课程设计SPWM变频调速系统.docx
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课程设计SPWM变频调速系统
SPWM变频调速系统
摘要：
变频调速是交流调速中的发展方向。
变频调速也有多种方法，本文对目前研究领域相当活跃的正弦波脉宽调制技术（SPWM）的变频调速作了一定的研究，并进行了实践。
异步电动机的调速原理是研究控制算法的基石，因文首先介绍了异步电动机的调速特性，从而展开介绍SPWM变频调速的理论基础.包括变频调速控制思想的由来，控制方法的可行性。
变频调速的控制算法也有许多，本文对目前大部分通用变频器所采用的控制算法——恒压频比控制，给出了完整的硬件电路设计和软件程序流程设计。
本文采用了Intel8OC196MC十六位单片机作为控制电路的CPU，采用该单片机的控制系统是本设计的硬件核心部分。
因此本文先简单的介绍此单片机与该设计相关的特性，继而介绍本系统的硬件设计和软件设计。
关键词:
变频器;恒压频比控制;正弦波脉宽调制:
8OC196MC单片机。
一绪论3
1.1研究的现状3
1.1.1引言3
1.1.2变频调速发展的条件4
1.1.3变频器的发展方向5
1.2论文研究的目的和意义6
1.3本文主要内容和结构安排6
二恒压频比控制的SPWM变频系统的分析7
2.1变频调速基本原理7
2.2变频调速控制方式分析7
2.3SPWM逆变技术9
2.3.1静止式SPWM间接变压变频装置9
2.3.2SPWM调制变频技术10
2.3.4双极性SPWM法12
2.4.SPWM控制信号的产生方法15
三变频调速系统的硬件实现17
3.1变频调系统的整体硬件电路设计17
3.2主电路的设计18
3.2.1主电路硬件结构18
3.2.2三相电压型逆变电路19
3.3控制路的设计21
3.3.1控制器的选择21
3.3.2存储器扩展电路24
3.3.380C196MC单片机的波形发生器24
3.3.4.1键盘显示电路28
3.3.5控制反馈检测电路30
3.4驱动和保护电路的设计32
3.4.1驱动芯片IR2110的介绍32
3.4.2保护电路的设计34
3.4.2.1过电压保护34
3.4.2.2电流检测电路35
四主程序设计36
五总结38
参考文献39
一绪论
本章作为引言，主要介绍了变频调速控制技术的发展和现状，SPWM变频技术的应用以及该课题的研究意义与价值，最后简要归纳了本课题的研究任务并对文章安排做了简要介绍。
1.1研究的现状
1.1.1引言
经过大约30多年的发展，交流调速电气传动已经上升为电气调速传动的主流。
在电气调速领域内，可以相信在不久的将来交流调速将会完全取代直流调速传动。
现在要求性能较高的中、小容量的交流调速传动，主要使用电子式电力变换器对交流电动机进行变频调速。
除变频以外的另一些简单的调速方案，如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等，它们只有在特定场合有一定的应用。
1.1.2变频器的发展方向
变频器（主要指通用变频器）从80年代到现在己经开始商品化，应用的领域也在不断的扩大，主要有以下几个方面:
（1）变频器容量不断扩大。
变频器的容量主要和它的开关器件的容量有直接影响，70年代中期，功率晶体管开始开发，到80年代采用功率晶体管的SPWM变频器的投产，随着元件容量的提高，变频器的容量不断提高，目前变频器的容量已经达到600KVA,400KVA以下的己经系列化。
（2）变频器结构的小型化。
变频器主电路中功率电路的模块化、控制电路采用大规模集成电路（LSI）和全数字化技术等一系列措施促进了变频电源的小型化。
（3）变频器的多功能化和高性能化。
电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化的方向发展，特别是微处理器的应用，以其精练的硬件结构和丰富的软件功能，为变频器的多功能化和高性能化提供了可靠的保证。
日益丰富的软件功能使通用变频器的适应性不断加强。
1.2论文研究的目的和意义
在电力拖动领域，解决好电动机的无级调速问题有着十分重要的意义，电机调速性能的提高可以大大提高工农业生产设备的加工精度、工艺水平以及工作效率，从而提高产品的质量和数量;对于风机、水泵负载，如果采用调速的方法改变其流量，节电效率可达20%-60%。
众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。
