可逆交-直-交变频调速系统设计)

1、用单片机控制的电机交流调速系统设计文 摘 单片机控制的变频调速系统设计思想是用转差频率进行控制。通过改变程序来达到控制转速的目的。由于设计中电动机功率不大，所以整流器采用不可控电路，电容器滤波；逆变器采用电力晶体管三相逆变器。系统的总体结构主要由主回路，驱动电路，光电隔离电路，HEF4752大规模集成电路，保护电路，Intel系列单片机，Intel8253定时/记数器，Intel8255可编程接口芯片，Intel8279通用键盘/显示器，I/O接口芯片，CD4527比例分频器和测速发电机等组成。回路中有了检测保护电路就可以使整个系统运行的可靠性有了保障。关键词 MCS-51单片机；HEF475

2、2；8253定时器；晶闸管；整流器；三相异步电动机电气传动从总体上分为调速和不调速两大类。按照电动机的类型不同，电气传动又分为直流和交流两大类，直流电动机在19世纪先后诞生，但当时的电气传动系统是不调速系统，随着社会化大生产的不断发展，生产技术越来越复杂，对生产工艺的要求也越来越高，这就要求生产机械能够在工作速度，快速启动和制动，正反转等方面具有较好的运行性能。从而推动了电动机的调速不断向前发展，自从1834年直流电动机出现以后，直流电动机作为调速电动机的代表，在工业中得到了广泛的应用。它的优点主要在于调速范围广，静差小，稳定性能好以及具有良好的动态性能，晶闸管变流装置的应用使直流拖动发展到了

3、一个很高的水平，在可逆，可调速与高精度的拖动技术领域中相当长时间内几乎都采用直流拖动系统。尽管如此，直流调速系统却解决不了直流电动机本身的换向问题和在恶劣环境下的不适应问题，同时，制造大容量，高转速以及高电压直流电动机也十分困难，这就限制了直流传动系统的进一步发展。 交流电动机在1885年出现后，由于一直没有理想的调速方案，只被应用于恒速拖动系统，从本世纪30年代起，不少国家才开始提出各种交流调速的原始方案，晶闸管的出现使交流电动调速的发展出现了一个质的飞跃，使得半导体变流技术的交流调速得以实现，国际上在60 年代后期解决了交流电动机调速方案中的关键问题，70年代开始就实现了产品的高压，大容量

4、，小型化，且已经逐渐取代了大部分传统的直流电动机的应用领域。交流调速系统发展迅速的很大一部分原因在于交流电动机本身的优点：没有电刷和换向器，结构简单，寿命长。近年以来大功率半导体器件，大规模集成电路，电子计算机技术的发展，加上交流电动机本身的优越特性，为交流调速提供了广泛的应用前景。目前交流电力拖动系统已具备了较宽的调速范围，较高的稳态精度，较快的动态响应，较高的工作效率以及可以在四象限运行等优越性能，其动态性能均可与直流电动机拖动系统相比美。 交流调速系统与直流调速系统相比较，具有如下特点：（1）容量大 这是电动机本身的容量所决定的。直流电动机的单机容量能达到1214MW，而交流电动机的容量

5、却远远的高与此数值。（2）转速高，而且耐压 直流电动机受到换向器的限制，最高电压只能达到1000多伏，而交流电动机容量可达到610KV，甚至更高。一般直流电动机最高转速只能达到3000转/min左右，而交流电动机则可以高达每分钟几万转。这使得交流电动机的调速系统具有耐高压，转速高的特点。 （3）交流电动机本身的体积，重量，价格比同等容量的直流电动机要小，且交流电动机结构简单，坚固耐用，经济可靠，惯性小成了交流调速系统的一大优点。（4）交流电动机的调速装置环境适应性广。直流电动机由于结构复杂，换向器工作要求高，使用中受到很多限制，如工厂里的酸洗车间，由于腐蚀严重，使用直流电动机每周都要检查碳刷，

6、维修起来比较困难，而交流电动机却可以用在十分恶劣的环境下不至于损坏。 （5）由于高性能，高精度，新型调速系统的出现和不断发展，交流拖动系统已达到同直流拖动系统一样的性能指标，越来越广泛的应用于 国民经济的各个生产领域。 （6）交流调速装置能显著的节能。工业上大量使用的风机，水泵，压缩机类负载都是靠交流电动机拖动的，这类装置的用电量占工业用电量的50%，以往都不对电动机调速，而仅采用挡板，节流阀来控制风量或流量。大量的电能被白白的浪费掉，如果采用交流电动机调速系统来改变风量或流量的话，效率就会大大的提高，从各方面来看，改造恒速交流电动机为交流调速电动机，有着可观的能源效益。 交流电动机因其结构简

7、单，运行可靠，价格低廉，维修方便，故而应用面很广，几乎所有的调速传动都采用交流电动机。尽管从1930年开始，人们就致力于交流调速系统的研究，然而主要局限于利用开关设备来切换主回路达到控制电动机启动，制动和有级调速的目的。变极对调速，电抗或自藕降压启动以及绕线式异步电动机转子回路串电阻的有级调速都还处于开发的阶段。交流调速缓慢的主要原因是决定电动机转速调节主要因素的交流电源频率的改变和电动机的转距控制都是非常困难的，使交流调速的稳定性，可靠性，经济性以及效率均不能满足生产要求 。后来发展起来的调压，调频控制只控制了电动机的气隙磁通，而不能调节转距。转差频率控制在一定程度上能控制电动机的转距。1

