【導(dǎo)讀】51單片機的基本原理，包括中斷、指令、I／O口、定時器等；：電源相電壓U=220V,負載轉(zhuǎn)矩TL=，極對數(shù)P=2，北京：機械工業(yè)出版社，2020,45-80. 以三相異步電動機調(diào)速系統(tǒng)為基礎(chǔ)，闡述了基于8位單片機MCS-51為PWM控制，配合采用IGBT為主動功率器件完成三相異步電動機的PWM交流變頻調(diào)速。在此控制方式中，采用規(guī)則采樣法，用正弦波萊調(diào)制等腰三角形，從而得到。一系列的等幅不等寬的PWM波形。在逆變器主電路中，6個IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷由。每一個時間段上的高低電平萊確定的。另外，本文還介紹了MCS-51單片機的結(jié)構(gòu)、中。最后通過編寫MCS-51單片機控制的主程序和中斷程序來實現(xiàn)?；?1單片機的異步電動機變頻調(diào)速PWM調(diào)制方法的正確性和可行性。

　　

【正文】 GBT 作為開關(guān)器件的單相橋式電壓型逆變電路。設(shè)負載阻感性負載，工作時 V1和 V2 的通斷狀態(tài)互補， V3和 V4 的通斷狀態(tài)也互補。具體的控制規(guī)律如下：在輸出電壓 u0的正半周期，讓 V1保持通態(tài)， V2保持斷態(tài)， V3和 V4交替通斷。由于負載電流比電壓滯后，因此在 電壓正半周期，電流由一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負。在負載電流為正的區(qū)間， V1 和 V4導(dǎo)通時，負載電壓 u0等于直流電壓 Ud； V4 關(guān)斷時，負載電流通過 V1和 VD3續(xù)流， U0 =，仍為 V1 和 V4關(guān)斷時，因 i0為負，故實際上從 VD1 和 VD4 流過，仍有 U0=Ud； V4 關(guān)斷， V3 開通后， i0 從 V3 和 VD1續(xù)流， U0 =0。這樣， U0 總可以得到 Ud 和零兩種電平。同樣，在 U0 的負半周，讓 V2保持通態(tài)， V1保持斷態(tài)， V3 和 V4交替通斷，負載電壓 U0 可以得到 Ud 和 零兩種電平。控制 V3和 V4 通斷的方法如圖 23 所示。調(diào)制信號 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 的負半周期為負極性的三角波。在 Ur 和 Uc 的正半周期為正極性的三角波，在 Ur的負半周期為負極性的三角波。在 Ur 和 Uc的交點時刻控制 IGBT的通斷。在 Ur的正半周期， V1保持通態(tài)， V2保持斷態(tài)，當(dāng) UrUc時 V4導(dǎo)通， V3 關(guān)斷，U0 = Ud；當(dāng) UrUc時，使 V4關(guān)斷， V3導(dǎo)通， U0 = Ur 的負半周期， V1保持斷態(tài)，V2保持通態(tài)，當(dāng) UrUc時， V4關(guān)斷， V3導(dǎo)通， U0 =Ud；當(dāng) UrUc使 V4 導(dǎo)通， V3關(guān)斷，U0= SPWM 波形 U0，像這種在 Ur的半個周期內(nèi)三角波只在正極性或負極性一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的 PWM 波形也只在單極性范圍內(nèi)變化的控制方式成為單極性 PWM 控制方式。 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 控制方式相對應(yīng)的是雙極性控制方式。圖的單相橋式逆變電路采用雙極性控制方式的波形如圖所示。 采用雙極性方式時，在 rU 的半個周期內(nèi)，三角波不再是單極性的，而是有正有負，所得到的 PWM 波也是有正有負。在 rU 的一個周期內(nèi)，輸出的 PWM 波只有 + dU 和 dU兩種電平，而不像單極性控制那樣還有零電平。仍然在調(diào)制 信號 rU 和載波信號 cU 的交點時刻控制各個開關(guān)器件的通斷。在 rU 的正負半周，對各個開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。即當(dāng) rU cU 時，給 V1和 V4以導(dǎo)通信號， V2和 V3 以關(guān)斷信號，這時如 0i 0，則 V1和V4 通，如 0i 0，則 1VD 和 4VD 通。不管哪種情況都是輸出電壓 0U = dU 時，給 2v 和 3v 導(dǎo)通信號， V1和 V4關(guān)斷信號，這時如 0i 0，則 V2和 V3通，如 0i 0，則 2VD 和 3VD 通不管哪種情況都是 0U = dU 。 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。 三相橋式 PWM 型逆變電路 根據(jù) PWM 控 制的基本原理，如果給出了逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)， PWM 波形中各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計算出來。按照計算結(jié)果控制逆變電路中各個開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的 PWM 波形。這種方法就是計算法。從計算過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，結(jié)果都要變化。 與計算法相對應(yīng)的就是調(diào)制法，即把希望輸出的波形作為調(diào)制信號，把接收調(diào)制的信號作為載波，通過信號波得調(diào)制得到所期望 PWM 波形。