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交流电机调速综述课程设计论文

课程设计（报告）

题目：

交流电机调速综述

学院：

机电工程学院

摘要

最近几年，随着新型电力电子器件的不断涌现和计算机技术的飞速发展，高性能的交流电动机变频调速系统得到了广泛的应用，它的显著的节能效果和灵活的运行方式，给人们留下了深刻的印象。

本论文首先论述了变频调速的基础技术，简述了它在我国的发展和应用以及今后在这方面应做的工作；其次对系统的主电路、控制电路、电气控制电路以及实现控制的软、硬件进行了系统地分析，并对调速系统的实施方案进行了论证。

在此基础上，调速系统主电路采用了交-直-交型电路形式，并采用IGBT作为主电路的功率开关器件；根据SPWM波形的生成原理，从硬件和软件上探讨了基于MA818，用于IGBT控制的数字化PWM波形产生器的实现方法；根据系统的设计要求，选择了转速负反馈控制，提高了系统的精度和稳定度；最后完成了相应的电气控制电路。

经相关的实验及仿真波形分析，表明该系统满足预期的设计要求

关键词：

交流调速，变频调速，IGBT，SPWM，MA818

第2章交流变频调速异步电机.........................4

2.1变频调速异步电机工作原理...................................................................4

2.2变频器供电对电机绝缘结构的影响............................................................4

2.3谐波对电机效率和温升的影响............................................................4

2.4谐波对电机噪声和振动的影响...............................................5

第3章系统硬件.....................................................................................6

3.1SPWM生成原理...........................................................................................6

3.2MA818结构及工作原理................................................................................6

3.3单片机89e28rd2特性.................................................................................7

3.4A/D转换..........................................................................................................8

第4章软件............................................................................................10

4.1数字PID控制...........................................................................................10

4.2数字滤波技术.........................................................................................10

4.3模数转换方式.............................................................................................13

4.4MA818编程.....................................................................................................14

第1章概述

1.1交流变频调速技术的发展与研究现状

在过去的几十年里,世界范围的工业进步的一个重要因素是工厂自动化程度的不断提高。

工厂里的生产线一般包括一个或多个可变速的电机传动装置,用于大功率传送带、机械手、桥式吊车、钢材扎制生产线以及塑料和合成纤维生产线等。

50年代以前，所有这些应用都需要使用直流电机传动，交流电机由于其固有的以同步或几乎同步于电源的频率运行，所以难以真正的调节或平滑的改变速度。

然而，直流传动存在的诸如运行中产生火花、对环境要求叫高、电刷易于磨损、维护麻烦等等的自身结构上的问题促使人们不断寻求更好的解决问题的方法。

一般来说，交流传动与相当的直流传动相比通常有价格方面的优势，而且具有较少维护、较小的电机尺寸和更高的可靠性。

然而对这些传动系统可利用的控制灵活性是非常有限的，而且它们的应用主要局限在风机、泵和压风机等应用方面，其速度只需要粗略调节而对暂态响应和低速特性没有严格要求。

用于机床、高速电梯、测功器、矿井提升机等的传动装置，有更加复杂的要求，而且必须提供允许调节多个变量的灵活性，例如速度、位置、加速度和转矩等。

这样的高性能应用，一般在速度闭环下要求高速段保持高于0.5%的调速精度和至少20：

1的宽调速范围，以及高于50rad/s的快速暂态响应。

以前，这样的传动装置几乎全部是直流电机的应用领域，并根据具体应用的需要配置各种结构的AC-DC变换器。

然而，采用适当控制的感应电动机传动在高性能应用上已胜过直流传动，并且交流传动更加广泛的应用于计算机外围设备的传动、机床和电动工具、机器人和自动装置的传动、电动汽车和电器火车传动等等。

