基于单片机控制的交流变频调速系统方案

1、PAGE17 / NUMPAGES17基于单片机控制的交流变频调速系统 : 田冰杰学号: 17专业: 电气自动化技术班级: 电气1343引言随着 HYPERLINK :/ dqjsw .cn/diangongdianzi/peidianshebei/ t _blank 电力 HYPERLINK :/ dqjsw .cn/diangongdianzi/dianzijishu/ t _blank 电子技术、微机控制技术以与大规模 HYPERLINK :/ dqjsw .cn/tag/jichengdianlu_807_1.html t _blank 集成电路的发展，基于集成PWM电路构成的变频调速

2、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GTRSPWM变频调速系统是以大规模专用集成电路HEF4752和 HYPERLINK :/ dqjsw .cn/dianqi/danpianji/ t _blank 单片机（80C51）为核心构成的控制电路，由HEF4752产生的三相PWM信号经隔离、放大后，驱动由GTR构成的三相桥式逆变器，使之输出三相SPWM的波形，实现异步电机变频调速。概述1.1三相异步电动机变频调速的发展随着变频调速异步电动机在国外市场上日益扩大应用。自90年代中期以来，我国有众多电动机生产企业设计、研制和生产适用于不同应用的各种系列

3、变频调速三相异步电动机，例如：通用变频调速电动机系列、起重冶金变频调速电动机系列、隔爆变频调速电动机系列、电梯变频调速电动机系列、辊道变频调速电动机系列、牵引变频调速电动机系列等。从目前情况看，这些系列电动机能基本满足国市场的需求。据资料显示，我国对于变频凋速三相异步电动机的品种不断扩大，产品设计也不断改进。为了适应不同用途、不同工作条件和使用环境、不同工况等各种要求，专用系列和改型系列变频调速电动机产品不论现在和将来，都在迅速发展。变频器供电电源会存电动机端子和各相绕组的前几匝线圈上产生高频瞬间脉冲峰值电，因此，如果不对绝缘系统采用增强措施将会使绕组存高电压应力作用下过早失效，从而引起绝缘击

4、穿故障。在电气传动领域中，随着自关断器件技术水平的不断提高，脉宽调制技术（简称PWM技术）也日趋成熟。PMW交流变频调速以其高效率、高功率因数、输出波形好、结构简单等优点，在井下风机、水泵、造纸机等设备中得到了广泛的应用。将单片机应用于交流变频调速系统，可有效地避免传统调速方案中的一些缺点，达到了提高控制精度的目的，其特点：（1）采用单片机可以使绝大多数控制逻辑通过软件实现，简化了电路。（2）单片机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，可以实现较为复杂的控制。（3）无零点漂移，控制精度高。（4）可以提供人机界面，多机连网工作。1.1 SPWM变频调速系统概述二十世纪末以来

5、,电力电子技术与大规模集成电路有了飞速的发展，在此技术背景下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。众所周之早期的交-直-交变压变频器说输出的交流波形都是矩形波或六拍阶梯波，这是因为当时逆变器只能采用半控式的晶闸管，会有较大的低次谐波，使电动机输出转矩存在脉动分量，影响其稳态工作性能。为了改善交流电动机变压变频调速系统的性能，在出现了全控式电力电子开关器件之后，科技工作者在20世纪80年代开发应用PWM技术的逆变器，由于它的优良技术性能，当今国外生产的变压变频器都已采用这种技术。PWM技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变

6、为电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或电压脉冲周期以达到改变电压的目的，或者通过控制电压脉冲宽度和电压脉冲序列的周期以达到变压和变频的目的。在变频调速中，前者主要应用于PWM斩波（DCDC变换），后者主要应用于PWM逆变（DCAC变换）。PWM脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波（调制波）对三角载波进行调制，以达到调节输出脉冲宽度的目的。相当于基波分量的信号波（调制波）并不一定指正弦波，在PWM优化模式控制中可以是预畸变的信号波，正弦信号波是一种最通常的调制信号，但决不是最优信号。PWM控制技术有许多种，并且还在不断发展中。但从控制思想上分，可把它们分成四类，即等脉宽PWM法、正弦波PWM法

7、（SPWM）、磁链跟踪PWM法（SVPWM）和电流跟踪PWM法等。本课题设计主要介绍正弦波SPWM的变频调速控制系统。SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本一样.SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。SPWM变频调速系统基本原理2.

