基于单片机的交流变频调速系统设计.docx
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基于单片机的交流变频调速系统设计
基于单片机的交流变频调速系统设计
任务书
1．课题意义及目标
学生通过本次毕业设计，综合运用所学过的基础理论知识，在深入了解变频调速系统工作原理的基础上，掌握单片机控制系统的设计，包括硬件电路和软件程序的设计，为毕业后从事机电控制系统设计工作打好基础。
2．主要任务
（1）根据设计要求，设计控制系统总体方案；
（2）硬件电路设计;
（3）设计软件程序；
（4）仿真调试
3．主要参考资料
[1]张毅坤,陈善久,袭雪红.单片微型计算机原理及应用[M]西安：
西安电子科技大学出版社，2004.
[2]邓星钟主编.机电传动控制[M]武汉：
华中科技大学出版社，2002.
[3]李荣生.电气传动控制系统设计指导[M]北京：
机械工业出版社，2004.
[4]潘新民王燕芳.微型计算机控制技术[M]北京：
人民邮电出版社,2002.
4．进度安排，
设计各阶段名称
起止日期
1
查阅文献，完成开题报告
2015-03-02~2015-03-16
2
根据设计要求，设计控制系统总体方案
2015-03-17~2015-04-05
3
硬件电路设计
2015-04-06~2015-04-30
4
设计软件程序并调试
2015-05-01~2015-05-31
5
完成毕业论文
2015-06-01~2015-06-05
审核人：
年月日
基于单片机的交流变频调速系统设计
摘要：
异步电动机在实践生活中有着重要的角色，对于异步电动机的调速技术也一直在进步着。
本设计主要是研究异步电动机的变频调速系统，并且该调速系统通过单片机来进行控制。
根据异步电动机调速要求，确定控制系统总体方案。
由确定好的方案，选择合适的硬件，包括异步电动机和单片机的选择。
然后进行硬件电路的设计，就是从工频电源变成异步电动机调速所需的交流电的过程，其中将单片机与变频器结合起来考虑。
单片机软件程序用汇编语言的形式表达出来，最后，用仿真软件proteus进行系统的仿真调试。
关键词：
异步电动机，变频调速，正弦脉宽调制，单片机
Acvariablefrequencyspeedregulationsystembasedonsinglechipdesign
Abstract：
Asynchronousmotorplaysanimportantroleinpracticallife,andithasbeenimprovingforasynchronousmotor.Thisdesignmainlystudiestheasynchronousmotorvariablefrequencyspeedcontrolsystem,andthesystemofspeedcontrolthroughthemonolithicintegratedcircuittocarryonthecontrol.Accordingtothespeedrequirementofasynchronousmotor,theoverallschemeofthecontrolsystemisdetermined.Thanchoosetheappropriatehardware,includingthechoiceofasynchronousmotorandsinglechipmicrocomputerbydeterminingthegoodscheme.ThenthehardwarecircuitdesignisfrompowerfrequencypowersupplyintoasynchronousmotorspeedrequiredfortheACprocess,whichwillmicrocontrollerandinvertertoconsider.Thesinglechipmicrocomputersoftwareprogramisexpressedintheformofassemblylanguage.Finally,thesimulationanddebuggingofthesystembysimulationsoftwareproteusiscarriedout.
