基于單片機的交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計 畢業(yè)論文設計

1、基于單片機的交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計【摘要】本課題主要是研究電壓型三相交流SPWM變頻技術(shù)的基本原理、實現(xiàn)方法及軟硬件設計，完成系統(tǒng)的軟硬件設計。要求完成內(nèi)容主要有：1、變頻調(diào)速技術(shù)基本原理2、變頻調(diào)速基本原理3、控制方案確定4、軟件與硬件設計。涉及的主要相關(guān)知識：電力電子及運動控制、微機控制。在通常情況下交流異步電動機用作調(diào)速機時，它的控制電路復雜，系統(tǒng)的效率較低。采用單片機微機控制的交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)使起控制電路大為簡化，使用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）驅(qū)動，系統(tǒng)效率也有所提高。交流異步電動機的變頻調(diào)速，實際中多采用脈沖寬度調(diào)制（PWM），完成調(diào)頻和調(diào)壓兩種功能。用單片機實現(xiàn)（PWM

2、）來控制可使調(diào)節(jié)靈活，電路簡化。本設計采用的MCS51系列的單片微機控制PWM。傳統(tǒng)的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)由正弦波和鋸齒波相交產(chǎn)生所需的脈寬調(diào)制波實現(xiàn)恒壓額比的變頻調(diào)速控制。這種系統(tǒng)由于采用模擬控制，設備復雜、調(diào)整困難，且控制精度低，可靠性差，因而限制了這種系統(tǒng)的應用。與上述傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有如下特點：采用新型大規(guī)模專用集成電路產(chǎn)生脈寬調(diào)制波，使波形穩(wěn)定，精度和可靠性顯著增加。以單片機8031CPU為核心的全數(shù)字控制電路簡單，調(diào)整迅速，進一步提高了控制精度?！娟P(guān)鍵詞】電壓型三相PWM整流器；變頻調(diào)速；單片機；交流電機【ABSTRACT】 Focus is Studying SPWM thr

3、ee-phase voltage-type AC inverter with the fundamental principles in this paper, and designing the methods and software and hardware, and complete system software and hardware. The main completion on: 1.the basic principles of VVVF technology 2. the basic principles of Frequency Control, 3.the contr

4、ol scheme for the 4.software and hardware design. The main relevant knowledge: power electronics and motion control, computer control. Under normal circumstances in exchange for motor asynchronous speed machine, its complicated control circuits, the systems efficiency is low. SCM using computer cont

5、rol the exchange of asynchronous motor Frequency Control System that has greatly simplified control circuit, the use of SPWM (SPWM) drive, the system has improved efficiency. Induction Motor Frequency Control, in the actual use of pulse width modulation (PWM), and completed FM Surge two functions. T

6、o achieve single-chip microprocessor (PWM) to control can adjust flexibly, to simplify circuit. This design by the MCS51 series of single-chip microprocessor achives PWM control。 The traditional exchange of Frequency Control System from the intersection of a sine wave and the sawtooth PWM wave of co

7、nstant pressure to achieve than the frequency for arrest control. As a result of this analog control system, equipment complex and difficult adjustment, and low-precision control, reliability poor, thus limiting the application of such a system. With the traditional systems, this system has the foll

8、owing characteristics: a new type of large-scale ASIC PWM wave, the wave stability, accuracy and reliability of a significant increase in SCM (8031 CPU as the core of digital control. Circuit simple to adjust quickly to further enhance the control accuracy. 【Key words】 Three-Phase PWM voltage rectif

9、ier, Frequency Control, SCM, AC motor, computer control目錄摘要.1ABSTRACT.2第一章 緒論.41.1 當前變頻調(diào)速的發(fā)展狀況及其趨勢.41.2 設計本課題的總思路.81.3 設計任務及要求.8第二章 異步電動機變頻調(diào)速.92.1 變頻器.92.2 變頻調(diào)速基本原理.10第三章 脈寬調(diào)制技術(shù).123.1 相電壓控制PWM.123.2 線電壓控制PWM143.3 電流控制PWM15 3.4 空間電壓矢量控制PWM163.5矢量控制PWM.163.6 直接轉(zhuǎn)矩控制PWM.173.7 非線性控制PWM17第四章 系統(tǒng)的硬件設計.184.1

10、 系統(tǒng)工作原理.184.2 主電路的設計.224.3 光電隔離電路.264.4 過電壓保護電路.274.5 8051控制電路.28第五章 系統(tǒng)的軟件設計.305.1 單片機程序設計.305.2 控制電路.355.3 最小脈沖問題分析.35總結(jié).36參考文獻.37第一章 緒論1.1 當前變頻調(diào)速的發(fā)展狀況及趨勢 在交流調(diào)速中，交流電動機的調(diào)速方法有三種:變極調(diào)速、改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速。其中變頻調(diào)速具有絕對的優(yōu)勢，并且他的調(diào)速性能和可靠性不斷完善，價格不斷降低。變頻調(diào)速是以變頻器向交流電動機供電，并可以構(gòu)成開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)。變頻器可以將原先固定的電壓和頻率的交流電源轉(zhuǎn)換為可調(diào)電壓和可調(diào)頻率的交流