8、交流调速的现状随着电力电子技术，计算机技术的不断发展和电力电子器件的更新换代，变频调速技术得到了飞速的发展。据资料显示，现在有90%以上的动力来源来自电动机。我国生产的电能60%用于电动机，电动机与人们的生活息息相关，密不可分，所以要对电动机的调速有足够的重视。我们都知道，动力和运动是可以相互转化的，从这个意义上说电动机也是最常见的运动源，对运动控制的最有效方式是对运动源的控制。因此，常常通过对电动机的控制来实现运动控制。实际上国外已将电动机的控制改名为运动控制。 对电动机的控制可以分为简单控制和复杂控制两大类。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可以通过继电器，

9、可编程器件和开关元件来实现。复杂控制是指对电动机的转速，转角，转距，电压，电流等物理量进行控制。而且有时往往需要非常精确的控制。以前，对电动机的简单控制的应用较多，但是，随着现代化步伐的前进，人民对自动化的需求也越来越高。使电动机的复杂控制逐渐成为主流，其应用领域极为广泛。在军事和雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳的控制等。工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，绕线机，泵和压缩机，轧机主传动等设备的控制。计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，绘图仪，打印机，复印机等的控制；音像设备和家用电器中的录音机，数码相机，洗衣机，冰箱空调，电扇

10、等的控制，我们统统称其为电动机的控制。交流调速控制作为对电动机控制的一种手段。作用相当明显，这里就不再多做介绍，就交流调速系统目前的发展水平而言，可概括的如下：（1）已从中容量等级发展到了大容量、特大容量等级。并解决了交流调速的性能指标问题，填补了直流调速系统在特大容量调速的空白。（2）可以使交流调速系统具有高的可靠性和长期的连续运行能力，从而满足有些场合不停机检修的要求或对可靠性的特殊要求。（3）可以使交流调速系统实现高性能、高精度的转速控制。除了控制部分可以得到和直流调速控制同样良好的性能外，异步电动机本身固有的优点，又使整个系统得到更好的动态性能。采用数字锁相控制的异步电动机变频调速系统

11、，调速精度可以达到0.002%。 根据异步电动机的转速表达式 n=(1-s)60f/p=n0。可知，当极对P不变时，均匀的改变定子供电的频率f，则可以连续的改变异步电动机的同步转速n0。达到平滑调节电动机实际运行转速n的目的。这种调速方法称为变频调速。变频调速具有很好的调速性能，应用相当广泛，是交流调速的主流。保持V1 /F1=常数的恒压频比控制方式 在忽略定子阻抗压降后可得到V1 /F1=C1m ，式中C1=4.44Kn1N1为常数，因此，在变频时要维持磁通恒定，只要使V1 与F1成比例的改变即可。此时，由公式n0=(1-s)60 f1/p得，所以，带负载时转速降落n为n=sn0=60f1s

12、/p,将异步电动机的转矩公式 T=3PU12R¹2/2SF1（R1+R¹2/S）2+（X1+X¹2）2近似处理后得，可以导出，由此可见，当为恒值时，对于同一转矩，是基本不变的。也就是说，在恒压频比条件下改变频率时，机械特性基本是批心平行上下移动的，频率降低，转速下降， 太小将限制调速系统的带负载能力，所以在低频时，采用定子压降补偿法来适当的提高电压，以增强带负载的能力。从而达到比较满意的效果。保持=常数的恒磁通控制方式 对于=常数的控制方式，无法保证最大的转距。对于要求调速范围的的恒转距负载，则希望在整个调速范围内不变，即使保持恒定。可采用=常数的恒磁通控制方式。

13、保持=常数，此时，机械特性曲线形状不变，不同定子频率下的机械特性曲线平行，且最大转距保持不变，但由于异步电动机的感应电动势不好测量和控制，所以在实际应用中，采用电压补偿的方法来达到维持最大转距的目的。考虑到低频空载时，由于电阻压降减小，应减少补偿量，否则将使电动机中增大，导致磁路过饱和而带来的问题，故与的曲线是折线。保持=常数的恒功率控制方式 变频调速时，在定子频率大于额定频率的情况下，若仍按照上述方法进行控制，则定子电压要高于额定电压，这是不允许的。所以当在频率超过额定频率时，往往使定子电压不再升高，而保持为额定电压不变，这样一来，气隙磁通就就会小于额定磁通，从而导致转距减少，保持=常数时的

14、恒功率控制方式所要求的电压与频率的协调关系。可知，忽略时；。额定转距（式中为过载倍数），对于恒功率调速，有，可得出，只要满足=常数的条件，即可达到恒功率调速。恒电流控制方式 在变频调速时，保持异步电动机的定子电流为恒值，称为恒流控制方式。的恒定是通过PI调节器的电流闭环调节作用来实现的。恒流变频调速与恒磁通变频调速的机械特性基本一样。都属于恒转距调速，在变频调速时，最大转距是不变的，由于恒流控制限制了，所以恒流时的最大转距要比恒磁通时小得多，使过载能力降低。因此，这种控制方式只适用于负载不大的场合。2 用单片机控制的交流调速微处理器（单片机）取代模拟电路作为电动机的控制器，具有如下特点：（1）

