【正文】 基于 80C51 單片機(jī)控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 目 錄 第 1 章 概述 .......................................... 1 三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的發(fā)展 ...................... 2 SPWM 變 頻調(diào)速系統(tǒng)概述 ........................... 2 第 2 章 SPWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)基本原 理 ..................... 3 SPWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)基本原理 ....................... 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總方案的確定 ............................ 4 第 3 章 主電路設(shè)計(jì) .................................. 5 主電路功能說明 .................................. 5 主電路設(shè)計(jì) ..................................... 7 主電路電路圖 ................................... 6 第 4 章 控制電路設(shè)計(jì) ................................ 9 控制電路設(shè)計(jì)總思路 ............................. 9 SPWM 波形產(chǎn)生電路 ............................... 9 第 5 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ............................... 19 結(jié)論 ................................................ 22 致謝語(yǔ) .............................................. 22 參考文獻(xiàn) ............................................ 23 基于單片機(jī)控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng) 1 引 言 隨著 電力 電子 技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)以及大規(guī)模 集成電路 的發(fā)展，基于集成PWM電路構(gòu)成的變頻調(diào)速系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、節(jié)能效果顯著、性價(jià)比高等突出優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。本文介紹的 GTR SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)是以大規(guī)模專用集成電路 HEF4752和 單片機(jī) （ 80C51）為核心構(gòu)成的控制電路，由HEF4752產(chǎn)生的三相 PWM信號(hào)經(jīng)隔離、放大后，驅(qū)動(dòng)由 GTR構(gòu)成的三相橋式逆變器，使之輸出三相 SPWM的波形，實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)變頻調(diào)速。 第 1章 概述 三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的發(fā)展 隨著變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上日益擴(kuò)大應(yīng)用。自 90 年代中期以來，我國(guó)有眾多電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè) 設(shè)計(jì)、研制和生產(chǎn)適用于不同應(yīng)用的各種系列變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)，例如：通用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)系列、起重冶金變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)系列、隔爆變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)系列、電梯變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)系列、輥道變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)系列、牽引變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)系列等。從目前情況看，這些系列電動(dòng)機(jī)能基本滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求。 據(jù)資料顯示，我國(guó)對(duì)于變頻凋速三相異步電動(dòng)機(jī)的品種不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品設(shè)計(jì)也不斷改進(jìn)。為 了適應(yīng)不同用途、不同工作條件和使用環(huán)境、不同工況等各種要求，專用系列和改型系列變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品不論現(xiàn)在和將來，都在迅速發(fā)展。 變頻器供電電源會(huì)存電動(dòng)機(jī)端 子和各相繞組的前幾匝線圈上產(chǎn)生高頻瞬間脈沖峰值電，因此，如果不對(duì)絕緣系統(tǒng)采用增強(qiáng)措施．將會(huì)使繞組存高電壓應(yīng)力作用下過早失效，從而引起絕緣擊穿故障。 在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中，隨著自關(guān)斷器件技術(shù)水平的不斷提高，脈寬調(diào)制技術(shù)（簡(jiǎn)稱 PWM 技術(shù)）也日趨成熟。 PMW 交流變頻調(diào)速以其高效率、高功率因數(shù)、輸出波形好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在井下風(fēng)機(jī)、水泵、造紙機(jī)等設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。將單片機(jī)應(yīng)用于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，可有效地避免傳統(tǒng)調(diào)速方案中的一些基于單片機(jī)控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng) 2 缺點(diǎn)，達(dá)到了提高控制精度的目的，其特點(diǎn)： （ 1）采用單片機(jī)可以使絕大多數(shù)控制邏輯通過軟 件實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了電路。 （ 2）單片機(jī)具有更強(qiáng)的邏輯功能，運(yùn)算速度快，精度高，有大容量的存儲(chǔ)單元，可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的控制。 （ 3）無零點(diǎn)漂移，控制精度高。 （ 4）可以提供人機(jī)界面，多機(jī)連網(wǎng)工作。 SPWM 變 頻調(diào)速系統(tǒng)概述 二十世紀(jì)末以來 ,電力電子技術(shù)及大規(guī)模集成電路 有了飛速的發(fā)展 ， 在此技術(shù)背景下 SPWM電路構(gòu)成的變頻調(diào)速系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、節(jié)能效果顯著、性價(jià)比高等突出優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用 。 眾所周之早期的交 直 交變壓變頻器說輸出的交流波形都是矩形波或六拍階梯波，這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)逆變器只能采用半控式 的晶閘管，會(huì)有較大的低次諧波， 使電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩存在脈動(dòng)分量，影響其穩(wěn)態(tài)工作性能。為了改善交流電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能，在出現(xiàn)了全控式電力電子開關(guān)器件之后，科技工作者在20世紀(jì) 80年代開發(fā)應(yīng)用 PWM技術(shù)的逆變器，由于它的優(yōu)良技術(shù)性能，當(dāng)今國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的變壓變頻器都已采用這種技術(shù)。 