11、源，所以變頻器已經(jīng)成為當今交流調(diào)速的核心部件。交流變頻調(diào)速的優(yōu)異特性： (1)調(diào)速時平滑性好，效率高。低速時，特性靜關(guān)率較高，相對穩(wěn)定性好。(2)調(diào)速范圍較大，精度高。(3)起動電流低，對系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊，節(jié)電效果明顯。(4)變頻器體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡便。(5)易于實現(xiàn)過程自動化。(6)必須有專用的變頻電源，目前造價較高。(7)在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，低速段電動機的過載能力大為降低。 近年來交流調(diào)速中最活躍、發(fā)展最快的就是變頻調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速是交流調(diào)速的基礎和主干內(nèi)容。上個世紀變壓器的出現(xiàn)使改變電壓變得很容易，從而造就了一個龐大的電力行業(yè)。長期以來，交流電的頻率一直是固定的，變頻調(diào)速技術(shù)的

12、出現(xiàn)使頻率變?yōu)榭梢猿浞掷玫馁Y源。我國是一個發(fā)展中國家，變頻調(diào)速產(chǎn)品大體只相當于國際上20世紀80年代水平。隨著改革開放，經(jīng)濟高速發(fā)展，變頻調(diào)速產(chǎn)品形成了一個巨大的市場，它既對國內(nèi)企業(yè)，也對外國公司敞開。很多先進的產(chǎn)品從發(fā)達國家進口，在我國運行良好，滿足了國內(nèi)生產(chǎn)和生活需要。國內(nèi)許多合資公司生產(chǎn)當今國際上最先進的變頻調(diào)速產(chǎn)品，國內(nèi)的成套部分在自行設計制造成套裝置中采用外國進口公司和合資企業(yè)的先進設備，自己開發(fā)應用軟件，能為國內(nèi)外重大工程項目提供一流的電氣傳動控制系統(tǒng)。在變頻調(diào)速領域，我國雖然取得了很大成績，但應看到由于國內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)產(chǎn)品的能力弱，對國外公司的依賴性仍較嚴重。 在我們現(xiàn)在日常

13、生活中，高速電力機車、汽車、電梯、音樂噴泉、冰箱、洗衣機、印刷設備、空調(diào)等，接近我們生活的一些用具以及生活用品對變頻控制的采用也是越來越多了。 近10年來，隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動技術(shù)正發(fā)生著交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計算機數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)的革命。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)間效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內(nèi)外公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式，成為當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術(shù)進步的一種主要手段。 變頻調(diào)速是一種經(jīng)典的交流電動機調(diào)速方法，交流電動機采用變頻調(diào)速技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)速，而

14、且可以根據(jù)負載的不同，通過適當調(diào)節(jié)電壓和頻率的關(guān)系，使電機始終在高效率區(qū)運行，并且保證良好的動態(tài)性能，因而被廣泛使用。國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀對比國外現(xiàn)狀在大功率交-交變頻（循環(huán)變流器）調(diào)速技術(shù)方面，法國阿爾斯通已能提供單機容量達3萬kW的電氣傳動設備用于船舶推進系統(tǒng)。在大功率無換向器電機變頻調(diào)速技術(shù)方面，意大利ABB公司提供了單機容量為6萬kW的設備用于抽水蓄能電站。在中功率變頻調(diào)速技術(shù)方面，德國西門子公司Simovert A電流型晶閘管變頻調(diào)速設備單機容量為10 2600 kVA和Simovert P GTO PWM變頻調(diào)速設備單機容量為100 900 kVA，其控制系統(tǒng)已實現(xiàn)全數(shù)字化，用于電力機車

15、、風機、水泵傳動。在小功率交流變頻調(diào)速技術(shù)方面，日本富士BJT變頻器最大單機容量可達700 kVA，IGBT變頻器已形成系列產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)也已實現(xiàn)全數(shù)字化。國外交流變頻調(diào)速技術(shù)高速發(fā)展有以下特點： (1) 市場的大量需求。(2) 功率器件的發(fā)展。 (3) 控制理論和微電子技術(shù)的發(fā)展。(4) 基礎工業(yè)和各種制造業(yè)的高速發(fā)展，變頻器相關(guān)配套件社會化、專業(yè)化生產(chǎn)。國內(nèi)現(xiàn)狀 從總體上看我國電氣傳動的技術(shù)水平較國際先進水平差距10 15年。 在大功率交-交、無換向器電機等變頻技術(shù)方面，國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，但在數(shù)字化及系統(tǒng)可靠性方面與國外還有相當差距。而這方面產(chǎn)品在諸如抽水蓄能電站機組起動及

16、運行、大容量風機、壓縮機和軋機傳動、礦井卷場方面有很大需求。在中小功率變頻技術(shù)方面，國內(nèi)幾乎所有的產(chǎn)品都是普通的V/f控制，僅有少量的樣機采用矢量控制，品種與質(zhì)量還不能滿足市場需要，每年大量進口。國內(nèi)交流變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)狀況表現(xiàn)如下:(1) 變頻器的整機技術(shù)落后，國內(nèi)雖有很多單位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并沒有形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模。 (2) 變頻器產(chǎn)品所用半導體功率器件的制造業(yè)幾乎是空白。 (3) 相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后。(4) 產(chǎn)銷量少，可靠性及工藝水平不高。 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展方向 交流變頻調(diào)速技術(shù)是強、弱電混合，機電一體化的綜合性技術(shù)。它分為功率級和控制級兩大部分。功率

