PWM变频调速多电机同步传动系统控制系统毕业设计.docx
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PWM变频调速多电机同步传动系统控制系统毕业设计
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PWM变频调速多电机同步传动系统控制系统
摘要：
本设计给出了一种用PWM变频调速控制系统，用来控制多台普通三相交流异步电机。
该控制系统用8031单片机最小系统，以及HEF4752大规模继承芯片来实现，产生的控制信号用来控制逆变元件的开关，从而产生可以调整的PWM信号来控制交流电机，完成对多台电机实现同步传动的控制，它既可以统一控制，又能微调各个电机。
该系统具有工作可靠，调节范围宽，控制精度高，同步效果好的特点，本文给出了它的硬件组成电路以及控制程序的流程软件设计。
关键词：
PWM变频调速控制多台电机
Multi-motorsynchronousPWMinverterdrivingsystemcontrolsystem
Abstract:
ThisintroducedaPWMfrequencycontrolsystemwhichcanbeusedtoregularthespeedofsomeelectricalelectromotor.ThissystemusedMCS-51SCMandHEF4752PWMchipwhichcanmakecontrolsignaltocontrolthesystem.AndthePWMsignalproducedbythemcancontrolwhethertheswitchisopenorcloseinthisway,thePWMsignalfeedtotheelectromotorcanbeproduced.Moreoverthesignalcanbecontrolled.Thesystemcancontrolbothsingleelectromotororseveralelectromotor.Thestrongpointofthesystemisthat:
reliable,widecontrol,high-precision.Thisarticlegivesthecompositionofitshardwareandcircuitdesignsoftwareflowcontrolprocedures.
KeyWord:
PWMFrequencyconversionmodulatesvelocityThemulti-motorsynchronization
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
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作者签名：
日 期：
第一章系统综述
在纺织工业中的印花，染色，纺织，整理联合机，通常采用多台直流电机或者交流电动机传动。
使用交流电机控制系统有许多优点，其不存在直流电机控制系统维护困难和难以实现高速驱动等缺点。
其突出的特点是：
电机制造成本低，结构简单，容易维护，可以实现高压大功率以及高速驱动，适宜在恶劣环境下工作，系统成本很低，并能获得和直流电动机控制系统相媲美或者是更好的控制性能。
新型电力电子器件和脉宽调治（PWM）控制技术的出现，为提高交流调速的性能以及功能指标，缩小体积，提高竞争能力提供了有力的条件。
用数字控制系统来控制PWM波的形成，是自动控制理论和计算机技术相结合的产物，通常具有精度高，速度快，存储容量大和有逻辑判断的功能，因此可以实现高级复杂的控制方法，获得快速精密的控制效果，其控制系统与以往的控制系统相比较有很多优点：
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精心设计的微机控制系统能显著地降低控制器件的成本，同时还具有体积小，重量轻，能耗少等其他的优点。
VLSI使得线路连接减少到最少，其平均无故障时间大大长于分立元件电路。
同时，数字电路中不存在温飘的问题，可以保证运算的精度。
因此对于多台电动机同步传动的实现，采用单片机控制的PWM变频调速系统。
该系统采用MCS-51单片机和专用PWM大规模集成芯片HEF4752为核心，通过该控制系统，产生PWM调制波控制逆变元件的开关断时间以实现交流电机的调速。
该系统既能实现对单独一台电动机的控制，也能实现对多台电机的同步控制，使其特性一致。
采用单片机控制的PWM变频调速多电机同步传动示意图如图一所示。
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图一多电机同步传动示意图
