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正文內(nèi)容

基于單片機的交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計設(shè)計(編輯修改稿)

2025-01-12 09:40 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 次諧波。 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,都是對三相輸出相電壓分別進行控制的,使其輸出接近正弦波,但是,對于像三相異步電動機這樣的三相無中線對稱負載,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。因此,提出了線電壓控制 PWM,主要有以下兩種方法。 馬鞍形波與三角 波比較法 馬鞍形波與三角波比較法也就是諧波注入 PWM 方式 (HIPWM),其原理是在正弦波中加入一定比例的三次諧波,調(diào)制信號便呈現(xiàn)出馬鞍形,而且幅值明顯降低,于是在調(diào)制信號的幅值不超過載波幅值的情況下,可以使基波幅值超過三角波幅值,提高了直流電壓利用率。在三相無中線系統(tǒng)中,由于三次諧波電流無通路,所以三個線電壓和線電流中均不含三次諧波。除了可以注入三次諧波以外,還可以注入其他 3 倍頻于正弦波信號的其他波形,這些信號都不會影響線電壓。這是因為,經(jīng)過 PWM 調(diào)制后逆變電路輸出的相電壓也必然包含相應(yīng)的 3 倍頻于正弦波信號 的諧波,但在合成線電壓時,各相電壓中的這些諧波將互相抵消,從而使線電壓仍為正弦波。 單元脈寬調(diào)制法 因為,三相對稱線電壓有 Uuv+Uvw+Uwu=0 的關(guān)系,所以,某一線電壓任何時刻都等于另外兩個線電壓負值之和?,F(xiàn)在把一個周期等分為 6 個區(qū)間,每區(qū)間60176。,對于某一線電壓例如 Uuv,半個周期兩邊 60176。區(qū)間用 Uuv 本身表示,中間 60176。區(qū)間用 (Uvw+Uwu)表示,當(dāng)將 Uvw和 Uwu 作同樣處理時,就可以得到三相線電壓波形只有半周內(nèi)兩邊 60176。區(qū)間的兩種波形形狀,并且有正有負。把這樣的電壓波形作為脈寬調(diào) 制的參考信號,載波仍用三角波,并把各區(qū)間的曲線用直線近似 (實踐表明,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,該波形是完全對稱,且規(guī)律性很強,負半周是正半周相應(yīng)脈沖列的反相,因此, 只要半個周期兩邊 60176。區(qū)間的脈沖列一經(jīng)確定,線電壓的調(diào)制脈沖波形就唯一 的確定了。這個脈沖并不是開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖信號,但由于已知三相線電壓的脈沖工作模式,就可以確定開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖信號了。 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),同時還能帶來用微機控制的方便,但該方法只適用于異步電 動機,應(yīng)用范圍較小。 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,把實際的電流波形作為反饋信號,通過兩者瞬時值的比較來決定各開關(guān)器件的通斷,使實際輸出隨指令信號的改變而改變。其實現(xiàn)方案主要有以下 3 種。 滯環(huán)比較法 這是一種帶反饋的 PWM 控制方式,即每相電流反饋回來與電流給定值經(jīng) 過滯環(huán)比較器,得出 的 相應(yīng)橋臂開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài),使得實際電流跟蹤給定電流的變化。該方法的優(yōu)點是電路簡單,動態(tài)性能好,輸出電壓不含特定頻率的諧波分量。其缺點是開關(guān)頻率不固定造成 較為嚴重的噪音,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。 三角波比較法 該方法與 SPWM 法中的三角波比較方式不同,這里是把指令電流與實際輸出電流進行比較,求出偏差電流,通過放大器放大后再和三角波進行比較,產(chǎn)生PWM 波。此時開關(guān)頻率一定,因而克服了滯環(huán)比較法頻率不固定的缺點。但是,這種方式電流響應(yīng)不如滯環(huán)比較法快。 預(yù)測電流控制法 預(yù)測電流控制是在每個調(diào)節(jié)周期開始時,根據(jù)實際電流誤差,負載參數(shù)及其它負載變量,來預(yù)測電流誤差矢量趨勢,因此,下一個調(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。該方法的優(yōu)點是,若給調(diào)節(jié)器除誤差外更多的信息,則可獲得比較快速、準確的響應(yīng)。目前,這類調(diào)節(jié)器的局限性是響應(yīng)速度及過程模型系數(shù)參數(shù)的準確性。 空間電壓矢量控制 PWM 空間電壓矢量控制 PWM(SVPWM)也叫磁通正弦 PWM 法。它以三相波形整體生成效果為前提,以逼近電機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)生的實際磁通去逼近基準圓磁通,由它們的比較結(jié)果決定逆變器的開關(guān),形成 PWM 波形。此法從電動機的角度出發(fā),把逆變器和電機看作一個整體,以內(nèi)切多邊 形逼近圓的方式進行控制,使電機獲得幅值恒定的圓形磁場 (正弦磁通 )。 具體方法又分為磁通開環(huán)式和磁通閉環(huán)式。