課程設(shè)計(jì)——SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng).doc

1、SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)摘要：變頻調(diào)速是交流調(diào)速中的發(fā)展方向。異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理是研究控制算法的基石,因文首先介紹了異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性，從而展開(kāi)介紹SPWM變頻調(diào)速的理論基礎(chǔ).包括變頻調(diào)速控制思想的由來(lái)，控制方法的可行性.變頻調(diào)速的控制算法也有許多，目前大部分通用變頻器所采用的控制算法-恒壓頻比控制，給出了完整的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序流程設(shè)計(jì).采用了Intel8OC196MC十六位單片機(jī)作為控制電路的CPU，采用該單片機(jī)的控制系統(tǒng)是本設(shè)計(jì)的硬件核心部分.關(guān)鍵詞：變頻器;恒壓頻比控制；正弦波脈寬調(diào)制:8OC196MC單片機(jī)。Abstract variable frequency speed co

2、ntrol is the development direction of AC speed control system. Control principle of asynchronous motor is a cornerstone of control algorithm research， because the first introduced the speed characteristics of asynchronous motor, thus the theoretical basis of SPWM variable frequency speed regulation。

3、 Including the origin of VVVF control thought， the feasibility of control method。 Control algorithm of variable frequency speed control - there are many, constant ratio of voltage and frequency control algorithms currently used by most of the general inverter， give a complete hardware circuit design

4、 and software program flow design。 Using the Intel8OC196MC sixteen bit single-chip microcomputer as a control circuit of CPU, control system using the SCM is part of the design of the hardware core。文檔為個(gè)人收集整理，來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)個(gè)人收集整理,勿做商業(yè)用途Keywords： inverter; constant ratio of voltage and frequency control; sinus

5、oidal pulse width modulation: 8OC196MC single chip microcomputer.目錄第1章 緒論1.1變頻器的發(fā)展方向1 1。2發(fā)展的目的和意義-1第2章 恒壓頻比控制的SPWM變頻系統(tǒng)的分析2。1變頻調(diào)速基本原理22。2變頻調(diào)速控制方式分析22。3 SPWM逆變技術(shù)42.4。SPWM控制信號(hào)的產(chǎn)生方法5第3章 變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)3.1變頻調(diào)系統(tǒng)的整體硬件電路設(shè)計(jì)63。2主電路硬件結(jié)構(gòu)73。3控制路的設(shè)計(jì)93。4驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)9第4章 主程序設(shè)計(jì)12總結(jié)-14參考文獻(xiàn)15 一 緒論1.1變頻器的發(fā)展方向變頻器商業(yè)化以來(lái)，應(yīng)用的領(lǐng)域在不

6、斷的擴(kuò)大，主要有以下幾個(gè)方面：（ 1 ) 變頻器容量不斷擴(kuò)大. （ 2 ） 變頻器結(jié)構(gòu)的小型化。( 3 ） 變頻器的多功能化和高性能化。1.2目的和意義在電力拖動(dòng)領(lǐng)域,解決好電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速問(wèn)題有著十分重要的意義，電機(jī)調(diào)速性能的提高可以大大提高工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的加工精度、工藝水平以及工作效率，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。 二 恒壓頻比控制的SPWM變頻系統(tǒng)的分析2.1變頻調(diào)速基本原理異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速,即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為 其中為同步轉(zhuǎn)速(r/min)為 定 子 頻率，也就是電源頻率（Hz）；為 磁 極 對(duì)數(shù).異步電機(jī)的軸轉(zhuǎn)速為 其中s為異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，由上面的公式可以看出，改變電源的供電頻率可

7、以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。2.2變頻調(diào)速控制方式分析在基頻（額定頻率)以下調(diào)速時(shí)，由于E1的大小不易從外部加以控制，而定子繞組的阻抗壓降(U=，為定子繞組的阻抗壓降,包括電阻和漏磁電抗）在電壓較高時(shí)可以忽略,所以可以認(rèn)為電動(dòng)勢(shì)和電源相電壓近似相等即有U1E1，因此作為一種可行的方案是在電源電壓較高時(shí)用電源相電壓U1代替電動(dòng)勢(shì)E1，當(dāng)頻率較低時(shí),U1和E1都變小,定子漏阻抗壓降所占比重加大，不可以忽略，所以要人為的補(bǔ)償，這是一種近似的恒磁通控制，這種控制方式常用于恒轉(zhuǎn)矩控制，如下圖 在基頻以上調(diào)速時(shí)由于電壓U,受額定電壓的限制不能升，因此在頻率升高時(shí)，迫使主磁通變小，進(jìn)入弱磁變頻調(diào)速，屬于近似恒功率控制

