【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 多的可能 [2,6,7]。 華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 課題研究的意義 在工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域上廣泛采用交流異步電機(jī)，因?yàn)樵撾姍C(jī)構(gòu)造簡(jiǎn)單，檢修方便，但是隨著現(xiàn)在工農(nóng)業(yè)的不斷改進(jìn)，需要電機(jī)完成更多的功能，好多的領(lǐng)域都需要電機(jī)可 以根據(jù)不同的負(fù)載等情況自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩和速度等等。以前，對(duì)于調(diào)速要求比較高的場(chǎng)合，可以采用直流電機(jī)，但是直流電機(jī)有明顯的缺陷，容量不大，轉(zhuǎn)矩小，還有它采用了換向電刷，這個(gè)很容易損壞而且工作過(guò)程中會(huì)有火花，很不安全。后來(lái)，依據(jù)交流電機(jī)的特性，完成了傳統(tǒng)交流電機(jī)的一種新的調(diào)速方式，是通過(guò)轉(zhuǎn)子回路串電阻完成分段的調(diào)速控制，這種調(diào)速方式很耗能，而且裝置性能不好，技術(shù)落后，存在很多的問(wèn)題，所以使得異步電機(jī)在市場(chǎng)上不能得到大面積的推廣。所以對(duì)于感應(yīng)電機(jī)的可靠調(diào)速控制，需要一種更加優(yōu)良的控制方式，有更好的保障。 就計(jì)算 機(jī) 控制 技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況而言，微處理器是目前作為工業(yè)控制 應(yīng)用中 最理想的機(jī)型，它是采用計(jì)算機(jī) 數(shù)字控制 技術(shù)、按照 設(shè)計(jì)人員 事先編好 的 并儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)內(nèi)部 的 一段程序 代碼 來(lái)完成設(shè)備的 的相應(yīng) 操作控制 [7,8]。 采用 智能芯片，例如 單片機(jī) 的 控制，具有 硬件 電路 簡(jiǎn)潔、軟件 設(shè)計(jì) 靈活性強(qiáng)、 程序代碼 調(diào)試方便、 硬件設(shè)施和 軟件的 維護(hù)量小等特點(diǎn) 。 微處理器 ，包括了單片機(jī)在內(nèi)，逐漸在 代替 傳統(tǒng)的 模擬電路 來(lái) 用作 交流電機(jī)和直流 電機(jī)的控制器， 單片機(jī) 具有以下特點(diǎn)： （ 1） 程序代碼能夠大大 簡(jiǎn)化 實(shí)際電路裝置 。 傳統(tǒng)的 模擬電路 如果 要實(shí)現(xiàn) 某個(gè) 邏輯控制 ，學(xué)過(guò) 模電的讀者都會(huì)知道 需要很多電子 元 器件， 眾多的電子元器件會(huì)導(dǎo)致實(shí)際電路 更復(fù)雜 ，設(shè)備裝置體積龐大，而且可靠性能不高，容易故障。 采用 數(shù)字單片機(jī) 微處理器 實(shí)現(xiàn)某個(gè) 邏輯控制 ， 我們只需要通過(guò) 軟件 寫(xiě)一個(gè)行代碼即可 實(shí)現(xiàn)。 （ 2） 由于單片機(jī)是屬于智能元件，能夠編程，那么 可以 有效的 提供人 與 機(jī) 機(jī)器之間的 交互 ，設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，便于操作人員操作 。 （ 3） 單片機(jī)數(shù)字化 能夠 很容易的 完成較為復(fù)雜的 邏輯和算術(shù) 控制功能。 單片機(jī)微處理器擁有強(qiáng)大的 邏輯 運(yùn)算處理性能、具有運(yùn)算速度快、運(yùn)算結(jié)果 精度高， 而 且 還擁 有大容量的 可編程邏輯 存儲(chǔ)單元 和 flash 單 元 。 