15、使电路更简单 模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路更复杂，采用微处理器后，绝大多数控制逻辑可通过软件来实现。（2）可以实现较为复杂的控制 微处理器具有更强的逻辑功能，运算速度快，精度高，有大容量的存储单元。因此，有能力实现复杂的控制。（3）灵活性和适应性 微处理器的控制方式是有软件来实现的，如果需要修改控制规律，一般不必改变系统的硬件电路，只须修改程序即可，在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便。 ( 4 ) 无零点漂移，控制精度高 数字控制不会出现模拟电路中经常遇见的零点漂移问题，无论被控量是大还是小，都可以保证足够的控制精度。（5）可以提供人机界面，多机连网工作

16、。用工业控制计算机可谓功能强大，它有极高的速度，很强的运算能力和接口功能，方便的软件功能，但是由于成本高，体积过大，所以只用于大型的控制系统，可编程控制器则恰好相反，它只能完成逻辑判断，定时，记数和简单的运算，由于功能太弱，所以它只能用于简单的电动机控制。在民用生产中，通常用介于工控机和可编程控制器之间的单片机作为微处理器。本次设计就是用单片机作为电动机的控制器。在设计中用单片机作为电动机的核心控制元件来取代模拟电路，就可以将传统的调速方案中的一些缺点避免，达到提高控制精度的目的。在本次设计中所用到的控制方式是用转差频率闭环控制。转速开环恒压频比调速系统虽然结构简单，异步电动机在不同的频率下都

17、能够获得较硬的机械特性曲线，但是不能保证必要的调速精度；而且在动态过程中由于不能保持所需要的转距，动态性能也很差，它只能用于对调速系统的动静态性能要求都不高的场合。如果异步电动机能像直流电动机一样，用控制电枢电流的方法来控制转距，那么就能够得到和支流电动机一样的动静态性能。转差频率控制是一种解决异步电动机电磁转距控制问题的方法，采用这种控制方案的调速系统，可以获得与直流电动机恒磁通调速相似的性能。转差频率控制的基本概念，原理由式 可以得出异步电动机的机械特性方程式 令式中 ，它是转差频率。 又由式 即： 所以： 式中 由于异步电动机机械特性曲线上有一最大值，当转差频率小于临界转差频率（对应于电

18、磁转距最大的转差率）时，电动机运行在稳定工作区，电动机的电流比较小；当转差率大于临界转差率时，电动机进入不稳定工作区，电动机的电流增大，转距减小。所以在调速过程中要使电动机的转差频率小于临界转差率。也就是说，异步电动机稳定工作时的转差率很小，从而 也很小，可以认为 ， ，所以可近似写成。此式表明，在转差频率很小的范围内，只要能够保持气隙磁通 不变，异步电动机的转距就近似与转差频率成正比，这就是说，在异步电动机中控制，就能和直流电动机中控制电流一样，能够达到控制转距的目的。控制转差频率就代表了控制转距，这就是转差频率控制的基本原理。转差频率控制的基本规律 上面只是近似找到了转距与转差频率的正比关

19、系，可以用它表明转差频率控制的基本原理，但是这一正比关系必须有两个条件才能成立。首先转差频率必须较小，即控制系统必须对限幅，使其满足；其中，对应于最大转距时的转差频率。这就是转差频率控制的基本规律之一。对限幅的功能由转速调节器来实现。上述的第二个条件是气隙磁通必须保持恒定。异步电动机可以控制的量是定子电流，而中包括励磁电流分量和负载电流分量，只有保持励磁电流分量恒定，才能使气隙磁通 恒定，而和 均难以直接测量，若能找到，和 之间的函数关系。当负载改变引起变化时，只要调节，使保持不变，问题就解决了。图1 转差频率控制的基本规律根据并联支路的分流公式取等式两侧向量的副值相等，得：令常数，可以看出图

20、1，它具有如下性质：（1），当=0时，在理想空载时定子电流等于励磁电流；（2），若值增大，定子电流也相应增大；（3），当时， ，这是曲线的渐近线；（4），为正负值时，的对应值不变，左右对称。上述关系表明：只要对定子电流和 的关系符合图1或符合 的规律，就能保持气隙磁通 恒定，这就是转差频率控制的基本规律之二，它有函数电流发生器来实现。总结起来，转差频率控制的基本规律是：（1）在的范围内，转距基本上与成正比，条件是气隙磁通 恒定。（2）定子电流和 的关系符合图1或式子 的规律，就能够保证气隙磁通 恒定。转差频率控制的变频调速系统实现上述转差频率控制的转速闭环变频调速结构原理图如图2所示，可以看出

