【正文】 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…………………………………………………...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 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。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。本設(shè)計(jì)采用的MCS51系列的單片微機(jī)控制PWM。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?；趩纹瑱C(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)。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。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?！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。其中變頻調(diào)速具有絕對(duì)的優(yōu)勢，并且他的調(diào)速性能和可靠性不斷完善，價(jià)格不斷降低。調(diào)速時(shí)平滑性好，效率高。調(diào)速范圍較大，精度高?！　?4)易于實(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)化。變頻調(diào)速是交流調(diào)速的基礎(chǔ)和主干內(nèi)容。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，它既對(duì)國內(nèi)企業(yè)，也對(duì)外國公司敞開。 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。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。(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)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。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?；诂F(xiàn)代理論的有滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)、模型參考自適應(yīng)技術(shù)、采用微奈奎斯特陣列設(shè)計(jì)方法等；基于自能控制思想上網(wǎng)模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò) 、專家系統(tǒng)和各種各樣的自優(yōu)化、自診斷技術(shù)等。（3） 進(jìn)一步增加器件的集成度，縮小變頻裝置整體的尺寸，更加提高系統(tǒng)可靠性。有關(guān)資料表明，采用變頻調(diào)速技術(shù)確實(shí)能夠取得非常明顯的節(jié)能、增產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量的效果，節(jié)電率一般在10%~30%，有的高達(dá)40%，更重要的是生產(chǎn)中一些技術(shù)難點(diǎn)也得到解決。 利用電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，在轉(zhuǎn)差率S很小的范圍內(nèi)，當(dāng)磁通Φ不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差角頻率成正比的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的較高性能調(diào)速，但其動(dòng)態(tài)性能不夠。其次，對(duì)于新型器件的應(yīng)用做了說明，根據(jù)新型功率器件的特點(diǎn)和應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)出了逆變器的驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路，使得新型功率器件的應(yīng)用更加安全。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。(2)變頻器的負(fù)載類型；如葉片泵或容積泵等，特別注意負(fù)載的性能曲線，性能曲線決定了應(yīng)用時(shí)的方式方法。 ③轉(zhuǎn)矩匹配；這種情況在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或有減速裝置時(shí)有可能發(fā)生。(6)對(duì)于一些特殊的應(yīng)用場合，如高溫，高海拔，此時(shí)會(huì)引起變頻器的降容，變頻器容量要放大一擋。在變頻調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩Tmax =Cm (u／f)2 式中：Cm電動(dòng)機(jī)常數(shù)；u電源電壓；f電源頻率。而變頻調(diào)速的關(guān)鍵設(shè)備就是變頻器它決定整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的性能。目前使用較多的是“交—直—交”變頻，將50Hz交流整流為直流電Ud，再由三相逆變器將直流逆變?yōu)轭l率可調(diào)的三相交流供給鼠籠電機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。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。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限,結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會(huì)成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為PWM波，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。