在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电机调速所垄断，这是和实际中交流电机的广泛使用是一对存在的矛盾，许多应用交流电机的设备为了达到调节被控对象的目的，只能采用物理的方法，例如采用风门，阀门控制流量等，这样浪费能源的问题就很突出，费用就大。
而且在采用直流调速的方面由于直流电机固有的缺点—换相器和电刷的存在，使得维修工作量大，事故率高，电机的大容量使用受到限制，在易燃易爆的场合无法使用，因此开发交流调速势在必行。
二恒压频比控制的SPWM变频系统的分析
本章是整个课题研究的技术理论基础。
主要分析了变频调速的基础知识，逆变的基本原理以及SPWM正弦脉宽调制波形发生原理等相关理论。
2.1变频调速基本原理
异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为
（2-1）
其中
为同步转速（r/min）
为定子频率，也就是电源频率（Hz）;
为磁极对数。
异步电机的轴转速为
（2-2）
其中s为异步电机的转差率，
由上面的公式可以看出，改变电源的供电频率可以改变电机的转速。
2.2变频调速控制方式分析
在基频（额定频率）以下调速时，由于E1的大小不易从外部加以控制，而定子绕组的阻抗压降（
U=
，
为定子绕组的阻抗压降，包括电阻和漏磁电抗）在电压较高时可以忽略，所以可以认为电动势和电源相电压近似相等即有U1
E1，因此作为一种可行的方案是在电源电压较高时用电源相电压U1代替电动势E1，当频率较低时，U1和E1都变小，定子漏阻抗压降所占比重加大，不可以忽略，所以要人为的补偿，这是一种近似的恒磁通控制，这种控制方式常用于恒转矩控制，如下图2-1.
在基频以上调速时由于电压U,受额定电压的限制不能升，因此在频率升高时，迫使主磁通变小，进入弱磁变频调速，属于近似恒功率控制，如图2-1.但是用恒压频比代替恒电动势频率比的一个重要缺点是在速度降低时，电动机的带载能力也同时下降转矩利用率下降，从图2-2的a,b可以看出a图的临界转矩点随着速度的降低也减小，而b图则没有变化，然而要达到b图的效果就要保持E1/f1的比值为恒值而不仅是保持U1/f1比值为恒值了。
基于上述原因，在变频调速的基本控制方式下，改变频率的同必须改变电压，所以称之为VVVF（VariablevoltageVariableFrequency）控制。
恒转矩调速
恒功率调速
0
n
图2-1异步电机变频调速的控制特
2.3SPWM逆变技术
2.3.1静止式SPWM间接变压变频装置
SPWM间接变压变频装置先将工频交流电通过整流器变成直流电，再经过逆变器将直流电变换成可控频率和幅值的交流电，故又称为交一直一交变压变频装置。
其系统原理框图如图2-3所示在这类装置中，用不控器件整流，而逆变部分用SPWM变频器调压调频一次完成，整流器无需控制，简化了电路结构;而且由于以全波整流代替了相控整流，所以提高了输入端的功率因数，减小了谐波对电网的影响。
此外，因输出波形由方波改进为SPWM波，减少了谐波，从而解决了电动机在低频区的转矩脉动问题，也降低了电动机的谐波损耗和噪声。
2.3.2SPWM调制变频技术
SPWM调制技术是PWM多脉冲可变脉宽调制技术的一种，即所谓的正弦波脉宽调制.其输出波形是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，等效的原则是每一区间的面积相等。
如果把一个正弦半波分作n等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等份的中点相重合，这样，由n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效。
同样，正弦波的负半周也可用相同的方法与一系列负脉冲波等效。
如图2-4所示。
设由整流器提供的直流恒值电压为Us，并设电机绕组中点与直流电压中点相连，则SPWM脉冲序列波的幅值为
。
令第i个矩形脉冲的宽度为
，其中心点相位角为
，则根据面积相等的等效原则，可写成：
=
=
（2-3）
当n的数值较大时，近似的认为sin
/（2n）=
/（2n），于是
（2-4）
相比于其它各种变频
变压调制方式，这样的脉冲系列可获得比常规六拍阶梯波更接近于正弦波的输出电压波形，可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，因而转矩脉动小。
