课程设计异步电动机变频调速控制系统设计与实践

1、自动控制系统综合课程设计报告题 目：异步电动机变频调速控制系统设计与实践院 （系）： 机电与自动化学院 专业班级： 自动化1 05 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2014年12月 29日至2015年 1 月 9日xxxx大学制自动控制系统综合课程设计任务书一、设计（调查报告/论文）题目异步电动机变频调速控制系统设计与实践二、设计（调查报告/论文）主要内容（1）完成异步电机变频调速系统硬件电路设计（开环）；（2）编写异步电机变频调速系统SPWM控制程序（开环）；（3）利用电力电子与电气传动控制实验室实验平台搭建开环的变频调速系统并运行，不断加载，观察电机转速变化，得出正确结论；（4）利用电力

2、电子与电气传动控制实验室实验平台搭建闭环的变频调速系统并运行，对比闭环系统和开环系统的差异，得出正确结论；三、原始资料系统基本结构（供参考）四、要求的设计（调查/论文）成果1 系统硬件电路图；2 系统软件设计流程图及具体程序3 符合规范要求的设计报告电子档、纸质档各一份。五、进程安排第一周安排：（上午：8:30-12:00；下午：13:30-17:00）周一周二：分组（4人一组）、查找资料、理解课题的意义（变频技术的重要性、变频在交流调速应用中的重要性及应用价值等）、提出初步方案，周二下午1：30，南区实验室集中，以小组为单位进行课题意义、应用及方案论述，时间12分钟（每人3分钟），论述内容不

3、得重复；周三周四：硬件电路设计（每天下午1:30在南区实验室集中，汇报进度，进行答疑）；周五上午：8:30开始，南区实验室集中，以小组为单位论述硬件电路的设计思路及工作原理，时间8分钟，每人2分钟，内容不得重复；周五下午：开始控制程序设计。第二周安排：（上午：8:30-12:00；下午：13:30-17:00）周一周二：控制程序设计、理解，周一下午1:30，南区实验室集中，答疑。周二下午1:30南区实验室集中，以小组为单位论述程序设计的思路，并解释程序中SPWM具体的实现方式，时间8分钟，每人2分钟，内容不得重复；周三：上午8:30开始，下午1:30开始，南区电力电子与电气传动实验室集中，进行

4、动手实践，时间为每班两小时；周四周五：按规范撰写设计报告并提交电子档、纸质档、答辩。六、主要参考资料1 陈伯时.自动控制系统及电力拖动控制.北京：机械工业出版社，2010.2 李荣生.电气传动控制系统设计指导.北京：机械工业出版社，2009.3 冯垛生交流调速系统北京：机械工业出版社，2012.4 吴守箴，戚英杰.电气传动脉宽调制控制技术.北京：机械工业出版社，20105 HavaPerformance Analysis of Reduced Common-Mode Voltage PWM Methods and Comparison With Standard: PWM Methods fo

5、r Three-Phase Voltage-Source InvertersIEEE Transactions on Power Electronics 2009，24（1）：241-252指导教师（签名）： 20 年 月 目 录1 绪论12 方案设计22.1 变频器的主电路方案22.2 系统的原理框图23 硬件电路设计43.1 主电路的设计43.2 整流电路设计43.3 滤波电路设计43.4 逆变电路设计53.5 驱动电路设计53.5.1 SPWM调制技术63.5.2 SA4828的工作原理74 系统的软件设计84.1 单片机程序设计84.2 程序代码85 实验结论13总 结15参考文献16

6、1 绪论近年来，电动机作为主要的动力设备被广泛的应用于工农业生产、国防科技、日常生活等各个方面，其负荷约占总发电量的60%-70%，成为用电量最多的电气设备，根据采用的控制方式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类。其中交流电动机形式多样，用途各异，拥有数量最多。交流电动机又分为同步电动机和异步电动机两大类，根据统计，交流电动机用电量占电机总用电量的85%左右，可见交流电动机应用的广泛性及其在国民生产中的重要地位。异步电机可以采用调压调速、改变极对数调速、串电阻调速、变频调速等。在交流调速诸多方式中，变频调速是最有发展前途的一种交流调速方式，也是交流调速的基础和主干内容，变频装置有交直交

