【正文】 １ 前言 現(xiàn)在電力拖動控制系統(tǒng)，根據(jù)控制對象和所采用的志動機的類型不同，可分為交流傳動和直流傳動兩大類。 以晶閘管變流裝置作為電動機電樞和磁場電源的直流傳動系統(tǒng)和以 PWM 變換器為功率變換裝置的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)由于在起、制動，正、反轉(zhuǎn)，平滑調(diào)速，穩(wěn)速，精度，響應速度等方面具有優(yōu)良性能，歷來是電力拖動系統(tǒng)中最通常的選擇方案，但是直流電動機的機械式換向器則是它的主要薄弱環(huán)節(jié)，電動機在制造上費工費料，且維護麻煩，且不適宜在易燃易爆、塵埃多的場合使用，使得電動機的單機容量、過載能力、最高電壓、 最高轉(zhuǎn)速和經(jīng)濟性能等要重要指標都受到了限制。 交流電機無換向片，結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價格低廉、易于維修、工作可靠，且能在惡劣的環(huán)境下工作。故交流傳動無論在應用范圍還是在數(shù)量上，裝機容量上都占有重要而特殊的位置。但在要求調(diào)速傳動的領(lǐng)域中，過云的技術(shù)手段并沒有顯示出交流電機的優(yōu)越性。 功率半導體器件的出現(xiàn)，微電子技術(shù)和微型計算機技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應用，為交流傳動系統(tǒng)的進一步發(fā)展提供了有利的條件。當前交流調(diào)速系統(tǒng)，如交流電動機的串級調(diào)速，各種變頻調(diào)速，無換向器電動機調(diào)速等，從調(diào)速性能上 已經(jīng)達到與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的程度。而在高速、高壓、大功率、惡劣環(huán)境等方面，更為直流傳動所不及，可以預見新型交流調(diào)速系統(tǒng)在各個工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中會得到越來越廣泛的應用，這表明電氣交流傳動的新時代已經(jīng)到來。 簽于交流傳動在這幾個方面的優(yōu)勢，所以我選擇了這個畢業(yè)設(shè)計課題――采用SLE4520 集成電路的三相 SPWM 異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，在此設(shè)計中，不公要動用微機控制技術(shù)，自動控制技術(shù)，單片機等相關(guān)知識，還要用到專業(yè)基礎(chǔ)知識，如電機拖支，電力電子變流技術(shù)，數(shù)字及模擬電路等 。通過對本課題的設(shè)計，可以使所學知識有機聯(lián)系起來，達到鞏固，加深知識的目的，還可以拓寬知識面，培養(yǎng)解決實際問題的能力。 由于本人知識水平的限制，更兼時間倉促，設(shè)計中出現(xiàn)的錯誤及漏洞，敬請批評指正。 ２ 概述 微型計算機控制的數(shù)字交－直－交變頻調(diào)帶系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)相似，具有成本低，體積小，通用性強，效能高，便于維修和易于實現(xiàn)等優(yōu)點，因此得到廣泛使用，本課題采用 SLE4520 單片機控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)。 該系統(tǒng)分為兩大部分： 。 主回路 由三相橋整流后，接入 IPM 的 P， N 兩端，整個部分包括濾波電容，電源指示及整流變壓器，三相異步電機接在 IPM 的產(chǎn) U， V， W 三腳輸出端。 控制回路以單片機 8031為核心，附加一些外外圍接口電路，如 RAM， EPROM的擴展，顯示接口采用 8297， SLE4520 的 P1－ P7 與 8031 的 P0 口相接，向 4520 傳送脈寬寬度值 Tw， SLE4520 的輸出端 6個腳與 IPM 相對應腳相連。頻率 F 輸入由拔碼盤經(jīng)過 74LS244 三態(tài)緩沖器由 P0 口讀入。 。 