【文章內(nèi)容簡介】 多的可能 [2,6,7]。 華東交通大學理工學院畢業(yè)設(shè)計 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，因為該電機構(gòu)造簡單，檢修方便，但是隨著現(xiàn)在工農(nóng)業(yè)的不斷改進，需要電機完成更多的功能，好多的領(lǐng)域都需要電機可 以根據(jù)不同的負載等情況自動調(diào)節(jié)運行的轉(zhuǎn)矩和速度等等。以前，對于調(diào)速要求比較高的場合，可以采用直流電機，但是直流電機有明顯的缺陷，容量不大，轉(zhuǎn)矩小，還有它采用了換向電刷，這個很容易損壞而且工作過程中會有火花，很不安全。后來，依據(jù)交流電機的特性，完成了傳統(tǒng)交流電機的一種新的調(diào)速方式，是通過轉(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，存在很多的問題，所以使得異步電機在市場上不能得到大面積的推廣。所以對于感應(yīng)電機的可靠調(diào)速控制，需要一種更加優(yōu)良的控制方式，有更好的保障。 就計算 機 控制 技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用情況而言，微處理器是目前作為工業(yè)控制 應(yīng)用中 最理想的機型，它是采用計算機 數(shù)字控制 技術(shù)、按照 設(shè)計人員 事先編好 的 并儲存在計算機內(nèi)部 的 一段程序 代碼 來完成設(shè)備的 的相應(yīng) 操作控制 [7,8]。 采用 智能芯片，例如 單片機 的 控制，具有 硬件 電路 簡潔、軟件 設(shè)計 靈活性強、 程序代碼 調(diào)試方便、 硬件設(shè)施和 軟件的 維護量小等特點 。 微處理器 ，包括了單片機在內(nèi)，逐漸在 代替 傳統(tǒng)的 模擬電路 來 用作 交流電機和直流 電機的控制器， 單片機 具有以下特點： （ 1） 程序代碼能夠大大 簡化 實際電路裝置 。 傳統(tǒng)的 模擬電路 如果 要實現(xiàn) 某個 邏輯控制 ，學過 模電的讀者都會知道 需要很多電子 元 器件， 眾多的電子元器件會導致實際電路 更復雜 ，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 微處理器 實現(xiàn)某個 邏輯控制 ， 我們只需要通過 軟件 寫一個行代碼即可 實現(xiàn)。 （ 2） 由于單片機是屬于智能元件，能夠編程，那么 可以 有效的 提供人 與 機 機器之間的 交互 ，設(shè)計人機交互界面，便于操作人員操作 。 （ 3） 單片機數(shù)字化 能夠 很容易的 完成較為復雜的 邏輯和算術(shù) 控制功能。 單片機微處理器擁有強大的 邏輯 運算處理性能、具有運算速度快、運算結(jié)果 精度高， 而 且 還擁 有大容量的 可編程邏輯 存儲單元 和 flash 單 元 。 以上這些優(yōu)點使得單片機 能夠?qū)崿F(xiàn) 現(xiàn)代設(shè)備較為 復雜的控制 算法 。 （ 4） 單片機具有很好的操作 靈活性及 多功能 適應(yīng)性。 單片機作為一種數(shù)字 處理器 ，它 的控制方法 以及控制策略都是 由 設(shè)計人員事先編寫程序 軟件來實現(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)施和接線結(jié)構(gòu) 一般 是 不需要 修改的 ， 也就是說，我們 只須對 下載在單片機內(nèi)部的 程序 進行 修改即可， 于是 在 設(shè)備 系統(tǒng)的調(diào)試 器件和升級器件 ， 不需要改變設(shè)備，也可以 不斷測試 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 計算機 一 般采用的是 PC 機，當采用多核處理器時，該計算機具有 運行速度 很快，能夠?qū)崿F(xiàn)在線實時控制 ， 同時，還 可以很方便的 進行 軟件測試 。由于這種計余積卿： 基于單片機的感應(yīng)電動機 PWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 4 算機的 功能 是 相當 的 強大， 于是導致工業(yè) 計算機的價格 非常 昂貴， 同時工業(yè)計算機的體積非常的 大， 那么工業(yè)計算機一般是只應(yīng)用在 在大型的 控制 系統(tǒng)中。而單片機 微型處理器 就是 不一樣 的數(shù)字信號處理芯片 ，雖然 單片機的 芯片 體積 很小，但是 內(nèi)部的 集成度 是 很高 的 ，這樣一個很小芯片集成了上億個晶體管，不僅 可以完成定時 功能 、中斷 功能 、通信 功能 、采樣 功能 等等 ，還能實現(xiàn)與其他微型處理器的交互運行 ， 其本質(zhì) 就是一個微型 的 計算機 控制芯片?；谝陨蟽?yōu)勢， 本 課題設(shè)計的 系統(tǒng) 需要實現(xiàn) 的感應(yīng)電機 PWM 變頻調(diào)速功能， 為此，我們可以選用 單片機 芯片，考慮到單片機的型號，我們選用 AT89S52 單片機芯片 。 華東交通大學理工學院畢業(yè)設(shè)計 5 2 基于單片機的感應(yīng)電機 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)電機提供變頻電源的控制信號，有三個部分：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)簡圖 變頻器調(diào)速控制方式 變頻調(diào)速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調(diào)速的目的。 psf /)1(60n ?? （ ） 變頻器的控制方式有下面兩大類： V/F 變頻器 （ 1）市場上常用的 V/F 變頻器采用的是開環(huán)的控制方式。