以上這些優(yōu)點(diǎn)使得單片機(jī) 能夠?qū)崿F(xiàn) 現(xiàn)代設(shè)備較為 復(fù)雜的控制 算法 。 （ 4） 單片機(jī)具有很好的操作 靈活性及 多功能 適應(yīng)性。 單片機(jī)作為一種數(shù)字 處理器 ，它 的控制方法 以及控制策略都是 由 設(shè)計(jì)人員事先編寫(xiě)程序 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的 。一旦設(shè)備不符合要求，常常做的方法是改變控制策略，但是主電路的硬件設(shè)施和接線(xiàn)結(jié)構(gòu) 一般 是 不需要 修改的 ， 也就是說(shuō)，我們 只須對(duì) 下載在單片機(jī)內(nèi)部的 程序 進(jìn)行 修改即可， 于是 在 設(shè)備 系統(tǒng)的調(diào)試 器件和升級(jí)器件 ， 不需要改變?cè)O(shè)備，也可以 不斷測(cè)試 系統(tǒng)的 參數(shù)，選擇 功能更好，性能 最優(yōu) 的方案 ， 因此，操作十分的 方便。 在 工業(yè) 應(yīng) 用 中的 計(jì)算機(jī) 一 般采用的是 PC 機(jī)，當(dāng)采用多核處理器時(shí)，該計(jì)算機(jī)具有 運(yùn)行速度 很快，能夠?qū)崿F(xiàn)在線(xiàn)實(shí)時(shí)控制 ， 同時(shí)，還 可以很方便的 進(jìn)行 軟件測(cè)試 。由于這種計(jì)余積卿： 基于單片機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī) PWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 算機(jī)的 功能 是 相當(dāng) 的 強(qiáng)大， 于是導(dǎo)致工業(yè) 計(jì)算機(jī)的價(jià)格 非常 昂貴， 同時(shí)工業(yè)計(jì)算機(jī)的體積非常的 大， 那么工業(yè)計(jì)算機(jī)一般是只應(yīng)用在 在大型的 控制 系統(tǒng)中。而單片機(jī) 微型處理器 就是 不一樣 的數(shù)字信號(hào)處理芯片 ，雖然 單片機(jī)的 芯片 體積 很小，但是 內(nèi)部的 集成度 是 很高 的 ，這樣一個(gè)很小芯片集成了上億個(gè)晶體管，不僅 可以完成定時(shí) 功能 、中斷 功能 、通信 功能 、采樣 功能 等等 ，還能實(shí)現(xiàn)與其他微型處理器的交互運(yùn)行 ， 其本質(zhì) 就是一個(gè)微型 的 計(jì)算機(jī) 控制芯片?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)， 本 課題設(shè)計(jì)的 系統(tǒng) 需要實(shí)現(xiàn) 的感應(yīng)電機(jī) PWM 變頻調(diào)速功能， 為此，我們可以選用 單片機(jī) 芯片，考慮到單片機(jī)的型號(hào)，我們選用 AT89S52 單片機(jī)芯片 。 華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 2 基于單片機(jī)的感應(yīng)電機(jī) PWM 變頻調(diào)速的基本原理 變頻調(diào)速基本原理 變頻器基本結(jié)構(gòu) 變頻器可以分為四個(gè)部分，如圖 21 所示。 常用的變頻器主要包括主回路完成主要功能和控制回路完成系統(tǒng)的控制。主電路主要是為感應(yīng)電機(jī)提供變頻電源的控制信號(hào)，有三個(gè)部分：平波、逆變和整流電路 。 平 波 逆 變控 制整 流 圖 21 變頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 變頻器調(diào)速控制方式 變頻調(diào)速是通過(guò)改變電機(jī)定子繞組供電的頻率來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的。 