高。單片機已經(jīng)在交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛地應(yīng)用。例如由Intel公司1983年開發(fā)生產(chǎn)的MCS-96系列是目前性能較高的單片機系列之一，適用于高速、高精度的工業(yè)控制。其高檔型：8196KB、8196KC、8196MC等在通用開環(huán)交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用較多。在交流調(diào)速的研究與制造過程中，速度的控制十分重要，能夠達到準確無誤的控制是十分關(guān)鍵的，這就需要對速度不斷的檢測和反饋，因此必須要建立閉環(huán)控制系統(tǒng)，讓計算機對檢測到的實際電動機的信號與用戶所給定的信號不斷的比較，最終達到以致的結(jié)果，這樣控制，系統(tǒng)的精確性相比過去的開環(huán)調(diào)速得到很大的提高，也成為以后精確調(diào)速的一個發(fā)展的方向，有很大的發(fā)展市場。近十幾年來，由于微機控制技術(shù)，特別是以單片機及數(shù)字信號處理器 DSP 為控制核心的微機控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用以及大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，促使交流調(diào)速系統(tǒng)的控制回路由模擬控制轉(zhuǎn)向數(shù)字控制。全數(shù)字化的交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。數(shù)字化使得控制器對信息處理能力大幅度提高，許多難以實現(xiàn)的復(fù)雜控制，如矢量控制中的復(fù)雜坐標變換運算、解耦控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、參數(shù)辨識的自適應(yīng)控制等，采用微機控制器后便都解決了。高性能的矢量控制系統(tǒng)如果沒有微機的支持是不可能真正實現(xiàn)的。此外，微機控制技術(shù)又給交流調(diào)速系統(tǒng)增加了多方面的功能，特別是故障診斷技術(shù)得到了完全的實現(xiàn)。微機控制技術(shù)及大規(guī)模集成電路的應(yīng)用提高了交流調(diào)速系統(tǒng)的可靠性和操作、設(shè)置的多樣性和靈活性，降低了變頻調(diào)速裝置的成本和體積。以微處理器為核心的數(shù)字控制已經(jīng)成為現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的主要特征之一。 展望：由于交流電機控制理論不斷發(fā)展，各種總線也扮演了相當重要的角色,STD總線、工業(yè)PC總線、現(xiàn)場總線以及CAN總線等在交流調(diào)速系統(tǒng)的自動化應(yīng)用領(lǐng)域起到了重要的作用。尤其是計算機在調(diào)速過程中的比較控制方面（即閉環(huán)反饋方面）綜觀交流調(diào)速發(fā)展過程和現(xiàn)狀，可以看出交流調(diào)速技術(shù)今后發(fā)展趨勢和動向如下： 以取代直流調(diào)速系統(tǒng)為目標的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的進一步研究與開發(fā)。新型拓撲結(jié)構(gòu)功率變換器的研究與開發(fā)。 PWM 模式的改進和優(yōu)化。中壓變頻裝置（我國稱為高壓變頻裝置）的研究與技術(shù)開發(fā)1. 系統(tǒng)的組成研究 在這部分中主要從系統(tǒng)的硬件設(shè)計上對我們所研究的的內(nèi)容加以了詳細的說明,系統(tǒng)的各個模塊,各模塊的作用,以及它們的一些優(yōu)點,在這章都有說明。1.1 系統(tǒng)的硬件框圖 圖1-1 系統(tǒng)的硬件框圖本系統(tǒng)主要由：主電路，單片機系統(tǒng)，檢測保護電路，鍵盤顯示電路組成，詳細見附錄2系統(tǒng)原理圖1。1.2 系統(tǒng)的各組成部分研究 在這一部分當中主要包括:系統(tǒng)主電路;單片機系統(tǒng);檢測保護電路。詳細電路見附錄原理圖。1.2.1系統(tǒng)的主電路 主電路采用了交直交變頻器，工作原理即：先將工頻交流電源通過整流器變換成直流電，再通過逆變器變換成可控頻率和電壓的交流電，由于這類變壓變頻器在恒頻交流電源和變頻交流輸出之間有一個“中間直溜環(huán)節(jié)”，所以又稱間接式變頻器。它又分為電壓源型和電流源型兩種，電壓源型采用較大電容量的電容器進行濾波，直流電路電壓波形平直，輸出阻抗小，電壓不易變化，相當于直流恒壓源，它在當前中小功率變頻調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。如下：圖1-2 圖1-2 交-直-交變頻電源整流部分原理圖如圖1-3，其中A，B，C是交流電輸入端，接有熔絲，當出現(xiàn)電流過大時熔絲會自動熔斷，起到保護整個電路的作用，在整流電路入口還接有電容和電阻，能夠起到抗干擾的作用，使得系統(tǒng)的性能更加的穩(wěn)定；逆變部分采用了IPM，專用的IGBT逆變集成芯片，因為它的優(yōu)點比較多，而且用起來比較方便，所以得到廣泛的應(yīng)用（關(guān)于IPM具體的功能見它的芯片介紹）7。 