8、,如圖2-1。但是用恒壓頻比代替恒電動(dòng)勢(shì)頻率比的一個(gè)重要缺點(diǎn)是在速度降低時(shí)，電動(dòng)機(jī)的帶載能力也同時(shí)下降轉(zhuǎn)矩利用率下降，從圖2-2的a，b 可以看出a圖的臨界轉(zhuǎn)矩點(diǎn)隨著速度的降低也減小，而b圖則沒(méi)有變化，然而要達(dá)到b圖的效果就要保持E1/f1的比值為恒值而不僅是保持U1/f1比值為恒值了?；谏鲜鲈?在變頻調(diào)速的基本控制方式下，改變頻率的同必須改變電壓，所以稱之為VVVF控制。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒功率調(diào)速0n異步電機(jī)變頻調(diào)速的控制特2.3 SPWM逆變技術(shù)SPWM調(diào)制變頻技術(shù) SPWM調(diào)制技術(shù)是PWM多脈沖可變脈寬調(diào)制技術(shù)的一種,即所謂的正弦波脈寬調(diào)制.其輸出波形是與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形

9、脈沖波形，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。如果把一個(gè)正弦半波分作n等份，然后把每一等份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的矩形脈沖來(lái)代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等份的中點(diǎn)相重合，這樣，由n個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的半周等效.同樣，正弦波的負(fù)半周也可用相同的方法與一系列負(fù)脈沖波等效。如圖24所示。設(shè)由整流器提供的直流恒值電壓為Us，并設(shè)電機(jī)繞組中點(diǎn)與直流電壓中點(diǎn)相連，則SPWM脈沖序列波的幅值為.令第i個(gè)矩形脈沖的寬度為，其中心點(diǎn)相位角為,則根據(jù)面積相等的等效原則，可寫(xiě)成:= （2-3） 當(dāng)n的數(shù)值較大時(shí),近似的認(rèn)為sin/(2n)=/(2

10、n)，于是 TSPWM的輸出波形2。4.SPWM控制信號(hào)的產(chǎn)生方法原始的SPWM是由模擬控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖是SPWM模擬控制電路原理框圖。三相對(duì)稱的參考正弦電壓調(diào)制信號(hào)，由參考信號(hào)發(fā)生器提供,其頻率和幅值都是可調(diào)的.三角載波信號(hào)由三角波發(fā)生器提供，各相共用。它分別與每相調(diào)制信號(hào)在比較器上進(jìn)行比較，給出正或零的飽和輸出，產(chǎn)生SPWM脈沖序列波，作為變壓變頻器功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖下為spwm播磨你控制電路 參考信號(hào)發(fā)生器 驅(qū)動(dòng)V1V6SPWM波形 三角波發(fā)生器 SPWM波模擬控制電路SPWM的數(shù)字控制數(shù)字控制是SPWM目前常用的控制方法。可以采用微機(jī)存儲(chǔ)預(yù)先計(jì)算好的SPWM數(shù)據(jù)表格,控制時(shí)根據(jù)

11、指令調(diào)出;或者通過(guò)軟件實(shí)時(shí)生成SPWM波形;也可以采用大規(guī)模集成電路專用芯片產(chǎn)生SPWM信號(hào)。三 變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)3.1變頻調(diào)系統(tǒng)的整體硬件電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要由主電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路以及保護(hù)電路構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)框圖如下逆變電路濾波電路整流電路電源 主電路方框圖外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器8279鍵盤顯示電路模擬輸入80C196MC單片機(jī)保護(hù)電路輸入口SPWM輸出檢測(cè)電流預(yù)留口控制電路框圖直流電源光電隔離電路晶體管放大電路輸出給IGBT基極控制信號(hào)BU BX BV BY BW BZSPWM輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路框圖主電路方框圖圖3-1 硬件電路方框圖控制電路以80C196MC為核心,輸出六路互補(bǔ)SPWM波形，

12、輸入和電位器模擬輸入兩種輸入方式，可以用鍵盤數(shù)字電流檢測(cè)以及測(cè)速碼盤的接入口在控制電路中全都預(yù)留有接口，3.2主電路的設(shè)計(jì)3。2.主電路硬件結(jié)構(gòu)主電路是交一直一交電壓源型,單相220V工頻交流供電，采用不可控的二極管整流橋，大電容濾波，采用大功率晶體管IGBT作為輸出SPWM波形的開(kāi)關(guān)器件。目前的大功率開(kāi)關(guān)器件都是以集成的大功率場(chǎng)效應(yīng)管IGBT為主流,另外系統(tǒng)中設(shè)置了保護(hù)電路,包括過(guò)壓、過(guò)流的保護(hù)。 逆變（DCAC)技術(shù)是電力電子技術(shù)的重要組成部分,是把直流電變成交流電的過(guò)程，完成逆變功能的電路稱為逆變電路逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電