8、1 SPWM变频调速系统基本原理PWM的原理，就是面积等效原理，在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本一样。所以可用等幅值的不同宽度的脉冲来等效一些想要的波形。PWM技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变为电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或电压脉冲周期以达到改变电压的目的，或者通过控制电压脉冲宽度和电压脉冲序列的周期以达到变压和变频的目的。变频调速中，前者主要应用于PWM斩波（DCDC变换），后者主要应用于PWM逆变（DCAC变换）。PWM脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波（调制波）对三角载波进行调制，以达到调节输出脉冲宽

9、度的目的。相当于基波分量的信号波（调制波）并不一定指正弦波，在PWM优化模式控制中可以是预畸变的信号波，正弦信号波是一种最通常的调制信号，但决不是最优信号。根据面积等效原理，PWM波形和正弦波是等效的，而这种的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM（Sinusoidal PWM）波形。当前逆变电源的控制技术中，滞环控制技术和SPWM控制技术是变频电源中比较常用的两种控制方法。滞环控制技术开关频率不固定，滤波器较难设计，且控制复杂，难以实现；SPWM控制技术开关频率固定，滤波器设计简单，易于实现控制。当二者采用电压电流瞬时值双闭环反馈的控制策略时，均能够输出高质量的正弦波，

10、且系统拥有良好的动态性能.2.2 系统设计总方案的确定在三相交流电源供电的情况下，共需经过八个主要模块完成整个调速过程。首先是三相整流变压器降压，然后经二极管桥式整流，再者由电容滤波器滤波获得直流电源，最后经IGBT逆变电路逆变，得到可调交流电源。IGBT为场控输入器件，输入功率小。确定主电路模块之后，本课程设计将采用HEF4752芯片构成SPWM波形生成电路，实现PWM波的调制。并采用电流转速双闭环调制系统，同时确定保护电路模块，检测电路模块，驱动电路模块等。系统总流程图如图1所示。M逆变电路平波回路整流电路检测电路隔离保护保护电路电流转速双闭环调制电路驱动电路HEF4752波形控制电路图1

11、 SPWM变频调速系统总流程图第三章 主电路设计3.1主电路功能说明主电路为AC/DC/AC逆变电路，由三相整流桥、滤波器、三相逆变器组成。三相交流电经桥式整流后，得到脉动的直流电压经电容器滤波后供给逆变器。二极管整流桥把输入的交流电变为直流电，电阻R1为起动限流电阻，其上的电压波形反映了主回路的电流波形，可以用来观察波形。C1为滤波电容。可逆PWM变换器主电路系采用IGBT所构成的，IGBT (V1、V2、V3、V4、V5、V6）和六个续流二极管（VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6）组成的双极式PWM可逆变换器。经变换器逆变，可将直流电源变成稳定的或可变的交流电源。3.2 主电路

12、设计1.整流器本课题中的整流器是使用六个二极管组成，如图2所示，它把工频电源变换为直流电源。该电路整流输出接有大电容，而且负载也不是纯电感负载，但为了简化计算，仍可按电感计算，只是电流裕量要可适当取大些即可。2.平波回路在整流器整流后的直流电压中，含有6倍频率的脉动电压，此外逆变变流器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。在滤波电容选择时，一般根据放电的时间常数计算，负载越大，要求纹波系数越小，一般不做严格计算，多取2000以上.3.逆变器逆变器的作用是将直流功率变换为所要求频率的交流功率。3.3 主电路电路图主电路电路图如图所示。3.1 主电路

13、第4章 控制电路设计第四章 控制电路设计4.1 控制电路设计总思路给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，称为控制回路。控制电路由以下电路，频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压/电流检测回路”，电动机的“速度检测回路”，将运算电路的控制信号进行放大隔离的“驱动电路”，以与逆变器和电动机的“保护电路”。下面详细介绍各单元电路。4.2 SPWM波形产生电路4.2.1 HEF4752芯片介绍HEF4752简介HEF4752是采用LOCMOS工艺制造的大规模集成电路，专门用来产生三相PWM信号。它的驱动输出经隔离放大后，既可驱动GTO逆变器，也可驱动GTR逆变器，在交流变频调

