【正文】 單的接口電路 ，核心部分只是由人為的寫入程序來完成。這樣產(chǎn)品的體積變小了，成 本也降 畢業(yè)設(shè)計(jì) 用單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng) 3 低了，長期使用也不會(huì)擔(dān)心精度達(dá)不到了 。因 此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一 批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師 。所以，它的魔力不僅是在現(xiàn)在，在將來將會(huì)有更多的人來接受它、使用它。 交流調(diào)速系統(tǒng)的現(xiàn)狀 近 20 年來隨著電力電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流電機(jī)變頻調(diào)速已得到了越來越廣泛的應(yīng)用，并已開始逐步替代直流調(diào)速，因其許多優(yōu)點(diǎn)而被公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。同時(shí)，變頻調(diào)速的控制技術(shù)也在不斷進(jìn)步和完善。在變頻調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)的初期，其控制技術(shù)是采用電壓頻率協(xié)調(diào)控制（即 V/F 比為常數(shù)）。此種控制技術(shù)有開環(huán)和閉環(huán)兩種形式。采用開環(huán)時(shí)用于一般生產(chǎn)機(jī)械，但靜 態(tài)和動(dòng)態(tài)性能都不太理想，采用閉環(huán)則可改善系統(tǒng)性能。 后來，一些研究人員提出了轉(zhuǎn)差頻率控制方法。采用這種控制技術(shù)使得變頻調(diào)速系統(tǒng)在一定的程度上改善了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，使之接近于直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，但是，還是不能滿足高性能調(diào)速系統(tǒng)的要求。 改善調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。 70 年代初德國的 提出的矢量控制理論解決了交流電機(jī)矢轉(zhuǎn)矩控制問題。這種理論的核心是將一臺(tái)交流電機(jī)等效為直流電機(jī)來控制，因而獲得了與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能。經(jīng)過各國科技工作者努力，矢量變換控制的變頻調(diào)速方法 已廣泛地應(yīng)用于電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中。 80 年代的中期，德國的 DEPENBROCK 又提出了直接轉(zhuǎn)矩控制的理論，其思路是把交流電機(jī)與逆變器看作一個(gè)整體對待。采用空間電壓矢量分析方法進(jìn)行計(jì)算，直接控制轉(zhuǎn)矩，免去了矢量變換的復(fù)雜計(jì)算?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，已有實(shí)際產(chǎn)品用于實(shí)際中。 近 10 多年來，各國學(xué)者和研究部門致力于無速度傳感器控制系統(tǒng)的研究， 利用檢測定子電壓、電流等容易測量的物理量進(jìn)行速度估算，以取代速度傳感器，提高控制系統(tǒng)的可靠性，降低成本，目前已研究出無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的實(shí)用產(chǎn)品。 近幾年來， 人工智能技術(shù) —— 如專家系統(tǒng)、模糊邏輯和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，正在顯示出其實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的智能化自適應(yīng)控制的巨大希望所在，有研究結(jié)果表明，智能控制技術(shù)有效利用，可使變頻調(diào)速系統(tǒng)做到高效、自適應(yīng)、自診斷、自保護(hù)、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良 。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 用單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng) 4 第 2 章 硬 件 設(shè) 計(jì) 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 為了使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)靜態(tài)性能，滿足設(shè)計(jì)要求，可將整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)速開環(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(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。