由于电网的功率因数接近于1，大大提高了系统的整体性能。
一般的，SPWM分单极性和双极性两种调制方式。
T
图2-2SPWM的输出波形
2.3.3单极性SPWM法
单极性SPWM法输出的每半个周期中，被调制成的脉冲电压只有一种极性，正半周为十U和零，负半周为一U和零，其调制波形如图2-5a）所示。
曲线1是正弦调制波um，其周期决定于所需要的调制比kf。
曲线2是采用等腰三角波的载波uc，其周期决定于载波频率，振幅不变，等于
1时正弦调制波的振幅值.每半周期内所有三角波的极性均相同，都是单极性。
调制波和载波的交点，决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲间的间隔宽度，所得的脉冲系列如图2-5a）中的uc所示.由图知，每半周期内的脉冲系列也是单极性的。
单极性调制的工作特点是:
每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断的工作，另一个完全截至;而在另半个周期内，两个器件的工况正好相反。
流经负载的便是正、负交替的交变电流（如图2—5b）所示。
12
0
wt
0wt
图2-3a单极性SPWM调制图图2-3b单极性调制的工作特点图
2.3.4双极性SPWM法
上述的单极性SPWM逆变器主电路每相只有一个开关器件反复通断。
如果让同一桥臂上、下两个开关器件交替地导通与关断，则输出脉冲在“正”和“负”之间变化，就得到了双极性的SPWM波形。
双极性SPWM法的调制波u仍为正弦波，其周期决定于今，振幅决定于气，如图2-4a）中的曲线1.曲线2载波uc为双极性的等腰三角形，其周期决定于载波频率，振幅不变，等于k=1时正弦调制波振幅值。
调制波与载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列也是双极性的，如图2-4b）所示。
但是，由相电压合成为线电压时，所得到的线电压脉冲系列却是单极性的，如图2-4c）所示。
双极性调制的工作特点是:
逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，毫不停息。
而流过负载凡的是按线电压规律变化的交变电流，如图2-4d）所示。
A）
1
2
wt
B）
wt
C）
wt
D）
wt
ZL
ZL
图2—4双极性SPWM调制图
2.4.SPWM控制信号的产生方法
（1）SPWM的模拟控制
原始的SPWM是由模拟控制来实现的。
图2-7是SPWM模拟控制电路原理框图。
三相对称的参考正弦电压调制信号
，
，
由参考信号发生器
供，其频率和幅值都是可调的。
三角载波信号
由三角波发生器提供，各相共用。
它分别与每相调制信号在比较器上进行比较，给出正或零的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波
，
，
，作为变压变频器功率开关器件的驱动信号。
参考信号
发生器
驱动V1-V6
SPWM波形
三角波发生器
图2-7SPWM波模拟控制电路
（2）SPWM的数字控制
数字控制是SPWM目前常用的控制方法。
可以采用微机存储预先计算好的SPWM数据表格，控制时根据指令调出;或者通过软件实时生成SPWM波形;也可以采用大规模集成电路专用芯片产生SPWM信号。
随着微电子技术的发展，开发出一些专门用于发生控制信号的集成电路芯片，配合微处理器进行控件生成SPWM信号方便得多。
国内制的电动机微机控制系统，大多采用8031,8098等。
由于这些芯片并非为电动机控制设计的，为了实现电动机控制的某些功能，不得不增加较多的外器件必须以多片集成电路方能构成完整的控制系统。
三变频调速系统的硬件实现
该系统以单片机为核心，采用新型三相SPWM专用芯片80C196MC组成的三相脉宽调制逆变器控制电路组成性能良好的新型全数字化逆变器调速系统，该系统具有不仅需少量的外围元件，而且无需繁杂的软件编程等优点。
3.1变频调系统的整体硬件电路设计
本系统主要由主电路、驱动电路、控制电路以及保护电路构成。
其结构框图如图3-7a,b,c，其中控制电路原理图见附录。
外部扩展存储器
8279
键盘显示电路
模拟输入
80C196MC单片机
保护电路输入口
SPWM输出
检测电流预留口
a控制电路框图
直流电源
光电隔离电路
晶体管放大电路
输出给IGBT基极控制信号BUBXBVBYBWBZ
SPWM输入信号
b驱动电路框图
逆变电路
滤波电路
整流电路
电源
C主电路方框图
图3-1硬件电路方框图