磁通開環(huán)法用兩個非零矢量和一個零矢量合成一個等效的電壓矢量,若采樣時間足夠小,可合成任意電壓矢量。此法輸出電壓比正弦波調(diào)制時提高 15%,諧波電流有效值之和接近最小。磁通閉環(huán)式引入磁通反饋,控制磁通的大小和變化的速度。在比較估算磁通和給定磁通后,根據(jù)誤差決定產(chǎn)生下一個電壓矢量,形成 PWM 波形。這種方法克服了磁通開環(huán)法的不足,解決了電機低速時,定子電阻影響大的問題,減小了電機的脈動和噪音。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。 矢量控制 PWM 矢量控制也稱磁場定向控制,其原理是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流 Ia, Ib 及 Ic,通過三相 /二相變換,等效成兩相靜止坐標系下的交流電流 Ia1及 Ib1,再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換,等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流電流Im1及 It1(Im1 相當(dāng)于直流電動機的勵磁電流; It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流 ),然后模仿對直流電動機的控制方法,實現(xiàn)對交流電動機的控制。其實質(zhì)是將交流電動機等效為直流電動機,分別對速度、磁場兩個分量進行獨立控制。通過控 制轉(zhuǎn)子磁鏈,然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量,經(jīng)坐標變換,實現(xiàn)正交或解耦控制。 但是,由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準確觀測,以及矢量變換的復(fù)雜性,使得實際控制效果往往難以達到理論分析的效果,這是矢量控制技術(shù)在實踐上的不足。此外 ,它必須直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實現(xiàn)定子電流解耦控制,在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配置轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器,這顯然給許多應(yīng)用場合帶來不便。 直接轉(zhuǎn)矩控制 PWM 直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同,它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩,而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制, 它也不需要解耦電機模型,而是在靜止的坐標系中計算電機磁通和轉(zhuǎn)矩的實際值,然后,經(jīng)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的 BandBand控制產(chǎn)生 PWM 信號對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制,從而在很大程度上解決了上述矢量控制的不足,能方便地實現(xiàn)無速度傳感器化,有很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高的速度及轉(zhuǎn)矩控制精度,并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展 。 但直接轉(zhuǎn)矩控制也存在缺點,如逆變器開關(guān)頻率的提高有限制。 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。該技術(shù)同時具有調(diào)制和控制的雙重性,通過復(fù)位開關(guān)、積分器、觸發(fā)電路、比較器達到跟蹤指令信號的目的。單周控制器由控制器、比較器、積分器及時鐘組成,其中控制器可以是 RS 觸發(fā)器 。單周控制在控制電路中不需要誤差綜合 ,它能在一個周期內(nèi)自動消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)誤差,使前一周期的誤差不會帶到下一周期。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、魯棒性強等優(yōu)點 。 第 四 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 變頻調(diào)速技術(shù)是近 20年內(nèi)發(fā)展起來的一門新技術(shù)。隨著電力電子技術(shù)的日益發(fā)展和 PWM控制技術(shù)的成熟 , 利用電機的轉(zhuǎn)速和輸入電源的頻率是線性關(guān)系這一原理 , 將 50Hz 的交流電通過整流和逆變轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的電源 , 供給異步電動機 ,實現(xiàn)調(diào)速的目的。利用單片機組成的變頻調(diào)速控制器可以實現(xiàn)從低頻 (1~2Hz) 起動到 50Hz ,可以消除以往工頻 50Hz 直接起動對電機的沖擊 , 延長電機的使用壽命 ,同時由于變頻器的輸出電壓可以自適應(yīng)調(diào)節(jié) , 使負載 電機可以工作在額定電壓以下 ,不僅節(jié)能且可延長電機的使用壽命。 系統(tǒng)工作原理 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如圖 所示,從結(jié)構(gòu)上主要分為控制部分和執(zhí)行部分。單片機、時鐘電路、通訊接口、鍵盤與顯示電路、光電耦合、 IPM 逆變器、整流模塊、轉(zhuǎn)速檢測和故障檢測、報警電路等組成。