【正文】 基于單片機的交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 【 摘要 】 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(shè)計，完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。要求完成內(nèi)容主要有： 變頻調(diào)速技術(shù)基本原理 變頻調(diào)速基本原理 控制方案確定 軟件與硬件設(shè)計。涉及的主要相關(guān)知識：電力電子及運動控制、微機控制。在通常情況下交流異步電動機用作調(diào)速機時，它的控制電路復雜，系統(tǒng)的效率較低。采用單片機微機控制的交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)使起控制電路大為簡化，使用正弦脈寬調(diào)制 （ SPWM） 驅(qū)動，系統(tǒng)效率也有所提高。 交流異步電動機的 變頻調(diào)速，實際中多采用脈沖寬度調(diào)制 （ PWM） ，完成調(diào)頻和調(diào)壓兩種功能。用單片 機實現(xiàn) （ PWM） 來控制可使調(diào)節(jié)靈活，電路簡化。本設(shè)計采用的 MCS51 系列的單片微機控制 PWM。 傳統(tǒng)的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)由正弦波和鋸齒波相交產(chǎn)生所需的脈寬調(diào)制波實現(xiàn)恒壓額比的變頻調(diào)速控制。這種系統(tǒng)由于采用模擬控制，設(shè)備復雜、調(diào)整困難，且控制精度低，可靠性差，因而限制了這種系統(tǒng)的應用。與上述傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有如下特點：采用新型大規(guī)模專用集成電路產(chǎn)生脈寬調(diào)制波，使波形穩(wěn)定，精度和可靠性顯著增加。以單片機 8031CPU 為核心的全數(shù)字 控制．電路簡單，調(diào)整迅速，進一步提高了控制精度。 【 關(guān)鍵詞 】 電壓型三相 PWM整流器； 變頻調(diào)速；單片機； 交流電機 【 A B S T R A C T 】 Focus is Studying SPWM threephase voltagetype AC inverter with the fundamental principles in this paper, and designing the methods and software and hardware, and plete system software and hardware. The main pletion on: basic principles of VVVF technology 2. the basic principles of Frequency Control, control scheme for the and hardware design. The main relevant knowledge: power electronics and motion control, puter control. Under normal circumstances in exchange for motor asynchronous speed machine, it39。s plicated control circuits, the system39。s efficiency is low. SCM using puter control the exchange of asynchronous motor Frequency Control System that has greatly simplified control circuit, the use of SPWM (SPWM) drive, the system has improved efficiency. Induction Motor Frequency Control, in the actual use of pulse width modulation (PWM), and pleted FM Surge two functions. To achieve singlechip microprocessor (PWM) to control can adjust flexibly, to simplify circuit. This design by the MCS51 series of singlechip microprocessor achives PWM control。 The traditional exchange of Frequency Control System from the intersection of a sine wave and the sawtooth PWM wave of constant pressure to achieve than the frequency for arrest control. As a result of this analog control system, equipment plex and difficult adjustment, and lowprecision control, reliability poor, thus limiting the application of such a system. With the traditional systems, this system has the following characteristics: a new type of largescale ASIC PWM wave, the wave stability, accuracy and reliability of a significant increase in SCM (8031 CPU as the core of digital control. Circuit simple to adjust quickly to further enhance the control accuracy. 【 Key words】 ThreePhase PWM voltage rectifier, Frequency Control, SCM, AC motor, puter control 目 錄 摘要 ………………………………………………………………………………………… ..1 ABSTRACT………………………………………………………………………………… ..2 第一章 緒論 ……………………………………………………………………………… ..4 當前變頻調(diào)速的發(fā)展狀況及其趨勢 …………………… …………………………… ...4 設(shè)計本課題的總思路 ………………………………………………………………… ...8 設(shè)計任務(wù)及要求 ……………………………………………………………………… ...8 第二章 異步電動機變頻調(diào)速 …………………………………………………………… ..9 變頻器 …………………………………………………………………………………. ..9 變頻調(diào)速基本原理 …………………………………………………………………… ..10 第三章 脈寬調(diào)制技術(shù) …………………………………… ……………………………… .12 相電壓控制 PWM………………………………………………………………… ........12 線電壓控制 PWM……………………………………………………………………… 14 電流控制 PWM………………………………………………………………………… 15 空間電壓矢量控制 PWM……………………………………………………………… 16 矢量控制 PWM……………………………………………………………………… ...16 直接轉(zhuǎn)矩控制 PWM………………… ……………………………………………… ...17 非線性控制 PWM……………………………………………………………………… 17 第四章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 ………………………………………………………………… ..18 系統(tǒng)工作原理 ………………………………………………………………………… ...18 主電路的設(shè)計 ………………………………………………………………………… ...22 光電隔離電路 ………………………………………………………………………… ...26 過電壓保護電路 ………… …………………………………………………………… ...27 8051 控制電路 ………………………………………………………………………… ...28 第五章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 ………………………………………………………………… ..30 單片機程序設(shè)計 ……………………………………………………………………… ...30 控制電路 ……………………………………………………………………………… ...35 最小脈沖問題分析 …………………………………………………………………… ...35 總結(jié) ………… ……………………………………………………………………………… ..36 參考文獻 ...