畢業(yè)論文-基于單片機(jī)的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前言1.1當(dāng)前交流變頻調(diào)速及論文總體概述隨著電子技術(shù)的發(fā)展，單純的機(jī)械化或者電子化已經(jīng)逐漸被發(fā)展的社會所淘汰，計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)掀起了電子器件的更新?lián)Q代。其中，對于變頻調(diào)速技術(shù)，也得到了非?？斓陌l(fā)展。眾所周知，現(xiàn)在我國生產(chǎn)的電能大多數(shù)用于電機(jī)工作，電機(jī)在國民生產(chǎn)中有著無可厚非的地位。長期以來，在電動機(jī)調(diào)速領(lǐng)域中，直流調(diào)速方案一直占主要地位。這種調(diào)速方案實(shí)在太常見了，一抓一大把。上個世紀(jì)60年代以后，漸漸興起的電力電子學(xué)與控制技術(shù)，讓人們發(fā)現(xiàn)，采用半導(dǎo)體變流技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，但是采用半導(dǎo)體的話，實(shí)際上就構(gòu)造模擬電路，簡單的來說就是對異步電動機(jī)調(diào)速的模擬控制。在交流調(diào)速方法中，最常用也是比較好的一種方式便是變頻調(diào)速，由于頻率能夠連續(xù)的變化，所以可以實(shí)現(xiàn)速度的連續(xù)變化，這樣的調(diào)速更加的平滑和穩(wěn)定。另一方面，在實(shí)際生活中，變頻器的快速進(jìn)步和發(fā)展，同時(shí)也推動了變頻調(diào)速的發(fā)展，變頻調(diào)速越來越受大家的矚目。因此，了解和掌握交流調(diào)速的原理和方法，熟悉交流變頻調(diào)速的現(xiàn)狀和發(fā)展，將對我們以后的工作發(fā)展有著相當(dāng)大的積極意義。通過查閱一定的資料，對題目的認(rèn)識，也逐漸清晰起來。我將大體內(nèi)容分為四部分，第一，確定系統(tǒng)的總體方案，對于交流調(diào)速，有很多控制方案，每種方案都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。這一章我將通過各種方案的分析與比較來選取本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案。第二，確定好系統(tǒng)總體方案以后，我將開始將總體展開，一步一步來，首先硬件電路設(shè)計(jì)，這章我將更深入的了解各個硬件比如變頻器和單片機(jī)。并且我將通過實(shí)物照片來進(jìn)行補(bǔ)充敘述。第三，硬件電路設(shè)計(jì)好以后，便著手還是上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)了，即程序設(shè)計(jì)。實(shí)際上本章是圍繞單片機(jī)的程序問題展開的，怎樣的硬件電路設(shè)計(jì)，將會有怎樣的軟件程序設(shè)計(jì)，故通過這一章，我們可將上一章的工作即硬件電路設(shè)計(jì)做一個合適與否的判斷，從而能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正問題。第四，系統(tǒng)軟件程序問題解決以后，我們便可以對整個系統(tǒng)做一個調(diào)試了。也就是說，系統(tǒng)的優(yōu)劣性得由一定的分析與了解，分析電動機(jī)調(diào)速性能將會是這一章的重點(diǎn)，論文的最后我將做一個總結(jié)。

1.2電動機(jī)的單片機(jī)控制主要是介紹單片機(jī)對電動機(jī)的作用即為什么要把單片機(jī)和電動機(jī)相結(jié)合起來呢。實(shí)際上，是對本次設(shè)計(jì)題目更好的理解和補(bǔ)充說明。單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步使異步電動機(jī)控制技術(shù)尤其是在調(diào)速方面發(fā)生了翻天覆地的變化。其中電動機(jī)控制部分已由模擬控制逐漸讓位于以單片機(jī)為主的微處理器控制，形成了數(shù)字控制的發(fā)展。我相信，數(shù)字化對于我們并不陌生，它與我們的生活密切相關(guān)，可以說，我們正處于一個不斷向前發(fā)展的數(shù)字化時(shí)代。對于電動機(jī)，這也是理所當(dāng)然的發(fā)展。論其原因，當(dāng)然是指單片機(jī)對電動機(jī)控制所起的作用。微處理器取代模擬電路作為電動機(jī)的控制器有如下優(yōu)點(diǎn)：1.電路更簡單。模擬電路為了實(shí)現(xiàn)控制邏輯，需要更多的電子元件，使得電路復(fù)雜。采用微處理器以后，絕大多數(shù)的控制邏輯可通過軟件來實(shí)現(xiàn)。2.可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制。微處理器有著強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算功能，運(yùn)算速度更快，精度較高，有大容量的存儲單元，因此有能力實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制，如優(yōu)化控制等。3.具有較大的靈活性和適應(yīng)性。微處理器的控制方式是由軟件完成的。如果需要修改控制規(guī)律，一般不用改變系統(tǒng)的硬件電路，僅僅需修改程序即可。在系統(tǒng)調(diào)試或者改變方式的時(shí)候，可以不斷嘗試選擇更好的調(diào)控方式及程序，非常方便。4.可提供人機(jī)界面，多級聯(lián)網(wǎng)工作。這樣一來，我們的我們對整個系統(tǒng)的演示，操作還有控制都有著一目了然的效果。因此，單片機(jī)對于電動機(jī)的控制會是一個很好的選擇，如同珠聯(lián)璧合般。接下來我將順著這個思路走下去。電機(jī)實(shí)行變頻調(diào)速，可像直流電機(jī)那樣實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，這將擴(kuò)大交流電機(jī)的應(yīng)用范圍，降低各類電機(jī)應(yīng)用設(shè)備的成產(chǎn)成本，節(jié)約能源，像各類電梯原大都是使用昂貴的!體積龐大的直流電機(jī)，現(xiàn)改為使用變頻調(diào)速裝置的交流電機(jī)，這樣比原成本降低了許多，安裝維修方便。值得注意的是，很長時(shí)間以來，交流異步電動機(jī)的調(diào)速始終是一個不好解決的問題。基于單片機(jī)控制的電機(jī)調(diào)速裝置，提高和擴(kuò)大了變頻調(diào)速裝置的應(yīng)用效果和范圍。只要我們合理設(shè)計(jì)硬件控制方案，優(yōu)化程序，則使單片機(jī)控制的變頻調(diào)速裝置得到更普遍更深層次的應(yīng)用，將變頻調(diào)速技術(shù)更廣泛的應(yīng)用到機(jī)電設(shè)備和自動化設(shè)備中，將會產(chǎn)生更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