控制电路以80C196MC为核心，输出六路互补SPWM波形，输入和电位器模拟输入两种输入方式，可以用键盘数字电流检测以及测速码盘的接入口在控制电路中全都预留有接口。
3.2主电路的设计
3.2.1主电路硬件结构
主电路是交一直一交电压源型，单相220V工频交流供电，采用不可控的二极管整流桥，大电容滤波，采用大功率晶体管IGBT作为输出SPWM波形的开关器件。
目前的大功率开关器件都是以集成的大功率场效应管IGBT为主流，另外系统中设置了保护电路，包括过压、过流的保护等。
主电路如图3-2所示。
图3-2主电路结构图
逆变（DC／AC）技术是电力电子技术的重要组成部分，是把直流电变成交流电的过程，完成逆变功能的电路称为逆变电路逆变电路根据直流侧电源性质不同可分为两种：
直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。
它们也分别被称为电压源型逆变电路和电流源型逆变电路。
3.2.2三相电压型逆变电路
三相交流负载需要三相逆变器，在三相逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆变电路。
采用IGBT作为可控元件的电压型三相逆变电路如图2．7所示，可以看出电路由三个半桥组成。
图3-3三相逆变电路
用T记为周期，只要注意三相之间互隔T／3（T是周期）就可以了，即B相比A相滞后T／3，C相又比B相滞后T／3。
具体的导通顺序如下：
第1个T／6：
V1，V6，V5导通，V4，V3，V2截至：
第2个T／6：
Vl，V6，V2导通，V4。
V3，V5截至：
第3个T／6：
V1，V3，V2导通，V4，V6，V5截至：
第4个T／6：
V4，V3，V2导通，V1，V6，V5截至：
第5个T／6：
V4，V3，V5导通，V1，V6，V2截至：
第6个T／6：
V4，V6，V5导通，V1，V3，V2截至。
下面来分析电压型三相桥式逆变电路的工作波形。
对于A相输出来说，当桥臂l导通时，
当桥臂4导通，
因此，
的波形是幅值为
的矩形波。
B，C两相的情况和A相类似，
的波形形状和
相同，只是相位依次相差
。
三相逆变电路输出电压波形如图：
A
AT
U
B
BBT
U
CC
C
T
图3-4三相逆变电路输出电压波形
3.3控制路的设计
3.3.1控制器的选择
8XC196MC单片机是Intel公司专门为电机高速控制设计的一种16位微控制器，其后缀MC正是电机控制（MotorController）的缩写，它己被广泛的应用。
8OC196MC的基本结构主要包括算术、逻辑运算部件RALU，寄存器集，内部A/D转换器，PWM发生器，事件处理阵列EPA，三相互补5PWM输出发生器以及看门狗、时钟、中断控制逻辑等.
3.3.280C196MC单片机的波形发生器
片内波形发生器WFG（WaveFormGenerator）是80C196MC独具的特点之一。
这一外设装置大大简化了用于产生SPWM波形的控制软件和外部硬件，特别适应于控制三相交流感应电机。
死区时间发生器
个载波周期三角波发生器
死区互锁，脉冲分配与输出方式控制
U相脉冲比较及生成
保护电路
脉宽值设定
外部中断请求
各载波周期
中断请求外部中断输入
图3-5波形发生器框图
三相SPWM波形是由U，V,W三个单相SPWM波形生成器构成的，其中一相电路的原理图如图3-7所示，它由脉宽发生，死区脉宽发生，脉冲合成及保护电路等单元电路构成。
WFG可以产生独立的三对PWM波形，但它们有共同的载波频率、无信号时间和操作方式一旦启动之后，WFG只要求CPU在改变PWM的占空比时加以干预。
从功能上看波形发生器可以分为三个部分，时基发生器、相位驱动通道和控制电路。
3.3.4其他外围电路的设计
3.3.4.1键盘显示电路
在微机控制系统中，为了提高实时性，应要尽可能的减少对CPU的占用，对于本系统来说尤其如此。
系统采用5个八段数码管作为显示窗，位选线通过一个74LS138译码器译码得到并通过74LS07和八段数码管的位选线相接，八段数码管的段码线也通过74LS07相接，其中74LS07是作为驱动器用的，八段数码管要求每段的输入电流为5到10毫安，所以必须经过74LS07驱动器。
设置的键盘共有八个键，它们是模式键MODE，确认键SET，上档键SHIFT，上升键t，下降键1，停止键STOP，运行键RUN以及复位键RESET，其中最后一个复位键只是系统复位电路的按键，与8279无关。
每个键的具体功能用软件来实现.