psf /)1(60n ?? （ ） 變頻器的控制方式有下面兩大類(lèi)： V/F 變頻器 （ 1）市場(chǎng)上常用的 V/F 變頻器采用的是開(kāi)環(huán)的控制方式。這種控制方式很 簡(jiǎn)單，都沒(méi)有速度的反饋，所以響應(yīng)速度也慢，電機(jī)可以使用標(biāo)準(zhǔn)的異步電機(jī)，通用性比較好，性?xún)r(jià)比也高，所以在常用的變頻器上多半采用這種方法。 （ 2）具有固定磁通功能的 V/F 變頻器 使用反饋磁通的方式使得感應(yīng)電機(jī)的三相正弦電流產(chǎn)生一個(gè)空間的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這樣就會(huì)有一個(gè)固定的電磁轉(zhuǎn)矩，這是為了解決經(jīng)典 V/F 變頻器在 V/F 值上調(diào)整苦難這一個(gè)問(wèn)題，這樣控制方式我們叫做磁鏈跟蹤控制。有時(shí)我們也把這種控制方式稱(chēng)為空間電壓矢量控制，因?yàn)榇沛湹嫩欅E是由電壓矢量相加獲得。 矢量控制方式的基本思想是：參考直流電機(jī)的 調(diào)速，讓控制感應(yīng)電機(jī)也可以像直流電機(jī)一樣控制來(lái)兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)速，將矢量分為無(wú)速度控制和有速度控制或者所閉環(huán)轉(zhuǎn)矩矢量控制。 余積卿： 基于單片機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī) PWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 SPWM 控制簡(jiǎn)介 脈沖寬度調(diào)制 作為 模擬控制方式 的一類(lèi) ，其 依 據(jù) 負(fù)載 的相應(yīng) 改變 來(lái)調(diào)制 晶閘管 基極或MOS 管 柵極的偏置 信號(hào) ，來(lái)實(shí)現(xiàn) 晶閘管 或 MOS 管導(dǎo)通時(shí)間 長(zhǎng)短 的 變化 ，從而 完成 開(kāi)關(guān)電源輸出 電壓 的改變。 該 方式 可以 使電源的輸出電壓在工作 情況發(fā)生 變化時(shí)保持 不變 ，是 借助 微處理器 的數(shù)字信號(hào)控制 模擬電路 的一種 可行 的技術(shù)。 PWM 控制技術(shù) 的 控制 方式 簡(jiǎn)單， 且具有 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好和靈活的優(yōu)點(diǎn) ，故是 電力電子技術(shù) 中 應(yīng)用最廣泛的 一種 控制方 法 ，也是 大家 研究的熱點(diǎn) ,包括單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制 。 因?yàn)?當(dāng)今科技的發(fā)展已經(jīng) 擺脫 了學(xué)科間的界限， 加上 現(xiàn)代控制理論 的方法 或無(wú)諧振波開(kāi)關(guān)技術(shù)將 能 成為 PWM 控制技術(shù)主要的發(fā)展方向之一。 下圖所示為單相橋式逆變電路，下面就改逆變電路介紹下單極性和雙極性 PWM 控制方式。 檢 測(cè)電 路負(fù) 載V 1 V 3V 2 V 4U dU rU cV D 1 V D 3V D 4V D 2 圖 22 單相橋式 PWM 逆變電路 單極性 PWM控制方式 單極性 PWM 控制如圖 22 所示 ,載波 uc 和調(diào)制波 ur 的交點(diǎn)時(shí)刻控制 IGBT 的開(kāi)通與關(guān)斷。 圖 23 單極性 PWM 控制波形 ① Ur 正半周， V1 保持通， V2 保持?jǐn)?, 當(dāng) uruc 時(shí) ,使 V4 通， V3 斷， u0=Ud 。 當(dāng) uruc 時(shí) ,使 V3 通， V4 斷， u0=0 。 