這種控制方式很 簡單，都沒有速度的反饋，所以響應(yīng)速度也慢，電機可以使用標準的異步電機，通用性比較好，性價比也高，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)電機的三相正弦電流產(chǎn)生一個空間的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，這樣就會有一個固定的電磁轉(zhuǎn)矩，這是為了解決經(jīng)典 V/F 變頻器在 V/F 值上調(diào)整苦難這一個問題，這樣控制方式我們叫做磁鏈跟蹤控制。有時我們也把這種控制方式稱為空間電壓矢量控制，因為磁鏈的蹤跡是由電壓矢量相加獲得。 矢量控制方式的基本思想是：參考直流電機的 調(diào)速，讓控制感應(yīng)電機也可以像直流電機一樣控制來兩個獨立的調(diào)速，將矢量分為無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： 基于單片機的感應(yīng)電動機 PWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 6 SPWM 控制簡介 脈沖寬度調(diào)制 作為 模擬控制方式 的一類 ，其 依 據(jù) 負載 的相應(yīng) 改變 來調(diào)制 晶閘管 基極或MOS 管 柵極的偏置 信號 ，來實現(xiàn) 晶閘管 或 MOS 管導通時間 長短 的 變化 ，從而 完成 開關(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 變化時保持 不變 ，是 借助 微處理器 的數(shù)字信號控制 模擬電路 的一種 可行 的技術(shù)。 PWM 控制技術(shù) 的 控制 方式 簡單， 且具有 動態(tài)響應(yīng)好和靈活的優(yōu)點 ，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 ,包括單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制 。 因為 當今科技的發(fā)展已經(jīng) 擺脫 了學科間的界限， 加上 現(xiàn)代控制理論 的方法 或無諧振波開關(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 測電 路負 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 的交點時刻控制 IGBT 的開通與關(guān)斷。 圖 23 單極性 PWM 控制波形 ① Ur 正半周， V1 保持通， V2 保持斷 , 當 uruc 時 ,使 V4 通， V3 斷， u0=Ud 。 當 uruc 時 ,使 V3 通， V4 斷， u0=0 。 華東交通大學理工學院畢業(yè)設(shè)計 7 ② Ur 負半周， V1 保持斷， V2 保持通 , 當 uruc 時 ,使 V4 通， V3 斷， u0=0 。 當 uruc 時 ,使 V3 通， V4 斷， u0=Ud 。 雙極性 PWM控制方式 在 ur 的半個周期內(nèi)，三角載波有正也有負，所得到的的 PWM 波也有正有負，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 uruc 時，給 V1 和 V4 導通信號，給 V2 和 V3 關(guān)斷信號 , 若 i00,使 V1 和 V4 通，若 i00,使 VD1 和 VD4 通， u0=Ud 。 ② 當 uruc 時，給 V1 和 V4 關(guān)斷信號，給 V2 和 V3 導通信號 , 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)控制對象輸出反饋校正的控制方式 ,它是一個測量的實際和計劃發(fā)生偏差 ,根據(jù)修正的規(guī)范或標準 來調(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算錯誤 ,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反饋。負反饋和正反饋方面結(jié)束與一個類似的意思。干涉效應(yīng) ,當控制對 象 ,實際狀態(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， 因為 控制主體能 依 據(jù) 回 饋 的 信息 計算 和 減小 受控客體運行 過程 的偏差， 因而 抗干擾能力較強， 且 能有效的進行 控制 ， 這樣便可 保證預定目標的 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： 基于單片機的感應(yīng)電動機 PWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 8 控 制 主 體 被 控 系 統(tǒng)反 饋 系 統(tǒng)目 標 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)計是 基于 連續(xù)系統(tǒng) PID 控制規(guī)律 理論 ，經(jīng) 過 采樣將其 離散化，并表達成離散形式 的 PID 方程，再 依據(jù) 離散 形式 方程 設(shè)計 控制程序。 我們常用的 PID 算法 一般 包括 3 項，比例、積分和微分項。 基于單片機的 PWM 變頻調(diào)速原理 為了實現(xiàn)單片機的 PWM 變頻調(diào)速，我們采用 AT89S52 單片機 。系統(tǒng)框圖如下所示： 外 接 設(shè) 備（ 串 口 、顯 示 、 鍵盤 等 ）A T 8 9 S 5 2單 片 機芯 片S A 4 8 2 8感 應(yīng) 電 機回 路保 護 電 路檢 測 電 路A / D 圖 26 變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