【正文】 是利用這種控制方式來改變電壓的占空比實現交流電機速度的控制。并自動調節(jié)PWM信號的占空比。該程序能改變電源頻率，使電機在不同頻率下旋轉，從而實現變頻調速。 PWM調速系統(tǒng)的組成和功能 PWM信號發(fā)生與調節(jié)模塊 作為一個PWM調速系統(tǒng)，首要的是需要產生PWM信號。本文采用單片機編程生成PWM信號，PWM占空比的調節(jié)也采用軟件實現。本文采用專門的驅動芯片對電機進行驅動。 單片機概述 單片機及其發(fā)展歷程單片機是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術把具有數據處理能力（如算術運算，邏輯運算、數據傳送、中斷處理）的微處理器（CPU）、隨機存取數據存儲器（RAM）、只讀程序存儲器（ROM）、輸入輸出電路（I/O口），可能還包括定時計數器、串行通信口（SCI）、顯示驅動電路（LCD或LED驅動電路）、脈寬調制電路（PWM）、模擬多路轉換器及A/D轉換器等電路集成到一塊芯片上，構成一個最小而完善的計算機系統(tǒng)。所以，單片機有著微處理器所不具備的功能，它可單獨地完成現代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能，這是單片機最大的特征。（1）4位單片機（1971—1974）：如Intel4004；（2）低檔8位單片機（1974—1978）: 如Intel公司的8084，Mostek公司的3870等；（3）高檔8位單片機（1978—1982）: 如Intel公司的805Motorola公司的Z8和NEC公司的MPD7800等產品；（4）16位單片機（1982—1990）:如Mostek公司的68200、Intel公司的8096等；（5）新一代單片機（90年代以來）：如NEC公司的MPD7800，Mitsubishi公司的M37700，Reckwell公司R6500/2R65C29，Intel公司的804UPI—452等。 世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機，從8位、16位到32位，應有盡有，有與主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補，為單片機的應用提供廣闊的天地。 計算機仿真概述計算機仿真不僅在沒有具體硬件環(huán)境的條件下模擬出具體硬件環(huán)境，以判斷系統(tǒng)的可行性，而且在設計的系統(tǒng)出錯時，不至于損害具體硬件環(huán)境。當前能夠用于計算機仿真學習單片機的軟件也已日趨成熟，而各種集成開發(fā)環(huán)境更是層出不窮，極大地方便了學生通過計算機仿真學習單片機。甚至32位的ARM單片機也能通過計算機仿真來進行學習。 交流調速系統(tǒng)的發(fā)展概述 電力拖動發(fā)展過程 19世紀相繼誕生了直流電動機和交流電動機，由于直流電動機轉矩容易控制，因此它作為調速電動機的代表在19世紀的大部分年代廣泛地應用于工業(yè)生產中，直流調速系統(tǒng)具有起、制動性能好，調速范圍廣和靜差小及穩(wěn)定性好等優(yōu)點，晶閘管整流裝置的應用更使直流調速在自動調速系統(tǒng)中占主導地位，相比交流電動機則只能應用于不變速或要求調速性能不高的傳動系統(tǒng)中。交流調速系統(tǒng)的多種方案雖然早已問世，并已經獲得實際應用，但其性能卻始終無法與直流調速系統(tǒng)相匹敵。這時，直流電動機和交流電動機相比的缺點日益顯露。于是，用交流可調拖動系統(tǒng)取代直流可調拖動系統(tǒng)的呼聲越來越大，交流拖動控制系統(tǒng)已經成為當前電力拖動控制的主要發(fā)展方向。矢量變換控制技術（或磁場定向控制技術）是一種模擬直流電動機的控制。正交關系，在電路上互補影響，可以分別進行調節(jié)。 直流調速系統(tǒng)的問題 一直以來直流調速系統(tǒng)具有起、制動性能好，調速范圍廣，靜差小及穩(wěn)定性好等優(yōu)點而得到廣泛的應用。其次，換向火花使它的應用環(huán)境受到限制，換向能力限制了直流電動機的容量和速度。（2）由于存在換向問題，使單機容量和轉速受到了限制，直流電動機難以做成高速大容量機組。雖然直流調速系統(tǒng)的理論和實踐應用比較成熟，但由于電動機的單機容量、最高壓、最高轉速及過載能力等主要技術指標受到機械換向的制約，限制了直流調速系統(tǒng)的發(fā)展，使得人們長期以來尋找用交流電動機替代直流電動機調速的方案，研究沒有換向器的交流調速系統(tǒng)。交流電動的主要優(yōu)點是：沒有電刷和換向器，結構簡單，運行可靠，使用壽命長，維護方便，且價格比相同容量的直流電動機低等等。近年來，隨著電力電子技術的進一步發(fā)展，交流調速系統(tǒng)得到很大的進步。 