7、系统和交交系统两大类。交直交系统在传统电压型和电流型变频器的基础上正向着脉宽调制PWM型变频器和多重化技术方向发展，而交交变频器应用于低速大容量可逆系统上升趋势现代电力电子、微电子技术和计算机技术的飞速发展，以及控制理论的完善、各种工具的日渐成熟，尤其是专用集成电路、DSP和FPGA近来令人瞩目的发展，促进了交流调速的不断发展。目前异步电机变频调速控制已经成为一门集电机、电力电子、自动化、计算机控制和数字仿真为一体的新兴学科。交流调速技术的发展过程表明，现代工业生产及社会发展的需要推动了交流调速的飞速发展；现代控制理论、电力电子技术的发展和应用，微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用为交流调

8、速的飞速发展创造了技术和物质条件。实践证明，交流调速系统的应用为工农业生产及节省电能方面带来了巨大的经济和社会效益。现在，交流调速系统正在逐步的代替直流调速系统，交流调速系统在电气传动领域占据统治地位已是不争的事实。总之，交流电机调速技术的发展，特别是变频器传动本身固有的优势，必将使之应用于社会生产的各个领域，以体现出不同的功能，达到不同的目的，收到相应的效益。因此，本论文通过对变频器的研究，对于交流变频调速系统理论的应用，有着实际的意义和一定的应用价值。2 方案设计2.1变频器的主电路方案 变频器最早是用旋转发电机组作为可变频率电源供给交流电动机。随着电力半导体器件的发展，静止式的变频电源成

9、为了变频器的主要形式。静止式变频器从变换环节分为两大类：交-直-交变频器和交-交变频器。由于交-直-交型变频器是目前广泛应用的通用变频器，作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以其主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响，它主要适用于中、小容量的交流传动系统。所以本次设计中选用此种间接变频器，在交-直-交变频器的设计中，虽然电流型变频器可以弥补电压型变频器在再生制动时必须加入附加电阻的缺点，并有着无须附加任何设备即可以实现负载的四象限运行的优点，但是考虑到电压型变频器的通用性及其优点，在本次设计中采用电压型变频器。2.2系统的原理框图 交直交变频器由以下几部分组成，如图2.1所示。图

10、2.1系统原理框图系统各组成部分简介：供电电源：电源部分因变频器输出功率的大小不同而异，小功率的多用单相220V，中大功率的采用三相380V电源。因为本设计中采用中等容量的电动机，所以采用三相380V电源。整流电路：整流部分将交流电变为脉动的直流电，必须加以滤波。在本设计中采用三相不可控整流。它可以使电网的功率因数接近1。滤波电路：因在本设计中采用电压型变频器，所以采用电容滤波，中间的电容除了起滤波作用外，还在整流电路与逆变电路间起到去耦作用，消除干扰。逆变电路：逆变部分将直流电逆变成交流电。本设计采用三相桥逆变，开关器件选用全控型开关管IGBT。电流电压检测：采集直流端信号，作为过压、欠压、

11、过流保护信号。控制电路：采用8051单片机和SPWM波生成芯片SA4828，控制电路的主要功能是接受各种设定信息和指令，根据这些指令和设定信息形成驱动逆变器工作的信号。这些信号经过光电隔离后去驱动开关管的关断。3 硬件电路设计3.1主电路的设计主电路为单相全桥逆变电路，主开关管采用GTR，输出100V，50-400Hz频率可调的交流电压。由单片机输出两路互补（有一定死区时间）单极性SPWM波来控制该逆变电源。对输出SPWM波的最小脉冲问题进行了处理，采用汇编语言对中断服务子程序进行编程，使得SPWM波形中最小脉冲的宽度达到了3s，这个宽度（时间）基本达到实验中所用GTR的最小开关周期。该系统主