14、速和UPS中作中心控制器件主要特点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）采用数控方式不仅能提高系统控制精度，也易于与微机联机；3）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。调制频率的可调围为0100Hz，且能使逆变器输出电压同步调节。4）为防止逆变器上下桥臂器件直通，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个驱动逆变器输出，3个控制输出。其外部管脚排列

15、如图1所示。各管脚功能描述如表1所列HEF4752工作原理HEF4752是一种基于同步式双缘调制原理产生SPWM信号的专用集成电路,其原理框图如图2所示。输入功能1）输入I用来决定逆变器驱动输出模式的选择，当I为低电平时，驱动模式是晶体管，当I为高电平时，驱动模式是晶闸管图2.1 HEF4752 引脚图2）输入控制信号K和时钟输入OCT共同决定逆变器每对输出信号的互锁推迟间隔时间；3）相序输入CW用来控制电机转向。当CW为低电平时，相序为R、B、Y；当CW为高电平时，相序为R、Y、B；4）输入L用来控制起动/停止，L为低电平时，在晶体管模式下封锁HEF4752所有的脉宽调制驱动输出，但产生输出

16、信号的部电路仍在继续“运行”。L为高电平时解除封锁。L除起停电路外，还可方便地用于过流保护；5）控制输入A、B、C供制造过程试验用。工作时必须接到Vss（低电平）。但A还有另外一个用处，即刚通电时，A置高电平初始化整个 HYPERLINK :/ dqjsw .cn/tag/IC_5579_1.html t _blank IC片，被用作复位信号；6）时钟输入频率控制时钟（FCT）控制输出PWM信号的基波频率，即决定逆变器的输出频率fout，从而控制电机转速，fFCT=3360fout。电压控制时钟（VCT）控制PWM信号的基波电压幅值，使输出电压自动地正比于其输出频率，在给定的输出频率下，平均逆

17、变输出电压的幅度由fVCT控制。参考时钟（RCT）是一个固定时钟，它决定逆变器的最高开关频率fs(max)，fRCT=280fs(max)，一旦fRCT确定，则HEF4752输出脉冲的调制频率就在0.6fs(max)fs(max)之间变化，且逆变器的开关频率是输出频率的严格整数倍fs=Nfout，N为频率比，其N值为15，21，30，42，60，84，120，168；7）输出推迟时钟（OCT）控制HEF4752每对输出信号互锁推迟间隔时间d（对晶体管模式）以防逆变器同一桥臂上、下两只开关器件同时导通引起直通，推迟间隔时间的选择端（K）一起决定d的长短，其关系式为:一般情况K保持为高电平，通常可

18、取fRCT=fOCT。输出功能1）逆变驱动输出HEF4752有六个主驱动输出组成三个互补对，还有和每一主输出相关联的辅助输出。在驱动GTR逆变器时，输出波形是双边沿调制的脉宽调制波，其调制原理可由图3加以说明。图中假定载波在一个周期有9个脉冲（这个脉冲数被称为频率比），载波脉冲的两个边沿都用一个可变的时间间隔量加以调制，而且使sin（为未被调制时载波脉冲边沿所处的时间，或称角相位）。sin0时，该处的脉冲变宽；sin0时，该处的脉冲变窄。三相输出的调制脉冲波相位互差120，如图3中UR、UY、UB所示。图3中的VRY是R相和Y相间的线电压波形。这个脉冲波平均值的波形接近正弦波。显然，频率比N的

