【正文】 隨著變頻調(diào)速應(yīng)用的日益廣泛，相關(guān)技術(shù)的日益成熟，人們不僅對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的精度要求越來越高，而且對(duì)控制的功能要求越來越多，對(duì)系統(tǒng)的智能化要求越來越高，對(duì)系統(tǒng)的抗擾能力要求越來越高，以滿足生產(chǎn)的需求并適應(yīng)不同的工作環(huán)境。交流變頻調(diào)速的優(yōu)異特性：調(diào)速時(shí)平滑性好，效率高。交流電動(dòng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，價(jià)格低廉，維修方便，故而應(yīng)用面很廣，幾乎所有的調(diào)速傳動(dòng)都采用交流電動(dòng)機(jī)。變極對(duì)調(diào)速，電抗或自藕降壓?jiǎn)?dòng)以及繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻的有級(jí)調(diào)速都還處于開發(fā)的階段。后來發(fā)展起來的調(diào)壓，調(diào)頻控制只控制了電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通，而不能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)距。據(jù)資料顯示，現(xiàn)在有90%以上的動(dòng)力來源來自電動(dòng)機(jī)。我們都知道，動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)是可以相互轉(zhuǎn)化的，從這個(gè)意義上說電動(dòng)機(jī)也是最常見的運(yùn)動(dòng)源，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的最有效方式是對(duì)運(yùn)動(dòng)源的控制。 對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制可以分為簡(jiǎn)單控制和復(fù)雜控制兩大類。這類控制可以通過繼電器，可編程器件和開關(guān)元件來實(shí)現(xiàn)。以前，對(duì)電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單控制的應(yīng)用較多，但是，隨著現(xiàn)代化步伐的前進(jìn)，人們對(duì)自動(dòng)化的需求也越來越高，使電動(dòng)機(jī)的復(fù)雜控制逐漸成為主流，其應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛。工業(yè)方面的各種加工中心，專用加工設(shè)備，數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人，塑料機(jī)械，繞線機(jī)，泵和壓縮機(jī)，軋機(jī)主傳動(dòng)等設(shè)備的控制。 功率半導(dǎo)體器件的不斷進(jìn)步，尤其是新型可關(guān)斷器件，如BJT（雙極型晶體管）、MOSFET（金屬氧化硅場(chǎng)效應(yīng)管）、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的實(shí)用化，使得開關(guān)高頻化的PWM 技術(shù)成為可能。脈寬調(diào)制技術(shù)PWM （Pulse Width Modu lation）就是利用功率半導(dǎo)體器件的高頻開通和關(guān)斷，把直流電壓變成按一定寬度規(guī)律變化的電壓脈沖序列，以實(shí)現(xiàn)變頻、變壓并有效地控制和消除諧波。 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式控制處理芯片的運(yùn)算能力和可靠性得到很大提高，這使得全數(shù)字化控制系統(tǒng)取代以前的模擬器件控制系統(tǒng)成為可能。其中，高性能的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)形式采用超高速緩沖儲(chǔ)存器、多總線結(jié)構(gòu)、流水線結(jié)構(gòu)和多處理器結(jié)構(gòu)等。 交流調(diào)速系統(tǒng)20世紀(jì)70年代后，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，使得交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、高的穩(wěn)速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運(yùn)行等良好的技術(shù)性能，在調(diào)速性能方面可以與直流電力拖動(dòng)媲美。作用相當(dāng)明顯，就交流調(diào)速系統(tǒng)目前的發(fā)展水平而言，可概括的如下：（1）已從中容量等級(jí)發(fā)展到了大容量、特大容量等級(jí)。（2）可以使交流調(diào)速系統(tǒng)具有高的可靠性和長期的連續(xù)運(yùn)行能力，從而滿足有些場(chǎng)合不停機(jī)檢修的要求或?qū)煽啃缘奶厥庖?。