由于電動(dòng)機(jī)功率不大，整流器采用不可控電路，電容器濾波；逆變器采用電力晶體管三相逆變器。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要由主回路 ：整流電路，濾波電路，三相逆變電路； AT 89C51單片機(jī)， 8279 通用鍵盤 /顯示器， I/O 接口芯片等組成。 主回路設(shè)計(jì) 整流濾波電路的設(shè)計(jì) 圖 1 系統(tǒng)總體框圖 畢業(yè)設(shè)計(jì) 用單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng) 5 整流電路 意義 總結(jié) 電源電路中的整流電路主要有半波整流電路、全波整流電路和橋式整流三種。 這三種整流電路輸出的單向脈動(dòng)性直流電特性有所不同，半波整流電路輸出的電壓只有半周，所以這種單向脈動(dòng)性直流電主要成分仍然是 50Hz 的，因?yàn)檩斎虢涣魇须姷念l率是 50Hz，半波整流電路去掉了交流電的半周，沒有改變單向脈動(dòng)性直流電中交流 成分的頻率；全波和橋式整流電路相同，用到了輸入交流電壓的正、負(fù)半周，使頻率擴(kuò)大在倍為 100Hz，所以這種單向脈動(dòng)性直流電的交流成分主要成分是 100Hz 的，這是因?yàn)檎麟娐穼⑤斎虢涣麟妷旱囊粋€(gè)半周轉(zhuǎn)換了極性，使輸出的直流脈動(dòng)性電壓的頻 率比輸入交流電壓提高了一倍，這一頻率的提高有利于濾波電路的濾波。 在半波整流電路中，當(dāng)整流二極管截止時(shí)，交流電壓峰值全部加到二極管兩端。對于全波整流電路而言也是這樣，當(dāng)一只二極管導(dǎo)通時(shí)，另一只二極管截止，承受全部交流峰值電壓。所以對這兩種整流電路，要求電路的整流二極管其承 受反向峰值電壓的能力較高；對于橋式整流電路而言，兩只二極管導(dǎo)通，另兩只二極管截止，它們串聯(lián)起來承受反向峰值 圖 2 整流濾波電路 畢業(yè)設(shè)計(jì) 用單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng) 6 電壓，在每只二極管兩端只有反向峰值電壓的一半，所以對這一電路中整流二極管承受反向峰值電壓的能力要求較低。 在全波和橋式整流電路中，都將輸入交流電壓的負(fù)半周轉(zhuǎn)到正半周或?qū)⒄胫苻D(zhuǎn)到負(fù)半周，這一點(diǎn)與半波整流電路不同，在半波整流電路中，將輸入交流電壓一個(gè)半周切除。 在整流電路中，輸入交流電壓的幅值遠(yuǎn)大于二極管導(dǎo)通的管壓降，所以可將整流二極管的管壓降忽略不計(jì)。 整流電路分類 按組 成器件 可分為不可控電路、半控電路、全控電路三種 1）不可控整流電路完全由不可控二極管組成，電路結(jié)構(gòu)一定之后其直流整流電壓和交流電源電壓值的比是固定不變的。 2）半控整流電路由可控元件和二極管混合組成，在這種電路中，負(fù)載電源極性不能改變，但 平均值 可以調(diào)節(jié) 。 3）在全控整流電路中，所有的整流元件都是可控的（ SCR、 GTR、 GTO 等），其輸出直流電壓的平均值及極性可以通過控制元 件的導(dǎo)通狀況而得到調(diào)節(jié)，在這種電路中，功率既可以由電源向負(fù)載傳送，也可以由負(fù)載反饋給電源，即所謂的有源逆變。 按 電網(wǎng) 交流輸入相數(shù)分為單相電路、三相 電路 1）對于小功率整流器常采用單相供電。 2）三相整流電路是交流測由三相電源供電，負(fù)載容量較大 ,或要求直流電壓脈動(dòng)較小，容易濾波。三相可控整流電路有三相半波可控整流電路，三相半控橋式整流電路，三相全控橋式整流電路。因?yàn)槿嗾餮b置三相是平衡的﹐輸出的直流電壓和電流脈動(dòng)小，對電網(wǎng)影響小，且控制滯后時(shí)間短，采用三相全控橋式整流電路時(shí)， 輸出電壓 交變分量的最低頻率是電網(wǎng)頻率的 6 倍，交流分量與直流分量之比也較小，因此濾波器的電感量比同容量的單相或三相半波電路小得多。另外，晶閘管的額定電壓值也較低。因此，這種電路適用于大功率變流裝置。 經(jīng)過整流電路后的輸出電壓已經(jīng)是單相的直流電壓，但是其中含有直流和交 畢業(yè)設(shè)計(jì) 用單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng) 7 流的成分，電壓的大小仍有變化，這種直流電稱為脈動(dòng)直流電。對于某些工作 (如蓄電池充電 )，脈動(dòng)電流已經(jīng)可以滿足要求，但是對于大多數(shù)電子設(shè)備，需要平滑的直流電，故整流電路后面都要接濾波電路，盡量減小交流成分，以減小整流電壓的脈動(dòng)程度，適合穩(wěn)壓電路 的需要，這就是濾波。由此組成的電路稱為濾波電路。下面介紹兩類主要的濾波電路。 RC平滑濾波電路的結(jié)構(gòu) 在 負(fù)載上并聯(lián)一個(gè)電容器，利用電容器充放電時(shí)端電壓不能躍變的特性使直流輸出電壓保持穩(wěn)定。