【正文】 計(jì)方案 圖 24 為基于單片機(jī)的變頻器的原理框圖。 頻率不同，可分配的時(shí)段數(shù)是不一樣的，按下式計(jì)算： n= 調(diào) 制 頻 率變 頻 頻 率=1200Hzf (21) 頻率為 10Hz 時(shí)，一個(gè)周期可分配 120 個(gè) 時(shí)段（要求能被 4 整出），而 50Hz 僅分配 24 個(gè)時(shí)段。電路中 L C2 是濾波電路，它可以使輸出交流電更接近于正弦波。如果分配的時(shí)段非常多，等效輸出電壓就更為接近正弦波電壓。這就需要采用正弦波脈寬調(diào)制（ SPWM， Sinusoidal T1/T4 導(dǎo)通 T2/T3 導(dǎo)通 T1/T4 導(dǎo)通 8 Pulse Width Modulation）方式，單片機(jī)要按照正弦規(guī)律對(duì)功率管進(jìn)行控制。 正弦脈寬調(diào)制 隨著變頻輸出功率的加大，僅用開關(guān)原理生成的交變電壓中包含了大量低次諧波，對(duì)電網(wǎng)和外部空間形成很大的干擾。 電動(dòng)機(jī) M上獲得的電壓波形如圖 23 所示。 單相交流電 J1 端子輸入，經(jīng)過 D1 橋式整流，電容器 C1 濾波，得到較為平滑的直流電，施加到由四個(gè)功率管 T1~T4 組成的橋式逆變電路上。所以，當(dāng) 同步轉(zhuǎn)速 連續(xù)可調(diào)時(shí)， 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也連續(xù)可調(diào)。 變頻調(diào)速的工作原理 當(dāng)頻率 f 連續(xù)可調(diào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速也連續(xù)可調(diào)。 變頻器的功用 變頻器的功用是將頻率固定（通常為工頻 50Hz）的交流電（三相的或單相的）變換成頻率連續(xù)可調(diào)（多數(shù)為 0~400Hz）的三相交流電源。電感性負(fù)載不容許電流突變，如果用電流型電路作脈寬調(diào)制，則很快的開關(guān)速度會(huì)導(dǎo)致過 高的電流變化率，在負(fù)載上激發(fā)出很高的瞬時(shí)電壓，可能導(dǎo)致器件的過電壓擊穿，因此，用電流型濾波電路作 SPWM 變頻不舍和電感性負(fù)載。由于這些原因，現(xiàn)在的通用變頻器基本都采用了脈寬調(diào)制技術(shù)。由于逆變器既變頻又變壓，因此，整流部分可采用不可控二極管整流橋，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且電源側(cè)功率因數(shù)提高，變頻器的電壓響應(yīng)速度也不受中間回路參數(shù)影響。也可以正向脈沖和負(fù)向脈沖交替發(fā)出，那么占空比就是指的正脈沖寬度與緊接其后的負(fù)脈沖寬度之間的比值了，這稱 為雙極型方式。如果窄脈沖的頻率夠高的話，即使輸出頻率相當(dāng)高，也能夠得到很接近正弦規(guī)律的平均電壓輸出波形。利用脈沖寬度和頻率都可以控制占空比的的作用與交 —— 交變頻中改變控制角的作用大致一樣。至于正、負(fù)半波的轉(zhuǎn)換，則仍然靠?jī)山M反并聯(lián)器件完成。改變最大電壓時(shí)的脈沖寬度，就改變了平均電壓的幅值實(shí)現(xiàn)了調(diào)壓。在輸出波形的每個(gè)半周中，將占空比由小變大再由大變小即可。我們把脈沖寬度與間隔寬度之比定義為占空比 ，那么調(diào)整脈沖的占空比就能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)壓。所謂橫向調(diào)壓，就是用一連串很窄的矩形脈沖代替一個(gè)寬的矩形脈沖，由于中間存在沒有脈沖的間隔，因此平均電壓降低了。整流橋增加，波形卻與交 —— 交變頻一樣，所以此路不通。其次，中間濾波環(huán)節(jié)限制電壓或者電流的變化速度，因此調(diào)節(jié)速度跟不上。如果交 —— 直 —— 交變頻能夠按照交 —— 交變頻中利用調(diào)壓構(gòu)造交流電波形的原理，同時(shí)尋找到更好的調(diào)壓方法來改善波形，就能夠獲得更好的運(yùn)行性能。 6 第 2章 系統(tǒng)變頻原理及方案 變頻調(diào)速 原理 PAM 方式由于忽略了交流電波形中幅值的變化，使變頻時(shí)波形不變化，因此，擺脫了工作頻率受限制的問題，也簡(jiǎn)化了主電路。將反饋回的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)送至單片機(jī)系統(tǒng)，通過以編好的程序進(jìn)行動(dòng)作。再將信號(hào)通過逆變器， 將直流脈沖信號(hào)變成交流信號(hào)。 本文主要研究?jī)?nèi)容 本文研究的主要內(nèi) 容 的流程為 ， 首先 將交流工作電源 通過 整流 器整流 為直流 電源 ，然后再經(jīng)過電容濾波并 變成脈沖形式， 此過程本設(shè)計(jì)運(yùn)用硬件 SA4828 來實(shí)現(xiàn)。而且 具有轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)速精度高、減速停車速度快的特性。 硬件電路設(shè)計(jì)模塊化，以確保電路穩(wěn)定高效的運(yùn)行。 5 國(guó)內(nèi)變 頻器簡(jiǎn)介 國(guó)內(nèi)的變頻器主要有三晶、科姆龍等。但實(shí)際上，滯環(huán)方式是利用有效電壓空間矢量和零矢量交替使用來是現(xiàn)代，而目前使用的矢量控制也都是脈寬調(diào)制逆變方式。 