圖1-3 系統(tǒng)整流部分原理圖1.2.2單片機系統(tǒng) 這部分包括單片機的控制和鍵盤顯示系統(tǒng)兩個主要部分，以及以及中間用到的一些現(xiàn)在經(jīng)常采用的一些比較先進的，可以代替大塊的硬件電路的芯片的運用。 (1)單片機最小系統(tǒng) 本裝置的單片機控制系統(tǒng)是整個變頻調(diào)速系統(tǒng)的測控中樞，主要完成對整個變頻調(diào)速系統(tǒng)的檢測，控制，保護等工作。在啟動前，單片機對系統(tǒng)進行啟動前的檢測，在保證電路電壓，電流正常，且無電流沖擊的情況下允許啟動；正常運行時單片機控制集成觸發(fā)芯片HEF4752V產(chǎn)生PWM信號的同時，還要完成對轉(zhuǎn)速的檢測，PID數(shù)字調(diào)節(jié)的運算與處理，監(jiān)視系統(tǒng)的運行等功能。若系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則進行保護處理，并根據(jù)檢測結(jié)果顯示相應(yīng)的故障狀態(tài)。單片機控制系統(tǒng)還具備了必要的人機交互功能，通過鍵盤設(shè)置或修改系統(tǒng)運行及控制參數(shù)。為了實現(xiàn)上述功能，選用8051芯片2作為系統(tǒng)主機，如下圖1-4所示。 圖1-4 單片機最小系統(tǒng)8051內(nèi)部只有4K的ROM，因此利用8KB的EPROM 2764進行擴展。8051的P0口經(jīng)地址鎖存器74LS373與2764的A0-A7相連；P2口的低5位P2.0-P2.4接2764的A8-A12，P0口同時又接與2764的數(shù)據(jù)線D0-D7相連；EPROM的片選信號來自8051的PSEN。 6264為外部數(shù)據(jù)存儲器，用于對8051的RAMA進行擴展。8051的P0口經(jīng)地址鎖存器74LS373與6264的A0-A7相連；P2口的低5位P2.0-P2.4接6264的A8-A12，P0口同時又直接于2764的數(shù)據(jù)線D0-D7相連；6264的片選信號來自譯碼器74LS138的Y12。 (2)鍵盤顯示電路 鍵盤/顯示電路采用了Intel8279專用鍵盤/顯示控制芯片，它具有顯示器自動掃描，識別，閉合鍵的鍵號自動識別的功能，能自動向LED顯示器輸出顯示字符的段選碼和位選碼，實現(xiàn)動態(tài)掃描，可代替CPU完成對鍵盤和顯示器的控制，減輕CPU的負擔，而且顯示穩(wěn)定，不會出現(xiàn)誤動作，其最大的鍵盤配置可達64個，最多可接16位顯示器，完全滿足系統(tǒng)的要求。8279與8051接口也十分方便。這樣既簡化了電路設(shè)計，又提高了CPU的工作效率。具體應(yīng)用電路如下：圖1-5所示。 圖1-5 鍵盤顯示電路本系統(tǒng)采用了16個按鍵的配置，即10個數(shù)字鍵和6個功能鍵。數(shù)字鍵為0-9，功能鍵為R-啟動鍵，PID-PID參數(shù)設(shè)置，SPEED-電機轉(zhuǎn)速設(shè)置鍵，ENTER-設(shè)置確認鍵，P/N-正反轉(zhuǎn)控制鍵，S-停止鍵。SL0-SL2接譯碼器74LS138的輸入端譯碼器的輸出Y0，Y1作為鍵盤行掃描線，查詢線則由反饋輸入線RL0-RL7提供。 為了能夠精確的顯示PID 參數(shù)，電機轉(zhuǎn)速等系統(tǒng)的運行的參數(shù)，以及能夠詳盡地描述系統(tǒng)的啟動，控制等運行狀態(tài)。本系統(tǒng)采用8位8段共陰極LED顯示器，LED的位選線由掃描線SL0-SL2經(jīng)3-8譯碼器，驅(qū)動器提供，段選線OUTB0-OUTB3，OUTA0-OUTA3通過驅(qū)動器提供。8279的中斷請求信號IRQ經(jīng)過反向器與8051的 相連。ALE作為8279的時鐘信號直接連到其CLK端，由8279設(shè)置適當?shù)姆诸l數(shù)，分頻至100KKz。P0口作為數(shù)據(jù)線，用于向8279寫入顯示字，控制字以及讀回按鍵的鍵值。， 是讀/寫控制線， 作為8279的片選信號。3 在本文中，主要用于用戶的輸入和輸入值，及轉(zhuǎn)速的顯示等，具體的見程序流程。 (3)逆變器觸發(fā)單元設(shè)計逆變器觸發(fā)單元以8051單片機為核心，由可編程記數(shù)/定時器825310，PWM信號發(fā)生器HEF4752V等組成。8051主要完成控制工作，并向8253送時間常數(shù)和控制字；8253的3個計數(shù)器用以產(chǎn)生HEF4752V所需要的4個時鐘輸入fVCT,fOCT,fFCT,fRCT;HEF4752V是用以產(chǎn)生PWM逆變器的驅(qū)動信號。單元結(jié)構(gòu)如下：圖1-6所示： 圖1-6 逆變器觸發(fā)單元設(shè)計 8253是可編程定時/計數(shù)器芯片，包含3個獨立的16位計數(shù)器。8253可用6種模式進行工作（詳細見8253芯片介紹），全部功能都由軟件來確定，圖中8253的CLK0-2接10MHz時鐘，GATE0-2為3個計數(shù)器的允許/禁止端，OUT0-2為3個計數(shù)通道的輸出端，分別接HEF4752V的FCT，VCT，RCT和OCT。