Keywords:
Asynchronousmotor，Frequencycontrolofmotorspeed，SPWM，SCM
1前言
1.1当前交流变频调速及论文总体概述
随着电子技术的发展，单纯的机械化或者电子化已经逐渐被发展的社会所淘汰，计算机的出现掀起了电子器件的更新换代。
其中，对于变频调速技术，也得到了非常快的发展。
众所周知，现在我国生产的电能大多数用于电机工作，电机在国民生产中有着无可厚非的地位。
长期以来，在电动机调速领域中，直流调速方案一直占主要地位。
这种调速方案实在太常见了，一抓一大把。
上个世纪60年代以后，渐渐兴起的电力电子学与控制技术，让人们发现，采用半导体变流技术的交流调速系统得以实现，但是采用半导体的话，实际上就构造模拟电路，简单的来说就是对异步电动机调速的模拟控制。
在交流调速方法中，最常用也是比较好的一种方式便是变频调速，由于频率能够连续的变化，所以可以实现速度的连续变化，这样的调速更加的平滑和稳定。
另一方面，在实际生活中，变频器的快速进步和发展，同时也推动了变频调速的发展，变频调速越来越受大家的瞩目。
因此，了解和掌握交流调速的原理和方法，熟悉交流变频调速的现状和发展，将对我们以后的工作发展有着相当大的积极意义。
通过查阅一定的资料，对题目的认识，也逐渐清晰起来。
我将大体内容分为四部分，第一，确定系统的总体方案，对于交流调速，有很多控制方案，每种方案都有自己的优缺点。
这一章我将通过各种方案的分析与比较来选取本次毕业设计的最优方案。
第二，确定好系统总体方案以后，我将开始将总体展开，一步一步来，首先硬件电路设计，这章我将更深入的了解各个硬件比如变频器和单片机。
并且我将通过实物照片来进行补充叙述。
第三，硬件电路设计好以后，便着手还是上位机软件的设计了，即程序设计。
实际上本章是围绕单片机的程序问题展开的，怎样的硬件电路设计，将会有怎样的软件程序设计，故通过这一章，我们可将上一章的工作即硬件电路设计做一个合适与否的判断，从而能够及时发现并纠正问题。
第四，系统软件程序问题解决以后，我们便可以对整个系统做一个调试了。
也就是说，系统的优劣性得由一定的分析与了解，分析电动机调速性能将会是这一章的重点，论文的最后我将做一个总结。
1.2电动机的单片机控制
主要是介绍单片机对电动机的作用即为什么要把单片机和电动机相结合起来呢。
实际上，是对本次设计题目更好的理解和补充说明。
单片机应用技术的进步使异步电动机控制技术尤其是在调速方面发生了翻天覆地的变化。
其中电动机控制部分已由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成了数字控制的发展。
我相信，数字化对于我们并不陌生，它与我们的生活密切相关，可以说，我们正处于一个不断向前发展的数字化时代。
对于电动机，这也是理所当然的发展。
论其原因，当然是指单片机对电动机控制所起的作用。
微处理器取代模拟电路作为电动机的控制器有如下优点：
1.电路更简单。
模拟电路为了实现控制逻辑，需要更多的电子元件，使得电路复杂。
采用微处理器以后，绝大多数的控制逻辑可通过软件来实现。
2.可以实现比较复杂的控制。
微处理器有着强大的逻辑运算功能，运算速度更快，精度较高，有大容量的存储单元，因此有能力实现复杂的控制，如优化控制等。
3.具有较大的灵活性和适应性。
微处理器的控制方式是由软件完成的。
如果需要修改控制规律，一般不用改变系统的硬件电路，仅仅需修改程序即可。
在系统调试或者改变方式的时候，可以不断尝试选择更好的调控方式及程序，非常方便。
4.可提供人机界面，多级联网工作。
这样一来，我们的我们对整个系统的演示，操作还有控制都有着一目了然的效果。
因此，单片机对于电动机的控制会是一个很好的选择，如同珠联璧合般。
接下来我将顺着这个思路走下去。
电机实行变频调速，可像直流电机那样实现无极调速，这将扩大交流电机的应用范围，降低各类电机应用设备的成产成本，节约能源，像各类电梯原大都是使用昂贵的!