主程序包 含初始化，對 8031， SLE4520 的初始化 T0 的初始化，讀 F 的值，由 F值查表得相應的 Tw 值， T0定時，判斷 F 是否變化，若變化則去讀 F，沒變則送原來的數(shù)值。 T0 的中斷服務程序首先是保護現(xiàn)場，送 T0 初值，然后 T0 定時啟 ,交數(shù)送向SLE4520， 判斷有沒有算完，若算完則取新的 Tw 值，沒算完則取原來的 Tw，恢復現(xiàn)場，中斷返回。 INT0 中斷為外部事故中斷，當電機過載，過流過壓及失壓時， IPM 自動報警，產(chǎn)生中斷，封鎖 SLE4520 信號，電機停轉(zhuǎn)。 INT1 中斷為讀 F 值，當有 F 值拔入時 ，產(chǎn)生中斷，從而更新 F 值。 ３ 設(shè)計課題介紹 采用 SLE4520集成電路的三相 SPWM異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計。 工業(yè)上廣泛應用交流異步電動機作為電力拖動自動控制系統(tǒng)的動力裝置。近 10年來，由于電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電氣傳動交流化的新時代正到來。三相 SPWM正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)是為了克服等脈寬 PWM法的缺點而發(fā)展起來的，它從電動機供電電源的角度出發(fā)，著眼于如何產(chǎn)生一個可調(diào)頻調(diào)壓的三相對稱正弦波電源。具體是以一個正弦波作基準波（稱為調(diào)制波），用一系列等幅的 三角波（稱為載波）與基準波相交，由它們的交點確定逆變器的開關(guān)模式，當基準正弦波高于三角波時，使相應的開關(guān)器件導通；當基準正弦波低于三角波時，使開關(guān)器件截止，從而使逆變器的輸出電壓波為脈沖列，其特點是：在半個周期中等距、等幅（等高），不等寬（可調(diào)），總是中間的脈沖寬，兩邊的脈沖窄，各脈沖面積與該區(qū)間正弦波下的面積成比例，這樣，輸出電壓中的中低次的諧波分量顯然可以大大減少。 SLE4520 是全數(shù)字化的三相 SPWM 波生成集成電路。這種芯片是一種應用 ACMOS技術(shù)制作的低功耗高頻大規(guī)模集成電路，是一種可 編程器件，它能把三個 8位數(shù)字量同時轉(zhuǎn)換成三路相應脈寬的矩形波信號，與 8位或 16位微機聯(lián)合使用，可產(chǎn)生三相逆變器所需的六路控制信號，輸出的 SPWM波的開關(guān)頻率可達 20KHZ，基波頻率可達 2600HZ。因此，適用于 IGBT逆變器或其它中頻電源逆變器。 （ 1） 詳細了解 SLE4520集成電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，管腳排列及功能、工作原理和使用注意事項； （ 2） 詳細了解電力電子器件 IGBT的工作原理，元器件參數(shù)、驅(qū)動電路及使用注意事項； （ 3） 討論并確定變頻主回路的電路，并根據(jù)給定的交流電動機參數(shù)（另行給出），計算，選擇主回 路的元器件； （ 4） 討論由 SLE4520集成電路實現(xiàn) SPWM波的方法，具體接線和相應的外圍電路，并考慮信號的測量和控制回路原理，包括各單元電路的原理圖和元器件的選擇； （ 5） 在前述基礎(chǔ)上，確定控制系統(tǒng)的硬件電路，選擇合理的軟件算法，結(jié)合單片機控制技術(shù)，研究用 8031 實現(xiàn)的方法，并確定由 8031單片機實現(xiàn)的微機控制系統(tǒng)程序流程，畫出主程序和中斷服務程序流程圖； （ 6） 編制、調(diào)試主程序和中斷服務程序； （ 7） 應用 AUTOCAD和 SCH繪制硬件電路和程序流程圖； ４ （ 8） 撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書。 ： 型號： YGOL－ 4， PN＝ ， Nn＝ 1400r/min,Ia=,η n=79%,cosΦ＝ ， 轉(zhuǎn)動量＝ ，凈重 27KG， Un＝ 380V，接法：Δ。 ５ 總體設(shè)計方案的選擇 （一）采用 SLE4520的三相 SPWM電機變頻調(diào)速的提出 三相交流異步電機，由于轉(zhuǎn)子側(cè)的電流不從外部引入，而由電磁感應產(chǎn)生，故而 具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，價格低廉，便于維護等優(yōu)點，一經(jīng)問世，就備受人們的青睞。 一、調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展 隨著工 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，人們對調(diào)速要求越來越高，交流調(diào)速有調(diào)壓調(diào)速，串級調(diào)速等，性能都處于不佳狀態(tài)，唯獨變頻調(diào)速受人矚目，采用變頻調(diào)速實現(xiàn)電動機的連續(xù)調(diào)速結(jié)構(gòu)簡單，造價低。 變頻調(diào)速是采用可變電壓可變頻率（ VVVF）電源裝置，如逆變器和交－交變頻器，變頻調(diào)速可以充分發(fā)揮感應電機的優(yōu)點，即適應性強，堅固耐用，維護方便，價格低廉。 近年來，由于微電子技術(shù)，微機技術(shù)和自關(guān)斷功率開關(guān)器件的進步，使得變頻調(diào)速中的核心技術(shù) — －脈沖寬度調(diào)制技術(shù)和矢量控制技術(shù)已經(jīng)成熟并得到廣泛應用。 首先，以目前迅速普及的“交－直－交”變頻器的基 本結(jié)構(gòu)來看，“交－直”的整流技術(shù)是很早就解決了的，而“直－交”的逆變過程實際是不同組合開關(guān)交替地接通和關(guān)斷過程，它必須依賴于滿足一定條件的開關(guān)器件，這些條件是： （ 1） 能承受足夠大的電壓和電流； （ 2） 允許長時間頻繁地接通和判斷； （ 3） 接通和關(guān)斷的控制必須十分方便。 直到 20世紀 70年代，大功率晶體管（ GTR）的開發(fā)成功，才比較滿意地滿足了上述條件，從而為變頻技術(shù)的開發(fā)，發(fā)展和普及奠定了基礎(chǔ)。 20世紀 80年代，又進一步開發(fā)成功了絕緣柵型雙極型晶體管（ IGBT）其工作頻率比 GTR提高了一個數(shù)量級，從而使變頻調(diào)速技術(shù)又向前邁 進一步。目前，中小型的變頻器中的逆變部分，已基本上被 IGBT壟斷，使 20世紀 70年代提出的正弦波脈寬度調(diào)制技術(shù)（ SPWM）得到不斷完善。 在不采取任何措施的情況下，異步電動機在變頻后的機械特性遠遜色于直流電動機變壓后的機械特性，這必將大大影響變頻調(diào)速技術(shù)的應用范圍。 20世紀 70年代末，矢量控制技術(shù)的提出和實現(xiàn)，使異步電動機變頻后的機械特性達到了可以和直流電動機變壓后的機械特性相媲美的程度。 與此同時，計算機技術(shù)和大規(guī)模集成電路的飛速進步，極大簡化了實現(xiàn) SPWM及矢量控制等復雜技術(shù)的方法，增強和擴展了變頻器的 功能，使變頻調(diào)速技術(shù)迅速發(fā)展起來。 如利用單片機和 SLE4520集成電路的三相 SPWM異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)，是 一個典型的調(diào)速系統(tǒng)。 二．變頻調(diào)速原理 經(jīng)過 30年的發(fā)展，目前交流調(diào)速電氣傳動已經(jīng)成為電氣調(diào)速傳動技術(shù)的主流。在 ６ 電氣調(diào)速傳動領(lǐng)域內(nèi)，直流電動機占統(tǒng)治地位的局面已經(jīng)受到了猛烈的沖擊。 交流調(diào)速傳動控制技術(shù)之所以發(fā)展得如此迅速，主要是一些關(guān)鍵性技術(shù)得到了突 破性進展，如電力電子器件，電力變換技術(shù)，交流電機的矢量變換控制技術(shù)， PWM技術(shù)及微型計算機和大規(guī)模集成電路。 自關(guān)斷器件的發(fā)展為 PWM技術(shù)鋪平了道路。目前幾乎所有的變頻調(diào)速裝置都采用這一技術(shù)。 PWM技術(shù)用于變頻器的控制，可以改善變頻器的輸出波形，降低電動機的諧波損耗，并減小脈矩脈動，同時還簡化了逆變器的結(jié)構(gòu)，加快了調(diào)節(jié)速度，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應性能。 