1-拖引锟2-异步电动机3-光电传感器4-减速箱5-变频器6-单片机最小系统以接口电路7-驱动器8-检测装置
每一台电机处设置一个与转速成正比的脉冲发生器，输出频率分别为f1,f2……fn。
由测速电路把对应的f1,f2……的转速存入计算机。
首先对主令机进行转速闭环控制。
再对从动机进行调整。
只要n=n1-n2存在。
那么就对从动机进行调整。
当n=0时系统同步运行。
联合机构有统一给定电位器给出信号。
单个单元的给定分别由比率电位器设定，经0809由单片机控制。
这样既能统一控制，又能微调各台单机，使得各单机特性基本一致，运行中的速度差异，由同步检测环节进行调整。
变频调速系统一般由变频器，电动机，控制器组成，其结构框图如图二所示：
主电路
异步电机
速度检测器
工频电源
驱动电路
运算电路
检测电路
保护电路
速度检测电路
~
~
（控制电路）
运转指令
、
图二系统结构框图
通常由变频器主电路给异步电动机提供调压调频电源。
由此电源输出的电压或电流以及频率由控制电路来给出。
由速度检测器以及速度检测电路将速度反馈信号输入给运算电路。
同时整个系统还应该包含保护电路，用来防止变频器主电路的过压过流，同时还应当保护异步电机的调速系统。
第二章PWM变频调速系统
第一节变频调速的基本知识
机电传动速度连续控制是指在一定的控制下，工作机构能够实现任意连续的速度变化，即无极调速。
交流异步电机结构简单，价格低廉，运行可靠，在机电传动中得到了广泛的应用。
异步电动机采用变频调速方法后，调速范围广，系统效率高。
在负载不变时，异步电动机器转速为
n=n（1-s）=60f（1-s）/p
可见，异步电动机的调速方法有改变f,p,s三种
（1）基频（额定频率fN）以下调速
在基频率以下调速时，需要调节电源电压，否则电动机将不能正常运行。
原因是三相异步电机正常运行时，定子阻抗压降很小。
当频率降低时，如果电压不变，将使磁通增大，电动机磁路饱和，励磁电流急剧增加，因此电动机将无法正常运行，为了防止磁路饱和，就应当
U/f=常数
上式表明，在基频率以下变频率调速时，要实现恒磁通调速度，应使电压和频率按比例地配合调节。
（2）基频（额定频率fN）以上调速
在基频以上调速时，也按比例升高电压是很困难的。
因此只好保持电压不变，这相当于支流电动机的弱磁调速。
把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得知异步电机变频调速控制特性。
如果电动机能在温升允许条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。
所以在基频以下属于恒转矩调速，在基频以上属于恒功率调速。
变频器可以分为以下几种：
（1）交-直-交电压型变频器
先把频率固定的交流电整流成直流电，再把支流电逆变成频率可调的三相交流电。
其按中间滤波环节的储能元件不同，分有电压型和电流型两种。
其在频率的调节范围，以及改善变频后电动机的特性等方面，都具有明显的优势。
所以本设计采用这一种。
（2）交-交型变频电动机调速
交-交变频器由正反并联的晶闸管整流电路组成，正半周由正组成整流器供电，负半周由负组整流器供电。
其主要优点是没有中间环节，故变换效率高，故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。
第二节PWM原理
正弦波脉宽调制就是用一系列宽度可变的矩形波脉冲来等效正弦波，等效果条件是对应时间间隔内两种波形所包含的面积相等。
如图三所示：
图三：
PWM原理示意图
PWM波的产生方法：
把正弦电压的半波N等分，每一个等分点的中点与对应的矩形脉冲中点相重合，每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积与对应的矩形脉冲面积相等。
这样，在半波内，N个等幅，等距，不等宽的矩形脉冲串即逆变器输出波。
我们用它加在异步电动机上代替传统的正弦电压波形，只要N足够大，这样的代替引起的误差很小，而我们可以方便有效地控制输出波的矩形脉冲宽度和频率，也就是控制输出波的正弦基波电压的大小和频率，从而达到控制异步电动机的目的。
通过调节方波高电平和低电平的时间比调节输出电压，比如一个20%占空比波形,会有20%的高电平时间和80%的低电平时间，而一个60%占空比的波形则具有60%的高电平时间和40%的低电平时间,占空比越大,高电平时间越长,则输出的脉冲幅度越高,即电压越高.如果占空比为0%,那么高电平时间为0,则没有电压输出.如果占空比为100%,那么输出全部电压.所以通过调节占空比,可以实现调节输出电压的目的,而且输出电压可以无级连续调节.