19、值越大，线电压平均值的波形就越接近正弦波，而良好的正弦波输出，正是交流电机所要求的。2）控制输出RSYN是一个脉冲输出，其频率等于fout，脉宽等于VCT时钟的脉宽，主要为触发示波器扫描提供一个稳定的参考信号。输出电压模拟信号VAV为一数字信号，它模拟逆变器输出线电压的平均值。它不受互锁推迟间隔的影响，也不被控制输入L封锁，其频率等于逆变输出频率fout，并为6fout所调制，VAV在fVCT的闭环控制中非常有用，可用来改善输出电压对输出频率关系的非线性。逆变器开关输出CSP是一脉冲串，不受L状态的影响，其频率为逆变器开关频率的2倍，其中每一脉冲的下降沿发生在主输出的零调制点。4.2.2用80

20、C51单片机控制HEF4752的PWM 变频调速系统系统的组成由80C51 单片机控制HEF4752 的PWM 变频调速系统框图如图所示，整个系统由速度给定环节no，微机控制系统MC，PWM 调制信号生成环节PWM，电流调节环节LT， 测速环节和电压型逆变器等组成。4.2.3 单片机80C51单片机介绍单片机的40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。 电源: VCC - 芯片电源，接+5V； VSS - 接地端； 时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 控制线:控制线共有4根， ALE/PROG:地址锁存允许/片EPROM编程脉冲 ALE功能：用来锁

21、存P0口送出的低8位地址 PROG功能：片有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。（2） PSEN:外ROM读选通信号（3）RST/VPD:复位/备用电源。 RST（Reset）功能：复位信号输入端。 VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。（4）EA/Vpp:外ROM选择/片EPROM编程电源。 EA功能：外ROM选择端。 Vpp功能：片有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。 I/O线80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。 4.2.4

22、SPWM波形产生电路设计说明SPWM产生电路设计如图4所示。在该控制电路中，由外围电路芯片产生推迟时钟（OCT）和参考时钟（RCT）、频率控制时钟（FCT）和电压控制时钟（VCT）3路时钟信号供给HEF4752。HEF4752图4 SPWM产生电路4.2.5驱动电路（有强弱电隔离）驱动电路要提供控制电路与主回路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁离。这里驱动的设计我们采用一个光耦合器实现光隔离如图5所示。 图5 控制信号驱动隔离电路载波调制波图6 SPWM波形生成原理第五章：交流异步电动机调速的原理与方法三相交流电动机定子绕组中的三相交流电在定子隙圆周上产生一个旋转磁场，这个旋转磁场的转速称

23、同步转速，记为n 实际电动机转速n要低于同步转速，故一般称这样的三相交流电动机为三相异步电动机。51工作原理异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为其中为同步转速(r/min)为 定 子 频率，也就是电源频率(Hz);为 磁 极 对数。异步电机的轴转速为其中s为异步电机的转差率，由上面的公式可以看出，改变电源的供电频率可以改变电机的转速。在对异步电机调速时，希望电机的主磁通保持额定值不变。任何电动机的电磁转矩都是磁通和电流相互作用的结果，主磁通小了，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降;主磁通大了，会使电动机的磁路饱和，并导致励磁电流畸变，励磁电流过大，严重时会使

24、绕组过热损坏电机。主磁通是由励磁电流产生的，两者之间的关系是由磁化特性决定的。由电机理论知道，三相异步电机定子每相电动势的有效值为 .其中E1为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值(V), 为定子频率(Hz),为定子每相绕组匝数，为极磁通里(Wb)。由上式可见主磁通中.是由E1和。共同决定的，如果保持E1和之比不变，就可以保持主磁通不变。52变频调速控制方式521电源频率低于工频同调节，电源的工频频率在我国为50Hz。电机定子绕组的感应电动势为E1=444f1 K1 N1式中f1定子绕组中感应电动势的频率，与电源频率f相等，HzK1电机定子绕组的绕组系数，其值取决于绕组结构，K1 1N1电机定子绕组每相串联的线圈匝数电机每极磁通定子电压U1与定子绕组感应电动势E1的关系为U1=E1+I1Z1式中Z1定子绕组每组阻抗I1定子绕组相电流若忽略定子瓜降I1 Z1，则U1 E =444f1K1N1把该式整理成u1=444f1K1N1K=444 K1N1 则=U1K f1 (1)电动机的电磁转矩M与(U1f1)2成正比，若下调频率f1，同时也下调U1，使(U