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有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。因此，為了提高直流電壓利用率，提出了一種新的方法——梯形波與三角波比較法。 線電壓控制PWM 前面所介紹的各種PWM控制方法用于三相逆變電路時(shí)，都是對(duì)三相輸出相電壓分別進(jìn)行控制的，使其輸出接近正弦波，但是，對(duì)于像三相異步電動(dòng)機(jī)這樣的三相無中線對(duì)稱負(fù)載，逆變器輸出不必追求相電壓接近正弦，而可著眼于使線電壓趨于正弦。除了可以注入三次諧波以外，還可以注入其他3倍頻于正弦波信號(hào)的其他波形，這些信號(hào)都不會(huì)影響線電壓。對(duì)于某一線電壓例如Uuv，半個(gè)周期兩邊60176。把這樣的電壓波形作為脈寬調(diào)制的參考信號(hào)，載波仍用三角波，并把各區(qū)間的曲線用直線近似(實(shí)踐表明，這樣做引起的誤差不大，完全可行)，就可以得到線電壓的脈沖波形，該波形是完全對(duì)稱，且規(guī)律性很強(qiáng)，負(fù)半周是正半周相應(yīng)脈沖列的反相，因此，只要半個(gè)周期兩邊60176。 電流控制PWM 電流控制PWM的基本思想是把希望輸出的電流波形作為指令信號(hào)，把實(shí)際的電流波形作為反饋信號(hào)，通過兩者瞬時(shí)值的比較來決定各開關(guān)器件的通斷，使實(shí)際輸出隨指令信號(hào)的改變而改變。其缺點(diǎn)是開關(guān)頻率不固定造成較為嚴(yán)重的噪音，和其他方法相比，在同一開關(guān)頻率下輸出電流中所含的諧波較多。 預(yù)測電流控制法預(yù)測電流控制是在每個(gè)調(diào)節(jié)周期開始時(shí)，根據(jù)實(shí)際電流誤差，負(fù)載參數(shù)及其它負(fù)載變量，來預(yù)測電流誤差矢量趨勢，因此，下一個(gè)調(diào)節(jié)周期由PWM產(chǎn)生的電壓矢量必將減小所預(yù)測的誤差。它以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通，由它們的比較結(jié)果決定逆變器的開關(guān)，形成PWM波形。此法輸出電壓比正弦波調(diào)制時(shí)提高15%，諧波電流有效值之和接近最小。但由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善。 但是，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，以及矢量變換的復(fù)雜性，使得實(shí)際控制效果往往難以達(dá)到理論分析的效果，這是矢量控制技術(shù)在實(shí)踐上的不足。 非線性控制PWM 單周控制法又稱積分復(fù)位控制(Integration Reset Control，簡稱IRC)，是一種新型非線性控制技術(shù)，其基本思想是控制開關(guān)占空比，在每個(gè)周期使開關(guān)變量的平均值與控制參考電壓相等或成一定比例。雖然硬件電路較復(fù)雜，但其克服了傳統(tǒng)的PWM控制方法的不足，適用于各種脈寬調(diào)制軟開關(guān)逆變器，具有反應(yīng)快、開關(guān)頻率恒定、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 系統(tǒng)工作原理，從結(jié)構(gòu)上主要分為控制部分和執(zhí)行部分?；魻栯娏?、電壓傳感器將檢測到的逆變模塊的三相輸出電流、電壓信號(hào)，經(jīng)采樣保持后進(jìn)入單片機(jī)，完成A/D轉(zhuǎn)換后，由CPU進(jìn)行處理。主要由主電路（整流電路、逆變和逆變驅(qū)動(dòng)電路、檢測電路、濾波電路）、光電隔離電路、過壓保護(hù)電路、8051控制電路和人機(jī)接口電路組成。典型的單極性對(duì)稱規(guī)則采樣法，在三角波的峰值時(shí)刻采樣正弦調(diào)制波并將采樣值保持，分別取保持值和三角波交點(diǎn)作為脈沖寬度時(shí)間。在對(duì)稱規(guī)則采樣情況下，只要知道采樣點(diǎn)時(shí)刻t就可以確定這個(gè)采樣周期內(nèi)的脈沖寬度TPM和時(shí)間間隔Toff，從而可以計(jì)算出SPWM波形高、低脈沖的寬度。本文中，產(chǎn)生頻率可變的SPWM波形是使用了捕捉/比較模塊的高速輸出工作方式，其原理如下：當(dāng)PCA的16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器PCA0H（高8位）和PCA0L（低8位）與16位捕捉/比較模塊寄存器PCA0CPHn（高8位）和PCA0CPLn（低8位）發(fā)生匹配時(shí)，模塊的CEXn引腳上的邏輯電平將發(fā)生跳變，并產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求，即將控制寄存器PCA0CN中相應(yīng)的CCFn位置位，當(dāng)CCF中斷被允許時(shí)，CPU將轉(zhuǎn)向CCF中斷服務(wù)程序。如果選用捕捉/比較模塊0輸出此路SPWM，則首先將l0裝入16位捕捉/比較寄存器PCA0CP0中，并且將16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器PCA0H和PCA0L清零，然后啟動(dòng)PCA計(jì)數(shù)器；當(dāng)捕捉/比較寄存器的數(shù)值與計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的數(shù)值相等時(shí)，CEX0引腳就會(huì)由原來的低電平跳變?yōu)楦唠娖剑⑶耶a(chǎn)生一個(gè)CCF中斷；在CCF中斷程序中，將h0累加到PCA0CP0上；中斷過程中，計(jì)數(shù)器的數(shù)值是連續(xù)增加的，當(dāng)其值與改變過后的捕捉/比較寄存器的數(shù)值相等時(shí)，又會(huì)使得CEX0引腳由原來的高電平跳變?yōu)榈碗娖剑⑶耶a(chǎn)生一個(gè)CCF中斷；然后在中斷過程中又將l1累加到PCA0CP0上。在中斷服務(wù)程序中，首先根據(jù)CCFn的值來判斷發(fā)生匹配的捕捉/比較模塊，然后根據(jù)該模塊CEX引腳上的電平狀態(tài)判斷是將SPWM波形的高電平脈寬值還是低電平脈寬值累加到捕捉/比較模塊寄存器上；