【正文】 .......................................................................... 50 輸出波形 ...................................................................................................................... 52 上下橋臂互補(bǔ)信號(hào)流程圖 .................................................................................... 52 相鄰橋臂之間信號(hào)及其信號(hào)差圖 ......................................................................... 54 總結(jié) .......................................................................................................................................... 58 致 謝 ................................................................................................................................... 59 外文翻譯 ......................................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 工作原理 .................................................................................................. 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 混合式步進(jìn)電機(jī) ................................................................................. 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī) .................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 3 第一章 概述 本文 主要研究了利用 MCS51 單片機(jī)，通過(guò) PWM 方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法。 PWM 控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì) 80 年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。 PWM 控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單、靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。并自動(dòng)調(diào)節(jié) PWM 信號(hào)的占空比。 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的組成和功能 PWM 信號(hào)發(fā)生與調(diào)節(jié)模塊 作為一個(gè) PWM 調(diào)速系統(tǒng)，首要的是需要產(chǎn)生 PWM 信號(hào)。本文采用專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。這些電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確、迅速、高效地完成程序設(shè)計(jì)者事先規(guī)定的任務(wù)。 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展趨勢(shì) 隨著單片機(jī)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，大致有：智能儀器儀表、工業(yè)控制、家用電器、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信、醫(yī)用設(shè)備等領(lǐng)域，此外，單片機(jī)在工商、金融、科研、教育、國(guó)防航空航天等 領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。因此，采用系統(tǒng) 仿真是非常必要的。所以，當(dāng)前計(jì)算機(jī)仿真學(xué)習(xí)單片機(jī)的條件已經(jīng)成熟，應(yīng)該抓住這個(gè)機(jī)會(huì)，積極地利用它，并為學(xué)習(xí)單片機(jī)服務(wù)。 直到 20 世紀(jì) 60“70年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得采用電力電子變換器的交流拖動(dòng)系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，特別是大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制的出現(xiàn)，使高性能交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，交直流拖動(dòng)按調(diào)速性能分工的格局終于被打破了。 1971 年波拉斯切克 ( )提出了交流電動(dòng)機(jī)矢量控制原理，使交流傳動(dòng)技術(shù)從理論上解決了獲得與直流傳動(dòng)相似的靜、動(dòng)態(tài)特性問(wèn)題。 (11) 其中 錯(cuò)誤 !未找到引用源。而交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)的矩表達(dá)式： T=錯(cuò)誤 !未找到引用源。 之間是即不成直角關(guān)系又不相互獨(dú)立的兩個(gè)變量，轉(zhuǎn)子電流 錯(cuò)誤 !未找到引用源。但由于直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其必須有換向器和電刷，因而必須經(jīng)常檢查維修。 (3)直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于交流電動(dòng)機(jī)。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、工作可靠、維護(hù)方便、慣量小、效率高、無(wú)電刷、維護(hù)費(fèi)月低。為了克服這些缺點(diǎn)，可以通過(guò)采用矢量控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)。 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速發(fā)展及特性 (一 )異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式 對(duì)于籠型異步電機(jī)來(lái)說(shuō)，要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，只有通過(guò)改變同步轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。 （二）改變磁極對(duì)數(shù)調(diào)速 定子磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)取決于定子繞組的結(jié)構(gòu)。 這種方法的缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，主 要有： 有極的，且級(jí)數(shù)很少。 ∕min ；（ 16） P=4， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。其主要優(yōu)點(diǎn)有： （ 1）調(diào)速范圍廣。 檔次較高的變頻器的最低工作頻率可達(dá) ，則額定轉(zhuǎn)速以下的調(diào)節(jié)范圍可達(dá)到錯(cuò)誤 !未找到引用源。但在故障率方面，由于直流電動(dòng)機(jī)本身的弱點(diǎn)，變頻調(diào)速系統(tǒng)具有較大優(yōu)勢(shì)。 ，從而實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速。 由電機(jī)學(xué)可知，三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值是： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 調(diào)速，設(shè) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 下降，這樣電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)能力會(huì)降低，對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載會(huì)因拖不動(dòng)而堵轉(zhuǎn)；倘若調(diào)節(jié) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 將超過(guò)額定值。這兩種情況都是實(shí)際運(yùn)行中所不能允許的。 恒定的目的。 不變，則當(dāng) 頻率 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 /錯(cuò)誤 !未找到引用源。 常數(shù)，這是恒壓頻比的控制方式。這時(shí)可以人為地把電壓 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 往上增高，但電壓 錯(cuò)誤 !未找到引用源。由式（ 111）可知，這樣只能迫使磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直 流電機(jī)弱磁升速的情況，即： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 恒功率調(diào)速 圖 11 恒壓頻比控制特性 圖 12 異步 電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速的控制特性 a—無(wú)補(bǔ)償 b—帶定子壓降補(bǔ)償 12 變頻調(diào)速系統(tǒng)中的變頻電路 將滯留電能變換成交流電能供給負(fù)載的過(guò)程成為無(wú)緣逆變。其主要優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有中間環(huán)節(jié)，故變換效率高，但其連續(xù) 可調(diào)的頻率范圍窄，一般為額定頻率的 1∕2以下，故它主要用于容量較大的低速拖動(dòng)系統(tǒng)中。 （ 1） PAM（脈幅調(diào)制）變頻器輸出電壓的大小通過(guò)改變直流電壓的大小來(lái)進(jìn)行調(diào)制。 （ 1）電流型 直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件是電感線圈 （ 2）電壓型 直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件是電容器 1． 5． 2 靜止型常規(guī)變頻器及特點(diǎn) （交 — 直 — 交變頻裝置） 交 —直 —交變頻器由恒壓恒頻電源經(jīng)整流器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娫醋詈蠼?jīng)逆變轉(zhuǎn)化為交流 13 電源。采用 IGBT 時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率可達(dá) 10kHz 以上，輸出波形已經(jīng)非常接近于正弦波，因而又稱之為正弦脈寬調(diào)制（ SPWM）逆變器。大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)所用的變頻器主要是交交變頻器。所以我們有必要充分了解一下 PWM 技術(shù)的原理及它的優(yōu)點(diǎn)等內(nèi)容。 PWM 控制的基本原理 PWM 控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)就是面積等效原理：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加載具有慣性環(huán)節(jié)上時(shí)，其效 果基本相同。如果把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不是等寬的矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分面積（沖量）相等，就得到 21（ b）所示的脈沖序列。對(duì)于正弦波的負(fù)半周，也 可以用同樣的方法得到 PWM 波形。 （一） 異步調(diào)制 載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不保持同步 的調(diào)制方式稱為異步調(diào)制。當(dāng)信號(hào) 波頻率增高時(shí)，載波比 N 減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少， PWM 脈沖不對(duì)稱的影響就變大，有時(shí)信號(hào)波的微小變化還會(huì)產(chǎn)生 PWM 脈沖的跳動(dòng)。 （二） 同步調(diào)制 載波比 N 等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號(hào)波保持同步的方式稱為同步調(diào)制。 （一） 單極性調(diào)制方式 圖 22 是采用 IGBT 作為開(kāi)關(guān)器件的單相橋式電壓型逆變電路。在負(fù)載電流為正的區(qū)間， V1 和 V4導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電壓 u0等于直流電壓 Ud； V4 關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過(guò) V1和 VD3續(xù)流， U0 =，仍為 V1 和 V4關(guān)斷時(shí)，因 i0為負(fù)，故實(shí)際上從 VD1 和 VD4 流過(guò)，仍有 U0=Ud； V4 關(guān)斷， V3 開(kāi)通后， i0 從 V3 和 VD1續(xù)流， U0 =0。調(diào)制信號(hào) Ur為正弦波，載波 Uc在 Ur的正半周期為正極性的三角波，在 Ur 的負(fù)半周期為負(fù)極性的三角波。 