1.2变频调速技术的优点和发展方向

交流异步电动机调速系统种类繁多，常见的有：

降压调速，电磁转差离合器调速，饶线转子异步电机串级调速，变极对数调速和变压变频调速。

而由电机学可知，交流异步电机的转速公式如下：

公式（1-1）

其中：

n是异步电动机转速，p是异步电动机的极对数，s是异步电动机的转差率，f是供电电源的频率。

（1）改变极对数作几挡的有级调速，该种电机通用性差，并且结构复杂、价格高、维护性差。

（2）改变电动机，即在转子上串电阻，因饶线式电机的结构限制，通常为有级调速。

（3）当极对数不变时，电动机转子转速n与定子电源频率f成正比。

因此通过连续改变定子电压供电频率f就能平滑、无级地调节异步电动机的转速，这种调速方法称为变频调速。

改变供电电源频率也称变频调速，这种方法能实现无级调速，并且能适用于各种异步电动机的调速需要，特别指出的是能适用我国现在普遍应用的鼠笼式三相交流异步电动机的调速需要。

变频调速的优点：

①调速范围宽，可以使普通异步电动机实现无级调速：

②启动电流小，而启动转矩大；

③启动平滑，消除机械的冲击力，保护机械设备；

④对电机具有保护功能，降低电机的维修费用：

⑤具有显著的节电效果：

⑥通过调节电压和频率的关系方便地实现恒转矩或者恒功率调速：

目前，变频调速己经成为异步电动机最主要的调速方式，在很多领域都得到了广泛的应用：

而且随着一些新的交流电机调速理论（如：

矢量控制和直接转矩控制）和现代电力电子技术（IGBT、IPM、PIC）以及高效的处理器（如：

DSP）等相关技术的发展，它将在很长一段时间内主导电气传动领域，并向更高性能、更大容量以及智能化方向发展。

交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术。

其发展的趋势大致为：

1、主控一体化将功率芯片和控制电路集成在一饮芯片上使逆变功率和控制电路达到一体化，智能化和高性能化的HVIC（高耐压IC）SOC（SystemonChip）的概念已被用户接受，随着功率做大，此产品在市场上极具竞争力。

2、小型化紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度，功率器件发热的改善和冷却技术的发展己成为重要原因。

ABB公司将小型变频器定型为Comp－ACTM，他向全球发布的全新概念是，小功率变频器应当像接触器、软起动器等电器元件一样使用简牢，安装方便，安全可靠。

3、低电磁噪音设计变频器要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC国际标准，主要做法是在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正电路，改善输入电流波形降低电网谐波以及逆变桥采取电流过零的开关技术。

而控制电源用的开关电源将推崇半谐振方式，这种开关控制方式在30～50MHZ。

时的噪声可降低15——20dB。

4、数字控制以高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各控制算法。

5、网络化新型通用变频器可提供多种兼容的通信接口，支持多种不同的通信协议，内装RS485接口，可由个人计算机向通用变频器输入运行命令和设定功能码数据等，通过选件可与现场总线：

Profibus－DP、Interbus－S、DeviceNet、ModbusPlus、CC－Link、LONNORKS、Ethernet、CANOpen、T-LINK等通讯。