執(zhí)行部分為三相異步交流電動機。 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 : 電機的轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)換成矩形脈沖信號,經(jīng)光電隔離 后進入單片機計數(shù)器,由計數(shù)器值獲得電機的實際轉(zhuǎn)速,與設(shè)定轉(zhuǎn)速比較,人機接口電路 光電隔 離 相電流檢測測 轉(zhuǎn)速檢測 計算機 8051 整流電路 檢測電路 濾 波 電 路 逆變及驅(qū)動電路 M 經(jīng) FuzzyPID 控制 器調(diào)節(jié)后,單片機產(chǎn)生的 PWM 波經(jīng) 6N137 線性光耦進行電氣隔離后作用于逆變模塊 IPM( intelligent power module),實現(xiàn)電機的閉環(huán)變頻調(diào)速?;魻栯娏鳌㈦妷簜鞲衅鲗z測到的逆變模塊的三相輸出電流、電壓信號,經(jīng)采樣保持后進入單片機,完成 A/D 轉(zhuǎn)換后,由 CPU 進行處理。逆變模塊工作時所需要的 直流電壓信號由整流電路對 380V 電源進行全橋整流得到。 基于 8051 的變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計方案方框圖如圖 所示。本系統(tǒng)采用 TI 公司的 TMS320LF2407A 為控制核心,逆變驅(qū)動電路芯片采用美國國際整流公司的 IR2I32。主要由主電路(整流電路、逆變和逆變驅(qū)動電路、檢測電路、濾波電路)、光電隔離電路、過壓保護電路、 8051 控制電路和人機接口電路組成。 SPWM 技術(shù)原理 SPWM 技術(shù)的基本原理是利用一個三角波載波和一個正弦波進行比較,得到一個寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列,用它們來驅(qū)動逆變器 開關(guān)管的開關(guān)轉(zhuǎn)換。由微控制器來實現(xiàn) SPWM 波形的方法有表格法、隨時計算法和實時計算法,但前兩種無實時處理能力。采用實時計算法要有數(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、對稱規(guī)則采樣法和不對稱規(guī)則采樣法。典型的單 極性對稱規(guī)則采樣法, 在三角波的峰值時刻采樣正弦調(diào)制 波并將采樣值保持,分別取保持值和三角波交點作為脈沖寬度時間。 若 Ts 為三角波的周期,同時也是采樣周期; Ur 為三角波的高,正弦波為 Ucsinωt。根據(jù)三角形相似關(guān)系,得到rcT U wtUtSsin2on ? 所以 , wtMTt son ? , 其中 , M=Uc/Ur 為調(diào)制比 , t 為采樣點(這里為頂點采樣)的時刻。則脈沖寬度為 wtMTT SPM sin? , 采樣點時刻 t只與載波比 N 有關(guān)。 在對稱規(guī)則采樣情況下,只要知道采樣點時刻 t 就可以確定這個采樣周期內(nèi)的脈沖寬度 TPM和時間間隔 Toff,從而可以計算出 SPWM波形高、低脈沖的寬度。 C8051 實現(xiàn) SPWM 波形的原理及算法 (1) C8051F 系列單片機 PCA 簡介 C8051F 系列單片機都具有一個可編程計數(shù)器陣列 PCA,以 C8051F040 為例,PCA 包含 1 個專用的 16 位計數(shù)器 /定時器和 6 個 16 位捕捉 /比較模塊,可以輸出 6 路 PWM 波形。如圖 2 所示, 16 位 PCA 專用計數(shù)器 /定時器的時基信號可有多種選擇,可通過配置相關(guān)的系統(tǒng)控制器的特殊功能寄存器 ( SFR) 來實現(xiàn)。每個捕捉 /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) 將每個模塊的 I/O 線連接到端口 I/O;每個模塊都可配制為獨立工作,有四種工作方式:邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時器、高速輸出或脈寬調(diào)制器。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 位計數(shù)器 /定時器 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,模塊的 CEXn 引腳上的邏輯電平將發(fā)生跳變,并產(chǎn)生一個中斷請求,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, CPU 將轉(zhuǎn)向 CCF 中斷服務(wù)程序。如果將相應(yīng)模塊的 I/O 線 CEXn 連接到端口 I/O,單片機相應(yīng)端口輸出電平即發(fā)生變化,這就可實現(xiàn) PWM 脈沖的高、低電平輸出。置位 PCA0CPMn 寄存器中的 TOGn、 MATn、 ECOMn 和 ECCFn 位,將允許高速輸出方式,同時允許 CCF 中斷。 (2) SPWM 波形生成方法 利用 C8051 的 PCA 計數(shù)器產(chǎn)生 SPWM 波形的基本原理是:在高速輸出并且允許 CCF 中斷方式下,不斷在 CCF 中斷服務(wù)程序中將事先計算好的 SPWM 波形的脈沖寬度累加到捕捉 /比較模塊寄存器 PCA0CPn(高 8 位 PCA0CPHn 和低 8位 PCA0CPLn)中,這樣在捕捉 /比較模塊寄存器和計數(shù)器 /定時器相匹配時就得到相應(yīng)的 SPWM 波形不斷交替的高低電平。 如果選用捕捉 /比較模塊 0 輸出此路 SPWM,則首先將 l0 裝入
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