將8253的3個通道設(shè)定為方式3及計數(shù)分頻模式，改變通道的分頻數(shù)，即可改變對應(yīng)的時鐘輸出，從而控制HEF4752V產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號1(其中HEF4752Z所需要的四路時鐘信號fVCT,fOCT,fFCT,fRCT的具體的情況見附錄1系統(tǒng)軟件設(shè)計中關(guān)于它們的計算選擇)。1.2.3 檢測保護電路13 圖1-7 轉(zhuǎn)速檢測電路本系統(tǒng)采用M/T測量電機的轉(zhuǎn)速，脈沖發(fā)生器則采用紅外線發(fā)射及接收器件TLP947，在電機的轉(zhuǎn)軸上應(yīng)有黑白相間條紋的鋁環(huán)，當鋁環(huán)隨電機轉(zhuǎn)動時，由TLP947作為脈沖發(fā)生器可以產(chǎn)生一系列脈沖，單片機則可以進行M/T法測速，測速裝置屬于反饋環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)用光電碼盤測速，每轉(zhuǎn)1024個脈沖作為轉(zhuǎn)速傳感器，和硬件8051相連接，記錄碼盤脈沖個數(shù)，其中關(guān)于測速的計算為： 因為碼盤上有1024個脈沖傳感器，就相當于1024個小孔，由發(fā)光二極管照在上面，當經(jīng)過一個小孔就有一個高電平被送到了單片機當中，假設(shè)按秒計算，如果在1秒內(nèi)收到了N個信號，則證明有N個高電平已經(jīng)發(fā)出，既經(jīng)過了N個小孔，所以轉(zhuǎn)過的圈數(shù)就是N/1024，所以每分鐘就時60N/1024圈每秒，得到的也就時電動機的實際的轉(zhuǎn)速，用碼盤測速在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)可以獲得較滿意的效果。轉(zhuǎn)速測量電路如上圖1-7所示。 在本系統(tǒng)中通過上圖轉(zhuǎn)速檢測電路檢測到一個個的電頻信號，并送到了C8051單片機中，進行記數(shù)，計算，最終得到的就是電動機的實際轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速檢測電路也是本系統(tǒng)的閉環(huán)控制部分，它首先是一個檢測電路，通過M/T測速得到了電動機的實際轉(zhuǎn)速，其次，它把得到的轉(zhuǎn)速送回了單片機，由單片機進行比較處理，既用戶輸入的電動機的轉(zhuǎn)速與實際的轉(zhuǎn)速相比較，即讓兩個值做差，看哪個值大，如果實際的大就讓電動機進行減速處理，如果用戶輸入的值大就讓電動機進行減速處理，也就是我們在后面說到的PID調(diào)節(jié)，就如上面它的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖所示的那樣，通過閉環(huán)控制使得調(diào)速更精確，系統(tǒng)的性能大大的得到了改善8。2. 系統(tǒng)的工作原理介紹 本章主要介紹了電機調(diào)速的工作原理，以及交流調(diào)速的脈寬調(diào)制（PWM），祥見各節(jié)介紹。2.1調(diào)速的工作原理介紹 由異步電動機的轉(zhuǎn)速公式n = 60 f1(1-s)/ p 可知,當轉(zhuǎn)差率變化不大時,基本上正比于 f1,所以改變供電電源頻率 f1,即可調(diào)節(jié)異步電動機的轉(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5。 變頻調(diào)速的基本控制方式在進行異步電機調(diào)速時，希望保持電機中每極磁通量m為額定量不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵心，也不能產(chǎn)生足夠的電磁力矩，影響電機的加減速時的快速性；如果增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。三相異步電機定子每相電動勢的有效值是Eg = 4.44 f1N1KNm 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 = 4.44 f1N1KN m 可知，N1、KN 是常數(shù)，只要控制好Eg和 f1，便可達到控制磁通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)基頻以下調(diào)速 由式Eg = 4.44 f1N1KN m 可知，要保持m不變，當頻率 f1從額定值 f1 向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低Eg,使 ：Eg /f1 = 常值 Eg = 4.44 f1N1KNm 即采用恒定的電動勢頻率比的控制方式。然而，繞組中的感應(yīng)電動勢是難以直接測量的，當電動勢的值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓U1 Eg,則得 ：U1/ f1 = 常值，這是恒壓頻比的控制方式。