2系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)2.1異步電動機(jī)的調(diào)速方法首先我先簡單介紹下異步電動機(jī)的工作原理。異步電動機(jī)是依靠旋轉(zhuǎn)磁場的作用而轉(zhuǎn)動的，根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場理論，有下列關(guān)系（2-1）式中——定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，也叫異步電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速（r/min）；

——電源頻率（Hz）

——電動機(jī)的磁極對數(shù)異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之差與同步轉(zhuǎn)速之比，叫異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率，以表示（2-2）（2-3）（2-4）（2-5）變極對數(shù)調(diào)速——變極對數(shù)調(diào)速——改變籠型異步電動機(jī)定子繞組的極對數(shù)調(diào)壓調(diào)速——調(diào)壓調(diào)速——改變定子電壓轉(zhuǎn)子電路串接電阻調(diào)速——繞線異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子電路串接電阻串級調(diào)速——繞線異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子電路串接電動勢變頻調(diào)速——改變定子電源的頻率變轉(zhuǎn)差率調(diào)速交流調(diào)速

這樣分的原理是，由式2-5可知，異步電動機(jī)在一定負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行的條件（）下，想要得到不同的轉(zhuǎn)速，其調(diào)速方法有變極對數(shù)、變轉(zhuǎn)差率（即改變電動機(jī)機(jī)械特性的硬度）和變電源頻率轉(zhuǎn)子電路串接電阻調(diào)速——繞線異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子電路串接電阻串級調(diào)速——繞線異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子電路串接電動勢變頻調(diào)速——改變定子電源的頻率變轉(zhuǎn)差率調(diào)速交流調(diào)速好的，現(xiàn)在對這三種調(diào)速方法做一個比較。變極對數(shù)調(diào)速是一種簡單的有級調(diào)速方式，它實(shí)際是把具有不同極數(shù)的電動機(jī)做成了一個統(tǒng)一體，通過外部電路來連接成不同的極數(shù)，改變電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。這種方式比較簡單，系統(tǒng)的成本低，不產(chǎn)生額外能耗，機(jī)械特性也比較硬。變極數(shù)電動機(jī)適用于運(yùn)行中不需要調(diào)速的粗略型有級變速應(yīng)用，故不適合。由于s和p可以連續(xù)改變，所以變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速都能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。但改變轉(zhuǎn)差率s必然會有附加的轉(zhuǎn)差功率損耗，效率很低。而就變頻調(diào)速來說，由于改變n0調(diào)速，并沒有人為地加大s，不產(chǎn)生附加的轉(zhuǎn)差功率損耗，所以效率很高。綜上所述，定子由變頻裝置供電，采用改變定子供電電源頻率的方法調(diào)節(jié)交流電動機(jī)運(yùn)行速度的調(diào)速方式即變頻調(diào)速方式。在調(diào)速過程中，從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差功率，因而具有范圍比較寬，效率也比較高，并且精度較高的調(diào)速性能。2.2變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本控制方案異步電動機(jī)變頻調(diào)速時(shí)，為維持氣隙主磁通不變，應(yīng)該保持,即定子電源將跟著頻率變化，將該比例式代入異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式中以后可以得出這樣一個結(jié)論，常數(shù)。也就是說，這種調(diào)速為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。那么，有的時(shí)候，異步電動機(jī)需要在額定頻率以上調(diào)節(jié)時(shí)，根據(jù)常數(shù)，定子電壓將超過額定電壓,這是不允許的。為了保證安全運(yùn)行，當(dāng)時(shí)，保持,這時(shí)，磁通量將隨的上升而下降，是轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的上升而減小。電動機(jī)的電磁功率常數(shù)，即調(diào)速過程中電磁功率近似不變，也就是所謂的恒功率調(diào)速。在確定用變頻調(diào)速后，變頻調(diào)速的控制方式分三種模式，也就是整個系統(tǒng)的運(yùn)行模式。分別是模式，矢量控制模式和直接轉(zhuǎn)矩控制模式三大類。2.2.1控制模式首先，解釋一下控制模式的概念。到現(xiàn)在為止，我已掌握變頻調(diào)速的基本原理就是電壓與頻率配合的調(diào)整。由于我們的目的是使電動機(jī)變速，也就是說主要目標(biāo)是轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。而交流電動機(jī)轉(zhuǎn)速又主要與頻率有關(guān)，因此，在電壓與頻率的函數(shù)關(guān)系中，頻率應(yīng)該是主動變化量，也即是自變量，而電壓作為因變量跟隨變化。其實(shí)，這種控制模式就是控制模式。10HZ20HZ30HZ10HZ20HZ30HZ40HZ50HZ圖2.2控制模式圖2.1交流調(diào)速的分類如圖6.1分別是在模式下電壓頻率關(guān)系以及不同頻率下的磁通關(guān)系。由可以清楚客觀的了解到，在工頻以下，電壓與頻率成正比，磁通近似恒定；工頻以上，電壓不變，電機(jī)進(jìn)行的是弱磁運(yùn)行。同時(shí)，允許的運(yùn)行頻率也存在一個上限，其中的C點(diǎn)就是工頻額定電壓點(diǎn)，也就是電壓頻率關(guān)系的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。同時(shí)，我也直觀的看到，當(dāng)頻率越低的時(shí)候，磁通量衰減的越嚴(yán)重。