21、该系统具有以下特点：（1）采用电流源变频器，使控制对象具有较好的动态响应，而且便于回馈制动，这是提高系统动态性能的基础。（2）和直流电动机双闭环调速系统一样，外环是转速环，内环是电流环，转速调节器的输出是转差频率给定值，代表转距给定。（3）转差频率的控制作用分两路，分别作用在可控整流器和逆变器上。前者通过函数发生器，按的大小产生相应的信号，再通过电流调节器控制定子电流，以保持恒定，另一路按产生对于于定子频率的控制电压，决定逆变器的输出频率。（4）转速给定信号，都反向，相序鉴别器判断的极性以决定环形分配器的输出相序，而信号本身则经过绝对值变换器决定输出频率的大小，这样就很方便的实现了异步电动机的

22、可逆运行。调速系统的工作原理（1）起动过程 起动过程如图2所示。首先说明起动过程是一个恒定子电流，恒转差角频率起动的过程，转速给定信号由电位器设定，作为转速调节器的输入信号，在起动瞬间（对应于图中的A点电动机的转速），而测速发电机TG输出信号， 图2 调速系统的工作原理图转速调节器的输入信号最大，其输出最大达到限幅值而转速调节器的输出信号送给了电流函数发生器，所以此时函数发生器的输出达到最大值，因而其输出也达到最大给定值，接下去的电流调节环的速度比转速调节环的速度快得多，可以认为，转速过度过程中实际定子电流始终跟踪了，而在起动过程中由于电动机转速还没有达到给定值，转速调节器输出不会从限幅值退下

23、来，转差频率给顶值一直保持不变，也一直保持不变。所以可以认为起动过程是一个恒定子电流，恒转差频率驱动过程。由式子 可知，定子电流，转差频率恒定，则励磁电流也恒定，因此气隙磁通 恒定。图三中，A点对应于起动瞬间，由于电动机的转速为0（W=0），所以按产生的对应于顶子额定电流为，记为，如果逆变器输出频率保持不变，则电动机的工作点将沿着这条曲线达到B点，记此时的异步电动机的转速为，假如控制系统此时对其进行采样，按产生的定子频率为，由于电动机的转速不能突变，因此电动机的工作点移到了这条曲线上的C点。按以上的方法分析下去，可以知道异步电动机的工作点将沿着ABCD移动，最终达到稳定工作点N。以上分析中，控

24、制系统对转速进行采样的时刻时间断的，如果控制采用连续系统方法，则电动机的转速变化将立即通过控制系统改变控制器的输出频率。这样，沿着ABCD的连线将趋向于沿着A C E G这条曲线，而这条曲线说明在异步电动机起动过程中，电磁转距保持不变，这一结论可以从上面的定子电流，转角频率，气隙磁通恒定。负载变化图3 负载变化图负载变化如图3所示，负载变化时，若转速给定信号为，电动机工作点为N，当负载变化从增加为时，电动机的转速W将逐渐降低，测速发电机输出信号减少，转速调节器增大，按产生的对应于定子频率由于增大而增大，控制电压增大，决定了逆变器的输出频率增加，电动机的机械特性曲线上移，最终电动机在新的工作点处

25、稳定工作。调速过程如果不改变，但转速给顶信号从增大到时，速度调节器的输入为正值，其输出将增大，按产生的对应于定子频率，由于增大而增大，控制电压增大，决定了逆变器的输出频率增加，电动机的机械曲线上移，当增大时，电动机的工作点将瞬间地从点转到对应的特性曲线上的A点，在A点电磁转距，因而电动机将加速，转速上升，按产生的对应于定子频率由于增大而增大，逆变器的输出频率增加，电动机的机械特性曲线上移，只要，定子频率将不断增大，电动机的工作点将沿着图中的A到曲线运动，到了点时，电动机的转速，电磁转距，电动机将在点上稳定运行，这就完成了电动机的加速过程。电动机反转当转速给定信号反相时，速度调节器输出负限幅值，

26、按产生的对应于定子频率由于变负而减小逆变器的输出频率降低，电动机的机械特性曲线下移，电动机以最大制动转距减少到零。当转速接近于零时，按产生的对应的由正值变负时，通过相序鉴别器使环形分配器的相序改变，电动机实现反向运行。近似动态结构转差频率控制系统的动态性能虽比转速开环系统有较大提高，但是在采用经典线性控制理论和工程设计方法分析和设计，仍要作较大的近似处理。在建立转差频率控制系统的动态结构图时，仍做如下处理：（1）忽略异步电动机的铁损。（2）忽略异步电动机旋转电动势对系统动态过程的影响，或者说，忽略哦率和转速对电压控制系统的影响。（3）认为组成系统的各环节的输入输出关系都是线性的。（4）认为磁通

27、在动态过程中保持不变。参照转速开环的变频调速系统的动态结构图，可以画出转差控制系统的近似动态结构图，如图4所示：图4 近似动态结构图 以上就本次变频设计的控制方法规律等做了介绍，它就是本次设计的理论部分。3 系统设计的参数 对一台三相异步电动机调速系统进行设计。异步电动机的参数：，接法， 采用转差频率控制方法，由单片机组成核心。调速范围（），无级调速，静差率。根据对象参数，完成各功能单元的结构设计，参数计算。4 用单片机控制的电机交流调速系统设计4.1 调速系统总体方案设计图5 调速系统总体框图转速开环恒压频比的调速系统，虽然结构简单，异步电动机在不同频率小都能获得较硬的机械特性但不能保证必要