13、流源的稱為電流型逆變電路。它們也分別被稱為電壓源型逆變電路和電流源型逆變電路。三相交流負(fù)載需要三相逆變器,在三相逆變電路中，應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路。下面來(lái)分析三相橋式你變電路的工作波形對(duì)于A相輸出來(lái)說(shuō)，當(dāng)橋臂l導(dǎo)通時(shí)， 當(dāng)橋臂4導(dǎo)通， 因此，的波形是幅值為的矩形波。B，C兩相的情況和A相類似,的波形形狀和相同，只是相位依次相差。三相逆變電路輸出波形： U A A T U B B B T U C C C T圖34三相逆變電路輸出電壓波形3。3控制路的設(shè)計(jì)控制器的選擇 8XC196MC單片機(jī)是Intel公司專門為電機(jī)高速控制設(shè)計(jì)的一種16位微控制器。 其基本結(jié)構(gòu)主要包括算術(shù)、邏輯運(yùn)算部件RA

14、LU，寄存器集，內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器，PWM發(fā)生器，事件處理陣列EPA,三相互補(bǔ)5PWM輸出發(fā)生器以及看門狗、時(shí)鐘、中斷控制邏輯.3。4驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)過(guò)電壓保護(hù)過(guò)壓保護(hù)器件用于保護(hù)后續(xù)電路免受甩負(fù)載或瞬間高壓的破壞。器件通過(guò)控制外部串聯(lián)在電源線上的n溝道MOSFET實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電壓超過(guò)用戶設(shè)置的過(guò)壓門限時(shí),拉低MOSFET的柵極，MOSFET關(guān)斷，將負(fù)載與輸入電源斷開(kāi). 過(guò)壓保護(hù)器件數(shù)據(jù)資料中提供的典型電路可以滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求.然而，有些應(yīng)用需要對(duì)基本電路進(jìn)行適當(dāng)修改。過(guò)電壓保護(hù)電路電流檢測(cè)電路霍爾元件圖模塊參數(shù)： 測(cè)量頻率：0-100KHZ測(cè)量范圍:1-40000A精度:0。21%相應(yīng)時(shí)間

15、：1US線性度：0.1無(wú)測(cè)量插入損耗.工作原理:被測(cè)電流IN流過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)，由通過(guò)霍爾元件輸出信號(hào)控制的補(bǔ)償信號(hào)IM流過(guò)次級(jí)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)補(bǔ)償.當(dāng)原邊與副邊磁場(chǎng)達(dá)到平衡時(shí),其補(bǔ)償電流IM即可精確反映原邊電流IN的值。四 主程序設(shè)計(jì)主要程序?yàn)殚]環(huán)主程序、SPWM中斷處理子程序和5ms定時(shí)中斷子程序主程序分為初始化、參數(shù)修改、刷新SPWM給定值等幾個(gè)模塊。中斷開(kāi)始中斷開(kāi)始計(jì)算三相脈沖算出新的SPWM的給定值送三相脈沖值到三個(gè)輸出比較器準(zhǔn)備下一次中斷中斷返回中斷返回 SPWM中斷 5ms定時(shí)中斷給定變開(kāi)始初始化刷新轉(zhuǎn)速給定修改新舊SPWM給定值有變化參數(shù)改讀給定轉(zhuǎn)向修改SPWM給定值輸出新轉(zhuǎn)向設(shè)SPWM輸出中斷，設(shè)RELOAD寄存器，設(shè)死區(qū)時(shí)間寄存器開(kāi)中斷啟動(dòng)閉環(huán)主程序系統(tǒng)軟件框圖五 總結(jié)本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)16位單片機(jī)8OC196MC的波形發(fā)生器輸出信號(hào)施加三相正弦函數(shù)調(diào)制和電壓幅值調(diào)制，使得其V /F控制策略在軟件上得以實(shí)現(xiàn)?？偟膩?lái)說(shuō)，得出了以下結(jié)論：1.在基頻以下的變頻調(diào)速中,通過(guò)設(shè)定完全轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)腣/F曲線，可以提升變頻后的最大轉(zhuǎn)矩.2.當(dāng)載波頻率較高時(shí)，其輸出脈沖序列的基波電壓幅值與所要求的等效正弦波幅值相等.證明了提高載波頻率，可以有效抑制諧波電壓和電流,從而改善電