基于单片机的交流电机变频调速系统的设计毕业论文设计.docx

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基于单片机的交流电机变频调速系统的设计毕业论文设计

基于单片机的交流电机变频调速系统的设计

【摘要】本课题主要是研究电压型三相交流SPWM变频技术的基本原理、实现方法及软硬件设计，完成系统的软硬件设计。

要求完成内容主要有：

1、变频调速技术基本原理2、变频调速基本原理3、控制方案确定4、软件与硬件设计。

涉及的主要相关知识：

电力电子及运动控制、微机控制。

在通常情况下交流异步电动机用作调速机时，它的控制电路复杂，系统的效率较低。

采用单片机微机控制的交流异步电动机变频调速系统使起控制电路大为简化，使用正弦脉宽调制（SPWM）驱动，系统效率也有所提高。

交流异步电动机的变频调速，实际中多采用脉冲宽度调制（PWM），完成调频和调压两种功能。

用单片机实现（PWM）来控制可使调节灵活，电路简化。

本设计采用的MCS51系列的单片微机控制PWM。

传统的交流变频调速系统由正弦波和锯齿波相交产生所需的脉宽调制波实现恒压额比的变频调速控制。

这种系统由于采用模拟控制，设备复杂、调整困难，且控制精度低，可靠性差，因而限制了这种系统的应用。

与上述传统的系统相比，本系统具有如下特点：

采用新型大规模专用集成电路产生脉宽调制波，使波形稳定，精度和可靠性显著增加。

以单片机8031CPU为核心的全数字控制．电路简单，调整迅速，进一步提高了控制精度。

【关键词】电压型三相PWM整流器；变频调速；单片机；交流电机

【ABSTRACT】FocusisStudyingSPWMthree-phasevoltage-typeACinverterwiththefundamentalprinciplesinthispaper,anddesigningthemethodsandsoftwareandhardware,andcompletesystemsoftwareandhardware.Themaincompletionon:

1.thebasicprinciplesofVVVFtechnology2.thebasicprinciplesofFrequencyControl,3.thecontrolschemeforthe4.softwareandhardwaredesign.Themainrelevantknowledge:

powerelectronicsandmotioncontrol,computercontrol.Undernormalcircumstancesinexchangeformotorasynchronousspeedmachine,it'scomplicatedcontrolcircuits,thesystem'sefficiencyislow.SCMusingcomputercontroltheexchangeofasynchronousmotorFrequencyControlSystemthathasgreatlysimplifiedcontrolcircuit,theuseofSPWM（SPWM）drive,thesystemhasimprovedefficiency.

InductionMotorFrequencyControl,intheactualuseofpulsewidthmodulation（PWM）,andcompletedFMSurgetwofunctions.Toachievesingle-chipmicroprocessor（PWM）tocontrolcanadjustflexibly,tosimplifycircuit.ThisdesignbytheMCS51seriesofsingle-chipmicroprocessorachivesPWMcontrol。

ThetraditionalexchangeofFrequencyControlSystemfromtheintersectionofasinewaveandthesawtoothPWMwaveofconstantpressuretoachievethanthefrequencyforarrestcontrol.Asaresultofthisanalogcontrolsystem,equipmentcomplexanddifficultadjustment,andlow-precisioncontrol,reliabilitypoor,thuslimitingtheapplicationofsuchasystem.Withthetraditionalsystems,thissystemhasthefollowingcharacteristics:

anewtypeoflarge-scaleASICPWMwave,thewavestability,accuracyandreliabilityofasignificantincreaseinSCM（8031CPUasthecoreofdigitalcontrol.Circuitsimpletoadjustquicklytofurtherenhancethecontrolaccuracy.