体积庞大的直流电机，现改为使用变频调速装置的交流电机，这样比原成本降低了许多，安装维修方便。
值得注意的是，很长时间以来，交流异步电动机的调速始终是一个不好解决的问题。
基于单片机控制的电机调速装置，提高和扩大了变频调速装置的应用效果和范围。
只要我们合理设计硬件控制方案，优化程序，则使单片机控制的变频调速装置得到更普遍更深层次的应用，将变频调速技术更广泛的应用到机电设备和自动化设备中，将会产生更好的经济效益和社会效益。
2系统总体方案的设计
2.1异步电动机的调速方法
首先我先简单介绍下异步电动机的工作原理。
异步电动机是依靠旋转磁场的作用而转动的，根据旋转磁场理论，有下列关系
（2-1）
式中
——定子旋转磁场转速，也叫异步电动机同步转速（r/min）；
——电源频率（Hz）
——电动机的磁极对数
异步电动机的同步转速与实际转速
之差与同步转速之比，叫异步电动机的转差率，以
表示
（2-2）
（2-3）
（2-4）
（2-5）
交流调速
变极对数调速——改变笼型异步电动机定子绕组的极对数
变转差率调速
变频调速——改变定子电源的频率
串级调速——绕线异步电动机转子电路串接电动势
调压调速——改变定子电压
转子电路串接电阻调速——绕线异步电动机转子电路串接电阻
交流调速系统分类如下：
这样分的原理是，由式2-5可知，异步电动机在一定负载稳定运行的条件（
）下，想要得到不同的转速
，其调速方法有变极对数
、变转差率
（即改变电动机机械特性的硬度）和变电源频率
等。
就是根据这三种调速方法，将交流调速系统进行分类与总结。
好的，现在对这三种调速方法做一个比较。
变极对数调速是一种简单的有级调速方式，它实际是把具有不同极数的电动机做成了一个统一体，通过外部电路来连接成不同的极数，改变电动机的同步转速。
这种方式比较简单，系统的成本低，不产生额外能耗，机械特性也比较硬。
变极数电动机适用于运行中不需要调速的粗略型有级变速应用，故不适合。
由于s和p可以连续改变，所以变转差率
调速和变频调速都能实现无级调速。
但改变转差率s必然会有附加的转差功率损耗，效率很低。
而就变频调速来说，由于改变n0调速，并没有人为地加大s，
不产生附加的转差功率损耗，所以效率很高。
综上所述，定子由变频装置供电，采用改变定子供电电源频率的方法调节交流电动机运行速度的调速方式即变频调速方式。
在调速过程中，从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因而具有范围比较宽，效率也比较高，并且精度较高的调速性能。
2.2变频调速系统的基本控制方案
异步电动机变频调速时，为维持气隙主磁通不变，应该保持
即定子电源将跟着频率变化，将该比例式代入异步电动机转矩的参数表达式中以后可以得出这样一个结论，
常数。
也就是说，这种调速为恒转矩调速。
那么，有的时候，异步电动机需要在额定频率以上调节时，根据
常数，定子电压将超过额定电压
这是不允许的。
为了保证安全运行，当
时，保持
这时，磁通量
将随
的上升而下降，是转矩随转速的上升而减小。
电动机的电磁功率
常数，即调速过程中电磁功率近似不变，也就是所谓的恒功率调速。
在确定用变频调速后，变频调速的控制方式分三种模式，也就是整个系统的运行模式。
分别是
模式，矢量控制模式和直接转矩控制模式三大类。
2.2.1
控制模式
首先，解释一下
控制模式的概念。
到现在为止，我已掌握变频调速的基本原理就是电压与频率配合的调整。
由于我们的目的是使电动机变速，也就是说主要目标是转速的调节。
而交流电动机转速又主要与频率有关，因此，在电压与频率的函数关系中，频率应该是主动变化量，也即是自变量，而电压作为因变量跟随变化。
其实，这种控制模式就是