………………………………………………………………………………… ...37 第一章 緒論 當前變頻調(diào)速的發(fā)展狀況及趨 勢 在交流調(diào)速中，交流電動機的調(diào)速方法有三種 :變極調(diào)速、改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速。其中變頻調(diào)速具有絕對的優(yōu)勢，并且他的調(diào)速性能和可靠性不斷完善，價格不斷降低。變頻調(diào)速是以 變頻器向交流電動機供電，并可以構(gòu)成開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)。變頻器可以將原先固定的電壓和頻率的交流電源轉(zhuǎn)換為可調(diào)電壓和可調(diào)頻率的交流源 ，所以變頻器已經(jīng)成為當今交流調(diào)速的核心部件。 交流變頻調(diào)速的優(yōu)異特性： (1) 調(diào)速時平滑性好，效率高。低速時，特性靜關(guān)率較高，相對穩(wěn)定性好。 (2) 調(diào)速范圍較大，精度高。 (3) 起動電流低，對系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊，節(jié)電效果明顯。 (4) 變頻器體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡便。 (5) 易于實現(xiàn)過程自動化。 (6) 必須有專用的變頻電源，目前造價較高。 (7) 在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，低速段電動機的過載能力大為降低。 近 年來 交流調(diào)速中最活躍、發(fā)展最快的就是變頻調(diào)速技術(shù)。變頻 調(diào)速是交流調(diào)速的基礎(chǔ)和主干內(nèi)容。上個世紀變壓器的出現(xiàn)使改變電壓變得很容易，從而造就了一個龐大的電力行業(yè)。長期以來，交流電的頻率一直是固定的，變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)使頻率變?yōu)榭梢猿浞掷玫馁Y源。我國是一個發(fā)展中國家，變頻調(diào)速產(chǎn)品大體只相當于國際上 20 世紀 80 年代水平。隨著改革開放，經(jīng)濟高速發(fā)展，變頻調(diào)速產(chǎn)品形成了一個巨大的市場，它既對國內(nèi)企業(yè)，也對外國公司敞開。很多先進的產(chǎn)品從發(fā)達國家進口，在我國運行良好，滿足了國內(nèi)生產(chǎn)和生活需要。國 內(nèi)許多合資公司生產(chǎn)當今國際上最先進的變頻調(diào)速產(chǎn)品 ，國內(nèi)的成套部分在自行設(shè)計制造成 套裝置中采用外國進口公司和合資企業(yè)的先進設(shè)備，自己開發(fā)應用軟件，能 為國內(nèi)外重大工程項目提供一流的電氣傳動控制系統(tǒng)。在變頻調(diào)速領(lǐng)域，我國雖然取得了很大成績，但應看到由于國內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)產(chǎn)品的能力弱，對國外公司的依賴性仍較嚴重。 在我們現(xiàn)在日常生活中，高速電力機車、汽車、電梯、音樂噴泉、冰箱、洗衣機、印刷設(shè)備、空調(diào)等，接近我們生活的一些用具以及生活用品對變頻控制的采用也是越來越多了。 近 10 年來，隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動技術(shù) 正發(fā)生著 交流調(diào)速取代直流調(diào)速 和計算機數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù) 的革命 。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)間效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內(nèi)外公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式 ，成為 當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術(shù)進步的一種主要手段。 變頻調(diào)速是一種經(jīng)典的交流電動機調(diào)速方法，交流電動機采用變頻調(diào)速技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)速，而且可以根據(jù)負載的不同，通過適當調(diào)節(jié)電壓和頻率的關(guān)系，使電機始終在高效率區(qū)運行，并且保證良好的動態(tài)性能，因而被廣泛使用。 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀對比 國外現(xiàn)狀 在大功率 交 交變頻（循環(huán)變流器）調(diào)速技術(shù)方面，法國阿爾斯通已能提供單機容量達 3 萬 kW 的電氣傳動設(shè)備用于船舶推進系統(tǒng)。在大功率無換向器電機變頻調(diào)速技術(shù)方面，意大利 ABB 公司提供了單機容量為 6 萬 kW 的設(shè)備用于抽水蓄能電站。在中功率變頻調(diào)速技術(shù)方面，德國西門子公司 Simovert A 電流型晶閘管變頻調(diào)速設(shè)備單機容量為 10 ~ 2600 kVA 和 Simovert P GTO PWM 變頻調(diào)速設(shè)備單機容量為 100 ~ 900 kVA，其控制系統(tǒng)已實現(xiàn)全 數(shù)字化，用于電力機車、風機、水泵傳動。在小功率交流變頻調(diào)速技術(shù) 方 面，日本富士 BJT 變頻器最大單 機容量可達 700 kVA， IGBT 變頻器已形成系列產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)也已實現(xiàn)全數(shù)字化。 國外交流變頻調(diào)速技術(shù)高速發(fā)展有以下特點 ： (1) 市場的大量需求。 (2) 功率器件的發(fā)展。 (3) 控制理論和微電子技術(shù)的發(fā)展。 (4) 基礎(chǔ)工業(yè)和各種制造業(yè)的高速發(fā)展，變頻器相關(guān)配套件社會化、專業(yè)化生產(chǎn)。 國內(nèi)現(xiàn)狀 從總體上看我國電氣傳動的技術(shù)水平較國際先進水平差距 10 ~ 15 年。 在大功率 交 交、無換向器電機等變頻技術(shù)方面，國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，但在數(shù)字 化及系統(tǒng)可靠性方面與國外還有相當差距。而這方面產(chǎn)品在諸如抽水蓄能電站機組起動及運行、大容量風機、壓縮機和軋機傳動、礦井卷場方面有很大需求。在中小功率變頻技術(shù)方面，國內(nèi)幾乎所有的產(chǎn)品都是普通的V/f 控制，僅有少量的樣機采用矢量控制，品種