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三相异步电动机的PWM交流变频调速系统论文
摘要
本文设计的PWM交流变频调速系统采用GTO作为主功率器件，以16位单片机8098为控制核心，辅以正弦脉宽调制专用芯片HEF4752V配合而完成三相异步电动机的PWM交流变频调速系统。
本调速系统充分利用了三相PWM集成芯片HEF4752V的低功耗、可编程、输出开关频率高等优点，与高能的16位单片机8098构成调速系统的微机控制部分。
同时采用HEF4752V产生的GTO驱动电路，HEF4752V的使用不仅使得系统的硬件设计得到简化，而且还有助于提高系统运行的可靠性。
该调速系统由8279构成键盘显示部分，键盘部分通过16键键盘输入命令，0~9为数字键、A~F为功能键实现相应的功能；显示部分采用8位8段共阴极LED进行显示。
HEF4752V用于产生PWM信号，它能方便组成各种PWM逆变器-交流电机变频调速系统、不断电电源等。
本调速系统软件部分进行了系统主程序、键盘扫描程序、显示程序以及升降频的控制程序等的设计，还对PID算法进行介绍，并用其进行计算分析对本系统加以控制，为保证系统工作的可靠性，设计了多种保护电路和抗干扰措施。
该变频系统的研究开发将有利于风机、泵类等传统传动机构的技术改造，为变频器的开发和研究打下基础。
系统的实时控制性好，电路简单可靠，特别适用于中小功率的交流异步电动机的变频调速系统。
关键词：
单片机；变频调速；HEF4752V；GTO
Abstract
Inthispaper,AdigitalcontrolofACvariablefrequencydrivesystembasedonhighcarrierfrequencyPWMconverterisdeveloped.ItusesthepowerGTOasmainswitch,the16bitsinglechipmicrocomputer8098asthecontrolunit,thelarge-scaleintegrationHEF4752VasPWMwaveformgenerator.
TheadvantagesofHEF4752Varefullyutilized.Theyarelowconsuming,programmableandhighswitchingfrequency.Itformsthecomputercontrolcomponentofthedrivesystemwithsinglechipmicrocomputer8098.TheGTOdrivecircuitusesHEF4752Vdriver.Thehardwareissimplified,andsystemreliabilityisimproved.Thesystembasedonkeyboardcontrol.Itskeyboardconstituteswith8279.Thereare16keysinkeyboardpart.Keys0~9aredata-keys,A~Farefunctionalkeys，adopt8bit8totalcathodeLEDdisplays.HEF4752VisdesignedspeciallyforgeneratingPWMsignals,ItisconvenienttogetvariousvariablefrequencyvariablespeedPWMinverter-ACmotordriversystem,interrupttablepowersourcesetc.
Thesoftwareisinstitutewithmainprocess,keyboardscanprocess,displayprocessandhigh-downfrequencycontrolprocess.ThePIDcontrolisusingequivalentareaprinciple.Itishighaccuracyandeasytocalculate.Itdesignsprotectsystemtomakethesystemworkwell.
Thehardware,thecontrolalgorithmandthesoftwareofthecontrolsystemarediscussed,showsthatthesystemworkswell.Thereal-timecontrolperformanceofthissystemisgoodandelectricalcircuitissimpleandreliable.ItispreferableinthesmallandmiddleACasynchronousmotorfrequencychange-timingsystem.
