【正文】 further enhance the control accuracy. 【 Key words】 ThreePhase PWM voltage rectifier, Frequency Control, SCM, AC motor, puter control 目錄 摘要 ………………………………………………………………………………………… ..1 ABSTRACT………………………………………………………………………………… ..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。本設(shè)計(jì)采用的 MCS51系列的單片微機(jī)控制 PWM。 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)。 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。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。 (5) 易于實(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)化。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(guó)內(nèi)企業(yè)，也對(duì)外國(guó)公司敞開。 國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀對(duì)比 國(guó)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(guó)阿爾斯通已能提供單機(jī)容量達(dá) 3 萬(wàn) kW 的電氣傳動(dòng)設(shè)備用于船舶推進(jìn)系統(tǒng)。 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 從總體上看我國(guó)電氣傳動(dòng)的技術(shù)水平較國(guó)際先進(jìn)水平差距 10 ~ 15 年。 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)。 （ 2） 進(jìn)一步提高變頻器的功率因素，降低網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)的諧波，以減少對(duì)電網(wǎng)的污染和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 變頻調(diào)速的主要類型 目前，應(yīng)用較為廣泛的變頻調(diào)速系統(tǒng)主要有以下幾種： 所謂轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速就是采用開環(huán)、恒壓頻比，并且?guī)У皖l電壓補(bǔ)償?shù)目刂品绞健? 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 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)。 ② 電流匹 配；普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機(jī)的額定電流相符。電源裝置變頻調(diào)速的主裝置的主回路由充電接觸器、進(jìn)線電抗器、充電電容、平波電容絹和 6組 SKIIP模塊組成。如果連續(xù)地改變供電電源的頻率就可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就是變頻調(diào)速的工作原理。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 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)。 SPWM 法 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的、目前使用較廣泛的 PWM 法。但由于梯形波本身含有低次諧波，所以輸出波形中含有 5 次、 7 次等低次諧波?，F(xiàn)在把一個(gè)周期等分為 6 個(gè)區(qū)間，每區(qū)間60176。 該方法不僅能抑制較多的低次諧波，還可減小開關(guān)損耗和加寬線性控制區(qū)，同時(shí)還能帶來(lái)用微機(jī)控制的方便，但該方法只適用于異步電 動(dòng)機(jī)，應(yīng)用范圍較小。但是，這種方式電流響應(yīng)不如滯環(huán)比較法快。磁通開環(huán)法用兩個(gè)非零矢量和一個(gè)零矢量合成一個(gè)等效的電壓矢量，若采樣時(shí)間足夠小，可合成任意電壓矢量。通過控 制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。