但是交流調速系統(tǒng)也有它的缺點，例如，調速比較復雜，磁通和電流有關等。本論文主要是采用了交—直—交變頻調速技術，技術比較簡單但也很成素。所以，在此用這些理論來完成交流電動機的變頻調速。由于同步轉速為： （13）式中，f—電源的頻率； P—旋轉磁場的磁極對數。（二）改變磁極對數調速定子磁場的磁極對數取決于定子繞組的結構。通常，一套繞組只能換接成兩種磁極對數。這種方法的缺點是顯而易見的，主要有：有極的，且級數很少。（三）變頻調速這是我們做畢業(yè)設計變頻調速所要完成的主要任務。其主要優(yōu)點有：（1）調速范圍廣。實際是同步轉速調節(jié)范圍，與實際轉速的調節(jié)范圍略有出入。在頻率給定信號為模擬量時，以4極電動機（p=2）為例，則每檔的轉速差為： （18） 如頻率給定信號為數字量時，則第二檔的轉速差為： （19）（3）在工作特性方面，不管是靜態(tài)特性，還是動態(tài)特性，都能做到和直流調速系統(tǒng)不相上下的程度。但在故障率方面，由于直流電動機本身的弱點，變頻調速系統(tǒng)具有較大優(yōu)勢。根據異步電動機的轉速表達式：n= （110）以及第一節(jié)中對于同步轉速的分析可知，只要調節(jié)異步電動機的供電頻率f，就可以平滑調節(jié)同步轉速，從而實現異步電動機的無級調速。由電機學可知，三相異步電動機定子每相電動勢的有效值是： （111）式中，Eg—氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效值（V）； —定子頻率（Hz）； —定子每相繞組串聯匝數； —定子基波繞組系數； —每極氣隙磁通量（Wb）。于是，主磁通： （113）假設現在只改變調速，設上升，則將下降，于是由電磁轉矩的公式： （114）式中，—電磁轉矩（）； —轉矩常數； —轉子電流折算至定子側的有效值； —轉子電路的功率因數。由于在電動機設計時，主磁通的額定值一般選擇在定子鐵芯的臨界飽和點，所以當在額定頻率一下調頻時，將會引起主磁通飽和，這樣勵磁電流急劇升高，使定子鐵芯急劇上升。根據三相異步電動機定子每相電動勢的有效值公式（111）可知：在額定頻率以下調頻時只要控制好Eg和，便可達到控制磁通恒定的目的。 基頻以下調速控制方式由式（112）可知，要保持不變，則當頻率從額定值向下調節(jié)時，必須同時降低，使為常數，即采用氣隙磁通感應電動勢與頻率之比為常數的控制方式。低頻時，和都較小，定子阻抗壓降所占的分量就鼻較顯著了，不能忽略。帶定子阻抗壓降補償的恒壓頻比控制性于圖11的b線，無補償的控制特性則為a線。由式（112）可知，這樣只能迫使磁通與頻率成反比地降低，相當于直流電機弱磁升速的情況，即： （115）把基頻以下和基頻以上兩種情況結合起來，可得圖12所示的異步電動機變頻調速控制特性。按照電力拖動原理，在基頻以下，磁通恒定時轉矩也恒定，屬于“恒轉矩調速”；而在基頻以上，轉速升高時轉矩降低，基本屬于“恒功率調速”。我們用于逆變的直流電能通常由電網提供的交流電整流得來的。1．按變換環(huán)節(jié)分（1）交—交變頻器 把頻率固定的交流電源直接變換成頻率連續(xù)可調的交流電源。（2）交—直—交變頻器先把頻率固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率連續(xù)可調的三相交流電。我們要使用的就是這種變頻器。在中小容量變頻中，這種方式已經不常用了。目前普遍應用的是占空比按正弦規(guī)律安排的正弦波脈寬調制調制（SPWM）方式，這也是我們要應用的方式。 靜止型常規(guī)變頻器及特點 1．間接（交—直—交變頻裝置） 交—直—交變頻器由恒壓恒頻電源經整流器轉變?yōu)橹绷麟娫醋詈蠼浤孀冝D化為交流電源。輸入用不可控整流器，這樣輸入功率因數高；用PWM逆變，則輸出諧波可以減少。采用IGBT時，開關頻率可達10kHz以上，輸出波形已經非常接近于正弦波，因而又稱之為正弦脈寬調制（SPWM）逆變器。2．直接（交交）變壓變頻裝置交交變頻器的主要構成環(huán)節(jié)由恒壓恒頻電源，交—交變壓變頻器，變壓變頻電源三環(huán)節(jié)構成，交交變頻電路是不通過中間直流環(huán)節(jié)而把工頻交流電直接變換成不同頻率交流電的交流電路，故又稱為直流變頻器或周波變頻器。大功率交流電動機調速系統(tǒng)所用的變頻器主要是交交變頻器。在諸多交流異步電動機調速技術中，如調壓調速、變極調速、串級調速、滑差調速、變頻調速等，其中由于變頻調速具有的優(yōu)點：（1）調速時平滑性好，效率高；（2）調速范圍較大，精度高；（3）起動電流低，對系統(tǒng)及電網無沖擊，節(jié)電效果明顯；（4）易于實現過程自動化；因此，變頻調速技術是當前應用最廣泛的一種調速技術。由電機學知識可知異步電動機的轉速與電源頻率有以下關系： （21）式中：n—電機的轉速（r/min）； p—磁極對數； s—轉差率（％）； f—電源頻率（Hz）。