17、級部分是解決高電壓、大電流方面的技術(shù)問題和新型電力電子器件的應用技術(shù)問題;控制級部分是要解決數(shù)字化控制的硬、軟件開發(fā)問題。鑒于這兩方面，未來變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展方向主要有以下幾點：（1） 各種控制方法的深入研究和實現(xiàn)，進一步提高變頻調(diào)速性能。當前高水平的控制策略有：基于電動機和機械模型的有矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和機械扭振補償?shù)?基于現(xiàn)代理論的有滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)、模型參考自適應技術(shù)、采用微奈奎斯特陣列設計方法等；基于自能控制思想上網(wǎng)模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡 、專家系統(tǒng)和各種各樣的自優(yōu)化、自診斷技術(shù)等。這些已有技術(shù)將逐步推廣應用，同時新的控制技術(shù)將不斷涌現(xiàn)。（2） 進一步提高變頻器的功率因素，降低網(wǎng)側(cè)和負

18、載側(cè)的諧波，以減少對電網(wǎng)的污染和電動機的轉(zhuǎn)矩脈動。對中、小容量變頻器，主要采取提高開關(guān)頻率的PWM控制；對大容量變頻器，主要采取在常規(guī)的開關(guān)頻率下，改變主電路結(jié)構(gòu)和控制方式這兩條途徑。（3） 進一步增加器件的集成度，縮小變頻裝置整體的尺寸，更加提高系統(tǒng)可靠性。今后變頻器中的功率器件和控制元件將具有更高的集成度，入智能化的功率模塊、高頻率的開關(guān)電源以及采用新型電工材料制造的小體積變壓器、電抗器和電容器。與之配套的功率器件冷卻方式的改變（如冷水、蒸發(fā)冷卻和熱管），也有利于整機體積的減小。（4） 以32位高微處理器為基礎的數(shù)字控制模塊有足夠的能力實現(xiàn)各種控制算法，Windows控制系統(tǒng)的引入使得自由

19、設計成為可能，圖形編程的控制技術(shù)也有很大的發(fā)展。有關(guān)資料表明，采用變頻調(diào)速技術(shù)確實能夠取得非常明顯的節(jié)能、增產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量的效果，節(jié)電率一般在10%30%，有的高達40%，更重要的是生產(chǎn)中一些技術(shù)難點也得到解決。變頻調(diào)速作為高新技術(shù)、基礎技術(shù)和節(jié)能技術(shù)，已經(jīng)應用到各個領域部門，滲透到經(jīng)濟領域所有技術(shù)部門中，我國現(xiàn)在正大力發(fā)展和推廣變頻調(diào)速技術(shù)，努力縮小和世界先進水平的差距，使之向規(guī)?；?、自主化、標準化發(fā)展。變頻調(diào)速的主要類型目前，應用較為廣泛的變頻調(diào)速系統(tǒng)主要有以下幾種： 1.轉(zhuǎn)速開環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng) 所謂轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速就是采用開環(huán)、恒壓頻比，并且?guī)У皖l電壓補償?shù)目刂品绞健Ｔ摽刂葡到y(tǒng)成本低及

20、其結(jié)構(gòu)簡單，所以多用于風機等的節(jié)能調(diào)速上面。 2.轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差率控制的PWM變頻調(diào)速系統(tǒng) 利用電機穩(wěn)定運行時，在轉(zhuǎn)差率S很小的范圍內(nèi)，當磁通不變時，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差角頻率成正比的關(guān)系來實現(xiàn)電動機的較高性能調(diào)速，但其動態(tài)性能不夠。 3.轉(zhuǎn)速、磁鏈雙閉環(huán)矢量控制的電流滯環(huán)型PWM變頻調(diào)速系統(tǒng) 應用矢量控制理論，對轉(zhuǎn)速、磁鏈進行分別控制，采用了滯環(huán)電流跟蹤型PWM逆變器，所以其動態(tài)性能很好，還配有精確的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器，則系統(tǒng)都達到與直流電動機調(diào)速系統(tǒng)相媲美。1.2設計本課題的總思路本文對于逆變器供電的變頻調(diào)速系統(tǒng)進行了分析，并設計了一種以MCS-51系列單片機為基礎生成的SPWM來控制逆變器的控制系統(tǒng)。首

21、先，在逆變器供電的交流調(diào)速系統(tǒng)中，電動機的運行條件發(fā)生了很大變化，針對逆變器供電的特點給出了變頻調(diào)速異步電動機的選擇方法。其次，對于新型器件的應用做了說明，根據(jù)新型功率器件的特點和應用要求，設計出了逆變器的驅(qū)動電路和保護電路，使得新型功率器件的應用更加安全。最后，為適應變頻調(diào)速電機的要求，設計了一套基于單片機生成的SPWM控制逆變器來控制電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)，對于硬件電路部分和實現(xiàn)控制策略的軟件部分進行設計。1.3設計任務及要求本課題主要是研究電壓型三相交流SPWM變頻技術(shù)的基本原理、實現(xiàn)方法及軟硬件設計，完成系統(tǒng)的軟硬件設計。要求完成任務主要有：1、變頻器及其工作原理 2、變頻調(diào)速基本原理 3