單周控制在控制電路中不需要誤差綜合 ,它能在一個(gè)周期內(nèi)自動(dòng)消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)誤差，使前一周期的誤差不會(huì)帶到下一周期。 圖 基于 8051 的變頻調(diào)速系統(tǒng)原理方框圖 系統(tǒng)的工作原理為 ： 電機(jī)的轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)換成矩形脈沖信號(hào)，經(jīng)光電隔離 后進(jìn)入單片機(jī)計(jì)數(shù)器，由計(jì)數(shù)器值獲得電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，與設(shè)定轉(zhuǎn)速比較，人機(jī)接口電路 光電隔離 相電流檢測(cè)測(cè) 轉(zhuǎn)速檢測(cè) 計(jì)算機(jī) 8051 整流電路 檢測(cè)電路 濾 波 電 路 逆變及驅(qū)動(dòng)電路 M 經(jīng) FuzzyPID 控制 器調(diào)節(jié)后，單片機(jī)產(chǎn)生的 PWM 波經(jīng) 6N137 線性光耦進(jìn)行電氣隔離后作用于逆變模塊 IPM（ intelligent power module），實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)變頻調(diào)速。采用實(shí)時(shí)計(jì)算法要有數(shù)學(xué)模型，其中一種較為常用的是采樣型 SPWM 法，它分為自然采樣法、對(duì)稱規(guī)則采樣法和不對(duì)稱規(guī)則采樣法。每個(gè)捕捉 /比較模塊有自己的 I/O 線 CEXn，可通過配制交叉開關(guān)寄存器 （ XBR0） 將每個(gè)模塊的 I/O 線連接到端口 I/O；每個(gè)模塊都可配制為獨(dú)立工作，有四種工作方式：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時(shí)器、高速輸出或脈寬調(diào)制器。在 SPWM 輸出程序中，對(duì) PCA 特殊功能寄存器進(jìn)行設(shè)置并啟動(dòng)計(jì)數(shù)器運(yùn)行，開始輸出 SPWM 波形。 圖 電壓型交 直 交變頻主電路 整流電路設(shè)計(jì) 采用三相橋式不可控整流電路將交流電整流為直流電，電路如圖 左半部分由 6 個(gè)二極管組成。電磁隔離 可分為 光 隔離驅(qū)動(dòng) 和 電隔離兩 種方式 。如圖 所示。本來(lái)光電脈沖編碼器的 A、 B 輸出可以直接接到 TMS320F2407 的 QEP1， QEP2 上，但為了保護(hù)起見，還是加上光電隔 離電路，電路如圖 所示 。電容器的容量越大，負(fù)載電阻值越大，充電和放電所需要的時(shí)間越長(zhǎng)。過壓、欠壓保護(hù)電路如圖 所示。由于 8051 芯片的 SPWM 的輸出電平范圍～ ，而 CMOS 的 輸入高、低電平的門限值分別為 、 ，因此當(dāng)8051 芯片的 SPWM 口直接接 74LS04 反相器時(shí)，反相器無(wú)法正常工作。所 有按鍵經(jīng)可編程邏輯器件 GAL16V8 處理后輸出四路信號(hào)，其中一路給了 8051 芯片 的外部中斷 1 引腳，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)下降沿送給該引腳，告訴 8051 芯片 外部有一個(gè)按鍵按下，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理；其余三路信號(hào)給了 8051 芯片 的三個(gè)通用 I/O 口，通過編碼設(shè)定的方法給每一個(gè)按鍵分配一個(gè)獨(dú)立的代碼，以便于 8051 芯片 分辨用戶按下了哪個(gè)按鍵，不致于引起誤操作。 (2)INT0中斷程序該程序主要用于啟動(dòng)定時(shí)器。 (4) 于修改 T1初始值的問題：變頻電源的頻率 f與 T1初始值 Xi的設(shè)定有重要的聯(lián)系 ， 因?yàn)樽冾l電源的頻率由壓力與給定壓力的信號(hào)差決定。 圖 顯示中斷程序 故障中斷服務(wù)程序 主電路的過流送至 8051 并發(fā)出信號(hào)，封鎖 HEF4752V 脈沖輸出，切斷主電路電源， 8051 通過 8255 的 PC4 得到故障記憶，并置相應(yīng)的故障位為“ 1”，以便進(jìn)行故障碼顯示。 單片機(jī)完成信息的讀取、運(yùn)算、傳送和控制功能。 總結(jié) 本設(shè)計(jì)是基于 C8051 系列單片機(jī)控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ,主要介紹了變頻調(diào)速技術(shù)，脈寬調(diào)制技術(shù)、單片機(jī)程序設(shè)計(jì)等問題，這是一個(gè)非常實(shí)用的控制系統(tǒng)。