控制模式。
如图6.1分别是在
模式下电压频率关系以及不同频率下的磁通关系。
由可以清楚客观的了解到，在工频以下，电压与频率成正比，磁通近似恒定；工频以上，电压不变，电机进行的是弱磁运行。
同时，允许的运行频率也存在一个上限，其中的C点就是工频额定电压点，也就是电压频率关系的转折点。
同时，我也直观的看到，当频率越低的时候，磁通量衰减的越严重。
也就是说，我们的频率是由一定的限制的，在大约10Hz以下的时候，额定电流下的转矩，最大转矩或者最大的有效制动转矩，都衰减到了没有办法正常运行的地步。
要是负载转矩很大的话，属于满载启动情况，则需要更大的启动转矩了，即使加速度也能引起过电流保护作用，为了能够成功起步，就只能加大变频器的额定电流的能力了。
这就大大增加变频器的性能要求了。
显而易见，系统在较低频率稳定运行的时候，其速度偏差还有定子电流都会比高频率区大，这是因为在转矩一定的情况下，低频率时对应的转速差更加大一点。
这些理论应用到实际上，也就意味着，在基本
模式下，系统允许的调速范围通常只有3～5。
2.2.2矢量控制模式
上一节主要介绍了
模式，在转矩一定的情况下，也就意味着磁通量近似恒定不变的情况下，以开环的方式进行频率控制，稳态时依靠转速差产生与负载转矩的自然平衡。
所以，这样做带来的不良后果便是出现一个与负载转矩相关的转速偏差。
动态加速时依靠实际转速提升的滞后，从而会加以产生一定的转速差。
这样的话，系统的整个延迟性会加深。
对于一般的，要求性能不是较高的，这种偏差和延迟是可以接受的，不会造成其他一些问题。
为了有效的减小动态的转速偏差，其实质就是要把加速度按照需要准确地变化。
那么解决这一问题的办法便是通过矢量控制模式。
这种模式实际上是一种动态数学模型，我看了看教材，异步电动机动态数学模型的推到相当繁琐。
所以我主要介绍矢量控制模式到底是怎样的方式并分析该控制模式的优劣性。
首先我先说清楚矢量控制模式的基本思路。
电子电流含有励磁和转矩两个矢量，这两个矢量我们可以通过矢量变化得到，接着我们再对两个矢量进行分离。
分别进行控制，然后合成并转换成为对变频器参数的控制信号，模仿直流调速系统的控制特点实现对于电磁转矩的有效控制。
这样一来，这种控制模式便有效的解决了上面提到的偏差和延迟问题。
矢量控制变频器的转矩控制时间常数越小，系统就越比较稳定，也就允许转速调节器有着更好的控制作用，系统的各种动态转速精度就越高。
变频器的转矩时间常数和多数变频器动态结构方案是有关的。
频率快速使输出提升，调节器又跟着检测到的转速偏差输出新的转矩指令。
对于系统的偏差这一块，系统的动态误差不仅与变频器有关，而且与转动惯量也有很大的关系。
转动惯量大的系统最大允许加速度是比较低的，但是它的动态速降也是比较低的。
而且在速度给定不超过最大允许加速度变化的时候的速度跟随动态误差也比较低。
一般而言。
矢量控制变频器的转矩时间常数大约是数毫秒到数十毫秒之间，它能够构成转矩相应比较快的变频器及其调速系统。
动态误差通常能够在千分之几的数量级，对于绝大多数系统，这个性能指标基本上能够充分满足要求了。
总的来说，矢量控制模式是非常精确的数据动态模型，这种控制方式是比较复杂的，所以在实际生活中需求的人力和物力也比较多，但其控制精度是相当高的。
2.2.3直接转矩控制模式
直接转矩模式也除矢量控制模式以外非常高效并且精度高，性能较好的调速控制方式。
并且，与矢量控制模式一样也有两个子系统，分别是转速控制和磁链控制。
它的运行过程是先由转速调节器发出转矩指令，这样可以比较电磁转矩数学模型取得的实际转矩信号进行比较，通过这种比较，不断磨合与实际速度之间的误差。
在如今实用的通用变频器中，矢量控制和直接转矩控制都应该属于高性能的控制模式。