低頻時，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，可以人為的把電壓U1抬高一些，以便近似的補償定子漏阻抗壓降。其控制特性如圖2-1所示。 1-不帶定子壓降補償； 2-帶定子壓降補償 圖2-1 恒壓頻比控制特性 (2)基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從 f1 向上增高，但電壓U1卻不能超過電機的額定電壓U1 ，最多只能保持U1 =U1 。由式Eg = 4.44 f1N1KN m可知，這將迫使磁通與頻率成反比的降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。把基頻以下和基頻以上的情況結(jié)合起來可得下圖所示的異步電動機變壓變頻調(diào)速控制特性。 圖2-2 異步電機變壓變頻調(diào)速控制特性 如果電動機在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，即電機都能在溫升允許情況下長期運行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。根據(jù)電力拖動原理，在基頻以下，磁通恒定時轉(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)速升高時轉(zhuǎn)矩降低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”4。 恒壓恒頻時異步電動機的機械特性：根據(jù)電機學(xué)原理，在下述假定條件下：(1)忽略空間和時間諧波，(2)忽略磁飽和，(3)忽略鐵損，異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路如圖2-3所示： 圖2-3 異步電機穩(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，即勵磁電感； U1、1 電動機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)電動勢； Es 定子全磁通的感應(yīng)電動勢； Er 轉(zhuǎn)子全磁通的感應(yīng)電動勢（折合到定子邊）。當異步電動機定子電壓U1和電源角頻率1都是恒定值時，電機的機械特性方程式為 (2-1)當 s 很小時，可忽略上式分母中含 s 的各項，則： (2-2) 即 s 很小時，轉(zhuǎn)矩近似與 s 成正比，機械特性Te = f (s)是一段直線 圖2-4 恒壓恒頻時異步電動機的機械特性當 s 接近于 1 時，可忽略式(2-1)分母中的R2，則 (2-3) 即 s 接近于 1 時轉(zhuǎn)矩近似與 s 成反比，這時，Te = f (s)是對稱于原點的一段雙曲線。當 s 為以上兩段的中間數(shù)值時，機械特性從直線段逐漸過渡到雙曲線段，如圖2-4。 本文設(shè)計的PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)。它的工作原理是：采用三相二級管整流電路 所示。將三相交流電變成直流電；整流后的電壓波形是脈動的，脈動的直流電經(jīng)過平波電抗器Ld,濾波電容C的濾波后變?yōu)殡妷汉愣ǖ闹绷麟姡煌ㄟ^改變IGBT的1，2；1，6；3，4；3，2；5，4；5，6；各組成交替導(dǎo)通的時間來改變逆變器輸出波形的頻率；在每組IGBT控制的周期內(nèi)，改變他們通斷的時間比，即通過改變脈沖寬度來改變逆變器輸出電壓幅值的大小。如果使每組開關(guān)元件在其控制周期內(nèi)反復(fù)通斷，多次，并使每個輸出矩形脈沖波形波電壓下的面積接近于對應(yīng)的正玄波。此時的三相正玄波就可以作為異步電動機的供電電源，從而實現(xiàn)電機的平滑啟動，停車和寬范圍調(diào)速7。2.2 交流調(diào)速的脈寬調(diào)制(PWM)控制技 脈寬調(diào)制技術(shù)（Pulse Width ModulationPWM）是指利用全控型電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，實現(xiàn)變壓、變頻控制并且消除諧波的技術(shù)，簡稱 PWM 技術(shù)。變頻調(diào)速系統(tǒng)采用 PWM 技術(shù)不僅能夠及時、準確地實現(xiàn)變壓變頻控制要求，而且更重要的是抑制逆變器輸出電壓或電流中的諧波分量，從而降低或消除了變頻調(diào)速時電機的轉(zhuǎn)矩脈動，提高了電機的工作效率和調(diào)速系統(tǒng)性能。目前，實際工程中主要采用的 PWM 技術(shù)是正弦 PWM(SPWM)，使變頻器輸出電壓或電流波形更接近于正弦波形。SPWM 方案多種多樣，歸納起來可以分為電壓正弦 PWM、電流正弦 PWM 和磁通正弦 PWM 等三種基本類型，其中電壓正弦 PWM 和電流正弦 PWM是從電源角度出發(fā)的 SPWM，磁通正弦 PWM(也稱為電壓空間矢量 PWM)是從電機角度出發(fā)的 SPWM。