22、、控制方案確定 4、軟件與硬件設計 第二章 異步電動機變頻調(diào)速2.1 變頻器變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交直交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。 2.1.1 變頻器的選型變頻器選型時要確定以下幾點：(1)采用變頻的目的；恒壓

23、控制或恒流控制等。(2)變頻器的負載類型；如葉片泵或容積泵等，特別注意負載的性能曲線，性能曲線決定了應用時的方式方法。(3)變頻器與負載的匹配問題； 電壓匹配；變頻器的額定電壓與負載的額定電壓相符。 電流匹配；普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機的額定電流相符。對于特殊的負載如深水泵等則需要參考電機性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流和過載能力。 轉(zhuǎn)矩匹配；這種情況在恒轉(zhuǎn)矩負載或有減速裝置時有可能發(fā)生。(4)在使用變頻器驅(qū)動高速電機時，由于高速電機的電抗小，高次諧波增加導致輸出電流值增大。因此用于高速電機的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機的選型。(5)變頻器如果要長電纜運行時，此時要采取措施

24、抑制長電纜對地耦合電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣情況下，變頻器容量要放大一檔或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。(6)對于一些特殊的應用場合，如高溫，高海拔，此時會引起變頻器的降容，變頻器容量要放大一擋。 2.1.2 變頻器的工作原理變頻器是一種將電網(wǎng)電源整流后再逆變成頻率、電壓可變的交流電，供三相交流電動機專用的。電源裝置變頻調(diào)速的主裝置的主回路由充電接觸器、進線電抗器、充電電容、平波電容絹和6組SKIIP模塊組成。而6個SKIIP模塊組成二組,三相橋式交流電路，其中一組為變頻器輸出逆變器；另一組為向發(fā)電電網(wǎng)反饋的逆變橋。在變頻調(diào)速時，電動機的轉(zhuǎn)矩Tmax =Cm (uf)2 式

25、中：Cm-電動機常數(shù)；u-電源電壓；f-電源頻率。如果在改變f的同時同步改變電源電壓u即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩T不變的調(diào)速性能其原理圖如圖2.1所示。圖2.1 變頻器原理圖首先是將單相或三相交流電流電源通過整流器并經(jīng)電容濾波后形成幅值基本穩(wěn)定的直流電壓加在逆變器上，利用逆變器功率元件的通斷控制，使逆變器輸出端獲得一定形狀的矩形脈沖波形。在這里通過改變矩形脈沖的寬度控制其電壓幅值；通過改變調(diào)制周期控制其輸出頻率，從而在逆變器上同時實現(xiàn)輸出電壓和頻率的控制，而滿足變頻調(diào)速對U /f的協(xié)調(diào)控制要求。2.2 變頻調(diào)速基本原理2.2.1 變頻調(diào)速的工作原理p磁極對數(shù)異步電動機是依靠旋轉(zhuǎn)磁場的作用而轉(zhuǎn)動的，根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁

26、場理論，有下列關(guān)系n1 = 60f / p式中n1定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，也叫異步電動機同步轉(zhuǎn)速（r / min）； f電源頻率（Hz）； p電動機的磁極對數(shù)。異步電動機的同步轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速n之差與同步轉(zhuǎn)速之比，叫異步電動機的轉(zhuǎn)差率，以s表示s = (n1 n) / n1 = 1 n / n1n1s = n1 nn = n1(1-s)n = (1-s) 60f / p 由電機學理論可知，電動機的轉(zhuǎn)速為n=60f/p，式中f電源頻率；p磁極對數(shù)；當P為定值時，n與f成正比。如果連續(xù)地改變供電電源的頻率就可以調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，這就是變頻調(diào)速的工作原理。而變頻調(diào)速的關(guān)鍵設備就是變頻器它決定整個調(diào)速系統(tǒng)的性

27、能。但是，為了保持在調(diào)速時電機的最大轉(zhuǎn)矩不變，必須維持電機的磁通量恒定，因此定子的供電電壓也要作相應調(diào)節(jié)。變頻器就是在調(diào)整頻率的同時還要調(diào)整電壓，故簡稱VVVF（裝置）。通過電工理論分析可知，轉(zhuǎn)矩與磁通量（最大值）成正比，在轉(zhuǎn)子參數(shù)值一定時，轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比。目前使用較多的是“交直交”變頻，將50Hz交流整流為直流電Ud，再由三相逆變器將直流逆變?yōu)轭l率可調(diào)的三相交流供給鼠籠電機實現(xiàn)變頻調(diào)速。頻率的下降會導致磁通的增加，造成磁路飽和，勵磁電流增加，功率因數(shù)下降，鐵心和線圈過熱。第三章 脈寬調(diào)制技術(shù)PWM技術(shù)是利用半導體開關(guān)器件的導通與關(guān)斷把直流電壓變?yōu)殡妷好}沖序列，通過控制電壓脈沖寬度

28、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(diào)速中，前者主要應用于PWM斬波（DCDC變換），后者主要應用于PWM逆變（DCAC變換）。PWM脈寬調(diào)制是利用相當于基波分量的信號波（調(diào)制波）對三角載波進行調(diào)制，以達到調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度的目的。相當于基波分量的信號波（調(diào)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(diào)制信號，但決不是最優(yōu)信號。采樣控制理論中有一個重要結(jié)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。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎，對半導體開關(guān)器件的導通和關(guān)斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等