也就是說，我們的頻率是由一定的限制的，在大約10Hz以下的時(shí)候，額定電流下的轉(zhuǎn)矩，最大轉(zhuǎn)矩或者最大的有效制動轉(zhuǎn)矩，都衰減到了沒有辦法正常運(yùn)行的地步。要是負(fù)載轉(zhuǎn)矩很大的話，屬于滿載啟動情況，則需要更大的啟動轉(zhuǎn)矩了，即使加速度也能引起過電流保護(hù)作用，為了能夠成功起步，就只能加大變頻器的額定電流的能力了。這就大大增加變頻器的性能要求了。顯而易見，系統(tǒng)在較低頻率穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)候，其速度偏差還有定子電流都會比高頻率區(qū)大，這是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)矩一定的情況下，低頻率時(shí)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速差更加大一點(diǎn)。這些理論應(yīng)用到實(shí)際上，也就意味著，在基本模式下，系統(tǒng)允許的調(diào)速范圍通常只有3～5。2.2.2矢量控制模式上一節(jié)主要介紹了模式，在轉(zhuǎn)矩一定的情況下，也就意味著磁通量近似恒定不變的情況下，以開環(huán)的方式進(jìn)行頻率控制，穩(wěn)態(tài)時(shí)依靠轉(zhuǎn)速差產(chǎn)生與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的自然平衡。所以，這樣做帶來的不良后果便是出現(xiàn)一個與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相關(guān)的轉(zhuǎn)速偏差。動態(tài)加速時(shí)依靠實(shí)際轉(zhuǎn)速提升的滯后，從而會加以產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)速差。這樣的話，系統(tǒng)的整個延遲性會加深。對于一般的，要求性能不是較高的，這種偏差和延遲是可以接受的，不會造成其他一些問題。為了有效的減小動態(tài)的轉(zhuǎn)速偏差，其實(shí)質(zhì)就是要把加速度按照需要準(zhǔn)確地變化。那么解決這一問題的辦法便是通過矢量控制模式。這種模式實(shí)際上是一種動態(tài)數(shù)學(xué)模型，我看了看教材，異步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的推到相當(dāng)繁瑣。所以我主要介紹矢量控制模式到底是怎樣的方式并分析該控制模式的優(yōu)劣性。首先我先說清楚矢量控制模式的基本思路。電子電流含有勵磁和轉(zhuǎn)矩兩個矢量，這兩個矢量我們可以通過矢量變化得到，接著我們再對兩個矢量進(jìn)行分離。分別進(jìn)行控制，然后合成并轉(zhuǎn)換成為對變頻器參數(shù)的控制信號，模仿直流調(diào)速系統(tǒng)的控制特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對于電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制。這樣一來，這種控制模式便有效的解決了上面提到的偏差和延遲問題。矢量控制變頻器的轉(zhuǎn)矩控制時(shí)間常數(shù)越小，系統(tǒng)就越比較穩(wěn)定，也就允許轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器有著更好的控制作用，系統(tǒng)的各種動態(tài)轉(zhuǎn)速精度就越高。變頻器的轉(zhuǎn)矩時(shí)間常數(shù)和多數(shù)變頻器動態(tài)結(jié)構(gòu)方案是有關(guān)的。頻率快速使輸出提升，調(diào)節(jié)器又跟著檢測到的轉(zhuǎn)速偏差輸出新的轉(zhuǎn)矩指令。對于系統(tǒng)的偏差這一塊，系統(tǒng)的動態(tài)誤差不僅與變頻器有關(guān)，而且與轉(zhuǎn)動慣量也有很大的關(guān)系。轉(zhuǎn)動慣量大的系統(tǒng)最大允許加速度是比較低的，但是它的動態(tài)速降也是比較低的。而且在速度給定不超過最大允許加速度變化的時(shí)候的速度跟隨動態(tài)誤差也比較低。一般而言。矢量控制變頻器的轉(zhuǎn)矩時(shí)間常數(shù)大約是數(shù)毫秒到數(shù)十毫秒之間，它能夠構(gòu)成轉(zhuǎn)矩相應(yīng)比較快的變頻器及其調(diào)速系統(tǒng)。動態(tài)誤差通常能夠在千分之幾的數(shù)量級，對于絕大多數(shù)系統(tǒng)，這個性能指標(biāo)基本上能夠充分滿足要求了。總的來說，矢量控制模式是非常精確的數(shù)據(jù)動態(tài)模型，這種控制方式是比較復(fù)雜的，所以在實(shí)際生活中需求的人力和物力也比較多，但其控制精度是相當(dāng)高的。2.2.3直接轉(zhuǎn)矩控制模式直接轉(zhuǎn)矩模式也除矢量控制模式以外非常高效并且精度高，性能較好的調(diào)速控制方式。并且，與矢量控制模式一樣也有兩個子系統(tǒng)，分別是轉(zhuǎn)速控制和磁鏈控制。它的運(yùn)行過程是先由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器發(fā)出轉(zhuǎn)矩指令，這樣可以比較電磁轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)模型取得的實(shí)際轉(zhuǎn)矩信號進(jìn)行比較，通過這種比較，不斷磨合與實(shí)際速度之間的誤差。在如今實(shí)用的通用變頻器中，矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制都應(yīng)該屬于高性能的控制模式。但是目前實(shí)際生活中，有根據(jù)矢量控制原理制造的變頻器，也有根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩原理的變頻器。不過客觀上說直接轉(zhuǎn)矩控制是出現(xiàn)在直接轉(zhuǎn)矩控制之后的又一高性能的調(diào)速控制模式。有的時(shí)候，我們總會有種先入為主的錯覺，雖然直接轉(zhuǎn)矩控制是在后來發(fā)展，但這并不意味著直接轉(zhuǎn)矩更加先進(jìn)，有根據(jù)矢量控制原理制造的變頻器，更加具有優(yōu)越性。實(shí)際上，直接轉(zhuǎn)矩模式的轉(zhuǎn)矩脈沖問題的確比矢量控制嚴(yán)重，但脈動轉(zhuǎn)矩在大體上仍然屬于高頻脈動，脈動幅值也不是很大，對整個的性能不是有特別厲害的影響，最關(guān)鍵的是，讓穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度變差了。直接轉(zhuǎn)矩控制的快速轉(zhuǎn)矩相應(yīng)特性，與一部分響應(yīng)速度偏快的矢量控制模式變頻器相比，優(yōu)勢并不明顯并且在動態(tài)方面的性能也是比較好的。