但是目前实际生活中，有根据矢量控制原理制造的变频器，也有根据直接转矩原理的变频器。
不过客观上说直接转矩控制是出现在直接转矩控制之后的又一高性能的调速控制模式。
有的时候，我们总会有种先入为主的错觉，虽然直接转矩控制是在后来发展，但这并不意味着直接转矩更加先进，有根据矢量控制原理制造的变频器，更加具有优越性。
实际上，直接转矩模式的转矩脉冲问题的确比矢量控制严重，但脉动转矩在大体上仍然属于高频脉动，脉动幅值也不是很大，对整个的性能不是有特别厉害的影响，最关键的是，让稳态转速精度变差了。
直接转矩控制的快速转矩相应特性，与一部分响应速度偏快的矢量控制模式变频器相比，优势并不明显并且在动态方面的性能也是比较好的。
我要说明的是，本次设计对于异步电动机的要求是在一定转矩下实现的调速，所以我采用的是结构简单并且成本较低的恒压频比的变频调速系统。
也就是通过
模式，但是有一点需要注意的是，该系统基本简单来讲是一种简单的开环输入输出系统，所以就是说我们的输入与输出之间不存在反馈环节，为了弥补这一缺憾我打算采用简单闭环及转差频率频率控制。
这样一来，既能满足调速需求，也不用使用过于繁杂的控制电路。
2.3变频变压的方法
我要说明的是，本次设计对于异步电动机的要求是在一定转矩下实现的调速，所以我采用的是结构简单并且成本较低的恒压频比的变频调速系统。
现有的交流电源都是恒压恒频的，要满足调速系统变压变频的电源，必须通过变频装置也就是我们平常所说的变频器。
那么接下来我将通过变频器来选择一种合适的变频变压的方法。
变频器有两种变频调压方法，交—交变频调压和交—直—交变频调压。
观察交流电压的波形，其方向和幅值是按照正弦规律变化的。
分开来讲，则是由幅值的大小变化和方向的交替变化构成的。
就是说，分别采用能够调节幅值大小的方法和改变方向的方法，也能够产生交流电波形。
正弦交流电压的有效值与最大幅值成正比，频率与波形的周期成反比。
因此，调压时改变最大幅值能够改变电压有效值，改变调压的快慢能够改变频率，再加上改变电压的措施，就能够输出频率电压可变的交流电了哦。
交—交变频的思路就是这样的：
在晶闸管整流电路中，可改变导通控制角来调节直流输出电压，控制角为
时平均输出电压为零，控制角为0时输出电压最大。
我们让控制角从
逐步变化为0，再变回
，就能得到从小到大再从大到小的直流波形，也可以把它看作一个交流波形的正半波。
再反向安装一组整流桥，也照这样控制，那么就得到了一个完整的新交流电压波形。
AC
如果让控制角的变化速度慢一些，那么新波形每个周期就延长了，即降低了交流电的频率。
反过来，控制角变化快一些，频率就提高了。
就是这样实现了频率的改变。
如果让控制角不到0时就折回，那么新波形的电压峰值就会降低改变这个折回的角度，就能够控制新波形的峰值大小，也就控制了它的有效值，于是实现了调压。
整流器
中间直流环节
逆变器
控制电路
变压变频
～50
恒压恒频
控制指令
AC
运行指令
控制指令
图2.4交—直—交变频器的基本构成
DC
AC
如图2.3为交—直—交变频器的基本构成。
虽然交—交变频原理简单，能量变换直接、效率高，但其主电路复杂，可控器件多，触发驱动电路就会复杂，从单位功率成本考虑，只适合大容量场合应用，不适合小容量场合应用。
所以我们不采用这种变频调压方式。
交—直—交变频调压：
顾名思义，它是先将交流变成直流，再将直流变成交流。
如图2.4为交—直—交变频器的基本构成。
首先通过整流器将交流整流为直流，这样就得到了直流电源。
接下来，把直流逆变成交流，这就需要逆变器了。
逆变器是将直流变换为交流的的电子器件。
这样一来，就实现了从交流电整流为直流电，再将直流电逆变成交流电。