各類電氣傳動裝置的控制器由模擬控制轉(zhuǎn)向全數(shù)字控制已經(jīng)成為事實，交流速傳動也不例外。 由變頻器供電的調(diào)速系統(tǒng)是一個快速系統(tǒng)，在使用數(shù)字控制時要求的采樣頻率較高，通常高于 1KHZ，常需要完成復雜的操作控制，數(shù)字運算和邏輯判斷，所以要求單片機具有 較大的存儲容量和較強的實時處理能力。 全數(shù)字控制具有如下特點： (1)精度高 在變頻器中采用 8位， 16 位甚至 32位微機作為控制機 (2)穩(wěn)定性好 由于信息為數(shù)字量，不會隨時間發(fā)生漂移 (3)可靠性好 系統(tǒng)中硬件向標準化、集成化方向發(fā)展，由軟件完成復雜的控制功 能，適當修改軟件，就可以改變系統(tǒng)的功能。 (二 )SPWM的工作原理及生成方法 SPWM調(diào)速是指用所期望的正弦波輸出作為調(diào)制波（即參考信號），對一等腰三角形的載波進行調(diào)制，得到一組幅值相等，而寬度正比于調(diào) 制波幅值的矩形波，從而去控制開關(guān)器件，達到調(diào)速要求的一種調(diào)速方法。 ： 將圖 4－ 1(a)所示的正弦波半波波形分成 n等份，就可把正弦波看成由 N個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于π /n，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化，如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦面積相等，就可得圖 4－ 1（ b）所示的脈沖序列，這就是 PWM波形，可以看出，各脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的根據(jù)問題相等效果 相同的原理， PWM與正弦半波是等效的，對于正弦波的負半周，也可以同樣的方法得到 PWM波形，像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而各正弦波等效的 PWM波形，也稱為 SPWM波形。 ７ Ur1ω tω t圖4－ 1　P WM控 制的基本原理總圖（單極性） 我們所用 PWM脈寬調(diào)制信號是采用調(diào)制波（正弦波 Ur）與載波（三角波 Uc）相比較的方法產(chǎn)生，常用的載波是三角波，常用的調(diào)制波是正弦波，這種調(diào)制波為正弦波的脈寬調(diào)制稱為正弦脈寬調(diào)制（ SPWM），產(chǎn)生的調(diào)制波是正弦等幅、等距而不等寬的脈沖列，有兩 種調(diào)制方法： (1).單極性 SPWM法 調(diào)制波和載波如圖 4－ 1(a)所示，曲線 1是正弦調(diào)制波 Ur，其周期決定于所需要的調(diào)頻比 Kf，振幅值決定于 Ku，曲線 2是采用等腰三角形的載波，其周期決定于載波頻率，振幅不變，等于 Ku＝ 1，正弦調(diào)制波的振幅值，每半周期內(nèi)所有三角形的極性相同（即單極性）。 調(diào)制波和載波的交點，決定了 SPWM脈沖系列的寬度和脈沖間的寬度，所得的脈沖系列如圖 4－ 1(b)所示。由圖可知，每半周內(nèi)的脈沖系列也是單極性的。 單極性調(diào)制的工作特點：每半個周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個逆變 器中，只有一個器 件按脈沖系列的規(guī)律時通時斷地工作，另一個完全截止；而在另半個周期內(nèi)，兩個器件的工作情況正好相反，流經(jīng)負載 ZL的便是正負交替的交變電流。 (2).雙極性 調(diào)制波仍為正弦波，其周期決定于 Kf，振幅決定于 Ku，如圖 4－ 2（ a）中的曲線 1， 載波為雙極性的等腰三角波，其周期決定于載波頻率，振幅不變，當 Ku＝ 1時 ,正 弦波的振幅值相等，調(diào)制波與載波的交點，決定了逆變橋輸出相電壓的脈沖系列，此脈沖系列也是雙極性的，自由相電壓合成的線電壓是單極性的。 雙極性調(diào)制的工作特點：逆變橋在工作時，同一橋臂的兩個逆變器件總是按