通常采用等腰三角波或矩形波作為載波，其中等腰三角波應(yīng)用最多。因為 等腰三角波上任一點的水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對稱，當(dāng)它與任何一個平緩變化的調(diào)制信號波相交時，如果在交點時刻對電路中開關(guān)器件的通斷進行控制，就可以得到寬度正比于信號波幅值的脈沖，這正好符合 PWM 控制的要求。在調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是 SPWM 波形，我們的畢業(yè)設(shè)計所應(yīng)用的就是這種控制方式。 我們設(shè)計中是三相橋式 PWM 型逆變電路，采用雙極性控制方式。下面就這一具體情況進行分析。 如 如圖 25 三相橋式 PWM 型逆變電路 如圖 25 所示， U、 V 和 W 三相的 PWM 控制通常公用一個三角波載波 cU ，三相 19 的調(diào)制信號 rUu 、 rVu 和 rWu 依次相差 0120 。 U、 V和 W 各相功率開關(guān)器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以 U 相為例來說明。當(dāng) u crU uu ? 時，給上橋臂 V1以導(dǎo)通信號，給下橋臂 V4以關(guān)斷 信號，則 U相相對于直流電源假想中點 N 的輸出電壓 2/dUN Uu ? 。當(dāng) crU uu ? 時，給以導(dǎo)通信號，給 V1一關(guān)斷信號，則 2/dUN Uu ?? 。 V1和 V4 的驅(qū)動信號始終是互補的。當(dāng)給 V1(V4)加導(dǎo)通信號時，可能是 V1(V4)導(dǎo)通，也可能是二極管 VD1(VD4)續(xù)流，這要由阻感負載忠電流的方向來決定，這和單相橋式 PWM 型逆變電路的雙極性控制時的情況相同。電路的波形如圖 3—3 所示。由圖中可以看出， WNVNUN uuu 、 的 PWM 波形只有 2/dU? 兩種電平。 在電壓型逆變電路的 PWM 控制中，同一相上下兩個橋臂的驅(qū)動信號都是互補的。但實際上是為了防止上下兩個臂直通而造成短路，在上下兩臂通斷切換時要留下一小段上下臂都施加關(guān)斷信號的死去時間。死去時間的長短主要由功率開關(guān)器件的關(guān)斷時間來決定。這個死去時間將會給輸出的 PWM 波帶來一定的影響，使其稍稍偏離正弦波。 PWM 生成方法 PWM 控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用十分廣泛，目前中小功率的逆變電路幾乎都采用 了 PWM 技術(shù)。逆變電路是 PWM 控制技術(shù)最為重要的的應(yīng)用場合。在第二章中我們介紹了交 —直 —交變壓變頻電路的主要結(jié)構(gòu)，而在這里我們將著重介紹逆變電路的工作原理。 計算法和調(diào)制法 根據(jù)上節(jié)對 PWM 控制的基本原理，如果給出了逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)， PWM 波形中各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計算出來。計算結(jié)果控制逆變電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的 PWM 波形，這種方法就是計算法。從計算過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，結(jié) 果都要變化。 與計算法相對應(yīng)的就是調(diào)制法，即把希望輸出的波形作為調(diào)制信號，把接收調(diào)制的信號作為載波。通過信號波的調(diào)制得到所期望的 PWM 波形。通常采用等腰三角波或矩形波作為載波，其中等腰三角波應(yīng)用最多。因為等腰三角波上任何一點的水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對稱， 當(dāng)它與如何一個平緩變化的調(diào)制信號波相交時，如果在交點時刻對電路中開關(guān)器件的通斷進行控制，就可以得到寬度正比于信號波幅值的脈沖，這正好符合 PWM 控制要求。在調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是 SPWM 波形，我們的設(shè)計所應(yīng)用的就是這種控制方法。 規(guī)則采樣法 按照 SPWM 控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交點時刻控制功率開關(guān)器件的通斷，這種生成方法稱為自然采樣法。自然采樣法師最基本的剛發(fā)，所得到的SPWM 波形很接近正弦波。但這種方法要求解復(fù)雜的超越方程，在采用微機控制技術(shù)時需要花費大量的計算時間，難以在實時控制中在線計算，因而在工程上實際應(yīng)用不多。 規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實用方法，其效果接近自然采樣法，但計算量卻比自然采樣 法小得多。如圖 3—6 為規(guī)則采樣法的說明圖。取三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期 Tc ，在自然 采樣法中，每個脈沖的中點并不和三角波一周期的中點（即負峰值點）重合。而規(guī)則采樣法使兩者重合，也就是使每個脈沖的中點都以相應(yīng)的三角波中點（即負峰點）為對稱。這樣就是計算大為簡化。如圖 3—6 所示，在三角波的負峰時刻 tD 對正弦信號波采樣而得到 D 點，過 D 點作一水平直線和三角波分別交于 A點和 B 點，在 A 點時刻 tA 和 B 點時刻 tB 控制功率開關(guān)器件的通斷?？