如西门子、三菱、普传、台安、东洋等品牌的通用变频器，均可通过各自可提供的选件支持上述几种或全部类型的现场总线。

第2章变频调速异步电机

2.1变频调速异步电动机的工作原理

异步电动机的转速为，如忽略的变化，则电动机的转速随定子供电频率正比变化，从而实现对电机的变频调速。

根据异步电动机的工作原理，若希望异步电动机获得良好的运行性能和负载性能，还必须保持其磁路工作点稳定在额定不变，即保持每极磁通不变。

这是因为若太大，电动机磁路饱和，励磁电流和励磁损耗及发热增大；若太弱，电动机出力不够，铁心也未充分利用。

根据异步电动机定子每相电动势有效公式，当电动机参数一旦选根据异步电动机定子每相电动势有效公式，当电动机参数一旦选定，结构参数确定后，就有。

所以只要合理的控制和，即可达到控制磁通的目的。

而改变供电电源频率又可实现对电动机转速的调节，且在很大的调速范围内获得很好的调速平滑性和足够硬的机械特性。

2.2变频器供电对电机绝缘结构的影响

变频器输出的波形不是正弦波而是PWM脉冲波。

变频器元器件的开关频率很高，这使得变频器输出电压的值很高。

变频器供电时，电机线圈承受很高的电压上升率，相当于线圈反复承受电压陡度很大的冲击电压。

冲击电压作用在线圈的首末匝的引线上，主要影响匝间绝缘。

线圈承受冲击电压时，由于电离作用在绕组绝缘气隙中以及绕组主绝缘表面上会产生大量空间电荷。

当电压极性改变时，空间电荷产生的电场与外加电场相迭加形成一个很强的电场。

电荷在电场的作用下在绕组匝间绝缘和主绝缘上产生局部放电现象。

由于PWM脉冲波的频率很高，电压陡度大，导致变频调速异步电动机绝缘系统局部放电的数量远远大于一般工频异步电动机，从而加速了变频调速异步电动机的绝缘老化。

另外，当电机绕组匝间发生局部放电时，会使绝缘中分布电容所储存的电能变为热辐射、机械能和化学能，从而使整个绝缘系统劣化，绝缘的击穿电压降低，最终导致绝缘击穿。

由于变频器供电对电机主绝缘的影响主要取决于PWM脉冲波幅值的大小，而电机主绝缘的击穿电压较高，因此变频器供电对电机匝间绝缘的影响更严重。

2.3谐波对电机效率和温升的影响

由于在变频器输出中含有不同程度的谐波电压和谐波电流，造成电机端输入的电压、电流为非正弦。

虽然随着电力电子技术的发展，变频器输出的低次谐波几乎为零，但还是不可避免地有大量的高次谐波输入变频异步电动机中。

高次谐波的存在引起电机的定子铜耗、转子铜耗、铁耗和附加损耗增加，这些损耗的增加又导致了电机效率降低和温升升高。

2.4谐波对电机噪声和振动的影响

变频供电时，由于变频器中的各次谐波与电机电磁部分的固有谐波相互干扰形成电磁激振力。

当电磁力波与电机结构件固有频率一致或接近时将产生共振现象。

变频电机调速范围大，很难完全避开电机结构件的固有频率。

因此，变频调速异步电动机的电磁噪声和振动比一般工频异步电动机要大。

第3章系统硬件

3.1SPWM的生成原理

以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角形作为载波，并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波，当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦波调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。

按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。

这种调制方法称作正弦波脉宽调制，简称SPWM，这种序列的矩形波称作SPWM波。

3.2MA818结构及工作原理

1．MA818内部结构框图及工作特点

MA818主要由三部分组成:

第一部分为接收并储存微处理器命令的控制字部分。

它主要由总线控制,总线译码,暂存器R0、R1、R2,虚拟寄存器R3、R4及24位初始化寄存器和24位控制寄存器组成;第二部分为从EPROM中读出正弦调制波形的数据部分。

它由地址发生器和数据缓冲器组成;第三部分为三相输出控制电路及输出脉冲锁存电路。

每相输出控制电路又由脉冲删除电路和脉冲延迟电路组成。

脉冲延迟电路能在同一相的两个开关器件进行开、关切换时,提供一个较短的延迟时间,以使导通信号滞后于关断信号,从而避免同一相上的开关器件发生直通短路现象。

脉冲删除电路能保证使最小输出脉冲大于器件的开关时间,而将更窄的脉冲删除掉。

2．工作原理

MA818在工作之前,两个24位寄存器（初始化寄存器和控制寄存器）要先从微机中输入命令字。

MOTEL总线的宽度为8位,向24位寄存器输送数据时,要分三次分别送到R0、R1、R2寄存器中,再通过向虚拟寄存器R3、R4的写指令命令分别完成从R0、R1、R2向控制寄存器和初始寄存器传送数据。

MA818采用规则采样法产生SPWM波形。

它内部具有一个地址发生器和一个输入数据缓冲器,能从外部微机系统PROM/EPROM中直接读取用户按要求定义的各种精确的、用于产生SPWM脉冲序列的调制波形,并与三角载波比较,从而产生所需要的SPWM波形。

在调制波形的正半周（0°～180°）,波形被分割为768个8位采样值进行存储,幅值范围为0～255。

768个采样值从0°～180°按线性增长,其角度分辨率为0.23°。

在调制波形的负半周（180°～360°）,MA818对0°～180°内的768个采样值取反,从而得到全360°的调制波形。

768个采样值分成1536个4位采样值存储,其中低4位部分分别存储在0000H～0300H单元中,高4位部分分别存储在0400H～0700H单元中,MA818自动地读取这两个