圖 二 整流濾波電路 中 ，二極管 VD 起整流作用，與負(fù)載并聯(lián)的電容 C 起濾波作用，這個(gè)電容器就是一個(gè)最簡單的濾波器 RC平滑濾波電路的工作原理 RC 平滑濾波電路是利用電容器的端電壓在電路狀態(tài)改變時(shí)不能躍變的原理實(shí)現(xiàn)濾波的 電容和電感都是基本的濾波元件，當(dāng)通過電感線圈的電流發(fā)生變化時(shí)，線圈中會(huì)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢 阻礙電流變化，因此通過電感的電流不能突變，流過負(fù)載的電流也就不能突變，從而使負(fù)載電流和負(fù)載電壓的脈動(dòng)大為減小，電流平滑，輸出電壓的波形也就平穩(wěn)了，達(dá)到了濾波目的。 圖 3 三相逆變電路 逆變器是將直流變?yōu)槎l定壓或調(diào)頻調(diào)壓交流電的變換器，傳統(tǒng)方法是利用晶 畢業(yè)設(shè)計(jì) 用單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng) 8 閘管組成的方波逆變電路實(shí)現(xiàn)，但由于其含有較大成分低次諧波等缺點(diǎn)，近十余年來，由于電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，全控型快速半導(dǎo)體器件 BJT， IGBT， GTO 等的發(fā)展和 PWM 的控制技術(shù)的日趨完善，使 SPWM 逆變器得以迅速發(fā)展并廣泛 使用。PWM 控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓脈沖寬度和周期以達(dá)到變壓目的或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)， SPWM 控制技術(shù)又有許多種，并且還在不斷發(fā)展中，但從控制思想上可分為四類，即等脈寬 PWM 法，正弦波 PWM 法（ SPWM 法），磁鏈追蹤型 PWM 法和電流跟蹤型 PWM 法，其中利用 SPWM 控制技術(shù)做成的SPWM 逆變器具有以下主要特點(diǎn)： （ 1）逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的影響。 （ 2）可獲得比常規(guī)六拍階梯波更接近正弦波的輸出電壓波形，低次諧波減少，在電氣傳動(dòng)中，可使傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈沖的大大減少，擴(kuò)大調(diào)速范圍，提高系統(tǒng)性能。 （ 3）組成變頻器時(shí)，主電路只有一組可控的功率環(huán)節(jié)，簡化了結(jié)構(gòu)，由于采用不可控整流器，使電網(wǎng)功率因數(shù)接近于 1，且與輸出電壓大小無關(guān)。 SPWM 逆變器原理 1 SPWM 波形 所謂的 SPWM 波形就是與正弦波形等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。把一個(gè)正弦波分作幾等分然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此 面積相等的矩形脈沖來代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)相重合，這樣由幾個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波等效，稱作 SPWM 波形。同樣，正弦波的負(fù)半周也用同樣的方法與一系列負(fù)脈沖波等效。 2 SPWM 調(diào)制及逆變橋工作原理 以 SPWM 三相逆變橋?yàn)槔M(jìn)行說明， SPWM 三相逆變器主電路由六個(gè)全控式功率開關(guān)器件構(gòu)成三相逆變橋，它們各有一個(gè)繼流二極管反并聯(lián)結(jié)，整個(gè)逆變器由三相不可控整流器提供電壓為 Us 的直流電壓。調(diào)制波和載波的交點(diǎn)決定了 SPWM 脈沖序列的寬度和脈沖間 的間隔寬度。 當(dāng) A 相的 Ura＞ Ut 時(shí)， VT1 導(dǎo)通，輸出正 畢業(yè)設(shè)計(jì) 用單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng) 9 弦脈沖電壓 Us/2，當(dāng) Ura＜ Ut 時(shí)， VT1 關(guān)斷 Uda=0,在 Ura 負(fù)半周，用同樣方法控制 VT4，輸出負(fù)的脈沖電壓序列，改變調(diào)制波頻率時(shí)，輸出電壓基波頻率隨之改變，降低調(diào)制波幅值時(shí)如 Ura，各段脈沖的寬度變窄，輸出電壓基波幅值減少。這種 SPWM 每相只有一個(gè)開關(guān)器件反復(fù)通斷，稱單極性 SPWM 波形 。 若有同一橋臂上下兩個(gè)開關(guān)交替地導(dǎo)通與關(guān)斷，則輸出脈沖在“ +”和“－”之間變化，這樣得到雙極式的 SPWM 波形，其調(diào)制方法與單極式相似，只是輸出脈沖電壓的極性不同，當(dāng) Ura＞ Ut 時(shí)， VT1 導(dǎo)通 VT4 關(guān)斷， Uao=+Us/2；當(dāng) Urs＜ Ut 時(shí) VT1 關(guān)斷， VT4 導(dǎo)通，輸出相電壓 Uao=Us/2,同理 VT3 和 VT6， VT3 和 VT5 交替導(dǎo)通得到 UAO， UCO 畢業(yè)設(shè)計(jì) 用單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)