【Keywords】Three-PhasePWMvoltagerectifier,FrequencyControl,SCM,ACmotor,computercontrol

摘要…………………………………………………………………………………………..1

ABSTRACT…………………………………………………………………………………..2

第一章绪论………………………………………………………………………………..4

1.1当前变频调速的发展状况及其趋势…………………………………………………...4

1.2设计本课题的总思路…………………………………………………………………...8

1.3设计任务及要求………………………………………………………………………...8

第二章异步电动机变频调速……………………………………………………………..9

2.1变频器…………………………………………………………………………………...9

2.2变频调速基本原理……………………………………………………………………..10

第三章脉宽调制技术…………………………………………………………………….12

3.1相电压控制PWM…………………………………………………………………........12

3.2线电压控制PWM………………………………………………………………………14

3.3电流控制PWM…………………………………………………………………………15

3.4空间电压矢量控制PWM………………………………………………………………16

3.5矢量控制PWM………………………………………………………………………...16

3.6直接转矩控制PWM…………………………………………………………………...17

3.7非线性控制PWM………………………………………………………………………17

第四章系统的硬件设计…………………………………………………………………..18

4.1系统工作原理…………………………………………………………………………...18

4.2主电路的设计…………………………………………………………………………...22

4.3光电隔离电路…………………………………………………………………………...26

4.4过电压保护电路………………………………………………………………………...27

4.58051控制电路…………………………………………………………………………...28

第五章系统的软件设计…………………………………………………………………..30

5.1单片机程序设计………………………………………………………………………...30

5.2控制电路………………………………………………………………………………...35

5.3最小脉冲问题分析……………………………………………………………………...35

总结…………………………………………………………………………………………..36

参考文献...…………………………………………………………………………………...37

第一章绪论

1.1当前变频调速的发展状况及趋势

在交流调速中，交流电动机的调速方法有三种:

变极调速、改变转差率调速和变频调速。

其中变频调速具有绝对的优势，并且他的调速性能和可靠性不断完善，价格不断降低。

变频调速是以变频器向交流电动机供电，并可以构成开环或闭环系统。

变频器可以将原先固定的电压和频率的交流电源转换为可调电压和可调频率的交流源，所以变频器已经成为当今交流调速的核心部件。

交流变频调速的优异特性：

（1） 调速时平滑性好，效率高。

低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。

（2） 调速范围较大，精度高。

（3） 起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。

（4） 变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。

（5） 易于实现过程自动化。

（6） 必须有专用的变频电源，目前造价较高。

（7） 在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。

近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。

变频调速是交流调速的基础和主干内容。

上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。

长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。

我国是一个发展中国家，变频调速产品大体只相当于国际上20世纪80年代水平。

随着改革开放，经济高速发展，变频调速产品形成了一个巨大的市场，它既对国内企业，也对外国公司敞开。

很多先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了国内生产和生活需要。

国内许多合资公司生产当今国际上最先进的变频调速产品，国内的成套部分在自行设计制造成套装置中采用外国进口公司和合资企业的先进设备，自己开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。

在变频调速领域，我国虽然取得了很大成绩，但应看到由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性仍较严重。

在我们现在日常生活中，高速电力机车、汽车、电梯、音乐喷泉、冰箱、洗衣机、印刷设备、空调等，接近我们生活的一些用具以及生活用品对变频控制的采用也是越来越多了。

近10年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术正发生着交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术的革命。

变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节间效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式，成为当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。

变频调速是一种经典的交流电动机调速方法，交流电动机采用变频调速技术不仅能够实现无级调速，而且可以根据负载的不同，通过适当调节电压和频率的关系，使电机始终在高效率区运行，并且保证良好的动态性能，因而被广泛使用。

国内外技术现状对比

国外现状

在大功率交-交变频（循环变流器）调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达3万kW的电气传动设备用于船舶推进系统。

在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司提供了单机容量为6万kW的设备用于抽水蓄能电站。

在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司SimovertA电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10~2600kVA和SimovertPGTOPWM变频调速设备单机容量为100~900kVA，其控制系统已实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动。

在小功率交流变频调速技术方面，日本富士BJT变频器最大单机容量可达700kVA，IGBT变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。