这样的变频器就是交流—直流中间环节—交流间接式变频器，简称交—直—交变频器。
交—直—交变频器有三种不同结构形式，如图2.5所示。
1.用可控整流器变压，用逆变器变频。
这种装置的调压和调频分别在两个环节上进行，二者要在控制电路上配合协调。
其有点是结构简单，控制方便，器件要求低；但是其功率因数小，谐波较大，器件开关频率低。
2.用不控整流器整流，用斩波器变压，用逆变器变频。
这种装置的整流环节采用二极管不控整流器。
其优点是功率因数高，整流和逆变干扰小；其缺点是构成环节多，谐波较大，调速范围不宽。
3.用不控整流器整流，用PWM逆变器同时变压变频。
用不控整流器整流，则功率因数高；用PWM逆变器变压变频，则谐波可以减小。
这样，前两种装置的缺点都克服了。
调压调频
图2.5交—直—交变频器的不同结构形式
若采用SPWM逆变器构成变压变频器，则可进一步改善调速系统的性能，因为其对输出正弦波形有着锦上添花的效果。
综上所述，我采用交—直—交SPWM变压变频装置。
2.3系统设计总方案的确定
通过前两节的分析与比较，我最终确定了整个系统的方案，即数字式恒压频比调速系统。
它包括主电路、驱动电路、微机控制电路、保护信号采集与综合电路，是一个典型的交—直—交变频调速系统。
主电路由二极管整流器、全控开关器件IGBT或功率模块组成的PWM逆变器UI与中间电压型直流电路三部分组成，构成交—直—交电压源型变压变频器。
变频器采用单片微机进行控制，主要通过软件来实现变压、变频控制，SPWM控制和发出各种保护指令，组成单片机控制的交流变频调速系统。
它也是一个转速开环控制系统。
整个系统的输入是通过键盘输入的速度，输出是异步电动机的转速。
图2.6是我设计的整个系统的系统简图。
那么，实际上系统由三大硬件组成，异步电动机，变频器，单片机。
问题来了，单片机到底在哪个位置，别着急，单片机其实是在控制变频器的工作。
也就是说控制变频器的直流环节，使其输出正弦的交流波形，再通过电路是电动机按照我们所希望的速度旋转。
到此为止，我解决了系统总体方案的设计这一主要问题。
3系统的硬件设计
单片机的选择：
选用AT89C51单片机，它既有强有力的运算能力，又有接口简单的优点，主要是资料比较齐全，价格越来越低廉。
为了使系统有较好的动态性能，满足设计要求，将整个系统设计为转速闭环控制系统，采用转差频率调节方式，对转速进行动态调节。
因为电动机负载为恒转矩负载，在低频段，采用恒磁通补偿方法来维持磁通恒定，实现恒磁通变频调速。
当频率高于额定频率时，维持U1=ULN，实现恒功率调速。
选用大规模集成电路HEF4752V来产生PWM控制信号，减轻单片机负担。
系统主回路采用是交-直-交电压型GTR-PWM变频电路，逆变器采用二极管整流，大功率晶体管作为开关元件，这样尽量使驱动电路简单，便于设计和调试。
3.1系统硬件的选取
3.1.1异步电动机
异步电动机分为好多中，从结构上来说的话主要有鼠笼型和绕线型，本次设计我选用的是结构较为紧凑的鼠笼型三相异步电动机。
在市场产品中，该类电动机也分好多系类。
本设计采用的是YVP系列变频调速三相异步电机。
如图3.1为该电动机的外观图。
图3.1变频调速三相异步电动机
接下来，我要介绍的是该电动机的基本参数和功能性。
因为电动机的选取会直接影响到整个调速系统的设计。
YVP系列电动机有着国外比较先进的技术设计。
在电动机低速运转的时候即频率＜50HZ能够在1：
10范围内作恒转矩调速运行且运行平稳，无转矩脉动现象，并具有较高的起动转矩和较小的起动电流。
电动机高速运行时能够输出恒功率的特性。
满足了我们所要
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