28、的调速精度，而且在动态过程中由于不能保持所需的转速，动态性能也很差，它只能用于对调速系统的静，动态性能要求不高的场合。如果异步电动机能象直流电动机一样，用控制电枢电流的方法来控制转矩，那么就可能得到和直流电动机一样的较为理想的静，动态特性。转差频率控制是一种解决异步电动机电磁转矩控制问题的方法，采用这种控制方案的调速系统，可以获得与直流电动机恒磁通调速系统相似的性能。 为了使系统具有较好的动静态性能，满足设计要求，可将整个系统设计为转速单闭环控制系统，采用转差频率调节方式，对转速进行动态调节，考虑电动机负载为恒转距负载，在高频段，采用恒比例控制方式来做近似恒磁通控制方式；在低频段，采用恒磁通补

29、偿方法来维持磁通的恒定，实现恒磁通变频调速。当频率高于额定转速时，维持，实现恒功率调节。选用大规模集成电路HEF4752来产生PWM控制信号，以减轻单片机的负担，使它能够有足够的时间来完成闭环控制，系统检测和保护等任务。由于电动机功率不大，整流器采用不可控电路，电容器滤波；逆变器采用电力晶体管三相逆变器。系统的总体结构主要由主回路，驱动电路，光电隔离电路，HEF4752大规模集成电路，保护电路，51-单片机，8253定时/记数器，8255可编程接口芯片，8279通用键盘/显示器，I/O接口芯片，CD4527比例分频器和测速发电机等组成。4.2 原器件的选择（1） 74LS138 74LS138

30、是一种3-8译码器，有三个输入端，经译码产生8种状态。其引脚如图6所示，译码功能如表所示，由表可知，当译码器的输入为某一个编码时其输出就有一个固定的引脚输出为低电平，其余的为高电平。图6 74LS138引脚图表1 74LS138 真 值 表 输 入 输 出G1G2A/G2B/CBAY7/Y6/Y5/Y4/Y3/Y2/Y1/Y0/1000001111111010000111111101100010111110111000111111011110010011101111100101110111111001101011111110011101111111 其它状态11111111 （2） 8253

31、主要功能1）一个芯片上有三个独立的16位计数器通道;2）每个计数器都可以按照二进制或二十进制计数；3）每个计数器的技术速率可高到2MHz。4）.每个通道有六种工作方式，可由程序设置和改变;5）.所有的输入输出与TTL兼容。图7 8253引脚图每个通道有三条引线：CLK：输入脉冲线。计数器就是对这个脉冲计数。8253规定，加在CLK引脚的输入时钟周期不能小于380ns .GATE：门控制信号输入引脚。这是控制计数器工作的一个外部信号。当GATE引脚为低电平时，通常都是禁止计数器工作;只有当GATE为高电平时，才允许计数器工作。OUT：输出引脚。当计数到“0”时，OUT引线上必然有输出，输出信号的

32、波形取决于工作方式。本次设计用到芯片8253的工作方式三，当记数值N为偶数时，输出为对称方波，前N/2记数期间，OUT输出为高电平，后N/2记数期间，OUT输出为低电平。若记数值N为奇数值时，将输出不对称方波，即在前（2N+1）/2记数期间，OUT输出高电平，后（2N-1）记数期间输出低电平。（3）HEF4752随着电力电子技术及大规模集成电路的发展，基于集成SPWM电路构成的变频调速系统以其结构简单、运行可靠、节能效果显著、性价比高等突出优点而得到广泛应用。本文介绍的变频调速系统是以大规模专用集成电路HEF4752为核心构成的控制电路，由HEF4752产生的三相SPWM信号经隔离、放大后，驱

33、动由IGBT构成的三相逆变器，使之输出SPWM的波形，实现异步电动机变频调速。HEF4752简介 HEF4752如图8所示，是采用LOCMOS工艺制造的大规模集成电路，专门用来产生三相SPWM信号。它的驱动输出经隔离放大后，可驱动GTO和GTR逆变器，在交流变频调速中作控制器件。图8 HEF4752引脚图主要特点如下：1）能产生三对相位差120°的互补SPWM主控脉冲，适用于三相桥结构的逆变器。2）采用多载波比自动切换方式，随着逆变器的输出频率降低，有级地自动增加载波比，从而抑制低频输出时因高次谐波产生的转矩脉冲和噪声等所造成的恶劣影响。调制频率可调范围为0100Hz，且能使逆变器输

34、出电压同步调节。3）为防止逆变器上下桥臂直通，在每相主控脉冲间插入死区间隔，间隔时间连续可调。引脚说明：HEF4752为28脚双列直插式标准封装DIP芯片，它有7个控制输入，4个时钟输入，12个驱动信号输出，3个控制输出。各管脚功能描述如表所列。表2 HEF4752管脚功能引  脚 名  称 功     能 1 OBC1B 相换流开关信号1 2 OBM2B 相主开关信号2 3 OBM1B 相主开关信号1 4 RCT 最高开关频率基准时钟 5 CW 电机换相控制信号 6 OCT 推迟输出时钟 7 K 选择互锁推迟间隔 8 ORM1 R相