華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 ② Ur 負(fù)半周， V1 保持?jǐn)啵?V2 保持通 , 當(dāng) uruc 時(shí) ,使 V4 通， V3 斷， u0=0 。 當(dāng) uruc 時(shí) ,使 V3 通， V4 斷， u0=Ud 。 雙極性 PWM控制方式 在 ur 的半個(gè)周期內(nèi)，三角載波有正也有負(fù)，所得到的的 PWM 波也有正有負(fù)，而且輸出 PWM 波只有177。 Ud 兩種電平。 圖 24 雙極性 PWM 調(diào)制波形 ① 當(dāng) uruc 時(shí)，給 V1 和 V4 導(dǎo)通信號(hào)，給 V2 和 V3 關(guān)斷信號(hào) , 若 i00,使 V1 和 V4 通，若 i00,使 VD1 和 VD4 通， u0=Ud 。 ② 當(dāng) uruc 時(shí)，給 V1 和 V4 關(guān)斷信號(hào)，給 V2 和 V3 導(dǎo)通信號(hào) , 若 i00,使 VD2 和 VD3 通，若 i00,使 V2 和 V3 通， u0=Ud 。 閉環(huán)控制原理 閉環(huán)控制是根據(jù)控制對(duì)象輸出反饋校正的控制方式 ,它是一個(gè)測(cè)量的實(shí)際和計(jì)劃發(fā)生偏差 ,根據(jù)修正的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn) 來(lái)調(diào)節(jié) 。 在控制理論中 ,閉環(huán)通常表示輸出取決于 “鏈 ”的方式反饋到輸入端 ,所謂的閉環(huán)控制。先輸入端和輸出端反饋控制輸出端后再計(jì)算錯(cuò)誤 ,這是閉環(huán)控制的原理 ,該方法取決于反饋。閉環(huán)控制是兩種基本的方法在正反饋和負(fù)反饋。負(fù)反饋和正反饋方面結(jié)束與一個(gè)類(lèi)似的意思。干涉效應(yīng) ,當(dāng)控制對(duì) 象 ,實(shí)際狀態(tài)與期望狀態(tài)的偏差 ,控制主體根據(jù)偏差的大小輸出將新的指令 ,減少偏差 ,消除干擾的影響。 在閉環(huán)控制 系統(tǒng) 中， 因?yàn)?控制主體能 依 據(jù) 回 饋 的 信息 計(jì)算 和 減小 受控客體運(yùn)行 過(guò)程 的偏差， 因而 抗干擾能力較強(qiáng)， 且 能有效的進(jìn)行 控制 ， 這樣便可 保證預(yù)定目標(biāo)的 輸出 。 控制系統(tǒng) 中所 采用 的控制大多是閉環(huán)控制 方法 ，用 到 的 控制原理 主要是 反饋原理 。這種控制如下圖所示： 余積卿： 基于單片機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī) PWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 控 制 主 體 被 控 系 統(tǒng)反 饋 系 統(tǒng)目 標(biāo) 值 偏 差 信 息 輸 出 圖 25 閉環(huán)系統(tǒng)原理框圖 PID 控制器 的 設(shè)計(jì)是 基于 連續(xù)系統(tǒng) PID 控制規(guī)律 理論 ，經(jīng) 過(guò) 采樣將其 離散化，并表達(dá)成離散形式 的 PID 方程，再 依據(jù) 離散 形式 方程 設(shè)計(jì) 控制程序。 我們常用的 PID 算法 一般 包括 3 項(xiàng)，比例、積分和微分項(xiàng)。 基于單片機(jī)的 PWM 變頻調(diào)速原理 為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的 PWM 變頻調(diào)速，我們采用 AT89S52 單片機(jī) 。系統(tǒng)框圖如下所示： 外 接 設(shè) 備（ 串 口 、顯 示 、 鍵盤(pán) 等 ）A T 8 9 S 5 2單 片 機(jī)芯 片S A 4 8 2 8感 應(yīng) 電 機(jī)回 路保 護(hù) 電 路檢 測(cè) 電 路A / D 圖 26 變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