12、电路如图3.1所示，以8051为控制核心，采用交-直-交电压源变频器结构。 图3.1电压型交-直-交变频主电路3.2整流电路设计采用三相桥式不可控整流电路将交流电整流为直流电，电路如图3.1左半部分由6个二极管组成。通过二极管的峰值电流为：Im =2×1.414In =2×1.414×0.5=1.42A 流过二极管电流的有效值： 二极管电流定额：In =(1.5or2)×Id 考虑滤波电容充电电流的影响，需要留有较大的电流余量，选用IN=2A，整流二极管电压定额：Ud =(2or3)×Um =(2or3)×1.414×220

13、=622or933V 根据上面计算的电压和电流以及市场价格和供货情况，实际选用的整流二极管为5A、1000V。 3.3滤波电路设计交流电经过二极管整流之后，方向单一了，但是大小（电流强度）还是处在不断地变化之中。这种脉动直流一般是不能直接用来给无线电装供电的。要把脉动直流变成波形平滑的直流，还需要再做一番“填平取齐”的工作，这便是滤波。换句话说，滤波的任务，就是把整流器输出电压中的波动成分尽可能地减小，改造成接近恒稳的直流电。 图3.2 滤波电路 电容器是一个储存电能的仓库。在电路中，当有电压加到电容器两端的时候，便对电容器充电，把电能储存在电容器中；当外加电压失去（或降低）之后，电容器将把储

14、存的电能再放出来。充电的时候，电容器两端的电压逐渐升高，直到接近充电电压；放电的时候，电容器两端的电压逐渐降低，直到完全消失。电容器的容量越大，负载电阻值越大，充电和放电所需要的时间越长。这种电容带两端电压不能突变的特性，正好可以用来承担滤波的任务。整流电路输出的直流电压的脉动成分较大，此外逆变器部分产生的脉动电流及负载变化也使直流电压脉动，因此要加入大电容滤波环节。滤波电路如图3.2所示：没有加滤波电容时，三相整流输出的平均直流电压为： Vc=3×1.414*Ul/ 加上滤波电容后，VDC的最大电压可以达到交流电压的峰值： U=1.414×Ul=1.414×22

15、0=311V 理论上滤波电容值越大越好，考虑到体积和价格，实际选用了两个47F/450V的电容相并联使用。3.4逆变电路设计 逆变电路的功率器件选用6个GTR和6个快速续流二极管。IGBT正反向峰值电压为： Um=1.414×220=311V 考虑到23倍安全系数，取耐压值为1000V。通态峰值电流： Im=2×1.414×In=2×1.414×0.5=1.41A 考虑1.52倍安全系数，取电流定额为5A。续流二级管的耐压和续流计算与上相同，考虑到市场价格供货和价格的情况实际选 用GTR为GT25Q101，续流二极管为MUR860。3.5驱动电

16、路设计驱动电路的作用是逆变器中的逆变电路换流器件提供驱动信号。主电路逆变电路设计中采用的电力电子器件是IGBT，故称为门极驱动电路。3.5.1 SPWM调制技术产生SPWM信号的方法是用一组等腰三角波(称为载波)与一个正弦波(称为调制波)进行比较，如图3.3所示，两波形的交点作为逆变开关管的开通与关断时间。当调制波的幅值大于载波的幅值时，开关器件导通，当调制波的幅值小于载波的幅值时，开关器件关断。虽然正弦脉宽调制波与等脉宽PWM信号相比，谐波成份大大减小，但它毕竟不是正弦波。提高载波(三角波)的频率，是减小SPWM调制波中谐波分量的有效方法。而载波频率的提高，受到逆变开关管最高工作频率的限制。

17、第三代绝缘栅双极型晶体管IGBT的工作频率可达30KHz，用IGBT作为逆变开关管，载波频率可以大幅度提高，从而使正弦脉宽调制波更接近正弦波。可由模拟电路分别产生等腰三角波与正弦波，并送入电压比较器，输出即为SPWM调制波。图4.1为SPWM波生成方法：图3.3 SPWM波生成方法采用模拟电路的优点是完成三角波与正弦波的比较并确定输出脉冲宽度的时间很短，几乎瞬间完成。缺点是电路所用硬件较多，改变参数和调试比较困难。若用单片机直接产生SPWM信号，由于需要通过计算确定正弦脉宽调制波的宽度，使SPWM信号的频率及系统的动态响应都较慢。对于调速精度、调速方式要求较高的交流异步电动机，可以采用各项性能