国外交流变频调速技术高速发展有以下特点：

（1）市场的大量需求。

（2）功率器件的发展。

（3）控制理论和微电子技术的发展。

（4）基础工业和各种制造业的高速发展，变频器相关配套件社会化、专业化生产。

 国内现状

   从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距10~15年。

   在大功率交-交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。

而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组起动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷场方面有很大需求。

在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的V/f控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年大量进口。

国内交流变频调速技术产业状况表现如下:

（1）变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模。

（2）变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。

   （3）相关配套产业及行业落后。

（4）产销量少，可靠性及工艺水平不高。

变频调速技术的发展方向

交流变频调速技术是强、弱电混合，机电一体化的综合性技术。

它分为功率级和控制级两大部分。

功率级部分是解决高电压、大电流方面的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题;控制级部分是要解决数字化控制的硬、软件开发问题。

鉴于这两方面，未来变频调速技术的发展方向主要有以下几点：

（1）各种控制方法的深入研究和实现，进一步提高变频调速性能。

当前高水平的控制策略有：

基于电动机和机械模型的有矢量控制、直接转矩控制和机械扭振补偿等;基于现代理论的有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微奈奎斯特阵列设计方法等；基于自能控制思想上网模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。

这些已有技术将逐步推广应用，同时新的控制技术将不断涌现。

（2）进一步提高变频器的功率因素，降低网侧和负载侧的谐波，以减少对电网的污染和电动机的转矩脉动。

对中、小容量变频器，主要采取提高开关频率的PWM控制；对大容量变频器，主要采取在常规的开关频率下，改变主电路结构和控制方式这两条途径。

（3）进一步增加器件的集成度，缩小变频装置整体的尺寸，更加提高系统可靠性。

今后变频器中的功率器件和控制元件将具有更高的集成度，入智能化的功率模块、高频率的开关电源以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。

与之配套的功率器件冷却方式的改变（如冷水、蒸发冷却和热管），也有利于整机体积的减小。

（4）以32位高微处理器为基础的数字控制模块有足够的能力实现各种控制算法，Windows控制系统的引入使得自由设计成为可能，图形编程的控制技术也有很大的发展。

有关资料表明，采用变频调速技术确实能够取得非常明显的节能、增产、提高产品质量的效果，节电率一般在10%~30%，有的高达40%，更重要的是生产中一些技术难点也得到解决。

变频调速作为高新技术、基础技术和节能技术，已经应用到各个领域部门，渗透到经济领域所有技术部门中，我国现在正大力发展和推广变频调速技术，努力缩小和世界先进水平的差距，使之向规模化、自主化、标准化发展。

变频调速的主要类型

目前，应用较为广泛的变频调速系统主要有以下几种：

1.转速开环的变频调速系统

所谓转速开环变频调速就是采用开环、恒压频比，并且带低频电压补偿的控制方式。

该控制系统成本低及其结构简单，所以多用于风机等的节能调速上面。

2.转速闭环转差率控制的PWM变频调速系统

利用电机稳定运行时，在转差率S很小的范围内，当磁通Φ不变时，转矩与转差角频率成正比的关系来实现电动机的较高性能调速，但其动态性能不够。

3.转速、磁链双闭环矢量控制的电流滞环型PWM变频调速系统

应用矢量控制理论，对转速、磁链进行分别控制，采用了滞环电流跟踪型PWM逆变器，所以其动态性能很好，还配有精确的转子磁链观测器，则系统都达到与直流电动机调速系统相媲美。

