【正文】 基于單片機(jī)的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)【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(shí)現(xiàn)方法及軟硬件設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。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(jì)。涉及的主要相關(guān)知識(shí)：電力電子及運(yùn)動(dòng)控制、微機(jī)控制。在通常情況下交流異步電動(dòng)機(jī)用作調(diào)速機(jī)時(shí)，它的控制電路復(fù)雜，系統(tǒng)的效率較低。采用單片機(jī)微機(jī)控制的交流異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)，系統(tǒng)效率也有所提高。交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，實(shí)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(jī)實(shí)現(xiàn)（PWM）來控制可使調(diào)節(jié)靈活，電路簡化。本設(shè)計(jì)采用的MCS51系列的單片微機(jī)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(shí)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(fù)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(yīng)用。與上述傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：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(jī)8031CPU為核心的全數(shù)字控制．電路簡單，調(diào)整迅速，進(jìn)一步提高了控制精度?！娟P(guān)鍵詞】電壓型三相PWM整流器；變頻調(diào)速；單片機(jī)；交流電機(jī)【ABSTRACT】 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…………………………………………………………………………………………..1ABSTRACT…………………………………………………………………………………..2第一章 緒論………………………………………………………………………………..4 當(dāng)前變頻調(diào)速的發(fā)展?fàn)顩r及其趨勢(shì)…………………………………………………...4 設(shè)計(jì)本課題的總思路…………………………………………………………………...8 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求………………………………………………………………………...8第二章 異步電動(dòng)機(jī)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(jì)…………………………………………………………………..18 系統(tǒng)工作原理…………………………………………………………………………...18 主電路的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………...22 光電隔離電路…………………………………………………………………………...26 過電壓保護(hù)電路………………………………………………………………………...27 8051控制電路…………………………………………………………………………...28第五章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)…………………………………………………………………..30 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)………………………………………………………………………...30 控制電路………………………………………………………………………………...35 最小脈沖問題分析……………………………………………………………………...35總結(jié)…………………………………………………………………………………………..36參考文獻(xiàn)...…………………………………………………………………………………...37第一章 緒論 當(dāng)前變頻調(diào)速的發(fā)展?fàn)顩r及趨勢(shì) 在交流調(diào)速中，交流電動(dòng)機(jī)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(duì)的優(yōu)勢(shì)，并且他的調(diào)速性能和可靠性不斷完善，價(jià)格不斷降低。變頻調(diào)速是以變頻器向交流電動(dòng)機(jī)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(dāng)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(shí)平滑性好，效率高。低速時(shí)，特性靜關(guān)率較高，相對(duì)穩(wěn)定性好?！　?2)調(diào)速范圍較大，精度高?！?3)起動(dòng)電流低，對(duì)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(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)化?！　?6)必須有專用的變頻電源，目前造價(jià)較高?！?7)在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，低速段電動(dòng)機(jī)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(gè)世紀(jì)變壓器的出現(xiàn)使改變電壓變得很容易，從而造就了一個(gè)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(gè)發(fā)展中國家，變頻調(diào)速產(chǎn)品大體只相當(dāng)于國際上20世紀(jì)80年代水平。隨著改革開放，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，變頻調(diào)速產(chǎn)品形成了一個(gè)巨大的市場(chǎng)，它既對(duì)國內(nèi)企業(yè)，也對(duì)外國公司敞開。很多先進(jìn)的產(chǎn)品從發(fā)達(dá)國家進(jìn)口，在我國運(yùn)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(dāng)今國際上最先進(jìn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品，國內(nèi)的成套部分在自行設(shè)計(jì)制造成套裝置中采用外國進(jìn)口公司和合資企業(yè)的先進(jìn)設(shè)備，自己開發(fā)應(yīng)用軟件，能為國內(nèi)外重大工程項(xiàng)目提供一流的電氣傳動(dòng)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(yīng)看到由于國內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)產(chǎn)品的能力弱，對(duì)國外公司的依賴性仍較嚴(yán)重。 在我們現(xiàn)在日常生活中，高速電力機(jī)車、汽車、電梯、音樂噴泉、冰箱、洗衣機(jī)、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(duì)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(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動(dòng)技術(shù)正發(fā)生著交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計(jì)算機(jī)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(dòng)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(diǎn)而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式，成為當(dāng)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(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。 變頻調(diào)速是一種經(jīng)典的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法，交流電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)無級(jí)調(diào)速，而且可以根據(jù)負(fù)載的不同，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)電壓和頻率的關(guān)系，使電機(jī)始終在高效率區(qū)運(yùn)行，并且保證良好的動(dòng)態(tài)性能，因而被廣泛使用。國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀對(duì)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(jī)容量達(dá)3萬kW的電氣傳動(dòng)設(shè)備用于船舶推進(jìn)系統(tǒng)。在大功率無換向器電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)方面，意大利ABB公司提供了單機(jī)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(jī)容量為10 ~ 2600 kVA和Simovert P GTO PWM變頻調(diào)速設(shè)備單機(jī)容量為100 ~ 900 kVA，其控制系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，用于電力機(jī)車、風(fēng)機(jī)、水泵傳動(dòng)。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(jī)容量可達(dá)700 kVA，IGBT變頻器已形成系列產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)也已實(shí)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(diǎn)： (1) 市場(chǎng)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(huì)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(dòng)的技術(shù)水平較國際先進(jìn)水平差距10 ~ 15年。 在大功率交交、無換向器電機(jī)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(dāng)差距。而這方面產(chǎn)品在諸如抽水蓄能電站機(jī)組起動(dòng)及運(yùn)行、大容量風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和軋機(jī)傳動(dòng)、礦井卷場(chǎng)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(jī)采用矢量控制，品種與質(zhì)量還不能滿足市場(chǎng)需要，每年大量進(jìn)口。國內(nèi)交流變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)狀況表現(xiàn)如下:(1) 變頻器的整機(jī)技術(shù)落后，國內(nèi)雖有很多單位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并沒有形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模。 (2) 變頻器產(chǎn)品所用半導(dǎo)體功率器件的制造業(yè)幾乎是空白。 (3) 相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后。(4) 產(chǎn)銷量少，可靠性及工藝水平不高。 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展方向 交流變頻調(diào)速技術(shù)是強(qiáng)、弱電混合，機(jī)電一體化的綜合性技術(shù)。它分為功率級(jí)和控制級(jí)兩大部分。功率級(jí)部分是解決高電壓、大電流方面的技術(shù)問題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問題?？刂萍?jí)部分是要解決數(shù)字化控制的硬、軟件開發(fā)問題。鑒于這兩方面，未來變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展方向主要有以下幾點(diǎn)：（1） 各種控制方法的深入研究和實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步提高變頻調(diào)速性能。當(dāng)前高水平的控制策略有：基于電動(dòng)機(jī)和