我要說明的是，本次設(shè)計(jì)對于異步電動機(jī)的要求是在一定轉(zhuǎn)矩下實(shí)現(xiàn)的調(diào)速，所以我采用的是結(jié)構(gòu)簡單并且成本較低的恒壓頻比的變頻調(diào)速系統(tǒng)。也就是通過模式，但是有一點(diǎn)需要注意的是，該系統(tǒng)基本簡單來講是一種簡單的開環(huán)輸入輸出系統(tǒng)，所以就是說我們的輸入與輸出之間不存在反饋環(huán)節(jié)，為了彌補(bǔ)這一缺憾我打算采用簡單閉環(huán)及轉(zhuǎn)差頻率頻率控制。這樣一來，既能滿足調(diào)速需求，也不用使用過于繁雜的控制電路。2.3變頻變壓的方法我要說明的是，本次設(shè)計(jì)對于異步電動機(jī)的要求是在一定轉(zhuǎn)矩下實(shí)現(xiàn)的調(diào)速，所以我采用的是結(jié)構(gòu)簡單并且成本較低的恒壓頻比的變頻調(diào)速系統(tǒng)?，F(xiàn)有的交流電源都是恒壓恒頻的，要滿足調(diào)速系統(tǒng)變壓變頻的電源，必須通過變頻裝置也就是我們平常所說的變頻器。那么接下來我將通過變頻器來選擇一種合適的變頻變壓的方法。變頻器有兩種變頻調(diào)壓方法，交—交變頻調(diào)壓和交—直—交變頻調(diào)壓。觀察交流電壓的波形，其方向和幅值是按照正弦規(guī)律變化的。分開來講，則是由幅值的大小變化和方向的交替變化構(gòu)成的。就是說，分別采用能夠調(diào)節(jié)幅值大小的方法和改變方向的方法，也能夠產(chǎn)生交流電波形。正弦交流電壓的有效值與最大幅值成正比，頻率與波形的周期成反比。因此，調(diào)壓時(shí)改變最大幅值能夠改變電壓有效值，改變調(diào)壓的快慢能夠改變頻率，再加上改變電壓的措施，就能夠輸出頻率電壓可變的交流電了哦。交—交變頻的思路就是這樣的：在晶閘管整流電路中，可改變導(dǎo)通控制角來調(diào)節(jié)直流輸出電壓，控制角為時(shí)平均輸出電壓為零，控制角為0時(shí)輸出電壓最大。我們讓控制角從逐步變化為0，再變回，就能得到從小到大再從大到小的直流波形，也可以把它看作一個交流波形的正半波。再反向安裝一組整流橋，也照這樣控制，那么就得到了一個完整的新交流電壓波形。AC如果讓控制角的變化速度慢一些，那么新波形每個周期就延長了，即降低了交流電的頻率。反過來，控制角變化快一些，頻率就提高了。就是這樣實(shí)現(xiàn)了頻率的改變。如果讓控制角不到0時(shí)就折回，那么新波形的電壓峰值就會降低改變這個折回的角度，就能夠控制新波形的峰值大小，也就控制了它的有效值，于是實(shí)現(xiàn)了調(diào)壓。ACAC交—交變頻器AC交—交變頻器～50HZ ～50HZ恒壓恒頻 恒壓恒頻圖2圖2.3交—交變頻器的基本構(gòu)成變壓變頻DC如圖2.3為交—直—交變頻器的基本構(gòu)成。雖然交—交變頻原理簡單，能量變換直接、效率高，但其主電路復(fù)雜，可控器件多，觸發(fā)驅(qū)動電路就會復(fù)雜，從單位功率成本考慮，只適合大容量場合應(yīng)用，不適合小容量場合應(yīng)用。所以我們不采用這種變頻調(diào)壓方式。DC整流器中間直流環(huán)節(jié)整流器中間直流環(huán)節(jié)逆變器控制電路變壓變頻～50恒壓恒頻控制指令A(yù)C運(yùn)行指令控制指令圖2.4交—直—交變頻器的基本構(gòu)成AC交—直—交變頻調(diào)壓：顧名思義，它是先將交流變成直流，再將直流變成交流。如圖2.4為交—直—交變頻器的基本構(gòu)成。首先通過整流器將交流整流為直流，這樣就得到了直流電源。接下來，把直流逆變成交流，這就需要逆變器了。逆變器是將直流變換為交流的的電子器件。這樣一來，就實(shí)現(xiàn)了從交流電整流為直流電，再將直流電逆變成交流電。這樣的變頻器就是交流—直流中間環(huán)節(jié)—交流間接式變頻器，簡稱交—直—交變頻器。交—直—交變頻器有三種不同結(jié)構(gòu)形式，如圖2.5所示。1.用可控整流器變壓，用逆變器變頻。這種裝置的調(diào)壓和調(diào)頻分別在兩個環(huán)節(jié)上進(jìn)行，二者要在控制電路上配合協(xié)調(diào)。其有點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，器件要求低；但是其功率因數(shù)小，諧波較大，器件開關(guān)頻率低。2.用不控整流器整流，用斬波器變壓，用逆變器變頻。這種裝置的整流環(huán)節(jié)采用二極管不控整流器。其優(yōu)點(diǎn)是功率因數(shù)高，整流和逆變干擾小；其缺點(diǎn)是構(gòu)成環(huán)節(jié)多，諧波較大，調(diào)速范圍不寬。3.用不控整流器整流，用PWM逆變器同時(shí)變壓變頻。用不控整流器整流，則功率因數(shù)高；用PWM逆變器變壓變頻，則諧波可以減小。這樣，前兩種裝置的缺點(diǎn)都克服了。DCACDCACAC～50可控整流器M～逆變器～50可控整流器M～逆變器調(diào)壓調(diào)頻調(diào)壓調(diào)頻ACDCDACDCDCAC斬波器不控整流器M～斬波器不控整流器M～逆變器調(diào)頻調(diào)壓調(diào)頻調(diào)壓ACACACACDCPWM逆變器DCPWM逆變器M～不控整流器調(diào)壓調(diào)頻調(diào)壓調(diào)頻圖2.5交圖2.5交—直—交變頻器的不同結(jié)構(gòu)形式若采用SPWM逆變器構(gòu)成變壓變頻器，則可進(jìn)一步改善調(diào)速系統(tǒng)的性能，因?yàn)槠鋵敵稣也ㄐ斡兄\上添花的效果。綜上所述，我采用交—直—交SPWM變壓變頻裝置。2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)總方案的確定通過前兩節(jié)的分析與比較，我最終確定了整個系統(tǒng)的方案，即數(shù)字式恒壓頻比調(diào)速系統(tǒng)。它包括主電路、驅(qū)動電路、微機(jī)控制電路、保護(hù)信號采集與綜合電路，是一個典型的交—直—交變頻調(diào)速系統(tǒng)。主電路由二極管整流器、全控開關(guān)器件IGBT或功率模塊組成的PWM逆變器UI與中間電壓型直流電路三部分組成，構(gòu)成交—直—交電壓源型變壓變頻器。變頻器采用單片微機(jī)進(jìn)行控制，主要通過軟件來實(shí)現(xiàn)變壓、變頻控制，SPWM控制和發(fā)出各種保護(hù)指令，組成單片機(jī)控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。它也是一個轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的輸入是通過鍵盤輸入的速度，輸出是異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。三相逆變電路三相逆變電路保護(hù)以AT89C51為核心控制板3～M驅(qū)動檢測整流濾波電路轉(zhuǎn)速檢測鍵盤顯示圖2.6系統(tǒng)總體框圖