29、的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀80年代以前一直未能實現(xiàn)。直到進入上世紀80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應用。PWM控制技術(shù)以其控制簡單,靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應用的控制方式,也是人們研究的熱點。由于當今科學技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學科之間的界限,結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。到目前為止，已出現(xiàn)了多

30、種PWM控制技術(shù)，根據(jù)PWM控制技術(shù)的特點，到目前為止主要有以下幾類方法。 3.1 相電壓控制PWM 3.1.1 等脈寬PWM法VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)裝置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技術(shù)來實現(xiàn)的，其逆變器部分只能輸出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓。等脈寬PWM法正是為了克服PAM法的這個缺點發(fā)展而來的，是PWM法中最為簡單的一種。它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為PWM波，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。 3.1

31、.2 隨機PWM 其原理是隨機改變開關(guān)頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪聲(在線性頻率坐標系中，各頻率能量分布是均勻的)，盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強度大大削弱。正因為如此，即使在IGBT已被廣泛應用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合，隨機PWM仍然有其特殊的價值；另一方面則說明了消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，隨機PWM技術(shù)正是提供了一個分析、解決這種問題的全新思路。 3.1.3 SPWM法 SPWM(Sinusoidal PWM)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(jié)論：沖量相等而形狀不同

32、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(jié)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(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。該方法的實現(xiàn)有以下幾種方案。 等面積法 硬件調(diào)制法 軟件生成法 低次諧波消去法 3.1.4 梯形波與三角波比較法前面所介紹的各種方法主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的，從而忽視了直流電壓的利用率，如SPWM法，其直流電壓利用率僅為86.6%。因此，為了提高直流電壓利用率，提出了一種新的方法

33、梯形波與三角波比較法。該方法是采用梯形波作為調(diào)制信號，三角波為載波，且使兩波幅值相等，以兩波的交點時刻控制開關(guān)器件的通斷實現(xiàn)PWM控制。 由于當梯形波幅值和三角波幅值相等時，其所含的基波分量幅值已超過了三角波幅值，從而可以有效地提高直流電壓利用率。但由于梯形波本身含有低次諧波，所以輸出波形中含有5次、7次等低次諧波。 3.2 線電壓控制PWM 前面所介紹的各種PWM控制方法用于三相逆變電路時，都是對三相輸出相電壓分別進行控制的，使其輸出接近正弦波，但是，對于像三相異步電動機這樣的三相無中線對稱負載，逆變器輸出不必追求相電壓接近正弦，而可著眼于使線電壓趨于正弦。因此，提出了線電壓控制PWM，主要

34、有以下兩種方法。 3.2.1 馬鞍形波與三角波比較法馬鞍形波與三角波比較法也就是諧波注入PWM方式(HIPWM)，其原理是在正弦波中加入一定比例的三次諧波，調(diào)制信號便呈現(xiàn)出馬鞍形，而且幅值明顯降低，于是在調(diào)制信號的幅值不超過載波幅值的情況下，可以使基波幅值超過三角波幅值，提高了直流電壓利用率。在三相無中線系統(tǒng)中，由于三次諧波電流無通路，所以三個線電壓和線電流中均不含三次諧波。除了可以注入三次諧波以外，還可以注入其他3倍頻于正弦波信號的其他波形，這些信號都不會影響線電壓。這是因為，經(jīng)過PWM調(diào)制后逆變電路輸出的相電壓也必然包含相應的3倍頻于正弦波信號的諧波，但在合成線電壓時，各相電壓中的這些諧波

35、將互相抵消，從而使線電壓仍為正弦波。 3.2.2 單元脈寬調(diào)制法因為，三相對稱線電壓有Uuv+Uvw+Uwu=0的關(guān)系，所以，某一線電壓任何時刻都等于另外兩個線電壓負值之和?，F(xiàn)在把一個周期等分為6個區(qū)間，每區(qū)間60，對于某一線電壓例如Uuv，半個周期兩邊60區(qū)間用Uuv本身表示，中間60區(qū)間用-(Uvw+Uwu)表示，當將Uvw和Uwu作同樣處理時，就可以得到三相線電壓波形只有半周內(nèi)兩邊60區(qū)間的兩種波形形狀，并且有正有負。把這樣的電壓波形作為脈寬調(diào)制的參考信號，載波仍用三角波，并把各區(qū)間的曲線用直線近似(實踐表明，這樣做引起的誤差不大，完全可行)，就可以得到線電壓的脈沖波形，該波形是完全對稱

36、，且規(guī)律性很強，負半周是正半周相應脈沖列的反相，因此，只要半個周期兩邊60區(qū)間的脈沖列一經(jīng)確定，線電壓的調(diào)制脈沖波形就唯一的確定了。這個脈沖并不是開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖信號，但由于已知三相線電壓的脈沖工作模式，就可以確定開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖信號了。 該方法不僅能抑制較多的低次諧波，還可減小開關(guān)損耗和加寬線性控制區(qū)，同時還能帶來用微機控制的方便，但該方法只適用于異步電動機，應用范圍較小。 3.3 電流控制PWM 電流控制PWM的基本思想是把希望輸出的電流波形作為指令信號，把實際的電流波形作為反饋信號，通過兩者瞬時值的比較來決定各開關(guān)器件的通斷，使實際輸出隨指令信號的改變而改變。其實現(xiàn)方案主要有以下3種