35、主开关信号1 9 ORM2 R相主开关信号2 10 ORC1 R相换流开关信号1 11 ORC2 R相换流开关信号2 12 FCT 频率时钟 13 A 复位输入控制 14 VSS 接地端 15 B 测试电路用信号 16 C 测试电路用信号 17 VCT 电压时钟 18 CSP 电流采样脉冲 19 OYC2 Y相换流开关信号2 20 OYC1 Y相换流开关信号1 21 OYM2 Y相主开关信号2 22 OYM1 Y相主开关信号1 23 RSYN R相同步信号 24 L 停止/启动系统 25 I 选择晶体管/晶闸管模式 26 VAV 平均电压 27 OBC2 B相换流开关信号2 28 VDD 工作

36、电压(10V) 输入引脚功能1 )输入引脚I用来决定逆变器驱动输出模式的选择，当引脚I为低电平时，驱动模式是晶体管，当引脚I为高电平时，驱动模式是晶闸管。2)输入控制信号引脚K和时钟输入引脚OCT共同决定逆变器每对输出信号的互锁推迟间隔时间。（4） 82558255是可编程的并行I/O接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口，三种工作方式，可通过编程改变其功能，因而使用方便，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。8255的引脚图如图9所示。引脚说明由图可知，8255共有40个引脚，各引脚功能如下：D0D7： 三态双向数据线，与单片机数据总线相连，用来传递数据信息。CS/： 片

37、选信号线，低电平有效，表示芯片被选中。图9 8255引脚图RD/： 读出信号线，低电平有效，控制数据的读出。WR/： 写入信号线，低电平有效，控制数据的写入。Vcc： +5V电源。PA7PA0： A口输入/输出线。PB7PB0： B口输入/输出线。PC7PC0： C口输入/输出线。RESET： 复位信号线。A1A0： 地址线，用来选择8255内部端口。 本次设计用到8255的工作方式0，且A口作为输入，B口，C口作为输出。 8255地址口的选定： 片选CS/，地址选择端A1，A0。分别接于P0.7,P0.1,P0.0其它地址线全悬空。显然只要保证P0.7为低电平时，选中该8255，若P0.1,

38、P0.0再为“00”选中8255的A口，同理P0.1,P0.0为“01”，“10”，“11”分别选中B口，C口及控制口。若地址用16位表示，其他无用端全选为1，则8255的A，B，CJ及控制口地址可为FF7CH，FF7DH，FF7FH，如果无用位为“0”，则4个地址为0000H，0001H，0002H，0003H，只要保证CS/，A1，A0的状态，无用位设为“0”，或“1”无关。掌握了确定地址的方法，地址便可以灵活的选出了。（5） ADC0809ADC0809是一种逐次逼近式8路模拟输入，8位数字量输出的A/D转换器。其引脚如图10所示。由引脚可见，ADC0809共有28个引脚，采用双插直列示

39、封装，其引脚主要功能如下：1） IN0IN7 是8路模拟信号输入端。图10 ADC0809 引脚图2）D0D7 是8位数字量输出端。3）A，B，C 与ALE控制8路模拟通道的切换，A，B，C 分别与三根地址线或数据线相连，三者编码对应8个通道地址口。C，B，A=000111分别对应IN0IN7通道地址。ADC0809 虽然有8路模拟通道可以同时输入8路模拟信号，但每个瞬间只能转换一路，各路之间的切换由软件变换通道地址实现。4） OE，START，CLK为控制信号端，OE为输出允许端，START为启动信号输入端，CLK为时钟信号输入端。5）VR（+）和VR（-）为参考电压输入端。（6） 8279

40、图11 8279引脚图 8279是一种通用可编程键盘，显示器接口芯片。如图11所示，它能完成键盘输入和显示控制两种功能，键盘部分提供一种扫描方式，对键盘不断扫描，自动消抖，自动识别出按下的键并给出编码，能对双键或N键同时按下进行保护。8279的组成：1）I/O控制及数据缓冲器2）控制和时序寄存器及定时控制3）扫描计数器4）回复缓冲器，键盘抖动及控制5）FIFO/传感器RAM及其状态寄存器6）显示RAM和显示地址寄存器4.3 系统主回路的设计以及参数计算（1）主回路的结构 系统主回路是交直交电压型变频电路，其图12如下所示：图12 系统主回路电路图整流采用三相桥式不可控整流器，组成滤波电路，三个

41、元件和 一起构成尖峰电压吸收电路（又称直流侧阻容吸收电路），用以削弱因逆变器换流而引起的尖峰电压，采用的是GRT三相桥式PWM逆变器。（2） 参数计算和元件选择1) 大功率开关管 SPWM正弦脉宽调制方法的直流利用率为0.866，即。为了使逆变器输出380V的线电压，要求直流侧的电源电压： 考虑到大功率的晶体管的管压降等，取，则大功率晶体管的参数为，。选择晶体管模块QCA50A100A三块，作为大功率开关管。QCA50A100A为两单元组件，c-e极带反向续流二极管，绝缘式结构，其极限参数为： ，它的内部结构图如图13所示。图13 QCA50A100模块内部结构2） 三相整流桥 整流桥输入侧电