3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)的選擇：選用AT89C51單片機(jī)，它既有強(qiáng)有力的運(yùn)算能力，又有接口簡單的優(yōu)點(diǎn)，主要是資料比較齊全，價(jià)格越來越低廉。為了使系統(tǒng)有較好的動態(tài)性能，滿足設(shè)計(jì)要求，將整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)差頻率調(diào)節(jié)方式，對轉(zhuǎn)速進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。因?yàn)殡妱訖C(jī)負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，在低頻段，采用恒磁通補(bǔ)償方法來維持磁通恒定，實(shí)現(xiàn)恒磁通變頻調(diào)速。當(dāng)頻率高于額定頻率時(shí)，維持U1=ULN，實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。選用大規(guī)模集成電路HEF4752V來產(chǎn)生PWM控制信號，減輕單片機(jī)負(fù)擔(dān)。系統(tǒng)主回路采用是交-直-交電壓型GTR-PWM變頻電路，逆變器采用二極管整流，大功率晶體管作為開關(guān)元件，這樣盡量使驅(qū)動電路簡單，便于設(shè)計(jì)和調(diào)試。3.1系統(tǒng)硬件的選取3.1.1異步電動機(jī)異步電動機(jī)分為好多中，從結(jié)構(gòu)上來說的話主要有鼠籠型和繞線型，本次設(shè)計(jì)我選用的是結(jié)構(gòu)較為緊湊的鼠籠型三相異步電動機(jī)。在市場產(chǎn)品中，該類電動機(jī)也分好多系類。本設(shè)計(jì)采用的是YVP系列變頻調(diào)速三相異步電機(jī)。如圖3.1為該電動機(jī)的外觀圖。圖3.1變頻調(diào)速三相異步電動機(jī)