3.3.4.2时钟电路和复位电路
8OC196MC系列单片机的片内振荡电路包含一个晶体控制的振荡器;如下图4-1。
XTAL1引脚是内部反相放大器的输入端，而XTAL2引脚是该放大器的输出端，因此在看晶振的波形时，一般是在XTAL2引脚看。
在晶体振荡器中，晶体工作于基本响应模式，它作为一个感抗与外部电容形成并联谐振，使正反放大器维持振荡。
振荡器的工作受掉电方式信号可控制，当PD等于0时，振荡器停振。
XTAL1和XTAL2引脚处都有静电放电保护器件，外部晶体连接时，所接的电容值是起稳定作用的，取值并不严格，可以取20pF和30PF的电容，一般20uF的电容对于1MHz以上的晶体都可以有良好的效果。
在XTAL1和XTAL2引脚所产生的噪声尖峰信号可能导致内部时钟发生电路的计数错误，因此晶体部分要接在靠近芯片的位并且和XTAL1和XTAL2以及Vss尽量直接相连而且路径最短。
。
图3-11复位电路图
3.3.5控制反馈检测电路
光电编码器脉冲信号经计数后可得到被测量的数字信号。
由于所测量的旋转是双向的，既可顺时针旋转，也可逆时针旋转，需要对编码器的输出信号进行鉴相之后才能计数。
光电编码器的A相波形由内圈光斓产生，B相波形由外圈光阑产生。
A.B两相脉冲相位相差90度，并且共同携带光电盘角度位置信息和转动向信息。
可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转。
当编码洲顷时针方向转动时，A相脉辫前沿超前于B相;逆时针方向转动时，B相脉冲前沿超前于A相。
其脉冲波形图如图4-13所示。
A相
B相
C相
D相
图3-13光电编码器脉冲波形图
3.4驱动和保护电路的设计
3.4.1.1过电压保护
MAX6495–MAX6499/MAX6397/MAX6398过压保护（OVP）器件用于保护后续电路免受甩负载或瞬间高压的破坏。
器件通过控制外部串联在电源线上的n沟道MOSFET实现。
当电压超过用户设置的过压门限时，拉低MOSFET的栅极，MOSFET关断，将负载与输入电源断开。
过压保护（OVP）器件数据资料中提供的典型电路可以满足大多数应用的需求。
然而，有些应用需要对基本电路进行适当修改。
本文讨论了一种应用：
增大电路的最大输入电压，在过压情况发生时利用输出电容存储能量。
图4-17过电压保护电路
3.4.2.2电流检测电路
图4-18霍尔电流传感器
模块参数：
由于逆变晶闸管就是开通或关断直流电流，形成负载上的中频电流。
因此，逆变晶闸管的触发信号与中频电流同相位。
直接取单片机发出的逆变触发信号作为中频电流过零信号，送至80C196MC的比较捕获单元引脚CAP0。
功率自动控制部分若是模拟电路，其产生的逆变角调节信号可接至80C196MC的A/D转换输入引脚ACH0。
80C196MC的自带的A/D转换模块将其转换后可得出调节量。
功率自动控制部分若是数字电路，其产生的逆变角调节信号可通过串行通信传至80C196MC。
串行通信信号接至80C196MC的比较捕获单元引脚CAP1及CAP2。
启动过程中的控制信号，如直流电压限幅信号、重复启动时关机信号、启动成功转锁频信号均为开关量，可接至80C196MC的I/O口P0.1，P0.2和P6.4。
发生故障的保护信号接至80C196MC的不可屏蔽中断引脚NMI，以保证任何时候发生故障控制程序都可以及时转入保护中断。
控制参数的设置和显示可以通过人机接口外接键盘和数码管实现。
测量频率：
0-100KHZ
测量范围：
1-40000A
精度：
0.2%-1%
相应时间：
1US
线性度：
0.1%
无测量插入损耗。
工作原理：
被测电流IN流过导体产生的磁场，由通过霍尔元件输出信号控制的补偿信号IM流过次级线圈产生的磁场补偿。
当原边与副边磁场达到平衡时，其补偿电流IM即可精确反映原边电流IN的值。
四主程序设计
主要程序为闭环主程序、SPWM中断处理子程序和5ms定时中断子程序．主程序分为初始化、参数修改、刷新SPWM给定值等几个模块；SPWM中断处理子程序中先根据人口参数计算三相脉宽．然后进三相脉宽值到三个输出比较器准备下一次中断；5ms中断子程序则根据当前转速给定与转速反馈值计算出新的SPWM给定值及转向，以供CPU输出对应的SPWM波形．为了提高系统稳定性，仅在停车时方可修改各参数，开车状态时该功能自动失效．转速调节采用模糊（fuzzy）控制并结合PI算法在低速情况下可获得良好的动静态特性．
中断开始
中断开始
计算三相脉冲
算出新的SPWM的给定值
送三相脉冲值到三个输出比较器准备下一次中断
中断返回
中断返回
SPWM中断5ms定时中断
给定变
开始
初始化
刷新转速给定
修改
新旧SPWM给定值有变化
参数改
读给定转向
修改SPWM给定值输出新转向
设SPWM输出中断，设RELOAD寄存器，设死区时间寄存器
开中断
启动
闭环主程序
系统软件框图
五总结
本设计参考变频系统的设计思想，设计并制造了一套全数字化SPWM变频器调速系统，通过对16位单片机8OC196MC的波形发生器输出信号施加三相正弦函数调制和电压幅值调制，使得其V/F控制策略在软件上得以实现。
对这种调速系统分析和设计作了
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