【正文】 機械模型的有矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和機械扭振補償?shù)取；诂F(xiàn)代理論的有滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)、模型參考自適應技術(shù)、采用微奈奎斯特陣列設計方法等；基于自能控制思想上網(wǎng)模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡 、專家系統(tǒng)和各種各樣的自優(yōu)化、自診斷技術(shù)等。這些已有技術(shù)將逐步推廣應用，同時新的控制技術(shù)將不斷涌現(xiàn)。（2） 進一步提高變頻器的功率因素，降低網(wǎng)側(cè)和負載側(cè)的諧波，以減少對電網(wǎng)的污染和電動機的轉(zhuǎn)矩脈動。對中、小容量變頻器，主要采取提高開關(guān)頻率的PWM控制；對大容量變頻器，主要采取在常規(guī)的開關(guān)頻率下，改變主電路結(jié)構(gòu)和控制方式這兩條途徑。（3） 進一步增加器件的集成度，縮小變頻裝置整體的尺寸，更加提高系統(tǒng)可靠性。今后變頻器中的功率器件和控制元件將具有更高的集成度，入智能化的功率模塊、高頻率的開關(guān)電源以及采用新型電工材料制造的小體積變壓器、電抗器和電容器。與之配套的功率器件冷卻方式的改變（如冷水、蒸發(fā)冷卻和熱管），也有利于整機體積的減小。（4） 以32位高微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字控制模塊有足夠的能力實現(xiàn)各種控制算法，Windows控制系統(tǒng)的引入使得自由設計成為可能，圖形編程的控制技術(shù)也有很大的發(fā)展。有關(guān)資料表明，采用變頻調(diào)速技術(shù)確實能夠取得非常明顯的節(jié)能、增產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量的效果，節(jié)電率一般在10%~30%，有的高達40%，更重要的是生產(chǎn)中一些技術(shù)難點也得到解決。變頻調(diào)速作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)和節(jié)能技術(shù)，已經(jīng)應用到各個領(lǐng)域部門，滲透到經(jīng)濟領(lǐng)域所有技術(shù)部門中，我國現(xiàn)在正大力發(fā)展和推廣變頻調(diào)速技術(shù)，努力縮小和世界先進水平的差距，使之向規(guī)模化、自主化、標準化發(fā)展。變頻調(diào)速的主要類型目前，應用較為廣泛的變頻調(diào)速系統(tǒng)主要有以下幾種： 所謂轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速就是采用開環(huán)、恒壓頻比，并且?guī)У皖l電壓補償?shù)目刂品绞健Ｔ摽刂葡到y(tǒng)成本低及其結(jié)構(gòu)簡單，所以多用于風機等的節(jié)能調(diào)速上面。 利用電機穩(wěn)定運行時，在轉(zhuǎn)差率S很小的范圍內(nèi)，當磁通Φ不變時，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差角頻率成正比的關(guān)系來實現(xiàn)電動機的較高性能調(diào)速，但其動態(tài)性能不夠。 、磁鏈雙閉環(huán)矢量控制的電流滯環(huán)型PWM變頻調(diào)速系統(tǒng) 應用矢量控制理論，對轉(zhuǎn)速、磁鏈進行分別控制，采用了滯環(huán)電流跟蹤型PWM逆變器，所以其動態(tài)性能很好，還配有精確的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器，則系統(tǒng)都達到與直流電動機調(diào)速系統(tǒng)相媲美。本文對于逆變器供電的變頻調(diào)速系統(tǒng)進行了分析，并設計了一種以MCS51系列單片機為基礎(chǔ)生成的SPWM來控制逆變器的控制系統(tǒng)。首先，在逆變器供電的交流調(diào)速系統(tǒng)中，電動機的運行條件發(fā)生了很大變化，針對逆變器供電的特點給出了變頻調(diào)速異步電動機的選擇方法。其次，對于新型器件的應用做了說明，根據(jù)新型功率器件的特點和應用要求，設計出了逆變器的驅(qū)動電路和保護電路，使得新型功率器件的應用更加安全。最后，為適應變頻調(diào)速電機的要求，設計了一套基于單片機生成的SPWM控制逆變器來控制電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)，對于硬件電路部分和實現(xiàn)控制策略的軟件部分進行設計。本課題主要是研究電壓型三相交流SPWM變頻技術(shù)的基本原理、實現(xiàn)方法及軟硬件設計，完成系統(tǒng)的軟硬件設計。要求完成任務主要有：變頻器及其工作原理 變頻調(diào)速基本原理 控制方案確定 軟件與硬件設計 第二章 異步電動機變頻調(diào)速 變頻器變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。 變頻器的選型變頻器選型時要確定以下幾點：(1)采用變頻的目的；恒壓控制或恒流控制等。(2)變頻器的負載類型；如葉片泵或容積泵等，特別注意負載的性能曲線，性能曲線決定了應用時的方式方法。(3)變頻器與負載的匹配問題； ①電壓匹配；變頻器的額定電壓與負載的額定電壓相符。 ②電流匹配；普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機的額定電流相符。對于特殊的負載如深水泵等則需要參考電機性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流和過載能力。 ③轉(zhuǎn)矩匹配；這種情況在恒轉(zhuǎn)矩負載或有減速裝置時有可能發(fā)生。(4)在使用變頻器驅(qū)動高速電機時，由于高速電機的電抗小，高次諧波增加導致輸出電流值增大。因此用于高速電機的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機的選型。(5)變頻器如果要長電纜運行時，此時要采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣情況下，變頻器容量要放大一檔或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。(6)對于一些特殊的應用場合，如高溫，高海拔，此時會引起變頻器的降容，變頻器容量要放大一擋。 變頻器的工作原理變頻器是一種將電網(wǎng)電源整流后再逆變成頻率、電壓可變的交流電，供三相交流電動機專用的。電源裝置變頻調(diào)速的主裝置的主回路由充電接觸器、進線電抗器、充電電容、平波電容絹和6組SKIIP模塊組成。而6個SKIIP模塊組成二組,三相橋式交流電路，其中一組為變頻器輸出逆變器；另一組為向發(fā)電電網(wǎng)反饋的逆變橋。在變頻調(diào)速時，電動機的轉(zhuǎn)矩Tmax =Cm (u／f)2 式中：Cm電動機常數(shù)；u電源電壓；f電源頻率。 變頻器原理圖首先是將單相或三相交流電流電源通過整流器并經(jīng)電容濾波后形成幅值基本穩(wěn)定的直流電壓加在逆變器上，利用逆變器功率元件的通斷控制，使逆變器輸出端獲得一定形狀的矩形脈沖波形。在這里通過改變矩形脈沖的寬度控制其電壓幅值；通過改變調(diào)制周期控制其輸出頻率，從而在逆變器上同時實現(xiàn)輸出電壓和頻率的控制，而滿足變頻調(diào)速對U /f的協(xié)調(diào)控制要求。 變頻調(diào)速基本原理 變頻調(diào)速的工作原理p——磁極對數(shù)異步電動機是依靠旋轉(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n1 = 60f / p式中n1——定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，也叫異步電動機同步轉(zhuǎn)速（r / min）； f——電源頻率（Hz）； p——電動機的磁極對數(shù)。異步電動機的同步轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速n之差與同步轉(zhuǎn)速之比，叫異步電動機的轉(zhuǎn)差率，以s表示s = (n1 – n) / n1 = 1 – n / n1n1s = n1 – nn = n1(1s)n = (1s) 60f / p 由電機學理論可知，電動機的轉(zhuǎn)速為n=60f/p，式中f—電源頻率；p—磁極對數(shù)；當P為定值時，n與f成正比。如果連續(xù)地改變供電電源的頻率就可以調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，這就是變頻調(diào)速的工作原理。而變頻調(diào)速的關(guān)鍵設備就是變頻器它決定整個調(diào)速系統(tǒng)的性能。但是，為了保持在調(diào)速時電機的最大轉(zhuǎn)矩不變，必須維持電機的磁通量恒定，因此定子的供電電壓也要作相應調(diào)節(jié)。變頻器就是在調(diào)整頻率的同時還要調(diào)整電壓，故簡稱VVVF（裝置）。通過電工理論分析可知，轉(zhuǎn)矩與磁通量（最大值）成正比，在轉(zhuǎn)子參數(shù)值一定時，轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比。目前使用較多的是“交—直—交”變頻，將50Hz交流整流為直流電Ud，再由三相逆變器將直流逆變?yōu)轭l率可調(diào)的三相交流供給鼠籠電機實現(xiàn)變頻調(diào)速。頻率的下降會導致磁通的增加，造成磁路飽和，勵磁電流增加，功率因數(shù)下降，鐵心和線圈過熱。第三章 脈寬調(diào)制技術(shù)PWM技術(shù)是利用半導體開關(guān)器件的導通與關(guān)斷把直流電壓變?yōu)殡妷好}沖序列，通過控制電壓脈沖寬度和電壓脈沖序列的周期以達到變壓和變頻的目的。在變頻調(diào)速中，前者主要應用于PWM斬波（DC－DC變換），后者主要應用于PWM逆變（DC－AC變換）。PWM脈寬調(diào)制是利用相當于基波分量的信號波（調(diào)制波）對三角載波進行調(diào)制，以達到調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度的目的。相當于基波分量的信號波（調(diào)制波）并不一定指正弦波，在PWM優(yōu)化模式控制中可以是預畸變的信號波，正弦信號波是一種最通常的調(diào)制信號，但決不是最優(yōu)信號。采樣控制理論中有一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對半導體開關(guān)器件的導通和關(guān)斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀80年代以前一直未能實現(xiàn)。直到進入上世紀80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應用。PWM控制技術(shù)以其控制簡單,靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應用的控制方式,也是人們研究的熱點。由于當今科學技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學科之間的界限,結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。