接下來，我要介紹的是該電動機(jī)的基本參數(shù)和功能性。因?yàn)殡妱訖C(jī)的選取會直接影響到整個調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

YVP系列電動機(jī)有著國外比較先進(jìn)的技術(shù)設(shè)計(jì)。在電動機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候即頻率＜50HZ能夠在1：10范圍內(nèi)作恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速運(yùn)行且運(yùn)行平穩(wěn)，無轉(zhuǎn)矩脈動現(xiàn)象，并具有較高的起動轉(zhuǎn)矩和較小的起動電流。電動機(jī)高速運(yùn)行時(shí)能夠輸出恒功率的特性。滿足了我們所要設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)的要求。除此之外，本系列電動機(jī)調(diào)速范圍是是比較寬的，振動較小，運(yùn)行穩(wěn)定。前邊我們提到，采用SPWM逆變器構(gòu)成變壓變頻器，則可進(jìn)一步改善調(diào)速系統(tǒng)的性能，因?yàn)槠鋵敵稣也ㄐ斡兄\上添花的效果。該系列電動機(jī)是能夠與SPWM變頻器相匹配吻合的，這是選取該電動機(jī)的最關(guān)鍵的因素。

本電動機(jī)的使用條件是

環(huán)境溫度：海拔：

防護(hù)等級：IP44

電壓：380（220）V±10%

頻率：50（60）HZ±2%

工作制：S1連續(xù)

絕緣：B（or）F

接法:

3kw及以下電機(jī)，使用220V變頻時(shí)請改為△接法。圖3.2LCD顯示屏圖3.2是LCD顯示屏的外觀圖。運(yùn)用LCD顯示屏，主要是為了對整個調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測，清楚明了的看到電動機(jī)輸入頻率的變化，實(shí)際上也就是電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化。顯示屏應(yīng)該與鍵盤配合使用，它屬于人機(jī)交互的一種。當(dāng)整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后，我們將通過運(yùn)行程序期間，顯示屏示數(shù)的變化來判斷整個系統(tǒng)的調(diào)速性能是否能夠基本上達(dá)到要求。我們可將硬件電路設(shè)計(jì)工作做一個合適與否的判斷，從而能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正問題。另外，系統(tǒng)軟件程序問題解決以后，我們便可以對整個系統(tǒng)做一個調(diào)試了。也就是說，系統(tǒng)的優(yōu)劣性得由一定的分析與了解，分析電動機(jī)調(diào)速性能是一個必要的環(huán)節(jié)。3.1.2單片機(jī)控制面板圖3.3單片機(jī)控制面板圖3.3單片機(jī)控制面板如圖3.3為單片機(jī)控制面板。本系統(tǒng)我采用選用AT89C51單片機(jī)，它既有強(qiáng)有力的運(yùn)算能力，又有接口簡單的優(yōu)點(diǎn)，主要是資料比較齊全，價(jià)格越來越低廉。為了使系統(tǒng)有較好的動態(tài)性能，滿足設(shè)計(jì)要求，將整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)差頻率調(diào)節(jié)方式，對轉(zhuǎn)速進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。之所以選用該單片機(jī)是因?yàn)殡娐犯唵?，模擬電路為了實(shí)現(xiàn)控制邏輯，需要更多的電子元件，使得電路復(fù)雜。采用微處理器以后，絕大多數(shù)的控制邏輯可通過軟件來實(shí)現(xiàn)?？梢詫?shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制，微處理器有著強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算功能，運(yùn)算速度更快，精度較高，有大容量的存儲單元，因此有能力實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制，如優(yōu)化控制等。具有較大的靈活性和適應(yīng)性。微處理器的控制方式是由軟件完成的。如果需要修改控制規(guī)律，一般不用改變系統(tǒng)的硬件電路，僅僅需修改程序即可。在系統(tǒng)調(diào)試或者改變方式的時(shí)候，可以不斷嘗試選擇更好的調(diào)控方式及程序，非常方便。可提供人機(jī)界面，多級聯(lián)網(wǎng)工作。這樣一來，我們的我們對整個系統(tǒng)的演示，操作還有控制都有著一目了然的效果。因此，單片機(jī)對于電動機(jī)的控制會是一個很好的選擇，如同珠聯(lián)璧合般。3.2硬件電路設(shè)計(jì)3.2.1主電路的設(shè)計(jì)圖3.4電壓型交-直-交變頻主電路如圖3.4為系統(tǒng)的主電路，由于本次系統(tǒng)采用的是交—直—交變頻調(diào)速系統(tǒng)，選用的為異步電動機(jī)，電感對于電動機(jī)的工作影響非常大，電動機(jī)工作本身就是電能與磁能的轉(zhuǎn)換。故主電路采用的是電壓型交—直—交變頻電路。3.2.2整流電路設(shè)計(jì)工頻交流電源工頻交流電源圖3.5整流電路如圖3.5為該系統(tǒng)的整流電路，主要由整流二極管構(gòu)成。與矢量控制模式一樣也有兩個子系統(tǒng)，分別是轉(zhuǎn)速控制和磁鏈控制。它的運(yùn)行過程是先由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器發(fā)出轉(zhuǎn)矩指令，這樣可以比較電磁轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)模型取得的實(shí)際轉(zhuǎn)矩信號進(jìn)行比較，通過這種比較，不斷磨合與實(shí)際速度之間的誤差。由可以清楚客觀的了解到，在工頻以下，電壓與頻率成正比，磁通近似恒定；工頻以上，電壓不變，電機(jī)進(jìn)行的是弱磁運(yùn)行。同時(shí)，允許的運(yùn)行頻率也存在一個上限。整流部分采用P整流橋，正常的交流電輸入后經(jīng)過整流橋的全波整流后變成直流電容，可以最大程度地過濾掉整流后電壓信號中的交流成分。

前邊提到將交流電整流后，其實(shí)是過濾掉交流電成分。經(jīng)過二極管整流之后，電流的大小并不是穩(wěn)定不變的，這個時(shí)候還達(dá)不到直流電的要求。要完整完成把交流電變成直流電這一工作，我們還需要對電流進(jìn)行濾波，因?yàn)樽冾l器的運(yùn)行是直流脈沖的載體。如果直接將整流電流提供給變頻逆變器，那么逆變器是不能夠正常進(jìn)行工作的。另一句話說，濾波的工作，就是把整流器輸出電壓中的波動成分盡可量地減小，轉(zhuǎn)變成接近大小不變的的穩(wěn)定的直流電。++RbCRbC__圖4.6濾波電路電容器是一個能夠儲存電能的元件。在電子電路中，如果電容器兩端加入電壓的時(shí)候，電容便開始進(jìn)行充電工作，這樣一來，電能變能夠儲存到電容器中。實(shí)際上，電容器既有充電功能也有放電功能。電容器在放電的時(shí)候就相當(dāng)于一個電源。通俗來講，電容器就是起到一個彈簧減震的效果，過高或者過低的電流都能夠進(jìn)行過濾。

3.2.3SPWM信號產(chǎn)生電路脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)是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(shí)現(xiàn)變壓、變頻控制并消除諧波的技術(shù)。