42、压为：，直流侧功率可估算如下： 取电动机的效率为0.82，则电动机的输入功率为 。取逆变器的效率为0.93，则 直流侧的功率为： ，故直流侧电流：。整流二极管最高反压：。基于以上数据，选用MDS型三相整流桥模块，其最大输出电流为40A，最高耐压为1000V。（3） LC滤波器 取，其最大耐压。选择两只2200uF，耐压在500V以上的电容器并联使用。滤波电感在这里主要用来限制电流脉动（PWM变频调速系统不存在电流不连续问题）和短路电流上升率，按照晶体管三相桥式整流电路限制电流脉动的电感量算式估计如下（取）考虑到电动机和整流变压器存在一定的电感量，取实际的串联电感为100mH。选择两台电感量各为

43、50mH，额定电流不小于6.4A的电抗器串联。（4）直流侧阻容吸收电路 按照晶体管三相桥式整流电路直流侧组容吸收电路参数式进行估算： 其中，选择系列纸电容。的额定功率取为2W，选择RJ系列金属膜电阻。选用2CP1G，额定电流，最高耐压800V。（5） 大功率晶体管阻容吸收电路 取电动机起制动电流为额定电流的3倍，即关断时间，升泵电压 ，则：的耐压值与GRT相同，取为的电容，阻值取为100欧。4.4 单元模块的设计4.4.1 转差频率控制原理及调节器的设计（1）转差频率控制原理由电机学的知识可知： 其中：图14 系统控制结构图电动机正常运行时，这时有。 所以：当采用恒磁通控制方式进行变频调速时，

44、近似恒定，近似恒定，这时有，其中近似为一常数，T近似的正比于转差频率。 因此，通过对转差频率控制，就可以达到控制电动机转距的目的，从而调节电动机的转速。（2）调节器设计本系统采用增量式转差频率调节方式，转差调节器设计为带有死区的调节器，即： 因，所以与之和反映了频率，即为频率指令信号。控制结构框图和控制曲线如下图所示。为死区，它是为了避免因量化误差，舍入误差引起系统运行不平衡而引起的。UnAUnB(UnA UnB)为线性调节区，当Un（K）>UnB时，输出限幅，用以现在转差频率的最大增量，亦即限制的最大增量，亦即限制的最大增量，防止系统过冲，提高系统的稳定性。决定系统的积分系数（）,它由

45、电位器给定，通过A/D转换器转换后输入。当UnB确定后，通过调节电位器，就能改变积分系数，整定方便。UnA的值根据静态精度要求和实际系统工作时的最低转速来确定，UnB、UsM通过实验确定。图15 控制结构框图和曲线图a) 控制结构框图 b） 控制曲线4.4.2 PWM控制信号的产生及变换器的设计在本系统中，控制信号用HEF4752大规模集成块来产生。要使HEF4752 正常工作，必须提供4路时钟信号和4个开关信号。将HEF4752的端接地，使HEF4752工作在晶体管模块式，将K端接+5v电源，使每两路互补信号之间有较大的输出延迟，CW端，L端分别接8255C口的PC1、PC0。这样剩下的只有

46、4个控制端了。FCT端为频率控制端，VCT端为电压控制端，逆变器的输出频率和电压就是通过控制着两个端输入的方波信号频率来控制的。而电动机转速的调节是通过调频，调压实现的。所以，必须在转差调节器与HEF4752之间正比的方波信号为FCT和VCT时钟信号。（1）与的关系及低频补偿 考虑到8098单片机中A/D转换器分辨率为10位，所以频率指令信号用10位二进制数来表示。频率指令信号、频率与的关系如下： 所以有=168Uf1，Uf1=20f1。当f1=50Hz时，Uf1=1000Hz，=168000Hz。为了使成立，必须满足，故取 =168000Hz/0.5=336000Hz在f1=2050 Hz范

47、围内，维持 =336000 Hz不变，这样可自动维持U1/f1=常数。在020Hz范围内，引入低频补偿，以维持磁通恒定。低频补偿的思想是：在低频段，按一定规律减少，使比值增大，从而使U1=K相对增大，以补偿定子绕组电阻上的压降，维持磁通恒定。低频补偿曲线如图16所示，补偿的规律如下：取fVCT0 = fVCT(nom)/4 = 8400Hz当f1=20Hz时，有 fVCT = fVCT0 + 20Hz = fVCT(nom)所以可解得 = (fVCT(nom)fVCT0)/20Hz = (33600084000)/20 = 12600下面来简单估算一下，看取fVCT0=84000Hz、=126

48、00是否合适。 额定状态有 U1=KfFCT/fVCT0.5K=380V 所以K=760，U1=760*fFCT/fVCT=760*3360f1/fVCT 当f1=20 Hz时，U1=760*3360*20 V/336000=152 V 当f1=0.2Hz时，U1=760*3360*0.2V /（84000+12600*0.2）5.9 V图16 低频补偿曲线图 与未补偿时的U1比较，当f1=0.2Hz时，U1大约提高了5.9 V。这个5.9 V用来补偿定子绕组上的电阻压降。从估算结果上看，显然是比较合适的，故取fVCT0=84000Hz，=12600，则（1） 变换器的设计以上找出了fFCT、