18、指标都非常完善，但价格也比较昂贵的通用变频器；对一般交流电动机的变频调速，可以直接采用三相SPWM调制信号专用芯片构成调速系统。在本设计中选用SA4828。SA4828是MITEL公司推出的一种专用于三相SPWM信号发生和控制的集成芯片，可以和单片机接口，完成对交流电动机的变频调速。3.5.2 SA4828的工作原理 SA4828为28引脚的DIP或SOIC封装的控制芯片，内部具有总线控制及译码电路，有多种寄存器和相控逻辑电路。外部时钟输入经分频器分成设定的频率，并生成三角形载波，三角载波与所选定的片内三种调制波形进行比较，自动生成SPWM输出脉冲，然后通过脉冲删除电路删除窄脉冲（如图3.4）

19、图3.4 脉冲序列中的窄脉宽 因为这种脉冲不起任何作用，只会增加开关管的损耗。通过脉冲延迟电路生成死区，从而保证桥上的管子不会在状态转换期间导通短路。看门狗定时器用来防止程序跑飞，当条件满足时快速封锁输出。 SA4828的设置是通过单片机接口将数据送入SA4828芯片内的两个寄存器(初始化寄存器和控制寄存器)来实现的。初始化寄存器用于设定与交流电动机有关的基本参数，这些参数要在PWM输出端允许输出前设定，系统工作以后不允许改变。控制寄存器是在工作过程中控制输出脉宽调制波的状态，从而进一步控制交流电动机的运行状态，通常在工作时，该寄存器的内容常被改写，以实现实时对交流电动机的速度进行控制。4 系

20、统的软件设计4.1单片机程序设计 其程序主要包括主程序，PID计算子程序和中断处理程序。(1)程序主要完成各接口芯片的初始化，给相应的内存单元赋初值。(2)INT0中断程序该程序主要用于启动定时器。当交流电压信号由负到正，过零时，外部响应中断，执行INT0中断服务程序，启动T0计数。T0中断程序该程序用于控制整流电路中可控硅晶闸管的移相角变化由于整流电路的整流输出电压V0=2.34V2cos(60)，所以改变可改变直流电压的大小。T1中断程序该程序主要通过控制逆变电路中可控硅晶闸管的导通、关断时间，从而改变交流电源的频率。因此，这个程序依据PID算法的结果直接关系到供给电动机的电源频率的大小。

21、(3)于设置T0初始值的问题：在实际运用中，给T0一个初始值，使得当T0在溢出时，CPU通过P2.0发出控制信号VG1让VT1导通。VG1产生半个周期后，产生VG2，从而VT2导通。为了保证这一过程中时间差的实现，为T0设定的初始值必须要符合条件，即：这一时间间隔在允许范围内要尽可能小。(4) 于修改T1初始值的问题：变频电源的频率f与T1初始值Xi的设定有重要的联系，因为变频电源的频率由压力与给定压力的信号差决定。同时根据PID运算结果进行运算，直到压力与给定值相同。开始系统初始化启动AD转换器数字滤波PID运算中断响应允许INT0中断修改T1初值运算结果等于给定值 图4.1 主程序框图4.

22、2程序代码#include<reg52.h>#include<absacc.h>/即可使用其中定义的宏来访问绝对地址#define unit unsigned int#define uchar unsigned char#define KeyPort P2extern SPWM;#define R0 XBYTE0xdf00/总线方式访问,定义端口地址#define R1 XBYTE0xdf01#define R2 XBYTE0xdf02#define R3 XBYTE0xdf03#define R4 XBYTE0xdf04#define R5 XBYTE0xdf05#d

23、efine R14 XBYTE0xdf0E#define R15 XBYTE0xdf0F#define DataPort P2sbit LATCH1=P22;/定义锁存使能端口 段锁存sbit LATCH2=P23;/ 位锁存char ini6=0x40,0x5A,0x2C,0x02,0x00,0x00;/初始化数据char con6=0xcd,0xcc,0x06,0x80,0x80,0x80;/控制数据 设调制波频率为100HZ，unsigned char code dofly_DuanMa10=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6