部分,并在内部拼成一个8位采样值。

这样,MA818只需要4根数据线既可完成从外部PROM/E2PROM中读取采样值。

3.3单片机SST89E58RD2的特性

SST87E58RD2是一款80C51微控制器，包含32KB+8KBFLASH和256+768B的数据RAM。

SST89E58RD2的典型特性是他的×2方式选项，利用该特性，设计者可使应用程序以传统的80C51时钟频率（每个机器周期包含12个时钟）或×2方式（每个机器周期包含6个时钟）的时钟频率运行。

FLASH程序存储器支持传统的并行编程，也支持串行在系统编程（ISP）。

ISP允许在软件控制下对成品中的器件进行重复编程，SST89E58RD2也可采用在应用中编程（IAP），允许随时对两片FLASH程序存储器重新配置，即使应用程序正在运行时也不例外。

SST89E58CD2特性如下：

·80C51核心处理单元；

·5V的工作电压，操作频率为0-40MHz；

·64KB的片内FLASH程序存储器，具有ISP（在系统编程）和IAP（在应用中编程）功能；

·通过软件或ISP选择支持12时钟（默认）或6时钟模式；

·SPI（串行外围接口）和增强型UART；

·PCA（可编程计数器阵列），具有PWM和捕获/比较功能；

·4个8位I/O口（P0-P3），1个4位I/O口（P4）；

·3个16位定时器/计数器；

·可编程看门狗定时器（WDT）；

·10个中断源，4个中断优先级；

·2个DPTR寄存器；

·低EMI方式（ALE禁能）；

·兼容TTL和CMOS逻辑电平；

·掉电检测；

·低功耗模式（掉电模式，外部中断唤醒，空闲模式）。

3.4A/D转换器

在电动机的控制过程中，常需要将一些过程信号送回单片机进行处理，如输出转速信号、输出电压信号、输入电流信号等。

因为单片机只能处理数字信号，如果电动机的这些过程信号是模拟量，必须先经过A/D转换，再将转换所得到的数字信号送入单片机处理。

所以A/D转换在电动机控制中常常是不可缺少的。

A/D转换器即模拟、数字转换器，是将输入的模拟信号的器件。

本设计中选择的是ADC0809型号，它是8位CMOS逐次逼近式A/D转换器，由8位A/D转换器、8通道多路转换器与微处理器兼容的控制逻辑组成。

8通道多路转换器能够直接连通8个单端模拟信号中任何一个。

（1）A/D0809的功能特点：

·8位分辨率。

·模拟输入范围为0~5V，单一+5V供电。

·具有锁存控制的8路模拟开关。

·可锁存三态输出，输出与TTL兼容。

·最大不可调误差小于+1LBS或者-1LBS。

·不必进行零点和满度调整。

·转换速度取决于芯片的时钟频率。

时钟频率范围在10~1280KHz；当CLK=500KHz时，转换速度为

（2）引脚功能介绍：

IN0~IN7：

8路输入通道的模拟量输入端口。

D0~D7：

8位数字量输出端口。

START和ALE：

START为启动控制输入端口，ALE为地址锁存控制信号端口。

这两个信号端可连接起来同时控制，当输入一个正脉冲，便立即启动A/D转换。

EOC和OE：

EOC为转换结束信号脉冲输出端口，OE为输出允许控制端口。

EOC电平由低变高表示A/D转换。

OE端的电平由低变高，则打开三态输出锁存器，将转换结果的数字量输出到数据总线上。

该信号可连接在一起，方便控制。

REF（+）,REF（-）,Vcc，GND：

REF（+）和REF（-）为参考电压输入端，Vcc为主电源输入端，GND为接地端。

通常REF（+）和Vcc、REF（-）和GND连接在一起。

CLK：

时钟输入端。

ADDA，B，C：

8路模拟开关的三位地址选通输入端，以选择对应的输入通道。

其他地址分别为二进制数000~111（对应C,B,A）时，对应的输入通道IN0~IN7选通。

第4章软件

4.1数字PID控制

PID控制原理

系统偏差一般定义为系统给定量与输出反馈量之差，将偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成控制器的调节器，是控制系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。