另外，根據的電勢公式知道，外加電壓近似地與頻率和磁通的乘積成正比。因此有： （23）若外加電壓不變，則磁通隨頻率而改變，如頻率下降，磁通會增加，造成磁路飽和，勵磁電流增加，功率因數下降，鐵心和線圈過熱，顯然這是不允許的。此外，在很多場合為了保持在調速時，電動機產生最大轉矩不變，也需要維持磁通不變，這亦由頻率和電壓協(xié)調控制來實現。 現代變頻調速技術控制方式可以分為以下幾種：（1）U/f=C的正弦脈寬調制（SPWM）控制方式：其特點是控制電路結構簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，已在產業(yè)的各個領域得到廣泛應用。經實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。（3）矢量控制（VC）方式：矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流、通過三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流,，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流、（相當于直流電動機的勵磁電流；相當于與轉矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，實現對異步電動機的控制。通過控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現正交或解耦控制。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結構、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。（5）矩陣式交交控制方式：VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻都是交－直－交變頻中的一種。為此，矩陣式交－交變頻應運而生。它能實現功率因數為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統(tǒng)的功率密度大。在這里本文采用是基于SPWM控制方式即U/f=C的正弦脈寬調制，其特點是控制電路結構簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，已在產業(yè)的各個領域得到廣泛應用。由式（21）可知，只要控制好 Eg 和 f1，便可達到控制磁通Fm 的目的，對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況，這里主要討論基頻以下： （25）轉速給定既作為調節(jié)加減速的頻率f指令值，同時經過適當分壓，作為定子電壓U1的指令值。但是，在低頻時 Us 和 Eg 都較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不再能忽略。帶定子壓降補償的恒壓頻比控制特性于下圖中的b線所示，無補償的控制特性則為a 線所示?；l以上在這里不多做分析。 SPWM模式下交直交變頻器工作原理本文采用的是SPWM基礎上改進型SAPWM控制模式，所謂的SPWM波形就是在進行脈寬調制時，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。反之，當正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大。同樣，正弦波的負半周也用同樣的方法與一系列負脈沖波等效。（1）單極性調制：單極性PWM調制在半個周期的調制波中，三角載波只在正極或負極一種極性范圍內變化，是用一條正弦控制波與一條在正弦波正半周的極性為正、負半周的極性為負的等腰三角載波進行比較后得到PWM波的調制方式。如果正弦信號的幅值小于三角信號的幅值，輸出0電平，這樣對應于逆變器輸出只有Ud和0兩種狀態(tài)。因此對于單極性PWM控制的逆變器可以輸出幅值為別Ud, 0和Ud的三種方波電壓[3]。當正弦信號幅值大于三角波幅值時，比較器輸出+Ud，反之輸出Ud，這樣只能得到正、負兩種電平的PWM信號。有些電路，如單相橋式逆變電路，既可用單極性PWM控制，也可用雙極性PWM控制。在同等情況下，單極性PWM調制波比雙極性PWM調制波的諧波分量要小。是載波信號，,是三個調制電壓波，初相依次相差120o 下面依次是逆變器相對于直流電源假想中點的輸出電壓波形。同樣，當負載為感性時，如電動機，負載電流不能突變，這樣也可以使逆變器輸出的電流波形更接近于正弦波，使其運行更加平穩(wěn)，也減小了損耗，提高了效率。在非同步SPWM調制時，一個調制波周期內所含的各脈沖模式不具備重復性，