到目前為止，已出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)，根據(jù)PWM控制技術(shù)的特點，到目前為止主要有以下幾類方法。 相電壓控制PWM 等脈寬PWM法VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)裝置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技術(shù)來實現(xiàn)的，其逆變器部分只能輸出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓。等脈寬PWM法正是為了克服PAM法的這個缺點發(fā)展而來的，是PWM法中最為簡單的一種。它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為PWM波，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。 隨機PWM 其原理是隨機改變開關(guān)頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪聲(在線性頻率坐標系中，各頻率能量分布是均勻的)，盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強度大大削弱。正因為如此，即使在IGBT已被廣泛應用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合，隨機PWM仍然有其特殊的價值；另一方面則說明了消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，隨機PWM技術(shù)正是提供了一個分析、解決這種問題的全新思路。 SPWM法 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的、目前使用較廣泛的PWM法。前面提到的采樣控制理論中的一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。該方法的實現(xiàn)有以下幾種方案。 ⒈ 等面積法 ⒉ 硬件調(diào)制法 ⒊ 軟件生成法 ⒋ 低次諧波消去法 梯形波與三角波比較法前面所介紹的各種方法主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的，從而忽視了直流電壓的利用率，如SPWM法，%。因此，為了提高直流電壓利用率，提出了一種新的方法——梯形波與三角波比較法。該方法是采用梯形波作為調(diào)制信號，三角波為載波，且使兩波幅值相等，以兩波的交點時刻控制開關(guān)器件的通斷實現(xiàn)PWM控制。 由于當梯形波幅值和三角波幅值相等時，其所含的基波分量幅值已超過了三角波幅值，從而可以有效地提高直流電壓利用率。但由于梯形波本身含有低次諧波，所以輸出波形中含有5次、7次等低次諧波。 線電壓控制PWM 前面所介紹的各種PWM控制方法用于三相逆變電路時，都是對三相輸出相電壓分別進行控制的，使其輸出接近正弦波，但是，對于像三相異步電動機這樣的三相無中線對稱負載，逆變器輸出不必追求相電壓接近正弦，而可著眼于使線電壓趨于正弦。因此，提出了線電壓控制PWM，主要有以下兩種方法。 馬鞍形波與三角波比較法馬鞍形波與三角波比較法也就是諧波注入PWM方式(HIPWM)，其原理是在正弦波中加入一定比例的三次諧波，調(diào)制信號便呈現(xiàn)出馬鞍形，而且幅值明顯降低，于是在調(diào)制信號的幅值不超過載波幅值的情況下，可以使基波幅值超過三角波幅值，提高了直流電壓利用率。在三相無中線系統(tǒng)中，由于三次諧波電流無通路，所以三個線電壓和線電流中均不含三次諧波。除了可以注入三次諧波以外，還可以注入其他3倍頻于正弦波信號的其他波形，這些信號都不會影響線電壓。這是因為，經(jīng)過PWM調(diào)制后逆變電路輸出的相電壓也必然包含相應的3倍頻于正弦波信號的諧波，但在合成線電壓時，各相電壓中的這些諧波將互相抵消，從而使線電壓仍為正弦波。 單元脈寬調(diào)制法因為，三相對稱線電壓有Uuv+Uvw+Uwu=0的關(guān)系，所以，某一線電壓任何時刻都等于另外兩個線電壓負值之和?，F(xiàn)在把一個周期等分為6個區(qū)間，每區(qū)間60176。，對于某一線電壓例如Uuv，半個周期兩邊60176。區(qū)間用Uuv本身表示，中間60176。區(qū)間用(Uvw+Uwu)表示，當將Uvw和Uwu作同樣處理時，就可以得到三相線電壓波形只有半周內(nèi)兩邊60176。區(qū)間的兩種波形形狀，并且有正有負。把這樣的電壓波形作為脈寬調(diào)制的參考信號，載波仍用三角波，并把各區(qū)間的曲線用直線近似(實踐表明，這樣做引起的誤差不大，完全可行)，就可以得到線電壓的脈沖波形，該波形是完全對稱，且規(guī)律性很強，負半周是正半周相應脈沖列的反相，因此，只要半個周期兩邊60176。區(qū)間的脈沖列一經(jīng)確定，線電壓的調(diào)制脈沖波形就唯一的確定了。這個脈沖并不是開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖信號，但由于已知三相線電壓的脈沖工作模式，就可以確定開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖信號了。 該方法不僅能抑制較多的低次諧波，還可減小開關(guān)損耗和加寬線性控制區(qū)，同時還能帶來用微機控制的方便，但該方法只適用于異步電動機，應用范圍較小。 電流控制PWM 電流控制PWM的基本思想是把希望輸出的電流波形作為指令信號，把實際的電流波形作為反饋信號，通過兩者瞬時值的比較來決定各開關(guān)器件的通斷，使實際輸出隨指令信號的改變而改變。其實現(xiàn)方案主要有以下3種。 滯環(huán)比較法這是一種帶反饋的PWM控制方式，即每相電流反饋回來與電流給定值經(jīng)