除了控制部分可以得到和直流調(diào)速控制同樣良好的性能外，異步電動(dòng)機(jī)本身固有的優(yōu)點(diǎn)，又使整個(gè)系統(tǒng)得到更好的動(dòng)態(tài)性能。在交流調(diào)速技術(shù)中，交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：變極調(diào)速、改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速。 交流變頻調(diào)速的優(yōu)異特性 (1) 調(diào)速時(shí)平滑性好，效率高。 (2) 調(diào)速范圍較大，精度高。 (4) 變頻器體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡(jiǎn)便。 (6) 必須有專用的變頻電源，目前造價(jià)較高。 單片機(jī)控制的變頻調(diào)速 微處理器（單片機(jī)）取代模擬電路作為電動(dòng)機(jī)的控制器，具有如下特點(diǎn)：（1）使電路更簡(jiǎn)單。（2）可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的控制。因此，有能力實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制。微處理器的控制方式是有軟件來實(shí)現(xiàn)的，如果需要修改控制規(guī)律，一般不必改變系統(tǒng)的硬件電路，只須修改程序即可，在系統(tǒng)調(diào)試和升級(jí)時(shí)，可以不斷嘗試選擇最優(yōu)參數(shù)，非常方便。（5）可以提供人機(jī)界面，多機(jī)連網(wǎng)工作?？删幊炭刂破鲃t恰好相反，它只能完成邏輯判斷、定時(shí)、記數(shù)和簡(jiǎn)單的運(yùn)算，由于功能太弱，所以它只能用于簡(jiǎn)單的電動(dòng)機(jī)控制。本次設(shè)計(jì)就是用單片機(jī)作為電動(dòng)機(jī)的控制器。變頻可以調(diào)速這個(gè)概念，可以說是交流電動(dòng)機(jī)“與生俱來”的。在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，通常要考慮的一個(gè)重要因素是，希望保持電機(jī)中每極磁通量為額定值，并保持不變。由于電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的磁通常處于接近飽和值，如果進(jìn)一步增大磁通，將使電動(dòng)機(jī)鐵心出現(xiàn)飽和，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)中流過很大的勵(lì)磁電流，增加電動(dòng)機(jī)的銅損耗和鐵損耗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞電動(dòng)機(jī)。 單片機(jī)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng) 系統(tǒng)框圖外圍設(shè)備（如串口、鍵盤、顯示等）AT89C51SA4828電動(dòng)機(jī)回 路檢測(cè)電路A/D保護(hù)電路 電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖 硬件系統(tǒng)原理圖 單片機(jī)與SA4828控制的變頻系統(tǒng)原理圖 該硬件系統(tǒng)主要包括主電路與控制電路兩個(gè)部分，其中主電路包括交直交變頻電路（本設(shè)計(jì)采用IPM集成模塊）與電動(dòng)機(jī)；控制電路包括89C51主控制模塊、SA4825產(chǎn)生SPWM波模塊、驅(qū)動(dòng)模塊以及外圍設(shè)備模塊（如鍵盤輸入、液晶顯示、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換以及串口等）。這里選用了ATMEL公司的89C51單片機(jī)，它與Intel 51系列單片機(jī)完全兼容。同時(shí)這種8位單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)與SA4828完全兼容，可以直接相連。用8位LED分別顯示給定轉(zhuǎn)速nO和實(shí)際轉(zhuǎn)速n，一目了然。第3章 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì) IPM模塊IPM（Intelligent Power Module），即智能功率模塊，不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起。它由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)電路以及快速保護(hù)電路構(gòu)成。IPM一般使用IGBT作為功率開關(guān)元件，內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動(dòng)電路的集成結(jié)構(gòu)。 