生成PWM波的方法有很多种，大致可以分为两大类：
一类是采用模拟电路产生，另一类是由数字电路产生，即由专用集成芯片来生成。
本例就是选用HEF4752芯片来生成控制信号。
第三节PWM变频调速主电路
1变频器的分类
（1）交-直-交电压型变频器
先把频率固定的交流电整流成直流电，再把支流电逆变成频率可调的三相交流电。
其按中间滤波环节的储能元件不同，分有电压型和电流型两种。
其在频率的调节范围，以及改善变频后电动机的特性等方面，都具有明显的优势。
所以本设计采用这一种。
（2）交-交型变频电动机调速
交-交变频器由正反并联的晶闸管整流电路组成，正半周由正组成整流器供电，负半周由负组整流器供电。
其主要优点是没有中间环节，故变换效率高，故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。
本设计采用交-直-交变频器的主电路，如图四所示。
图四：
变频器主电路
电压型变频器由晶闸管整流桥REC，支流滤波电容以及晶闸管逆变桥INV组成。
逆变桥INV的三个输出端U,V,W和异步电动机的三相绕组相连接。
整流桥将三相工频交流电变为直流电。
而滤波电容用于减少支流电压脉冲量。
各个部分说明如下：
1）整流滤波部分
整流管VD1~VD6组成三相桥整流桥，将电源的三相交流电全波整流成支流电。
如电源的线电压为UL,则三相全波整流后平均直流电压UD的大小为
UD=1.35UL
我国三相电源的线电压为380V,故全波整流后的平均电压为
UD=1.35×380V=513V
滤波电容CF其功能是:
（1）滤平全波整流后的电压纹波;
（2）当负载变化时,使支流电压保持平稳。
由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容组串联而成，如图所示。
因为电解电容器的电容量有较大的离散性，故两个电容的电容量常不能完全相等，这将使它们各自承受的电压不相等，故在两个电容旁边并联一个阻值相等的均压电阻。
限流电阻RL与开关SL当变频器刚合上电源的瞬间，滤波电容器的充电电流是很大的。
过大的冲击电流将可能使二级管损坏；同时，也使电源电压瞬间下降而受到“污染”。
为了减少冲击电流，在变频器刚接通电源的一段时间里，电路内串入限流电阻，其作用是将电容器的充电电流限制在允许的范围内。
开关S的功能是：
当充电到一定程度时，令开关接通，将RL短路掉。
电源指示HLHL除了表示电源是否接通外，还有一个十分重要的功能，就是在变频器切断电源后，表示滤波电容器上的电荷已经释放完毕。
由于CF的容量很大，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，其放电时间往往长达数分钟，又由于电容上的电压很高，如果不等其放电完，就会对人身安全产生威胁。
故在维修的时候，必须等待灯完全熄灭为止，才能接触变频器内部的导电部分。
2）直交变换部分。
逆变管V1~V6组成逆变桥，把整流所得到的直流电再逆变成频率可调的交流电。
这是变频器实现变频的具体执行环节，应而是变频器的核心部分。
本设计采用电力晶体管（GTR）
续流二级管的主要功能有：
（1）电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分量，VD7~VD12为无功电流返回给支流电源提供“通道”。
（2）当频率下降，电动机处于再生制动状态，再生电流将通过VD1~VD7整流返回给直流电路。
（3）VD1~VD7进行逆变的基本工作过程是：
3）能耗电路
制动电阻和制动单元
（1）制动电阻R电动机在工作频率下降过程中，将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到直流电路中，使直流电压不断上升，甚至可能达到危险的地步。
因此，必须将再生到直流电路的能耗消耗掉，使电压保持在允许范围内变动。
制动电阻R的作用就是用来消耗这部分能量。
（2）制动单元Vb制动单元是由GTR及其驱动电路构成的，其功能就是为放电电流经R提供通路。
2GRT驱动电路
GRT的导通与关断是由基极驱动控制信号控制的，因此基极驱动电路必须适应于GRT期间的要求。
GRT器件本身的放大倍数受到集电极电流与结稳的影响，
其开关的速度受到导通时间以及判断时间的限制。
因此，在设计驱动电路时，各种参数全面考虑。
GRT驱动电路如图五所示：
图五：
GRT驱动主电路
如图GTR的驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。
其中二极管VD2和电位补偿二极管VD3构成所谓的贝克箝位电路，也就是一种抗饱和电路，可使GTR导通时处于临界饱和状态。
当负载较轻时，如果V5的发射极电流全部注人V，会使V过饱和，关断时退饱和时间延长。
有了贝克箝位电路之后，当V过饱和使得集电极电位低于基极电位时，VD2就会自动导通，使多余的驱动电流流人集电极，维持Ubc≈0。
这样，就使得V导通时始终处于临界饱和。
图中，C2为加速开通过程的电容。
开通时，R5 被C2短路。
这样可以实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通。