PWM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?yōu)殡妷好}沖序列，并通過控制電壓脈沖寬度或電壓脈沖周期以達(dá)到改變電壓的目的，或者通過控制電壓脈沖寬度和電壓脈沖序列的周期以達(dá)到變壓和變頻的目的。在變頻調(diào)速中，前者主要應(yīng)用于 PWM斬波（ DC－ DC變換），后者主要應(yīng)用于 PWM逆變（ DC－ AC變換）。 PWM脈寬調(diào)制是利用相當(dāng)于基波分量的信號(hào)波（調(diào)制波）對(duì)三角載波進(jìn)行調(diào)制，以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度的目的。相當(dāng)于基波分量的信號(hào)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(yù)畸變的信號(hào)波，正弦信號(hào)波是一種最通常的調(diào)制信號(hào)，但決不是最優(yōu)信號(hào)。 PWM控制技術(shù)有許多種，并且還在不斷發(fā)展中。但從控制思想上分，可把它們分成四類，即等脈寬 PWM法、正弦波 PWM法（ SPWM）、磁鏈跟蹤 PWM法（ SVPWM）和電流跟蹤 PWM法等。本課題設(shè)計(jì)主要 介紹正弦波 SPWM的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。 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(gè)重要結(jié)論 :沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具基于單片機(jī)控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng) 3 有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí) ,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(yīng)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 。 第 2章 SPWM 變頻調(diào)速 系統(tǒng)基本原 理 SPWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)基本原理 PWM 的原理，就是面積等效原理，在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(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(shí)，其效果基本相同。所以可用等幅值的不同寬度的脈沖來等效一些想要的波形。 PWM 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?yōu)殡妷好}沖序列，并通過控制電壓脈沖寬度或電壓脈沖周期以達(dá)到改變電壓的目的，或者通過控制電壓脈沖寬度和電壓脈沖序列的周期以達(dá)到變壓和變頻的目的。 變頻調(diào)速中，前者主要應(yīng)用于 PWM 斬波（ DC－ DC 變換），后者主要應(yīng)用于 PWM 逆 變（ DC－ AC 變換）。 PWM 脈寬調(diào)制是利用相當(dāng)于基波分量的信號(hào)波（調(diào)制波）對(duì)三角載波進(jìn)行調(diào)制，以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度的目的。相當(dāng)于基波分量的信號(hào)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(yù)畸變的信號(hào)波，正 弦信號(hào)波是一種最通常的調(diào)制信號(hào)，但決不是最優(yōu)信號(hào)。根據(jù)面積等效原理， PWM 波形和正弦波是等效的，而這種的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形， 也稱為 SPWM（ Sinusoidal PWM） 波形。 當(dāng)前 逆變電源的控制技術(shù)中，滯環(huán)控制技術(shù)和 SPWM 控制技術(shù)是變頻電源中比較常用的兩種控制方 法。滯環(huán)控制技術(shù)開關(guān)頻率不固定，濾波器較難設(shè)計(jì)，且控制復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)； SPWM 控制技術(shù)開關(guān)頻率固定，濾波器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)控制。當(dāng)二者采用電壓電流瞬時(shí)值雙閉環(huán)反饋的控制策略時(shí)，均能夠輸出高質(zhì)量的正弦波，且系統(tǒng)擁有良好的動(dòng)態(tài)性能 . 三相交流電動(dòng)機(jī)定子繞組中的三相交流電在定子隙圓周上產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速稱同步轉(zhuǎn)速，記為 n 實(shí)際電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n要低于 同步轉(zhuǎn)速，故一般稱這樣的三相交流電動(dòng)機(jī)為三相異步電動(dòng)機(jī)。 基于單片機(jī)控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng) 4 異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為 pnfn /60 11 ? 其中 1n 為同步轉(zhuǎn)速 (r/min) 1f 為 定 子 頻率，也就是電源頻率 (Hz)。 pn 為 磁 極 對(duì)數(shù)。 異步電機(jī)的軸轉(zhuǎn)速為 pnsfsnn /)1(60)1( 11 ???? 其中 s 為異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率， 11 /)( nnns ?? 由上面的公式可以看出，改變電源的供電頻率可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 在對(duì)異步電機(jī)調(diào)速時(shí)，希望電機(jī)的主磁通保持額定值不變。任何電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩都是磁通和電流相互作用的結(jié)果，主磁通小了，鐵心利用不充分，同樣的轉(zhuǎn)子電流下，電磁轉(zhuǎn)矩小，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力下降 。主磁通大了，會(huì)使電動(dòng)機(jī)的磁路飽和，并導(dǎo)致勵(lì)磁電流畸變，勵(lì)磁電流過大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使繞組過熱損壞電機(jī)。主磁通是由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的，兩者之間的關(guān)系是由磁化特性決 定的。 由電機(jī)理論知道，三相異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值為 111 nfE ? m? .其中 E1 為氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值 (V), 1f為定子頻率 (Hz), 1n 為定子每相繞組匝數(shù)， m? 為極磁通里 (Wb)。由上式可見主磁通中 .是由 E1 和 1f 。共同決定的，如果保持 E1 和 1f 之比不變，就可以保持主磁通不變。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總方案的確定 在三相交流電源供電的情況下，共需經(jīng)過八個(gè)主要模塊完成整個(gè)調(diào)速過程。首先是三相整流變壓器降壓，然后經(jīng)二極管橋式整流，再者由電容濾波器濾波獲得直流電源，最后經(jīng) IGBT 逆變電路逆變，得到可調(diào)交流電 源。 IGBT 為場(chǎng)控輸入器件，輸入功率小。確定主電路模塊之后，本課程設(shè)計(jì)將采用 HEF4752 芯片構(gòu)成 SPWM 波形生成電路，實(shí)現(xiàn) PWM 波的調(diào)制。并采用電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)制系統(tǒng)，同時(shí)確定保護(hù)電路模塊，檢測(cè)電路模塊，驅(qū)動(dòng)電路模塊等。系統(tǒng)總流程圖如圖 1 所示。 基于單片機(jī)控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng) 5 圖 1 SPWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)總流程圖 第