基于8031單片機控制交流調(diào)速系統(tǒng)

1、基于單片機的變頻調(diào)速系統(tǒng)設計 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(diào)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)點而得到廣泛應用。本文介紹的GTRSPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)是以大規(guī)模專用集成電路HEF4752和單片機（8098）為核心構成的控制電路，由HEF4752產(chǎn)生的三相PWM信號經(jīng)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(diào)速。 第1章 概述1.1 SPWM變頻調(diào)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(diào)速系統(tǒng)以

2、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)點而得到廣泛應用。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(diào)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)應用PWM技術的逆變器，由于它的優(yōu)良技術性能，當今國內(nèi)外生產(chǎn)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與關斷把直流電壓變?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

3、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(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。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

4、SPWM的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。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。第2章 SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)基本原理2.1 SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)基本原理PWM的原理，就是面積等效原理，在采樣控制理論中

5、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與關斷把直流電壓變?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(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

6、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。根據(jù)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（Sinusoidal PWM）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(zhì)量的正弦波，且系統(tǒng)擁有良好的動態(tài)性能.2.2 系統(tǒng)設計總方案的確定在三相交流電源供電的情況下

7、，共需經(jīng)過八個主要模塊完成整個調(diào)速過程。首先是三相整流變壓器降壓，然后經(jīng)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(jīng)IGBT逆變電路逆變，得到可調(diào)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(diào)制。并采用電流轉速雙閉環(huán)調(diào)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2.1所示。 M逆變電路平波回路整流電路檢測電路隔離保護保護電路電流轉速雙閉環(huán)調(diào)制電路驅動電路HEF4752波形控制電路圖2.1 SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)總流程圖3.1主電路功能說明主電路為AC/DC/

8、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(jīng)橋式整流后，得到脈動的直流電壓經(jīng)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 (V1、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(jīng)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。3.2 主電路設計1.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

9、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。2.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(chǎn)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，一般根據(jù)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2000以上.3.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3.1所示。3.1 主電路第4章 控制電路設計4.1 控制電路設計總思路給異步電動機供電（電壓、頻率可調(diào)）的

10、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。4.2 SPWM波形產(chǎn)生電路4.2.1 HEF4752芯片介紹HEF4752簡介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PWM信號。它的驅動輸出經(jīng)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(diào)速和UPS中作中心控制器件。主要特點1）能產(chǎn)生三對相位差120的互補SPWM主控脈沖，適用于三相橋結構

11、的逆變器；2）采用數(shù)控方式不僅能提高系統(tǒng)控制精度，也易于與微機聯(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(chǎn)生的轉矩脈沖和噪聲等所造成的惡劣影響。調(diào)制頻率的可調(diào)范圍為0100Hz，且能使逆變器輸出電壓同步調(diào)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(diào)。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(diào)制

12、原理產(chǎn)生SPWM信號的專用集成電路,其原理框圖如圖2所示。2.3.1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； 圖1 HEF4752 引腳圖2）輸入控制信號K和時鐘輸入OCT共同決定逆變器每對輸出信號的互鎖推遲間隔時間；3）相序輸入CW用來控制電機轉向。當CW為低電平時，相序為R、B、Y；當CW為高電平時，相序為R、Y、B；4）輸入L用來控制起動/停止，L為低電平時，在晶體管模式下封鎖HEF4752所有的脈寬調(diào)制驅動輸出，但產(chǎn)生輸出信號的內(nèi)部電路仍在繼續(xù)“運行”。L為高電平時解除封鎖。L除起停電路外，還可方便地用于過

13、流保護；5）控制輸入A、B、C供制造過程試驗用。工作時必須接到Vss（低電平）。但A還有另外一個用處，即剛通電時，A置高電平初始化整個IC片，被用作復位信號；6）時鐘輸入頻率控制時鐘（FCT）控制輸出PWM信號的基波頻率，即決定逆變器的輸出頻率fout，從而控制電機轉速，fFCT=3360fout。電壓控制時鐘（VCT）控制PWM信號的基波電壓幅值，使輸出電壓自動地正比于其輸出頻率，在給定的輸出頻率下，平均逆變輸出電壓的幅度由fVCT控制。參考時鐘（RCT）是一個固定時鐘，它決定逆變器的最高開關頻率fs(max)，fRCT=280fs(max)，一旦fRCT確定，則HEF4752輸出脈沖的調(diào)制

14、頻率就在0.6fs(max)fs(max)之間變化，且逆變器的開關頻率是輸出頻率的嚴格整數(shù)倍fs=Nfout，N為頻率比，其N值為15，21，30，42，60，84，120，168；7）輸出推遲時鐘（OCT）控制HEF4752每對輸出信號互鎖推遲間隔時間d（對晶體管模式）以防逆變器同一橋臂上、下兩只開關器件同時導通引起直通，推遲間隔時間的選擇端（K）一起決定d的長短，其關系式為一般情況K保持為高電平，通?？扇RCT=fOCT。2.3.2輸出功能1）逆變驅動輸出HEF4752有六個主驅動輸出組成三個互補對，還有和每一主輸出相關聯(lián)的輔助輸出。在驅動GTR逆變器時，輸出波形是雙邊沿調(diào)制的脈寬調(diào)制波

15、，其調(diào)制原理可由圖3加以說明。圖中假定載波在一個周期內(nèi)有9個脈沖（這個脈沖數(shù)被稱為頻率比），載波脈沖的兩個邊沿都用一個可變的時間間隔量加以調(diào)制，而且使sin（為未被調(diào)制時載波脈沖邊沿所處的時間，或稱角相位）。sin0時，該處的脈沖變寬；sin0時，該處的脈沖變窄。三相輸出的調(diào)制脈沖波相位互差120，如圖3中UR、UY、UB所示。圖3中的VRY是R相和Y相間的線電壓波形。這個脈沖波平均值的波形接近正弦波。顯然，頻率比N的值越大，線電壓平均值的波形就越接近正弦波，而良好的正弦波輸出，正是交流電機所要求的。2）控制輸出RSYN是一個脈沖輸出，其頻率等于fout，脈寬等于VCT時鐘的脈寬，主要為觸發(fā)示波器掃描提供一個穩(wěn)定的參考信號。輸出電壓模擬信號VAV為一數(shù)字信號，它模擬逆變器輸出線電壓的平均值。它不受互鎖推遲間隔的影響，也不被控制輸入L封鎖，其頻率等于逆變輸出頻率fout，并為6fout所調(diào)制，VAV在fVCT的閉環(huán)控制中非常有用，可用來改善輸出電壓對輸出頻率關系的非線性。逆變器開關輸出CSP是一脈沖串，不受L狀態(tài)的影響，其頻率為逆變器開關頻率的2倍，其中每一脈沖的下降沿發(fā)生在主輸出的零調(diào)制點。3系統(tǒng)的硬件電路整個系統(tǒng)的硬件電路由主電路、控制電路、驅動電路、保護電路等構成，其電路框圖如圖4所示。4.2.2