37、。 3.3.1 滯環(huán)比較法這是一種帶反饋的PWM控制方式，即每相電流反饋回來與電流給定值經(jīng)過滯環(huán)比較器，得出的相應橋臂開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)，使得實際電流跟蹤給定電流的變化。該方法的優(yōu)點是電路簡單，動態(tài)性能好，輸出電壓不含特定頻率的諧波分量。其缺點是開關(guān)頻率不固定造成較為嚴重的噪音，和其他方法相比，在同一開關(guān)頻率下輸出電流中所含的諧波較多。 3.3.2 三角波比較法 該方法與SPWM法中的三角波比較方式不同，這里是把指令電流與實際輸出電流進行比較，求出偏差電流，通過放大器放大后再和三角波進行比較，產(chǎn)生PWM波。此時開關(guān)頻率一定，因而克服了滯環(huán)比較法頻率不固定的缺點。但是，這種方式電流響應不如滯環(huán)比

38、較法快。 3.3.3 預測電流控制法預測電流控制是在每個調(diào)節(jié)周期開始時，根據(jù)實際電流誤差，負載參數(shù)及其它負載變量，來預測電流誤差矢量趨勢，因此，下一個調(diào)節(jié)周期由PWM產(chǎn)生的電壓矢量必將減小所預測的誤差。該方法的優(yōu)點是，若給調(diào)節(jié)器除誤差外更多的信息，則可獲得比較快速、準確的響應。目前，這類調(diào)節(jié)器的局限性是響應速度及過程模型系數(shù)參數(shù)的準確性。 3.4 空間電壓矢量控制PWM空間電壓矢量控制PWM(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法。它以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準圓磁通，由它們的比較結(jié)果決定逆變器的開關(guān)，形成

39、PWM波形。此法從電動機的角度出發(fā)，把逆變器和電機看作一個整體，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進行控制，使電機獲得幅值恒定的圓形磁場(正弦磁通)。 具體方法又分為磁通開環(huán)式和磁通閉環(huán)式。磁通開環(huán)法用兩個非零矢量和一個零矢量合成一個等效的電壓矢量，若采樣時間足夠小，可合成任意電壓矢量。此法輸出電壓比正弦波調(diào)制時提高15%，諧波電流有效值之和接近最小。磁通閉環(huán)式引入磁通反饋，控制磁通的大小和變化的速度。在比較估算磁通和給定磁通后，根據(jù)誤差決定產(chǎn)生下一個電壓矢量，形成PWM波形。這種方法克服了磁通開環(huán)法的不足，解決了電機低速時，定子電阻影響大的問題，減小了電機的脈動和噪音。但由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能

40、沒有得到根本性的改善。 3.5 矢量控制PWM 矢量控制也稱磁場定向控制，其原理是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia，Ib及Ic，通過三相/二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1及Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流電流Im1及It1(Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模仿對直流電動機的控制方法，實現(xiàn)對交流電動機的控制。其實質(zhì)是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度、磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標變換，實現(xiàn)正交或解耦控制。 但是，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難

41、以準確觀測，以及矢量變換的復雜性，使得實際控制效果往往難以達到理論分析的效果，這是矢量控制技術(shù)在實踐上的不足。此外，它必須直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實現(xiàn)定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配置轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器，這顯然給許多應用場合帶來不便。 3.6 直接轉(zhuǎn)矩控制PWM直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制，它也不需要解耦電機模型，而是在靜止的坐標系中計算電機磁通和轉(zhuǎn)矩的實際值，然后，經(jīng)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band-Band控制產(chǎn)生PWM信號對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制，從而在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，

42、能方便地實現(xiàn)無速度傳感器化，有很快的轉(zhuǎn)矩響應速度和很高的速度及轉(zhuǎn)矩控制精度，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。但直接轉(zhuǎn)矩控制也存在缺點，如逆變器開關(guān)頻率的提高有限制。 3.7 非線性控制PWM 單周控制法又稱積分復位控制(Integration Reset Control，簡稱IRC)，是一種新型非線性控制技術(shù)，其基本思想是控制開關(guān)占空比，在每個周期使開關(guān)變量的平均值與控制參考電壓相等或成一定比例。該技術(shù)同時具有調(diào)制和控制的雙重性，通過復位開關(guān)、積分器、觸發(fā)電路、比較器達到跟蹤指令信號的目的。單周控制器由控制器、比較器、積分器及時鐘組成，其中控制器可以是R

43、S觸發(fā)器。單周控制在控制電路中不需要誤差綜合,它能在一個周期內(nèi)自動消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)誤差，使前一周期的誤差不會帶到下一周期。雖然硬件電路較復雜，但其克服了傳統(tǒng)的PWM控制方法的不足，適用于各種脈寬調(diào)制軟開關(guān)逆變器，具有反應快、開關(guān)頻率恒定、魯棒性強等優(yōu)點。 第四章 系統(tǒng)的硬件設計變頻調(diào)速技術(shù)是近20年內(nèi)發(fā)展起來的一門新技術(shù)。隨著電力電子技術(shù)的日益發(fā)展和PWM控制技術(shù)的成熟, 利用電機的轉(zhuǎn)速和輸入電源的頻率是線性關(guān)系這一原理, 將50Hz 的交流電通過整流和逆變轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的電源, 供給異步電動機,實現(xiàn)調(diào)速的目的。利用單片機組成的變頻調(diào)速控制器可以實現(xiàn)從低頻(12Hz) 起動到50Hz ,可以消除