在目前實(shí)際使用的商品型通用變頻器中，矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制都屬于高性能的控制模式，對(duì)于兩者之間的差別，主推矢量控制的公司和主推直接轉(zhuǎn)矩控制的公司都有各自的說明。 直接轉(zhuǎn)矩控制（ DTC）方式 直接轉(zhuǎn)矩控制是直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的 磁鏈和轉(zhuǎn)矩。在高速時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)速只用來作為轉(zhuǎn)速器的反饋信號(hào)，在低速時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)還是磁鏈仿真電流模型的輸入信號(hào)，這和使用了電壓電流雙模型的轉(zhuǎn)子磁鏈定向型矢量控制情況差不多，轉(zhuǎn)速推算的誤差對(duì)于穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)的影響也差不多。 與矢量控制比較， 矩陣式 控制的控制結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單一些，另外，一個(gè)重大的差別是 矩陣 控制的控制作用直接施加到逆變器開關(guān)狀態(tài)控制上，而不需要由SPWM 控制 器進(jìn)行轉(zhuǎn)換控制，因此控制響應(yīng)要 迅速一些。 矩陣式交 —— 交控制 矩陣式交 —— 交變頻方式使得中間直流環(huán)節(jié)不必再用，省去了時(shí)間，從而也省去了體積大、價(jià)格昂貴的電解電容。然而，實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)自磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受到電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過程中，所用到的矢量旋轉(zhuǎn)變換較為復(fù)雜，即使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想的分析結(jié)果。 矢量控制（ VC） 矢量控制是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，并分別對(duì)速度、磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行控制。這樣將電流閉環(huán)調(diào)節(jié)引入控制，簡(jiǎn)化了計(jì)算，提高 了磁鏈和轉(zhuǎn)矩精度。用勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流閉環(huán)調(diào)節(jié)來代替電流電壓變換環(huán)節(jié)，電流閉環(huán)調(diào)節(jié)的輸出指令 4 是電壓指令，經(jīng)過變換后可以控制電壓型 PWM 逆變器。 U/F 控制模式，在磁通近似恒定前提下，以開環(huán)方式進(jìn)行頻率控制，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)依靠轉(zhuǎn)速差產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩自然平衡，因此，存在一個(gè)與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相關(guān)的轉(zhuǎn)速偏差，動(dòng)態(tài)加速時(shí)依靠實(shí)際轉(zhuǎn)速提升的滯后，產(chǎn)生過量的轉(zhuǎn)速差，使電磁轉(zhuǎn)矩自然提升到加速所需的水平，因此，存在一個(gè)與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和頻率提升速度相關(guān)的動(dòng)態(tài)延遲，這個(gè)延遲使得動(dòng)態(tài)過度過程中的速度偏差比穩(wěn)態(tài)時(shí)大得多。 當(dāng)頻率高于工頻時(shí)，受到供電電壓和電動(dòng)機(jī)絕緣水平的限制，電壓不能繼續(xù)保持與頻率的比例不變，而是停留在額定電壓水平，這時(shí)電動(dòng)機(jī)磁通大大衰減，屬于弱磁運(yùn)行。 國(guó)內(nèi)外 變頻方式 現(xiàn)狀 根據(jù)國(guó)內(nèi)外不同的 的變頻控制理論，變頻控制方式主要有以下幾種： U/F=C 的正弦脈寬調(diào)制（ SPWM）的控制方式 正弦脈寬調(diào)制，簡(jiǎn)單的講，就是通過調(diào)整開關(guān)脈沖的寬度來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。由他們構(gòu)成的高壓變頻器，性能有意，可以實(shí)現(xiàn) PWM 逆變，甚至是 PWM 整流。以前的高壓變頻器，由可控硅整流，可控硅逆變器件構(gòu)成，缺點(diǎn)很多，諧波也大，對(duì)電網(wǎng)和電機(jī)都有很大的影響。 交流電機(jī)變頻調(diào)速是當(dāng)今節(jié)約電能，改善生產(chǎn)工藝流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，以及改善運(yùn)行環(huán)境的一種主要手段。 