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，進(jìn)行工程知識(shí)和工程技能的綜合訓(xùn)練，使學(xué)生一走上工作崗位就具有較強(qiáng)的應(yīng)用生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)正在使用和近期可能推廣使用的技術(shù)去解決工程實(shí)際問題的能力。通 過此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我學(xué)習(xí)了很多新知識(shí)、新方法、新觀點(diǎn)，更是對(duì)我 大學(xué)學(xué)習(xí)的一個(gè)很好的總結(jié)。 頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)、和節(jié)能技術(shù)，已經(jīng)滲透到經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的所有技術(shù)部門中。把INT0()做為外部中斷源的請(qǐng)求信號(hào) , 用于計(jì)數(shù)器的復(fù)位。將八路故障輸出信號(hào)送到 8031 的 P1口，讀入 P1 口的狀態(tài)于 A 中，并判 斷，判斷時(shí)采用了循環(huán)右移位，并設(shè)置標(biāo)志位 8031 是低電平，移位后，判斷 CY 是否為零，若為零則有故障并同時(shí)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值為相對(duì)應(yīng)的故障值，輸出字形碼給 8279 顯示相應(yīng)的故障，直到八路故障顯示完后，在重新開始檢測(cè)。 圖 主程序框圖 初始化程序 初始化程序除完成 8051 的中斷源， 825 825初始化外，還需要對(duì) 8031片內(nèi) RAM 中的某些單元和 SLE4520 本身進(jìn)行初始化為進(jìn)行件故障檢測(cè)，設(shè)置故障位和故障計(jì)數(shù)器，初始化應(yīng)清零，為實(shí)現(xiàn)可變斜率升降頻設(shè)置斜率寄存器，初始化時(shí)應(yīng)放入最低斜率值， SLE4520 的初始化成對(duì)于保護(hù)系統(tǒng)完全可靠地啟動(dòng)是開始 系統(tǒng) 初始化 啟動(dòng) A∕D轉(zhuǎn)換器 數(shù)字濾波 PID 運(yùn)算 中斷 響應(yīng) 允許 INT0 中斷 修改 T1 初值 運(yùn)算結(jié)果等于給定值 必要的。 T0中斷程序該程序用于控制整流電路中可控硅晶閘管的移相角 α變化由于整流電路的整流輸出電壓 V0=(α≤60)， 所以改變 α可改變直流電壓的大小。 在軟件設(shè)計(jì)上，采取啟動(dòng) /運(yùn)行雙循環(huán)檢測(cè)、控制方案；故障的檢測(cè)與保護(hù)主要是利用了中斷方式對(duì)連續(xù)故障與極限故障進(jìn)行監(jiān)視；頻率控制的方法： ADC0809 將得到頻率設(shè)定的數(shù)字量輸送給 8051，則 8051 以該數(shù)量作為地址指針，對(duì)預(yù)先設(shè)置在內(nèi)存儲(chǔ)器中的電壓頻率函數(shù)表進(jìn)行查表，計(jì)算求出 8253 中 0通道和 1通道的分頻值，從中得到相應(yīng)的時(shí)鐘頻率信號(hào)且通過 F/V 函數(shù)表的設(shè)置保證了輸出壓 /頻比為線性關(guān)系，為防止頻率突變對(duì)系統(tǒng)造成損壞， 8051 根據(jù)所設(shè)置的升降頻繁控制進(jìn)行頻率變化，軟件規(guī)定：頻率穩(wěn)定后， 8253 的輸出狀態(tài)不變， 8051 只從事系統(tǒng)的檢測(cè)，保護(hù)和顯示等管理工作。通訊主要是指計(jì)算機(jī) (PC)與 8051 芯片 的系統(tǒng)通信，主要用來(lái)傳遞各種指令和參數(shù)。根據(jù)所選IGBT 的規(guī)格和用戶對(duì)系統(tǒng)的性能要求，來(lái)設(shè)定過壓與欠壓的限值，然后選擇 R R R3 的阻值來(lái)獲得適當(dāng)?shù)牟蓸与妷盒盘?hào)，再經(jīng) T 型濾波器分別送入兩比較器的同相端和反相端。 整流電路輸出的直流電壓的脈動(dòng)成分較大，此外逆變器部分產(chǎn)生的脈動(dòng)電流及負(fù)載變化也使直流電壓脈動(dòng)，因此要加入大電容濾波環(huán)節(jié)。這種脈動(dòng)直流一般是不能直接用來(lái)給無(wú)線電裝供電的。 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路