24、f;/ 显示段码值09unsigned char code dofly_WeiMa=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f;/分别对应相应的数码管点亮,即位码unsigned char TempData8; sbit RST=P10;sbit key=P11;void DelayUs2x(unsigned char t) while(-t);void DelayMs(unsigned char t) while(t-) /大致延时1mS DelayUs2x(245); DelayUs2x(245); unsigned char KeyScan(void)

25、 unsigned char keyvalue; if(KeyPort!=0xff) DelayMs(10); if(KeyPort!=0xff) keyvalue=KeyPort; while(KeyPort!=0xff);switch(keyvalue) case 0xfe:return 1;break; case 0xfd:return 2;break; case 0xfb:return 3;break; case 0xf7:return 4;break; case 0xef:return 5;break; case 0xdf:return 6;break; case 0xbf:retu

26、rn 7;break; case 0x7f:return 8;break; default:return 0;break; return 0;void Display(unsigned char FirstBit,unsigned char Num) static unsigned char i=0; DataPort=0; /清空数据，防止有交替重影 LATCH1=1; /段锁存 LATCH1=0; DataPort=dofly_WeiMai+FirstBit; /取位码 LATCH2=1; /位锁存 LATCH2=0; DataPort=TempDatai; /取显示数据，段码 LATCH

27、1=1; /段锁存 LATCH1=0; i+; if(i=Num) i=0;void main()/sa4828初始化R0=ini0;R1=ini1;R2=ini2;R3=ini3;R4=ini4;R5=ini5;R14=0;/R0到R5装入初始化寄存器TMOD=0x01;TH0=(65536-3000)/256;TL0=(65536-3000)%256;while(!key); EA=1; ET0=1; TR0=1;/向sa8248写数据R0=con0;R1=con1;R2=con2;R3=con3;R4=con4;R5=con5;R15=0;/R0到R5装入控制寄存器IP=0x0b;IE=

28、0x9e;SPWM=KeyScan(); /循环调用按键扫描 switch(SPWM) case 1: TempData0=0x5E; TempData1=0x39; TempData2=0x06; TempData5=0x3F; TempData6=0x71; TempData7=0x71; break;while(1);/等待service_int0(); void service_int0() interrupt 0 using 0 RST=0; 5 实验结论 （1）使用变频器，合理设置工作模式和工作参数。 要求：将变频器高、中、低频率分别设为40HZ，30HZ，20H。 （2）构建开环

29、变频调速系统，异步电机为三角形接法。具体测试内容： 采用内部模式对电机速度进行控制和调节，并一一对应记录几组频率、电机定子电流、转速的具体数据，观察数据，得出结论。频率（HZ） 20 25 30 35 40转（r/min） 582 733 882 1032 1182定子电流（A） 0.0200.0210.0220.0210.022观察数据，得出结论：频率增加，转速增大，定子电流不变。 采用外部模式对电机速度进行控制和调节，以正转为基准，实现电机在高、中、低三个不同频率下的运行（高、中、低速运行），然后加载，观察电机定子电流的变化。并记录数据，得出结论。 A高速运行时定子电流（A）0.0300.

30、0350.0400.0450.050转速（r/min）11601145112711081092 B中速运行时定子电流（A）0.0300.0350.0400.0450.050转速（r/min）856842824805784 C低速运行时定子电流（A）0.0300.0350.0400.0450.050转速（r/min）550533514492469观察数据，得出结论：转矩增大，转速降低，定子电流增大。 （3）构建闭环变频调速系统，异步电机为三角形接法。具体测试内容为： 通过外部给定电压调节电机速度，记录电压和转速的具体数据。给定电压（A） 2 3 4 5 6转速（r/min）530740 980 1250 1470 给定电压调定不动，给电机加载，观察转速的变化，并记录定子电流和转速的具体数据。定子电流（A）0.0300.0350.0400.045 0.050转速（r/min）980950945960 950 观察数据，得出结论：给定电压增大，转速增大，在可调范围内，转速不变。 测试总结（开环系统和闭环系统的主要区别