实际运行经验和理论分析均表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到满意的效果。

特别当用计算机实现PID控制时，不是简单地把模拟PID控制规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能相结合，使PID控制更加灵活，更能满足生产过程提出的要求，即用软件来实现PID控制，即数字PID控制。

4.2数字滤波技术

在电动机数字闭环控制系统中，测量值y是通过对系统的输出量进行采样而得到的。

它与给定值r（t）之差形成偏差信号

，所以，测量值y是决定偏差大小的重要数据。

测量值如果不能真实地反映系统的输出，那么这个控制系统就失去它的作用。

在实际中，对电动机输出的测量值常混有干扰噪声，它们来自于被测信号的形成过程和传送过程。

用混有干扰的测量值作为控制信号，将引起系统误动作，在有微分控制环节下的系统中还会引起系统震荡，因此危害极大。

所以对于低频周期性和随机性的干扰，硬件就无能为力，用数字滤波就可以解决该问题。

所谓数字滤波，就是通过一定软件计算或者判断来减少干扰在有用信号中的比重，达到减弱或者消除干扰的目的。

在本设计中采用的是移动平均滤波法，此法事将采样后的数据安采样时刻的先后顺序存放到RAM中，在每次计算前先顺序移动数据，将队列前的最先采样的数据移出，然后将最新采样的数据补充到队列尾部，以保证数据缓冲区里总是有n个数据，并且数据仍按采样的先后顺序排列。

这时计算队列中各数据的算术平均值，这个算术平均值就是测量值y。

它实现了每采样一次，就计算一个y。

程序的入口参数：

R0指向存放信采样数据的地址，低位在前；R1指向采样数据存放的首地址;R2存放采样数据个数（

）；R3存放采样数据字长。

程序的出口参数：

测量值存放到R0指定的单位，低位在前。

占用的资源：

A，B，R0~R7，CY。

程序如下：

SMFM：

MOVA，R0；将R0~R3中的数据暂存R4~R7

MOVR4，A

MOVA，R1

MOVR5，A

MOVA，R2

MOVR6，A

MOVA，R3

MOVR7，A

MOVA，R1

MOVA，R3

MOVR0，A；R0指向第2个数据存放的首地址

MOVA，R2

DECA；数据个数减1

MOVB，R3

MULAB；（数据个数-1）*字长

MOVR3，A；存入R3

LCALLXFER；移动数据

MOVA，R7

MOVR3，A

MOVA，R4

MOVR0，A

LCALLXFER；移入新数据

MOV@R0，#00H；新数据高字节后的单元预清0

DECR2；开始求和运算。

数据个数减1

MOVA，R5

MOVR1，A

SMFM1：

MOVA，R7

MOVR3，A

MOVA，R4

MOVR0，A

CLRC

SMFM2：

MOVA，@R1

MOVA，@R0；累加

MOV@R0，A；存累加结果

INCR0

INCR1

DJNZR3，SMFM2

MOVA，@R0

ADDCA，#00H；加进位

MOV@R0，A；保存

DJNZR2，SMFM1；所有数据没加完，则转向SMFM1

MOVA，R6

MOVR2，A；恢复R2存放数据个数

SMFM3：

MOVA，R4

MOVA，R7

MOVR0，A；R0指向和的最高位

MOVA，R7

INCA

MOVR3，A；字长加1

CLRC

SMFM4：

MOVA，@R0；取和

RRCA；除n运算，除2

MOV@R0，A；存商

DECR0

DJNZR3，SMFM4

MOVA，R6

RRCA；n值除2

MOVR6，A

JNBA.0，SMFM3

MOVA，R4；恢复R0~R3的原值

MOVR0，A

MOVA，R5

MOVR1，A

MOVA，R7

MOVR3，A

RET

XFER：

MOVA，@R0；顺序移动数据子程序

MOV@R1，A

INCR0

INCR1

DJNZR3，XFER

RET

4.3