1.2设计本课题的总思路

本文对于逆变器供电的变频调速系统进行了分析，并设计了一种以MCS-51系列单片机为基础生成的SPWM来控制逆变器的控制系统。

首先，在逆变器供电的交流调速系统中，电动机的运行条件发生了很大变化，针对逆变器供电的特点给出了变频调速异步电动机的选择方法。

其次，对于新型器件的应用做了说明，根据新型功率器件的特点和应用要求，设计出了逆变器的驱动电路和保护电路，使得新型功率器件的应用更加安全。

最后，为适应变频调速电机的要求，设计了一套基于单片机生成的SPWM控制逆变器来控制电动机变频调速系统，对于硬件电路部分和实现控制策略的软件部分进行设计。

1.3设计任务及要求

本课题主要是研究电压型三相交流SPWM变频技术的基本原理、实现方法及软硬件设计，完成系统的软硬件设计。

要求完成任务主要有：

1、变频器及其工作原理2、变频调速基本原理3、控制方案确定4、软件与硬件设计

第二章异步电动机变频调速

2.1变频器

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

2.1.1变频器的选型

变频器选型时要确定以下几点：

（1）采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。

（2）变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。

（3）变频器与负载的匹配问题；

①电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。

②电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。

对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。

③转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。

（4）在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。

因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。

（5）变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。

（6）对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。

2.1.2变频器的工作原理

变频器是一种将电网电源整流后再逆变成频率、电压可变的交流电，供三相交流电动机专用的。

电源装置变频调速的主装置的主回路由充电接触器、进线电抗器、充电电容、平波电容绢和6组SKIIP模块组成。

而6个SKIIP模块组成二组,三相桥式交流电路，其中一组为变频器输出逆变器；另一组为向发电电网反馈的逆变桥。

在变频调速时，电动机的转矩Tmax=Cm（u／f）2式中：

Cm--电动机常数；u--电源电压；f--电源频率。

如果在改变f的同时同步改变电源电压u即可实现转矩T不变的调速性能其原理图如图2.1所示。

图2.1变频器原理图

首先是将单相或三相交流电流电源通过整流器并经电容滤波后形成幅值基本稳定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。

在这里通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时实现输出电压和频率的控制，而满足变频调速对U/f的协调控制要求。

2.2变频调速基本原理

2.2.1变频调速的工作原理p——磁极对数

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n1=60f/p

式中n1——定子旋转磁场转速，也叫异步电动机同步转速（r/min）；

       f——电源频率（Hz）；

       p——电动机的磁极对数。

异步电动机的同步转速与实际转速n之差与同步转速之比，叫异步电动机的转差率，以s表示

s=（n1–n）/n1=1–n/n1

n1s=n1–n

n=n1（1-s）

n=（1-s）×60f/p

由电机学理论可知，电动机的转速为n=60f/p，式中f—电源频率；p—磁极对数；当P为定值时，n与f成正比。

如果连续地改变供电电源的频率就可以调节电动机的转速，这就是变频调速的工作原理。

而变频调速的关键设备就是变频器它决定整个调速系统的性能。

但是，为了保持在调速时电机的最大转矩不变，必须维持电机的磁通量恒定，因此定子的供电电压也要作相应调节。

变频器就是在调整频率的同时还要调整电压，故简称VVVF（装置）。

通过电工理论分析可知，转矩与磁通量（最大值）成正比，在转子参数值一定时，转矩与电源电压的平方成正比。

目前使用较多的是“交—直—交”变频，将50Hz交流整流为直流电Ud，再由三相逆变器将直流逆变为频率可调的三相交流供给鼠笼电机实现变频调速。

频率的下降会导致磁通的增加，造成磁路饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热。

第三章脉宽调制技术

PWM技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变为电压脉冲序列，通过控制电压脉冲宽度和电压脉冲序列的周期以达到变压和变频的目的。

在变频调速中，前者主要应用于PWM斩波（DC－DC变换），后者主要应用于PWM逆变（DC－AC变换）。

PWM脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波（调制波）对三角载波进行调制，以达到调节输出脉冲宽度的目的。

相当于基波分量的信号波（调制波）并不一定指正弦波，在PWM优化模式控制中可以是预畸变的信号波，正弦信号波是一种最通常的调制信号，但决不是最优信号。

采样控制理论中有一个重要结论：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。

按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。

直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。

PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点。

由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。

到目前为止，已出现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有以下几类方法。

3.1相电压控制PWM

3.1.1等脉宽PWM法