44、以往工頻50Hz 直接起動對電機的沖擊, 延長電機的使用壽命,同時由于變頻器的輸出電壓可以自適應調(diào)節(jié), 使負載電機可以工作在額定電壓以下,不僅節(jié)能且可延長電機的使用壽命。4.1 系統(tǒng)工作原理交流變頻調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如圖4.1所示，從結(jié)構(gòu)上主要分為控制部分和執(zhí)行部分。單片機、時鐘電路、通訊接口、鍵盤與顯示電路、光電耦合、IPM逆變器、整流模塊、轉(zhuǎn)速檢測和故障檢測、報警電路等組成。執(zhí)行部分為三相異步交流電動機。逆變及驅(qū)動電路檢測電路整流電路M濾 波電 路 人機接口電路光電隔離相電流檢測測轉(zhuǎn)速檢測計算機8051圖4.1 基于8051的變頻調(diào)速系統(tǒng)原理方框圖系統(tǒng)的工作原理為：電機的轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)換

45、成矩形脈沖信號，經(jīng)光電隔離后進入單片機計數(shù)器，由計數(shù)器值獲得電機的實際轉(zhuǎn)速，與設定轉(zhuǎn)速比較，經(jīng)Fuzzy-PID控制器調(diào)節(jié)后，單片機產(chǎn)生的PWM波經(jīng)6N137線性光耦進行電氣隔離后作用于逆變模塊IPM（intelligent power module），實現(xiàn)電機的閉環(huán)變頻調(diào)速?；魻栯娏?、電壓傳感器將檢測到的逆變模塊的三相輸出電流、電壓信號，經(jīng)采樣保持后進入單片機，完成A/D轉(zhuǎn)換后，由CPU進行處理。逆變模塊工作時所需要的直流電壓信號由整流電路對380V電源進行全橋整流得到。 基于8051的變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體設計方案方框圖如圖4.1所示。本系統(tǒng)采用TI公司的TMS320LF2407A為控制核心，

46、逆變驅(qū)動電路芯片采用美國國際整流公司的IR2I32。主要由主電路（整流電路、逆變和逆變驅(qū)動電路、檢測電路、濾波電路）、光電隔離電路、過壓保護電路、8051控制電路和人機接口電路組成。4.1.1 SPWM技術(shù)原理SPWM技術(shù)的基本原理是利用一個三角波載波和一個正弦波進行比較，得到一個寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，用它們來驅(qū)動逆變器開關(guān)管的開關(guān)轉(zhuǎn)換。由微控制器來實現(xiàn)SPWM波形的方法有表格法、隨時計算法和實時計算法，但前兩種無實時處理能力。采用實時計算法要有數(shù)學模型，其中一種較為常用的是采樣型SPWM法，它分為自然采樣法、對稱規(guī)則采樣法和不對稱規(guī)則采樣法。典型的單極性對稱規(guī)則采樣法，在三角波的峰值

47、時刻采樣正弦調(diào)制波并將采樣值保持，分別取保持值和三角波交點作為脈沖寬度時間。若Ts為三角波的周期，同時也是采樣周期；Ur為三角波的高，正弦波為Ucsint。根據(jù)三角形相似關(guān)系，得到所以，其中，M=Uc/Ur為調(diào)制比，t為采樣點（這里為頂點采樣）的時刻。則脈沖寬度為，采樣點時刻t只與載波比N有關(guān)。在對稱規(guī)則采樣情況下，只要知道采樣點時刻t就可以確定這個采樣周期內(nèi)的脈沖寬度TPM和時間間隔Toff，從而可以計算出SPWM波形高、低脈沖的寬度。4.1.2 C8051實現(xiàn)SPWM波形的原理及算法(1) C8051F系列單片機PCA簡介C8051F系列單片機都具有一個可編程計數(shù)器陣列PCA，以C8051

48、F040為例，PCA包含1個專用的16位計數(shù)器/定時器和6個16位捕捉/比較模塊，可以輸出6路PWM波形。如圖2所示，16位PCA專用計數(shù)器/定時器的時基信號可有多種選擇，可通過配置相關(guān)的系統(tǒng)控制器的特殊功能寄存器（SFR）來實現(xiàn)。每個捕捉/比較模塊有自己的I/O線CEXn，可通過配制交叉開關(guān)寄存器（XBR0）將每個模塊的I/O線連接到端口I/O；每個模塊都可配制為獨立工作，有四種工作方式：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時器、高速輸出或脈寬調(diào)制器。本文中，產(chǎn)生頻率可變的SPWM波形是使用了捕捉/比較模塊的高速輸出工作方式，其原理如下：當PCA的16位計數(shù)器/定時器PCA0H（高8位）和PCA0L（低8位