正弦波 PWM 調(diào)制原理為：調(diào)制信號為正弦波的脈寬調(diào)制叫做正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)，產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波是等幅而不等寬的脈沖列，脈寬調(diào)制的方法很多，從脈寬調(diào)制的極性上看，有單極性和雙極性之分；從載波和調(diào)制波的頻率之間的關(guān)系來看，又有同步調(diào)制、異步調(diào)制和分段同步調(diào)制。圖2-512為 PWM 逆變器的主電路6。 圖2-5 PWM逆變器的主電路圖2-6所示為雙極性脈寬調(diào)制波形，圖中三角波UC 為載波，正弦波UM 為調(diào)制波，當載波與調(diào)制波曲線相交時，在交點的時刻產(chǎn)生控制信號，用來控制功率開關(guān)器件的通斷，就可以得到一組等幅而脈沖寬度正比于對應(yīng)區(qū)間正弦波曲線函數(shù)值的矩形脈沖Ud 。 圖2-6 雙極性脈寬調(diào)制波形SPWM 逆變器輸出基波電壓的大小和頻率均由調(diào)制電壓來控制。當改變調(diào)制電壓的幅值時，脈寬隨之改變，即可改變輸出電壓的大小；當改變調(diào)制電壓的頻率時，輸出電壓頻率隨之改變。但正弦調(diào)制波最大幅值必須小于三角波的幅值，否則輸出電壓的大小和頻率就將失去所要求的配合關(guān)系。在實行 SPWM 脈寬調(diào)制時，同步調(diào)制和異步調(diào)制優(yōu)缺點如下： (1)同步調(diào)制 在同步調(diào)制方式中，載波比 N 等于常數(shù)，變頻時三角載波的頻率與正弦調(diào)制波的頻率同步改變，因而逆變器輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)是固定不變的。如果取 N 為 3 的倍數(shù)，則同步調(diào)制能保證輸出波形的正、負半波始終保持對稱，并能嚴格保證三相輸出波形間具有互差120o的對稱關(guān)系。當輸出頻率很低時，由于相鄰兩脈沖間的間距增大，諧波會顯著增加，使電機產(chǎn)生較大的脈動轉(zhuǎn)矩和較強的噪聲。 (2)異步調(diào)制 異步調(diào)制是逆變器的整個變頻范圍內(nèi)，載波比 N 不等于常數(shù)。一般在改變調(diào)制信號頻率時保持三角載波頻率不變，因而提高了低頻時的載波比。這樣輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖可隨輸出頻率的降低而增加，相應(yīng)的可減少電機的轉(zhuǎn)矩脈動與噪聲，改善了系統(tǒng)的低頻工作性能。 異步調(diào)制方式的缺點是當載波比 N 隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時，它不可能總是 3 的倍數(shù)，勢必使輸出電壓波形及其相位都發(fā)生變化，難以保持三相輸出的對稱性，因而引起電機工作不平穩(wěn)。 (3)混合調(diào)制 混合調(diào)制綜合了上面兩種方法的優(yōu)點，把整個變頻范圍劃分為若干頻段，在每個頻段內(nèi)都維持載波比 N 恒定，而對不同的頻段取不同的 N 值，頻率低時，N 取大些，一般大致按等比級數(shù)安排。產(chǎn)生 SPWM 調(diào)制信號主要有三種方法： (1)采用分立元件的模擬電路法，缺點是精度低、穩(wěn)定性差、實現(xiàn)過程復(fù)雜以及調(diào)節(jié)不方便等，該方法目前基本不用。 (2)采用專用集成電路芯片產(chǎn)生 SPWM 信號，如常用的 HE4752 芯片等 這些芯片的應(yīng)用使變流器的控制系統(tǒng)得以簡化，但由于這些芯片本身的功能存在不足之處，致使它們的應(yīng)用受到限制4。 (3)單片機數(shù)字編程法，其中高檔單片機將 SPWM 信號發(fā)生器集成在單片機內(nèi)，使單片機和 SPWM 信號發(fā)生器容為一體，從而較好地解決了波形精度低、穩(wěn)定性差、電路復(fù)雜、不易控制等問題，并且可以產(chǎn)生多種 SPWM 波形，實現(xiàn)各種控制算法和波形優(yōu)化, Intel 公司推出的 16 位單片機 8XC196MC 就是這樣一種具有高性能的特別適用于 PWM 控制技術(shù)的單片機。 其中SPWM 的數(shù)字控制有自然采樣法和規(guī)則采樣法兩種，其中自然采樣法計算比較復(fù)雜，不適合用計算機進行控制，一般采用規(guī)則采樣法，具體的原理如下所述： 圖2-7所示為規(guī)則采樣 I 法。它是在三角波每一周期的正峰值時找到正弦調(diào)制波上的對應(yīng)點，即圖中 D 點，求得電壓值ucd 。用此電壓值對三角波進行采樣，得 A、B 兩點。就認為他們是 SPWM 波形中脈沖的生成時刻，A、B 之間就是脈寬時間t2。規(guī)則采樣 I 法的計算顯然比自然采樣法簡單，但從圖中可以看出，所得的脈沖寬度將明顯的偏小，從而造成較大的控制誤差。這是由于采樣電壓水平線與三角載波的交點都處于正弦調(diào)制波的同一側(cè)造成的。 為了減小誤差，可對采樣時刻作另外的選擇，這就是圖2-7所示的規(guī)則采樣 II法。圖中仍在三角載波的固定時刻找到正弦調(diào)制波上的采樣電壓值，但所取的不是三角載波的正峰值，而是其負峰值，得圖中 E 點，采樣電壓為uce。