SPWM就是正弦脈寬調(diào)制技術(shù)，在整流濾波處理以后，我們?nèi)绾伟阎绷髯兂晌覀兯枰囊欢l率的交流電壓。實(shí)際上就是變頻器中逆變電路的一種效率非常高的方法。首先，脈沖高度也就是電壓幅值是一定的，縱向調(diào)壓不行，我們通過橫向調(diào)壓。如圖3.6為脈寬調(diào)制波形的原理，實(shí)際上，把每個脈沖的寬度代表平均電壓的幅值，每個脈沖之間的間隙表示電壓的頻率，直觀來看，脈沖的稀疏程度代表電壓的快慢。圖3.7APWM波形生成方法對于本次調(diào)速系統(tǒng)，我選用HEF4752集成電路作為SPWM信號產(chǎn)生選件，也就是逆變單元的設(shè)計(jì)。同時(shí)，逆變器觸發(fā)單元以AT89C51單片機(jī)為核心,由可編程計(jì)數(shù)定時(shí)器8253、PWM信號發(fā)生器HEF4752等組成。AT89C51主要完成控制工作,并向8253送時(shí)間常數(shù)和控制字;8253的3個計(jì)數(shù)器用以產(chǎn)生HEF4752所需的4個時(shí)鐘輸入fVCT、fOCT、fFCT、fRCT。HEF4752是用以產(chǎn)生PWM逆變器的驅(qū)動信號,要使其正常工作,必須提供4路時(shí)鐘信號和4個開關(guān)信號。將HEF4752的I端接地,使HEF4752工作在晶體管模塊式,將K端接+5V電源,使每2路互補(bǔ)信號之間有較大的輸出延遲,L端,CW端分別接8255C口的PC1、PC0,這樣剩下的只有4個控制端了。FCT端為頻率控制端,VCT端為電壓控制端,逆變器的輸出頻率和電壓就是通過控制2個端輸入的方波信號頻率來控制。而電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)是通過調(diào)頻,調(diào)壓實(shí)現(xiàn)的。

4系統(tǒng)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件采用匯編語言完成程序的編程,系統(tǒng)程序我分成三個部分，分別是初始化程序，調(diào)速子程序設(shè)計(jì)以及中斷子程序。4.1初始化程序?yàn)榱四軌蝻@示調(diào)制波的頻率，必須測量ZPPR引腳的輸出脈沖周期，其周期的倒數(shù)也就是頻率所需的調(diào)制波。時(shí)間間隔紅相控制幅值是不用看門程序的，給一個指示器一個數(shù)值，比如最常見的加1，那么這個時(shí)候下降沿的時(shí)間間隔輸出脈沖。但是，有一點(diǎn)需要考慮的是由于調(diào)制波周期比較長即頻率較低。那么，其時(shí)間間隔可用定時(shí)器求得。根據(jù)這些方面的考慮，生成下列初始化程序。ORG

0000H

LJMP

STARTORG

0003HLJMP

WZD

ORG000BHLJMP

JA1

START

：

…SETBIT0

；脈沖下降沿觸發(fā)外中斷MOV

TMOD,#10H

；T0工作在定時(shí)、方式1

SETB

EX0

；開外中斷

SETB

ET0

；開定時(shí)中斷

SETB

EA

；開總控制中斷…

4.2調(diào)速子程序MOV

R2，#04H

；做乘法準(zhǔn)備MOV

R2，#04H

；做乘法準(zhǔn)備MOV

R3，#32H

；將1074（0432H）作為被乘數(shù)

MOV

R6，#00H

MOV

R7，#30H

；乘數(shù)為POWERf

LCALL

QMUL

；調(diào)用乘法子程序

MOV

A，R7

；積的低8位送入SA4828寄存器R0MOV

DPTR，#0000H

；指向R0

MOVX

@DPTR,

A

MOV

A,R6

；積的次低8位送入SA4828寄存器R1

INC

DPTR

；指向R1

MOVX

@DPTR,

A

INC

DPTR

；指向R2

MOV

A,20H

；將20H中存放的位控制參數(shù)送寄存器R2

MOVX

@DPTR,

A

MOV

A,#0FFH

；求調(diào)制波幅值控制字MUL

AB

；255POWERA

MOV

R2,

#00H

；準(zhǔn)備做除法MOV

R3,

#00H

MOV

R4,B

；將積作為被除數(shù)

MOV

R5,

A

MOV

R6,

#64H

MOV

R7,#64H

；除以100LCALL

NDIV

；調(diào)除法子程序

MOV

A,R5

；商送入SA4628的寄存器R3

INC

DPTR

；指向R3MOV

DPTR,#000FH

；指向R15

MOVX

@DOTR,A

；將寄存器中的值寫入SA4828控制寄存器SETB

TR0

；開始定時(shí)RET上面介紹的調(diào)速子程序主要是加速程序和減速程序，通過電壓與頻率的比值，將得到與調(diào)制波頻率比要相對應(yīng)的調(diào)壓比，然后再將其存入31H中。本中斷程序中，使用的有兩個中斷源，T0中斷和INT0中斷。在一個中斷間隔里由于調(diào)制波頻率可能比較低，所以用T0溢出中斷來記錄周期一個是3字節(jié)的數(shù)。同樣的話，在另個中斷時(shí)間間隔里，所用的時(shí)間會溢出次數(shù)并保存到10H中。下面是中斷子程序編程。INT0中斷子程序INT0中斷子程序

WDZ:

MOV

TL0

,#00H

；TL0清0

MOV

11H

,TH0

；取TH0

MOV

TH0

,#00H

；TH0清0

PUSH

ACC

；保持現(xiàn)場

PUSH

B

PUSH

PSW

SETB

PSW.3

；使用第一工作寄存器區(qū)