49、）與16位捕捉/比較模塊寄存器PCA0CPHn（高8位）和PCA0CPLn（低8位）發(fā)生匹配時，模塊的CEXn引腳上的邏輯電平將發(fā)生跳變，并產(chǎn)生一個中斷請求，即將控制寄存器PCA0CN中相應的CCFn位置位，當CCF中斷被允許時，CPU將轉(zhuǎn)向CCF中斷服務程序。如果將相應模塊的I/O線CEXn連接到端口I/O，單片機相應端口輸出電平即發(fā)生變化，這就可實現(xiàn)PWM脈沖的高、低電平輸出。置位PCA0CPMn寄存器中的TOGn、MATn、ECOMn和ECCFn位，將允許高速輸出方式，同時允許CCF中斷。(2) SPWM波形生成方法利用C8051的PCA計數(shù)器產(chǎn)生SPWM波形的基本原理是：在高速輸出并且

50、允許CCF中斷方式下，不斷在CCF中斷服務程序中將事先計算好的SPWM波形的脈沖寬度累加到捕捉/比較模塊寄存器PCA0CPn（高8位PCA0CPHn和低8位PCA0CPLn）中，這樣在捕捉/比較模塊寄存器和計數(shù)器/定時器相匹配時就得到相應的SPWM波形不斷交替的高低電平。如果選用捕捉/比較模塊0輸出此路SPWM，則首先將l0裝入16位捕捉/比較寄存器PCA0CP0中，并且將16位計數(shù)器/定時器PCA0H和PCA0L清零，然后啟動PCA計數(shù)器；當捕捉/比較寄存器的數(shù)值與計數(shù)器/定時器的數(shù)值相等時，CEX0引腳就會由原來的低電平跳變?yōu)楦唠娖剑⑶耶a(chǎn)生一個CCF中斷；在CCF中斷程序中，將h0累加到

51、PCA0CP0上；中斷過程中，計數(shù)器的數(shù)值是連續(xù)增加的，當其值與改變過后的捕捉/比較寄存器的數(shù)值相等時，又會使得CEX0引腳由原來的高電平跳變?yōu)榈碗娖剑⑶耶a(chǎn)生一個CCF中斷；然后在中斷過程中又將l1累加到PCA0CP0上。這樣，周而復始，CEX0引腳上不斷產(chǎn)生交替的高低電平，從而在其所對應的端口I/O上得到準確的SPWM波形。 (3)程序流程主程序流程如圖4.2所示，在系統(tǒng)初始化過后首先通過鍵盤設置輸出頻率，然后進入SPWM脈寬計算程序，根據(jù)所設置頻率選擇調(diào)制比N，計算脈寬并確定max。在SPWM輸出程序中，對PCA特殊功能寄存器進行設置并啟動計數(shù)器運行，開始輸出SPWM波形。在中斷服務程序

52、中，首先根據(jù)CCFn的值來判斷發(fā)生匹配的捕捉/比較模塊，然后根據(jù)該模塊CEX引腳上的電平狀態(tài)判斷是將SPWM波形的高電平脈寬值還是低電平脈寬值累加到捕捉/比較模塊寄存器上；同時，根據(jù)脈寬數(shù)據(jù)指針與max是否相等來確定一個SPWM周期的結(jié)束和下一個周期的開始，以便正確載入對應數(shù)據(jù)。當載波比N發(fā)生變化時，max的值會發(fā)生變化。開始 中斷服務子程序初始化鍵盤子程序YSE NOSPWM脈沖計算程序SPWM輸出程序輸出頻率變化否圖4.2 程序流程圖應該注意的一點是，CCFn位和CF位（計數(shù)器/定時器溢出標志）由硬件置位，但不能由硬件自動清0，必須在中斷程序中用軟件清0。4.2 主電路的設計主電路為單相全

53、橋逆變電路，主開關(guān)管采用GTR，輸出100V，50-400Hz頻率可調(diào)的交流電壓。由單片機輸出兩路互補（有一定死區(qū)時間）單極性SPWM波來控制該逆變電源。對輸出SPWM波的最小脈沖問題進行了處理，采用匯編語言對中斷服務子程序進行編程，使得SPWM波形中最小脈沖的寬度達到了3s，這個寬度（時間）基本達到實驗中所用GTR的最小開關(guān)周期。該系統(tǒng)主電路如圖4.3所示，以8051為控制核心，采用交-直-交電壓源變頻器結(jié)構(gòu)。圖4.3電壓型交-直-交變頻主電路4.2.1 整流電路設計采用三相橋式不可控整流電路將交流電整流為直流電，電路如圖4.3左半部分由6個二極管組成。通過二極管的峰值電流為：Im =21.

54、414In =21.4140.5=1.42A （4.1）流過二極管電流的有效值： （4.2）二極管電流定額：In =(1.5or2)Id/1.57=0.78or1.04A （4.3）考慮濾波電容充電電流的影響，需要留有較大的電流余量，選用IN=2A，整流二極管電壓定額：Ud =(2or3)Um =(2or3)1.414220=622or933V （4.4）根據(jù)上面計算的電壓和電流以及市場價格和供貨情況，實際選用的整流二極管為5A、1000V。 4.2.2 逆變電路的設計逆變電路的功率器件選用6個GTR和6個快速續(xù)流二極管。IGBT正反向峰值電壓為： Um=1.414220=311V （4.5）考慮到23倍安全系數(shù)，取耐壓值為1000V。通態(tài)峰值電流： Im=21.414In=21.4140.5=1.41A （4.6）考慮1.52倍安全系數(shù)，取電流定額為5A。續(xù)流二級管的耐壓