梢钥闯?，用這種規(guī)則采樣法得到的脈沖寬度 和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。 設(shè)正弦調(diào)制信號波為： tau rr sin?? (2—1) 式中， a 稱為調(diào)制度， 10 ??a ； rw 為正弦信號波波角頻率。從圖中 3—6 中可得如下關(guān)系式 222s in1 cDr Tta ?? ? ? (2—2) 三相橋逆變電路的情況： 21 通常三相的三角波載波公用，三相調(diào)制波相位依次差 120186。，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。u、 δ180。v 和 δ180。w，同一時刻三相正弦調(diào)制波電壓之和為零，由式 (3—2)得 )s i n1(2 Drc taT ?? ?? （ 2—3） 在三角波的一個周期內(nèi)，脈沖兩邊的間隙寬度 : )s i n1(4)(21 Drcc taTT ??? ????? （ 2—4） 故由式（ 3—1）可得： 23 cWVU T??? ??? (3—5) 故由式（ 3—3）可得： 43 cWVU T?????? ??? (3—6) 利用以上兩式可簡化三相 SPWM 波的計算。 第三 章 交 — 直 — 交變頻調(diào)速系統(tǒng) MATLAB 仿真 應(yīng)用計算機仿真技術(shù)對交直流調(diào)速系統(tǒng)進行仿真分析，可以加深我們對所有理論的理解，提高實踐動手能力。計算機仿真還是一種低成本的實驗手段，今年來獲得了廣泛的應(yīng)用。 目前，使用 MATLAB 對控制系統(tǒng)進行計算機仿真的主要方法是：以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用 MATLAB 的 Simulink 工具箱對其進行計算機仿真研究。本章就對PWM 交流變頻調(diào)速的 MATLAB 仿真作以研究。 PWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真 控制系統(tǒng)的計算機仿真是一門涉及到理論控制、計算數(shù)學(xué)與計算機 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)，以計算機為工具，對系統(tǒng)進行實驗研究的一種方法。系統(tǒng)仿真就是用模型（即物理模型或數(shù)學(xué)模型）代替實際系統(tǒng)進行實驗和研究，而計算機仿真能夠為各種實驗提供方便、廉價、靈活可靠的數(shù)學(xué)模型，因此，凡是要用模型進行實驗的，幾乎都可以用計算機仿真來研究被仿真系統(tǒng)的工作特點，選擇最佳參數(shù)和設(shè)計最合理的系統(tǒng)方案。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機仿真越來越多地取代純物理仿真。它為控制系統(tǒng)的分析、計算、研究、綜合設(shè)計及自動控制系統(tǒng)的計算機輔 22 助教學(xué)提供了快速、經(jīng)濟、科學(xué)及有效的手段。 目前，較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件是MATLAB，是用 MATLAB 對控制系統(tǒng)進行計算機仿真的主要方法是：以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用 MATLAB 的 Simulink 工具箱對其進行計算機仿真研究。 Matlab 軟件簡介 MATLAB 是矩陣實驗室（ Matrix Laboratory）的簡稱，是美國 MathWorks 公司出品的商業(yè) 數(shù)學(xué)軟件 ，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、 數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 兩大部分。 MATLAB 和 Mathematica、 Maple 并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在 數(shù)值計算 方面首屈一指。 MATLAB 可以進行 矩陣 運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建 用戶界面、連 接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、 圖像處理 、 信號檢測 、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。 Matlab 有以下諸多優(yōu)勢： （ 1）友好的工作平臺和編程環(huán)境 MATLAB 由一系列工具組成。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。包括 MATLAB 桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著MATLAB 的商業(yè)化以及軟件本身 的不斷升級， MATLAB 的用戶界面也越來越精致，更加接近 Windows 的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機交互性更強，操作更簡單。而且新版本的 MATLAB提供了完整的聯(lián)機查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運行，而且能夠及時地報告出現(xiàn)的錯誤及進行出錯原因分析。 （ 2）簡單易用的程序語言 Matlab 一個高級的矩陣 /陣列語言，它包含控制語句、函