在三角載波上由uce水平線截得 A、B 兩點，從而確定了脈寬時間。由于 A、B 兩點坐落在正弦調(diào)制波的兩側(cè)，因此，減少了脈寬生成誤差，所得的 SPWM 波形也就更準確了。 由圖可以看出，規(guī)則采樣法的實質(zhì)是用階梯波代替正弦波，從而簡化了算法。只要載波比足夠大，不同的階梯波都很逼近正弦波，所造成的誤差就可以忽略不計了。在規(guī)則采樣法中，三角載波每個周期的采樣時刻都是確定的，都在正峰值或負峰值處，不必作圖就可計算出相應(yīng)時刻的正弦波值，因而脈寬時間和間歇時間可以很容易計算出來。由圖可得規(guī)則采樣法 II 的計算公式： (2-4) (2-5)若變頻調(diào)速系統(tǒng)用于三相異步電動機調(diào)速還應(yīng)形成三相的 SPWM 波形。即使三相正弦調(diào)制波在時間上互差2 /3，而三角載波是共用的，這樣就可在同一個三角載波周期內(nèi)獲得圖5 中所示的三相 SPWM 脈沖波形。在圖2-8 中，每相的脈寬時間ta 、tb 和tc 都可用公式計算： 圖2-7 生成SPWM波形的規(guī)則采樣法 圖2-8 三相SPWM波形即： (2-6) 三相脈寬時間的總和為： (2-7)三相間歇時間總和為： (2-8)在數(shù)字控制中用計算機實時產(chǎn)生 SPWM 波形就是基于上述的采樣原理和計算公式。3. 閉環(huán)調(diào)速的實現(xiàn) 3.1 系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖3-1 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 注釋：系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖所示的就示系統(tǒng)的閉環(huán)控制部分，這部分通過轉(zhuǎn)速檢測電路把實際的轉(zhuǎn)速反饋回計算機，然后通過進行PID調(diào)節(jié)，再通過執(zhí)行機構(gòu)的執(zhí)行，使得輸出速度與用戶輸入速度相一致，完成速度閉環(huán)控制的目的。通過這部分可以使電動機的轉(zhuǎn)速得到更精確的控制，在這部分當中具體涉及到的轉(zhuǎn)速檢測部分見第1章的介紹，轉(zhuǎn)速反饋見后面介紹3。 3.2 工作原理的介紹 閉環(huán)控制就是反饋控制，它是自動控制系統(tǒng)最基本的控制方式，也是應(yīng)用最廣泛的一種控制方式，它是按偏差進行控制的，其特點是不論什么原因使被控量離期望值出現(xiàn)偏差時，必定會產(chǎn)生一個相應(yīng)的控制作用去減小或消除這個偏差，使被控量與期望值趨于一致，在本文中這個反饋量就是速度，閉環(huán)控制中的差值就是e(k)=e(用戶)-e(實際)，即進行反饋調(diào)節(jié)的就是這個偏差，使它盡量減小到0，即用戶輸入速度與實際速度相一致，在本文中實現(xiàn)這一部分功能的就是PID調(diào)節(jié)。 3.2.1 PID應(yīng)用的介紹 PID控制算法介紹：在數(shù)字計算機中，PID控制規(guī)律的實現(xiàn)，也必須用數(shù)值逼近的方法。當采樣周期相當短時，用求和代替積分，用差商代替微商，使PID算法離散化，將描述連續(xù)-時間PID算法的微分方程，變?yōu)槊枋鲭x散-時間PID算法的差分方程。 (1)PID算法分為：位置式PID控制算法；增量式PID控制算法；速度式PID控制算法三種，這三種算法的選擇，一方面要考慮執(zhí)行器件的形式，另一方面要分析應(yīng)用時的方便性。位置算法的輸出除非用數(shù)字式控制閥可直接連接外，一般須經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換為模擬量，并通過保持電路，把輸出信號保持到下一個采樣周期的輸出信號到來時為止；增量算法的輸出可通過步進電機等累積機構(gòu)化為模擬量，而速度算法的輸出須采用積分式執(zhí)行機構(gòu)。 (2)本系統(tǒng)采用了增量式PID控制算法，當執(zhí)行機構(gòu)需要的不是控制量的絕對值，而是控制量的增量（例如去驅(qū)動步進電動機）時，需要用PID的“增量算法”。簡化示意圖和控制算法如下： 圖3-2 增量式PID控制算法的簡化示意圖由位置算法求出 (3-1)再求出 (3-2)兩式相減，得出控制量的增量算法 (3-3)式(3-3)稱為增量式PID算法。對增量式PID算法（3-1）歸并后，得： (34)其中： 從(3-4)已看不出是PID的表達式了，也看不出P、I、D作用的直接關(guān)系，只表示了各次誤差量對控制作用的影響。從式(3-4)看出，數(shù)字增量式PID算法，只要貯存最近的三個誤差采樣值e(k)、e(k-1)、e(k-2)就足夠了。 所以: u(k)u(k-1); e(k-1)e(k-2); e(k)e(k-1) 最后輸出u(k)由計算機來加載PWM,進行調(diào)速。（具體的見3.2.2 調(diào)速閉環(huán)控制介紹。） 