49、fVCT与Uf1的关系，剩下的就是怎样按照关系式产生频率为fFCT、fVCT方波信号。单片机上系统时钟频率为12MHz，将其6分频后，得到2MHz的时钟信号，再对进行、分频后作为FCT、VCT时钟信号。显然，Pf、Pv应与Uf1频率指令信号成一定关系变化，其关系可推导如下：所以 可解得： 分频系数变化范围较大，需采用16位分频器，所以可通过扩展一片可编程定时/计数器8253来完成整数分频。8253内部有三个6位计数器，完全可满足设计要求。由于Pf、Pv都不是一个纯整数，为了保证系统的精度，可扩展2片比例乘法器CD4527，用它进行比例分频。二进制码/方波信号变换器硬件连线图如图17所示。图17

50、 变换器硬件连接图CD4527是BCD比例乘法器，其Q端输出脉冲书具有如下关系 N0 = BCD输入数 * / 10如果输入的BCD数为6，则每输入10个时钟脉冲，可在输出端得到6个输出脉冲。CD4527引脚如图18所示各引脚功能如下：A、B、C、D： BCD数输入端。输入的BCD数决定芯片的乘法系数（分频系数）。CP：时钟脉冲输入端。INHIN：时钟CP禁止输入端。INHIN为“0”，允许输入，为“1”时禁止输入。Cr：清零端，Cr为“0”时正常工作，为“1”时芯片清零。SET“9”：置9端，工作时接地。ST和CF：分别为选通端和级联端。用于级联。“9”OUT：状态“9”输出端。 INHou

51、t：时钟禁止输出端，当有脉冲输出时，INHout输出“1”电平。Q、Q/：脉冲输出端。 采用一级CD4527，只能获得小数点后一位的乘法系数，为了获得小数点后两位的乘法系数（即0.000.99的比例分频系数），本系统中采用级联的方法进行加法运算，对进行两位数的比例分频，连接图如图所示。第一级CD4527输出的脉冲数为。由于Q1与CF1连接，故Q1的输出脉冲经第二级CD4527直接从Q2输出，脉冲不变。由于INHout1到CP1端第9个脉冲后才为“0”，即INHout2在第10个脉冲来时才为“0”，允许脉冲输入，故100个脉冲中只从CP2端输入10个，所以输出脉冲数为，总的输出脉冲数为：式中：

52、A、B比例分频系数，分别对应于1/10位和1/100位。图18 CD4527引脚图8253是可编程序定时/计数器，片内具有3个独立的16位计数器通道，每个通道有6种工作方式。关于8253引脚功能、工作方式等这里不再赘述。本系统中，设定0、1、2通道工作在方式3（方波信号发生器），用比例分频的输出分别作为0、1通道的计数时钟信号，对进行整数位分频，产生FCT、VCT两路时钟信号。0、1通道的计数值即位整数分频系数，由CPU通过执行几条输出指令置入。2通道用来产生RCT、OCT时钟信号RCT、OCT共用一路时钟信号，且频率固定。因取，则 。时钟的频率为2MHz，故RCT可由时钟经7分频来获得，故置

53、通道计数值为7。 由于整数分频和小数分频分开进行，所以需将分频系数分别分解为纯整数和纯小数两部分，整数部分送8253的0、1通道作为计数值，小数部分送比例分频器CD4527作为比例分频系数。与关系如下： 对应的一个值，有多组取值。考虑到由于硬件的限制，只能取小数点后两位这一条件，与，与必定有一最佳组合。基于这一想法，取使的绝对值趋于最小，且为偶数的一组值和使的绝对值也趋于最小，且为偶数的一组值为两位纯小数）。这种寻优法的计算法的计算量工作量较大，难以实时完成。本系统中采用查表的方法获得。用高级语言程序离线生成和两个表格，存入内存。系统运行时，根据求得的频率指令信号，查表获得对应的分频系数，然后

54、将它们送到相应的比例分频器和8253的0、1通道，8253的0、1通道便会产生相应频率的方波信号输出，这样就完成了二进制码到方波信号的变换。比例乘法器CD4527不能直接与CPU连接，系统中可扩展一片8255，用它作为二路比例乘法器与CPU的接口。8253定时/计数器则直接与CPU连接。4.4.3 光电隔离及驱动电路设计HEF4752输出的PWM控制信号功率很小，无法直接驱动GTR，要经过脉冲功率放大才能驱动GTR，脉冲功率放大电路选用模块EX359。该模块是一个带有光隔离的功率放大电路，其电源电压为12V，输入信号，输出电压（对应GTR导通）和-2V（对应GTR关断），工作频率为，可驱动50A以下的逆变器，其内部电路如图19所示。图19 EX359驱动模块内部结构4.4.4 故障检测及保护电路设计故障检测及保护电路如图20所示，该电路采用电阻取样的电压、电流保护电路，通过调节电位器RP1、