IPM內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 IPM的基本工作特性 IPM的結(jié)構(gòu) IPM根據(jù)內(nèi)部功率電路配置的不同可分為四類：H型(內(nèi)部封裝一個(gè)IGBT)、D型(內(nèi)部封裝兩個(gè)IGBT)、C型(內(nèi)部封裝六個(gè)IGBT)和R型(內(nèi)部封裝七個(gè)IGBT)。 IPM內(nèi)部功能機(jī)制 與普通的IGBT模塊相比，PM在系統(tǒng)性能及可靠性方面都有進(jìn)一步的提高。各種保護(hù)功能具體如下： (1) 控制電壓欠壓保護(hù)(UV)：PM使用單一的+15V供電，且時(shí)間超過toff＝10ms，發(fā)生欠壓保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。 (3) 過流保護(hù)(OC)：若流過IGBT的電流值超過過流動(dòng)作電流，且時(shí)間超過toff，則發(fā)生過流保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。其中，VG為內(nèi)部門極驅(qū)動(dòng)電壓，ISC為短路電流值，IOC為過流電流值，IC為集電極電流，IFO為故障輸出電流。跟過流保護(hù)一樣，為避免發(fā)生過大的di/dt，大多數(shù)IPM采用兩級(jí)關(guān)斷模式。 故障輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間結(jié)束后，IPM內(nèi)部自動(dòng)復(fù)位，門極驅(qū)動(dòng)通道開放。 可以看出，器件自身產(chǎn)生的故障信號(hào)是非保持性的，如果FO結(jié)束后故障源仍舊沒有排除，IPM就會(huì)重復(fù)自動(dòng)保護(hù)的過程，反復(fù)動(dòng)作。要使系統(tǒng)真正安全、可靠運(yùn)行，需要輔助的外圍保護(hù)電路。 驅(qū)動(dòng)電路是IPM主電路和控制電路之間的接口，良好的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要意義。20V左右，因此驅(qū)動(dòng)電路輸出端要給柵極加電壓保護(hù)，通常的做法是在柵極并聯(lián)穩(wěn)壓二極管或者電阻。②盡管IGBT所需驅(qū)動(dòng)功率很小，但由于MOSFET存在輸入電容Cin，開關(guān)過程中需要對(duì)電容充放電，因此驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流應(yīng)足夠大。③為可靠關(guān)閉IGBT， 防止擎住現(xiàn)象，要給柵極加一負(fù)偏壓，因此最好采用雙電源供電。日本富士公司的EXB系列集成電路、法國湯姆森公司的UA4002集成電路等應(yīng)用都很廣泛。PM100DSA120是一種D型的IPM，內(nèi)部封裝了兩個(gè)IGBT，工作在1200V/100A以下，功率器件的開關(guān)頻率最大為20kHz。 IPM外部驅(qū)動(dòng)電路。其中每個(gè)開關(guān)管的控制電源端采用獨(dú)立隔離的穩(wěn)壓。Rl根據(jù)控制電路的輸出電流選?。缬肕CU產(chǎn)生PWM，則R1的阻值可為330Ω。可在2kΩ～。FO輸出光耦可用低速光耦(如PC817) IPM的選用　　IPM在選用時(shí)，首先是根據(jù)變頻裝置的容量與供電電源容量，確定其額定值和最大值，然后選擇具體型號(hào)。　　峰值電流依電機(jī)的功率額定值而定。電機(jī)峰值電流是基于變頻器和電機(jī)工作的效率、功率因數(shù)、最大負(fù)載和電流脈動(dòng)而設(shè)定的。例如：電源Vac＝220V交流，電機(jī)P ＝，OL＝150%，λ＝120%，η＝，F(xiàn)＝，則Ic(峰值)＝。2：NC（不接） 4：VP1（控制電源正極） 7：VVFS（V組驅(qū)動(dòng)電源地） 8：NC（不接） 三菱PS21564P IPM管腳圖9：VVFB（V組驅(qū)動(dòng)電源正極） 10：VP1（控制電源正極） VNO（過流取樣時(shí)間設(shè)置） 21: VN（V組下橋信號(hào)輸入）23: FO（故障輸出低有效） 25: CIN（過流取樣時(shí)間設(shè)置） 27: 主要特性：　　4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 　　數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年 　　三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 　　32可編程I/O線 　　5個(gè)中斷源 　　低功耗的閑置和掉電模式 　　 　　GND：接地。當(dāng)P1 口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0 89C51管腳圖外部必須被拉高。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 　　P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 　　P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 　　RST：復(fù)位輸入。 　　ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才