第三章数字控制系统
第一节HEF4752的电路功能
本系统采用的是HEF4752芯片作为PWM波发生器，其基本功能是提供三对互补的PWM信号去驱动逆变器，使之产生对称的三相输出。
这是一块全数字式的大规模集成电路，其内部运行以及外部连接完全采用数字方式，输入逻辑各控制信号可以决定系统控制输出的启/停，相序以及选择晶体管/晶闸管模式等等，因此非常适用于微机系统。
（1）HEF4752的电路功能与结构
HEF4752是采用LOCMOS工艺制造的大规模集成电路，专门用来产生三相SPWM信号。
它的主要特点是：
1）能产生三对相位差120°的互补SPWM主控脉冲，适用于三相桥结构的逆变器；2）采用多载波比自动切换方式，随着逆变器的输出频率降低，有级地自动增加载波比，从而抑制低频输出时因高次谐波产生的转矩脉冲和噪声等所造成的恶劣影响。
调制频率可调范围为0～100Hz，且能使逆变器输出电压同步调节；3）为防止逆变器上下桥臂直通，在每相主控脉冲间插入死区间隔，间隔时间连续可调。
它的驱动输出经隔离放大后，可驱动GTO和GTR逆变器，在交流变频调速中作控制器件。
其引脚如图六所示。
图六：
HEF4752芯片引脚图
它有12个逆变驱动端，3个控制输出端，7个控制输入端，4个电源端。
具体见表：
引 脚
名 称
功 能
1
OBC1B
相换流开关信号1
2
OBM2B
相主开关信号2
3
OBM1B
相主开关信号1
4
RCT
最高开关频率基准时钟
5
CW
电机换相控制信号
6
OCT
推迟输出时钟
7
K
选择互锁推迟间隔
8
ORM1
R相主开关信号1
9
ORM2
R相主开关信号2
10
ORC1
R相换流开关信号1
11
ORC2
R相换流开关信号2
12
FCT
频率时钟
13
A
复位输入控制
14
VSS
接地端
15
B
测试电路用信号
16
C
测试电路用信号
17
VCT
电压时钟
18
CSP
电流采样脉冲
19
OYC2
Y相换流开关信号2
20
OYC1
Y相换流开关信号1
21
OYM2
Y相主开关信号2
22
OYM1
Y相主开关信号1
23
RSYN
R相同步信号
24
L
停止/启动系统
25
I
选择晶体管/晶闸管模式
26
VAV
平均电压
27
OBC2
B相换流开关信号2
28
VDD
工作电压（10V）
HEF4752芯片管脚功能
1）驱动信号输出
六个主驱动输出形成三个互补的脉宽调试驱动波形：
ORM1,ORM2,OYM1,OYM2,OBM1,OBM2,由它们去驱动三相逆变桥产生的对成的三相输出。
2）控制输入
I：
电路的输出信号可以有两种输出形式，一种是晶体管逆变器，另外一种是晶闸管逆变器，由I端的电平来控制。
就本电路来说，采用大功率晶体管，所以在I端输入低电平。
K：
在晶体管模式下，为了使同一相的上下主输出不同时接通，芯片使用一个互锁推迟间隔来隔开上下主输出的接通。
这个输入控制K和时钟输入OCT一起来调节间隔时间的长短，以保证有主够的时间换相。
间隔时间的计算公式如下：
当K=0时
fOCT=8/td
当K=1时
fOCT=16/td
L:
用来控制启动以及停止。
当L为低电平时，所有的输出全部封锁，以应变电路的突发情况。
在本设计中，当电流过大的时候封锁HEF4752以起到保护的作用。
当L为高电平的时候，解除封锁。
CW：
这个是相序输入控制端，可以用来控制电动机的转向，当其为高电平的时候相序为RYB,低电平的时候相序为RBY。
ABC：
这三个输入是用于生产制造过程中做试验用。
通常在工作期间三个端口接在VSS上。
3）时钟输入
时钟控制频率的改变可以改变输出的PWM调制波，以实现变频控制的目的。
（1）FCT频率控制时钟：
时钟输入FCT控制逆变器输出频率f,从而控制电动机的转速，时钟频率fFCT与fout的关系由下式决定：
fFCT=3360×fout
（2）VCT电压控制时钟：
由电机学原理可知，为使交流电动机有一组理想的机械特性，得到恒转矩调速的特性，必须在变频率的同时改变电压，使U/F为常数。
该电路能使输出电压自动地正比输出电压的幅度还可以由VCT时钟输入频率控制，实现对输出电压的调节。
当fVCT增加时，导致减少调制深度，从而减少了输出电压。
当减少fVCT,刚有相反的作用。
若在100%调制时的输出频率为fout，刚有fVCT=2×3360×fout故在100%调制时频率比关系式为：
ffct/fvct=0.5
低于0.5时,调治是正弦的;高于0.5时,相电压波形逐渐向方波转变。
（3）RCT参考时钟：
RCT是一个固定时钟，用来设定最大逆变开关频率fmax参考频率与最大开关频率的关系为：
frct=280×fmax
这样在应用系统中，一旦选定了最高逆变按频率，则frct就可以确定。
在大多数情况下，为了节省与便利，可以使frct=foct.
（4）OCT输出推迟时钟，它可以和输入控制信号K一起决定互锁推迟时间的长短。
4）输出控制
（1）RSYN（示波器同步信号）：
这是一个脉冲输出信号，频率等于fout。
（2）VAV（输出电压模拟信号）：
这是一个数字信号，它模拟逆变器输出的线电压平均值，其频率等于逆变
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