17 圖 22 單極性橋式 PWM 逆變電路 圖 23 單極性 PWM 控制方式波形 圖 24 雙極性 PWM 控制方式波形 雙極性調(diào)制方 式 PWM 控制方式相對(duì)應(yīng)的是雙極性控制方式。仍然在調(diào)制 信號(hào) rU 和載波信號(hào) cU 的交點(diǎn)時(shí)刻控制各個(gè)開(kāi)關(guān)器件的通斷。 18 可以看出，單相橋式電路既可以采用單極性調(diào)制，也可以采用雙極性調(diào)制，由于開(kāi)關(guān)器件通斷的控制規(guī)律不同，他們輸出的波形也有較大的差別。從計(jì)算過(guò)程我們可以看出這種方法很繁瑣，當(dāng)需要輸出的正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化。在調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是 SPWM 波形，我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)所應(yīng)用的就是這種控制方式。 U、 V和 W 各相功率開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以 U 相為例來(lái)說(shuō)明。當(dāng)給 V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是 V1(V4)導(dǎo)通，也可能是二極管 VD1(VD4)續(xù)流，這要由阻感負(fù)載忠電流的方向來(lái)決定，這和單相橋式 PWM 型逆變電路的雙極性控制時(shí)的情況相同。但實(shí)際上是為了防止上下兩個(gè)臂直通而造成短路，在上下兩臂通斷切換時(shí)要留下一小段上下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死去時(shí)間。逆變電路是 PWM 控制技術(shù)最為重要的的應(yīng)用場(chǎng)合。從計(jì)算過(guò)程我們可以看出這種方法很繁瑣，當(dāng)需要輸出 20 的正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié) 果都要變化。因?yàn)榈妊遣ㄉ先魏我稽c(diǎn)的水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱， 當(dāng)它與如何一個(gè)平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交時(shí)，如果在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以得到寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，這正好符合 PWM 控制要求。但這種方法要求解復(fù)雜的超越方程，在采用微機(jī)控制技術(shù)時(shí)需要花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間，難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算，因而在工程上實(shí)際應(yīng)用不多。而規(guī)則采樣法使兩者重合，也就是使每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）為對(duì)稱。 設(shè)正弦調(diào)制信號(hào)波為： tau rr sin?? (2—1) 式中， a 稱為調(diào)制度， 10 ??a ； rw 為正弦信號(hào)波波角頻率。v 和 δ180。 目前，使用 MATLAB 對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的主要方法是：以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用 MATLAB 的 Simulink 工具箱對(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真越來(lái)越多地取代純物理仿真。 MATLAB 和 Mathematica、 Maple 并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。這些工具方便用戶使用 MATLAB 的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。簡(jiǎn)單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過(guò)編譯就可以直接運(yùn)行，而且能夠及時(shí)地報(bào)告出現(xiàn)的錯(cuò)誤及進(jìn)行出錯(cuò)原因分析。隨著MATLAB 的商業(yè)化以及軟件本身 的不斷升級(jí)， MATLAB 的用戶界面也越來(lái)越精致，更加接近 Windows 的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機(jī)交互性更強(qiáng)，操作更簡(jiǎn)單。 MATLAB 可以進(jìn)行 矩陣 運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建 用戶界面、連 接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、 圖像處理 、 信號(hào)檢測(cè) 、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。 目前，較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件是MATLAB，是用 MATLAB 對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的主要方法是：以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用 MATLAB 的 Simulink 工具箱對(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究。 PWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真 控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真是一門(mén)涉及到理論控制、計(jì)算數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī) 技術(shù)的綜合性新型學(xué)科，它是以控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一種方法。 第三 章 交 — 直 — 交變頻調(diào)速系統(tǒng) MATLAB 仿真 應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)交直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，可以加深我們對(duì)所有理論的理解，提高實(shí)踐動(dòng)手能力。同一三角波周期內(nèi)三相的脈寬分別為 δU、 δV和 δW，脈沖兩邊的間隙寬度分別為 δ180。如圖 3—6 所示，在三角波的負(fù)峰時(shí)刻 tD 對(duì)正弦信號(hào)波采樣而得到 D 點(diǎn)，過(guò) D 點(diǎn)作一水平直線和三角波分別交于 A點(diǎn)和 B 點(diǎn)，在 A 點(diǎn)