關(guān)鍵詞 SPCE061A； SA4828； 8253 定時(shí)器； 逆變器 ；整流器； 2 Abstract Design uses sinusoidal pulse width modulation (SPWM) control method to achieve frequency conversion. Followed by the signal rectifiers, capacitors, SA4828, SPCE061A, inverter, so that the signal through the AC DC AC transformation. The signal frequency power source, threephase bridge rectifier is not controlled rectifier, the inverter is used in GRT threephase bridge PWM inverter. Power signal generated by DC power converter, and then through a capacitor into a pulse signal, pulse signal input to the SA4828, the generating SPWM wave, edited by the microcontroller adjusts the pulse program can also take the initiative to adjust the parameters through the keyboard, and then adjust Good SPWM inverter to produce AC Wave, and finally sent to the motor to regulate motor functions. Keywords： SPCE061A； SA4828； time/counter of l8253； inverter； rectifier； 3 第 1 章 緒 論 課題背景 隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了電氣傳動(dòng)的技術(shù)革命。信號(hào)的來源為工頻電源， 整流采用三相橋式不可控整流器，逆變器采用的是 GRT 三相橋式 PWM 逆變器。 1 摘 要 設(shè)計(jì)采用正弦脈寬調(diào)制（ SPWM）的控制方式來實(shí)現(xiàn)變頻。信號(hào)依次通過整流器、電容、SA482 SPCE061A、逆變器，使信號(hào)經(jīng)過交 —— 直 —— 交的變換。電源信號(hào)經(jīng)過整流器生成直流電源，再通過電容變成脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)輸入到 SA4828中，生成 SPWM 波，通過 在單片機(jī)內(nèi) 編輯好的程序調(diào)節(jié)脈沖，也可通過鍵盤輸入主動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)， 再 將調(diào)節(jié)好的 SPWM 波送 到逆變器生成交流電，最后送至電機(jī)達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)的功能。交 流調(diào)速取代直流調(diào)速，計(jì)算機(jī)數(shù)字控制取代模擬控制已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)。變頻調(diào)速以其高效率，高功率因數(shù)，以及優(yōu)異的調(diào)速和啟動(dòng)性能等諸多優(yōu)點(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。近年來，發(fā)展起來的一些新型器件將改變這一現(xiàn)狀，如 IGBT、 TGCT、 SGCT 等。不僅具有諧波小，功率因數(shù)也有很大程度的提高。而實(shí)際上 穩(wěn)壓 的過程就是對(duì)開關(guān)管的飽和回到同時(shí)間的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整和控制。這不僅是 U/F 控制模式下才有的問 題，在所有控制模式下，頻率超過電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)頻率以后都只能是弱磁運(yùn)行。 電壓空間矢量（ SVPWM）控制方式 空間矢量是以三相波形整體生成效果為前提，而以逼近電機(jī)氣 息的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。在實(shí)際輸出電流的 2/3 坐標(biāo)變換之后加一個(gè) VR 變換，將得到的勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩電流作為反饋值，就能夠?qū)㈦娏麟妷鹤儞Q環(huán)節(jié)更改為兩個(gè)單獨(dú)的電流 閉環(huán)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器輸出電壓控制信號(hào)，同時(shí)，將磁鏈仿真器輸出作為反饋，構(gòu)成磁鏈閉環(huán)，就形成了閉環(huán)調(diào)節(jié)的電流模型法電壓型矢量控制。但閉環(huán)調(diào)節(jié)本身卻