3.2.2 調(diào)速閉環(huán)控制介紹 本文中關(guān)于PID控制調(diào)速部分實際上就是上面介紹的用u(k)來加載PWM的過程，它的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-3所示： 圖3-3 調(diào)速閉環(huán)控制動態(tài)結(jié)構(gòu)圖在本系統(tǒng)中閉環(huán)控制起到了使系統(tǒng)調(diào)速達到更快速，更精確的目的，具體的調(diào)速原理如下： 當用戶由鍵盤輸入想要達到的速度后，經(jīng)計算機處理送到主芯片C8051，然后控制8253給HEF4752送控制字，達到調(diào)速目的，其中在不斷的轉(zhuǎn)速檢測閉環(huán)反饋的過程中進行著不斷的PID比較調(diào)節(jié)和加載PWM，在經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后會輸出一個u(k)，它的范圍為(-5V，+5V)，這個u(k)就對應(yīng)一個實際的頻率，即用戶可以進行識別調(diào)制的頻率，我們可以考慮到精確度把它對應(yīng)著實際頻率等份的越多越精確，在這里考慮到計算問題，我們把它們對應(yīng)著分成了100等份，但是這個頻率卻不是計算機所直接控制的頻率，計算機主要控制PWM的專用芯片HEF4752的FCT，VCT，RCT，OCT，來驅(qū)動IPM中的IGBT導(dǎo)通時間的長短，這樣就可達到改變加在電機定子上的實際電壓的多少，達到調(diào)速的目的，所以再K斜率選中后我們剩下的就是來調(diào)頻率了，即主要由計算機來查表調(diào)用fFCT和fVCT就可以了，所以根據(jù)原理我們把u(k)分成了100等份，對應(yīng)100份頻率，列表，這樣輸出的u(k)是多少對應(yīng)著查表就可以知道現(xiàn)在的實際頻率了，或輸入實際的頻率就可以知道輸出的u(k)的大小了，再列表對應(yīng)加在電機上的實際電壓U實，送入HEF4752的四個輸入信號FCT，VCT，RCT，OCT，其中主要為FCT，VCT，用計算機調(diào)用表中的值就可以進行閉環(huán)調(diào)速的控制了，其中各個對應(yīng)關(guān)系為：u(k)f實際；f實際U實；fFCTf實際；fVCTf實際但由于計算復(fù)雜，在實際列表中我們只列出了一些，并且表3-1如下所示：表3-1 調(diào)速對應(yīng)表Uk(V)-5-4.9-4.8-4.7-4.6.0. 5電機實際頻率f（Hz）01234.50. 100加在電機上的實際電壓U(v)512.52027.535.380. 380對應(yīng)fFCT（kHz）0.842.97365.10727.24089.3744.107.52. 214.2fFCT對應(yīng)的8253的16進制2E8AD237A656542B.21. . 2F對應(yīng)的fVCT（kHz）3Hz2.835.668.4911.32.141.3 . 283fVCT對應(yīng)的16進制32DCD5DCE6E749A2C4.47.23 注釋：在調(diào)速的過程中主要是來設(shè)定HEF4752的四路時鐘，所以根據(jù)實際情況需要在這里我們進行一設(shè)計些說明，其中有些在HEF4752芯片介紹時已經(jīng)做了說明。(1)fFCT的設(shè)置 設(shè)定輸出頻率fout與變換次數(shù)D有關(guān)系，fout=0.25HzD取D為1-255之間的整數(shù)，則fout的范圍為0.25Hz,63.75Hz，由式fFCT=3360fout得 fFCT的范圍為0.84KHz,214.2KHz,所以在計算中，我們對應(yīng)不同的頻率來設(shè)置不同fFCT，把它分成了100份。(2)fVCT的設(shè)置 在一般情況下，電動機的額定電壓Un=380V,額定頻率fn=50Hz則fVCT的標稱值fVCT（nom）可接下式計算，即： fout(m)=fn0.624Ud/Un=500.6241.35380/380=42.1(Hz) fvct(nom)=6720fout(m)=672042.1=283(KHz)式中的Ud為逆變器直流側(cè)的電壓，fout(m)為臨界輸出頻率，電動機低頻或高頻工作時，fvct取小于fvct(nom)的適當值，以補償Uout,維持電機工作在恒磁通狀態(tài)。而中間頻率對應(yīng)的fvct(nom)。該控制器的低頻補償范圍為0.25-6Hz,而在本文中我們?nèi)?Hz作為低頻補償。(3)fRCT的設(shè)置 實例表明，IGBT的開關(guān)頻率，以取1KHz左右比較合適，若取frct=400kHz,則由fRCT=280fc.max得fc.max=1.43KHz，fc.max=0.6fc.max0.86KHz，逆變器得實際開關(guān)頻率，被限制在0.86KHz-1.43KHz范圍內(nèi)。(4)fOCT的設(shè)置 為了防止逆變器同一橋臂上下開關(guān)元件在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生直通現(xiàn)象，須設(shè)置延遲時間Td，通常在fout=10Hz的時候，取Td=4s,因該控制器K接高電平，故fout=16/Td,得fout=10Hz時，foct=4MHz. 