MOV

A

,11H

；檢查除數(shù)是否為0

ORL

A,

10H

JZ

ABC

；除數(shù)為0則退出

MOV

R2,

#00H

MOV

R3,

#00H

MOV

R4,

#0FH

MOV

R5,

#42H

MOV

R6

,#10H

；輸入除數(shù)

MOV

R7,

#11H

LCALL

NDIV

；調(diào)用雙字節(jié)除法子程序

MOV

12H

,R5

；

調(diào)制波頻率整數(shù)部分存入12H

MOV

R6

,#00H

；對余數(shù)（R2R3）乘100

MOV

R7,

#64H

LCALL

QMUL

；雙字節(jié)乘法，乘100

MOVMOV

R2

,0CH

；將積作為被除數(shù)，（R4）→R2

MOV

R3

,0DH

；（R5）→R3

MOV

R4

,0EH

；（R6）→R4

MOV

R5

,0FH

；（R7）→R5

MOV

R6

,10H

；除數(shù)

MOV

R7,

11H

LCALL

NDIV

；調(diào)用雙字節(jié)除法子程序

MOV

13H

,R5

；將調(diào)制波頻率小數(shù)部分（小于100）存入13H

MOV

10H

,#00H

；10H清0

ABC:

POP

PSW

；恢復(fù)現(xiàn)場

POP

B

POP

ACC

RET1T0中斷子程序JA1JA1:INC10H;T0溢出次數(shù)加1RETI5調(diào)試及分析5.1調(diào)試步驟由于本系統(tǒng)異步電動機(jī)額定電壓為380V,所以在調(diào)試方面，我打算運(yùn)用單片機(jī)軟件Proteus軟件進(jìn)行調(diào)試。接下我將詳細(xì)介紹調(diào)試過程及結(jié)果。首先安裝好proteus這款軟件并進(jìn)行漢化等準(zhǔn)備工作后，點(diǎn)擊打開ISIS圖標(biāo)進(jìn)入程序頁面。如圖5.1所示。圖5.1proteus軟件界面圖5.1proteus軟件界面

接下來，我開始用Proteus軟件進(jìn)行電路圖的連接，當(dāng)然先要在選件庫選用我們所需的元件，單擊圖5.1界面中的P按鈕便可進(jìn)行元器件的選擇。我們所要選取元器件主要由電容與單片機(jī)芯片等。圖5.2調(diào)試模型如圖5.2所示，將整流與逆變電路在proteus軟件中繪制出來，并繪制出示波器，以更好的觀察波形。

5.2結(jié)果分析合上電源，調(diào)節(jié)給定頻率至50Hz、30

Hz、15

Hz，使電機(jī)空載運(yùn)行，負(fù)載電阻置最

大，調(diào)節(jié)左側(cè)調(diào)壓器輸出電壓，發(fā)電機(jī)勵磁電流不大于0.57A，然后調(diào)節(jié)負(fù)

載電阻，將電機(jī)加至額定負(fù)載（變頻器圖形顯示終端轉(zhuǎn)矩顯示為100%

T），讀取被測電

動機(jī)轉(zhuǎn)速n，電流Ia，轉(zhuǎn)矩T，逐漸減小發(fā)電機(jī)勵磁電壓直至為零，測取6組數(shù)據(jù)。表5.150Hz結(jié)果數(shù)據(jù)=50Hz表5.150Hz結(jié)果數(shù)據(jù)=50Hzn(r/min)152615101498148614761460Ia(A)0.41.52.02.42.73.0T％(N.m)16.037.052.066.688.0100n(r/min)932915912888875864Ia(A)0.21.21.42.02.32.4T％(N.m)16.633.341.072.089.0100表5.230Hz結(jié)果數(shù)據(jù)=30Hz表5.230Hz結(jié)果數(shù)據(jù)=30Hzn(r/min)470464455438425415Ia(A)0.20.81.21.41.51.6T％(N.m)22.232.645.263.077.287.5表5.315Hz結(jié)果數(shù)據(jù)=15Hz表5.3結(jié)果數(shù)據(jù)

表5.315Hz結(jié)果數(shù)據(jù)=15Hz表5.3結(jié)果數(shù)據(jù)圖5.3不同頻率下仿真波形有以上表中數(shù)據(jù)可以直觀的看到，電機(jī)轉(zhuǎn)速與勵磁電壓無關(guān)，主要影響轉(zhuǎn)速的是頻率，并且基本上隨頻率成比例變化。電動機(jī)的電流及轉(zhuǎn)矩隨著勵磁電壓的減小而逐漸增大。由于U/f為恒值，故轉(zhuǎn)矩Te一定時(shí)，△n基本不變，即恒壓頻比的情況下調(diào)整頻率f，系統(tǒng)機(jī)械特性曲線近似向下平移。由于氣隙磁通不變，故輸出轉(zhuǎn)矩基本不變，所以基頻以下的變頻調(diào)速屬于恒壓頻比調(diào)速。與系統(tǒng)設(shè)計(jì)相符合。

6結(jié)論在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，我主要做了交流變頻調(diào)速系統(tǒng)總體控制方案的確定，硬件電路設(shè)計(jì)，軟件程序編程以及系統(tǒng)調(diào)試工作。本設(shè)計(jì)是一種由AT89C51單片機(jī)為主控制器的交流變頻調(diào)速系統(tǒng),采用轉(zhuǎn)差頻率調(diào)節(jié)方式,主回路采用交-直-交電壓型變頻電路,驅(qū)動方式采用SPWM正弦脈寬調(diào)制，并實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量。詳細(xì)論述了系統(tǒng)的控制方案和硬件電路,并給出了單片機(jī)主要的C語言程序。本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是單片機(jī)控制下交—直—交變頻調(diào)速系統(tǒng),電動機(jī)額定電壓為38