關(guān)于系統(tǒng)的軟件設(shè)計見附錄流程圖和控制程序，主芯片C8051控制8253，再由8253控制HEF4752產(chǎn)生PWM，由PWM去驅(qū)動IPM，最后控制加在電機上的U的通斷的時間長短，完成調(diào)速的整個過程。 3.3 閉環(huán)控制的優(yōu)勢 閉環(huán)控制系統(tǒng)是按反饋控制方式組成的反饋控制系統(tǒng)，具有抑制任何內(nèi)，外擾動對被控制量產(chǎn)生影響的能力，有較高的控制精度，是一種重要的并被廣泛應(yīng)用的控制方式。 在本系統(tǒng)中由于采用了閉環(huán)控制，使得變頻調(diào)速的響應(yīng)速度更快，更精確，效率高，功率因數(shù)可達到0.98，而且實現(xiàn)了電機從0r/min軟啟動，無啟動沖擊電流，從而延長了電機的使用壽命，又采用了PID算法，使得整個系統(tǒng)的誤差小，真正的按照用戶的需求成功的完成了調(diào)速過程，而且又采用了計算機控制，整個系統(tǒng)的性能得到了很大的提高3。4. 系統(tǒng)所用到的芯片介紹 在整個系統(tǒng)的設(shè)計中用到了一些芯片，它們使得整個系統(tǒng)簡單了不少，關(guān)于它們的具體介紹如下： 4.1 C8051芯片引腳圖（如圖4-1）引腳功能介紹 MCS-51是標準的40引腳雙列直插式集 圖4-1 8051芯片成電路芯片，引腳分布如上圖： P0.0P0.7 P0口8位雙向口線（在引腳 的3932號端子）。 P1.0P1.7 P1口8位雙向口線(在引腳的18號端子)。 P2.0P2.7 P2口8位 雙向口線(在引腳的2128號端子)。 P3.0P3.7 P2口8位雙向口線(在引腳的1017號端子)。 P0口有三個功能: (1)外部擴展存儲器時，當做數(shù)據(jù)總線（如圖1中的D0D7為數(shù)據(jù)總線接口） (2)外部擴展存儲器時，當作地址總線（如圖1中的A0A7為地址總線接口） (3)不擴展時，可做一般的I/O使用，但內(nèi)部無上拉電阻，作為輸入或輸出時應(yīng)在外部接上拉電阻。 P1口只做I/O口使用：其內(nèi)部有上拉電阻。 P2口有兩個功能: (1)擴展外部存儲器時，當作地址總線使用 (2)做一般I/O口使用，其內(nèi)部有上拉電阻；P3口有兩個功能 : 有內(nèi)部EPROM的單片機芯片(例如8751)，為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編程電源，這些信號也是由信號引腳的形式提供的， 即：編程脈沖：30腳（ALE/PROG），編程電壓(25V)：31腳(EA/Vpp) 接觸過工業(yè)設(shè)備的兄弟可能會看到有些印刷線路板上會有一個電池，這個電池是干什么用的呢？這就是單片機的備用電源，當外接電源下降到下限值時，備用電源就會經(jīng)第二功能的方式由第9腳(即RST/VPD)引入，以保護內(nèi)部RAM中的信息不會丟失2。 ALE/PROG 地址鎖存控制信號: 在系統(tǒng)擴展時，ALE用于控制把P0口的輸出低8位地址送鎖存器鎖存起來，以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。PORG為編程脈沖的輸入端，在8051單片機內(nèi)部有一個4KB或8KB的程序存儲器(ROM)，ROM的作用就是用來存放用戶需要執(zhí)行的程序的，通過編程脈沖輸入才能寫進去。PSEN 外部程序存儲器讀選通信號:在讀外部ROM時PSEN低電平有效，以實現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。 (1)內(nèi)部ROM讀取時，PSEN不動作； (2)外部ROM讀取時，在每個機器周期會動作兩次； (3)外部RAM讀取時，兩個PSEN脈沖被跳過不會輸出； (4)外接ROM時，與ROM的OE腳相接。 EA/VPP 訪問和序存儲器控制信號 : (1)接高電平時： 擴展外部ROM：當讀取內(nèi)部程序存儲器超過0FFFH(8051)1FFFH(8052)時自動讀取外部ROM。 (2)接低電平時：CPU讀取外部程序存儲器(ROM)。 在前面的學(xué)習(xí)中我們已知道，8031單片機內(nèi)部是沒有ROM的，那么在應(yīng)用8031單片機時，這個腳是一直接低電平的。 (3)8751燒寫內(nèi)部EPROM時，利用此腳輸入21V的燒寫電壓。RST 復(fù)位信號XTAL1和XTAL2 :外接晶振引腳。當使用芯片內(nèi)部時鐘時，此二引腳用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。VCC：電源+5V輸入 VSS：GND接地。 在本文中C8051是單片機控制系統(tǒng)的核心，由C8051來完成所有的信號處理，并以它為中心進行內(nèi)存擴展，擴展了8K的內(nèi)部存儲器EPROM和外部數(shù)據(jù)存儲器RAM。 4.2 PWM的專用芯片HEF4752 HEF4752是采用LOCMOS工藝制造的大規(guī)模集成電路，專門用來產(chǎn)生三相SPWM信號。它的驅(qū)動輸出經(jīng)隔離放大后，可驅(qū)動GTO,GTR和IGBT逆變器，在交流變頻調(diào)速中作控制器件8。 引腳圖如下圖4-2所示 圖4-2 HEF4752引腳圖主要特點如下：(1)能產(chǎn)生三對相