KeyWords:
Singlechipmicrocomputer；Frequencychange-timing；HEF4752V；GTO
目录
第1章绪论1
1.1交流调速技术的发展概述1
1.1.1发展过程1
1.1.2交流调速系统分类2
1.1.3交流调速系统的主要应用领域3
1.2器件技术与交流调速系统4
1.2.1电力电子器件4
1.2.2发展前景7
1.3论文的总体设计内容8
第2章PWM变频调速原理9
2.1异步电动机变频调速运行原理9
2.2PWM的调制方式10
2.3变频器的构成与功能11
2.3.1主回路12
2.3.2控制回路13
2.3.3保护回路14
第3章硬件电路设计16
3.1主回路16
3.2单片机控制系统16
3.2.1控制核心8098单片机最小系统17
3.2.28253可编程定时/计数器18
3.2.3键盘显示电路18
3.3PWM信号的产生19
3.4转速测量电路23
3.4.1M法工作原理24
3.4.2T法工作原理24
3.4.3M/T法工作原理25
3.5保护电路25
第4章软件设计27
4.1系统的工作过程27
4.2键盘显示原理29
4.3变频调速的PID控制30
第5章系统调试33
5.1系统调试33
5.2系统抗干扰措施33
5.2.1硬件抗干扰措施33
5.2.2软件抗干扰措施34
第6章结论35
参考文献36
致谢38
附录Ⅰ39
附录Ⅱ52
附录Ⅲ54
附录Ⅳ58
第1章绪论
交流调速技术的发展概述
发展过程
19世纪相继诞生了直流电动机和交流电动机，由于直流电动机转矩容易控制，因此它作为调速电动机的代表在10世纪的大部分年代广泛地应用于工业生产中。
直流调速系统具有起、制动性能好、调速范围广、静差小及稳定性好的等优点，晶闸管整流装置的应用更使直流调速在自动调速系统中占主导地位，相比交流电动机则只能应用于不变速的或要求调速性能不高的传动系统中。
虽然直流调速系统的理论和实践应用比较成熟，但由于电动机的单机容量、最高电压、最高转速及过载能力等主要技术指标受机械换向的制约，限制了直流调速系统的发展，使得人们长期以来寻找用交流电动机替代直流电动机调速的方案，研究没有换向器的交流调速系统。
交流电动机的主要优点是：
没有电刷和换向器，结构简单，运行可靠，使用寿命长，维护方便，且价格比相同容量的直流电动机低。
早在20年代到30年代就有人提出用交流调速的有关理论来代替直流调速的有关理论，到60年代，随着电力电子技术的发展，交流调速得以迅速发展。
1971年伯拉斯切克（F.Blaschke）提出了交流电动机矢量控制原理，使交流转动技术从理论上解决了获得与直流转动相似的静、动态特性问题。
矢量变换控制技术（或称磁场定向控制技术）是一种模拟直流电动机的控制。
众所周知，调速的关键问题在于转矩的控制，直流电动机的转矩表达式为T=CTΦIa，其中CT是转矩常数，磁通Φ和电枢电流Ia是两个可以单独控制的独立变量，它们之间互成900正交关系，在电路上互不影响，可以分别进行调节。
而交流异步电动机的转矩表达式为T=CT’ΦmI2cosφ2，其中CT’是异步电动机转矩系数气隙有效磁通Φm与转子电流I2之间是既不成直角关系又不相互独立的两个变量，转子电流I2不仅与Φm有关，且还与转差率s（或转速n）有关（因为
），这也是市交流电动机转矩难以控制的原因所在。
为了获得与直流电动机相似的控制性能，矢量控制理论提出了坐标变换，即把交流电动机的定子电流I1分解成磁场定向坐标的磁场单六分量I1M和与之相垂直的坐标转矩电流I1T，把固定坐标系与变换为旋转坐标系解耦后，交流量的控制即变为直流量的控制，就与直流电动机相同了。
矢量控制理论的提出只解决了交流传递控制理论上的问题，而要实现矢量控制技术，则需要复杂的模拟电子电路，其设计、制造和调试均很麻烦，直到有了全控制大功率快速电力电子器件和微机控制之后，可以用软件来实现矢量控制的算法，才使硬件电路规范化，从而降低了成本，提高了控制系统的可靠性。
继矢量控制技术发明之后，又相继提出了直接转矩控制、标量解耦控制等方法，均能达到良好的动态性能，这表面，交流调速系统完全可以与直流调速系统相抗衡、相媲美。
交流调速系统分类
我们知道交流电机包括异步电机和同步电机两大类。
对交流异步电动机而言，其转速为：
（1-1）
从转速可以知道改变电动机的极对数p、改变定子供电频率f以及改变转差率s都可达到调速的目的。
对同步电机而言，同步电机转速为：
（1-2）
由于实际使用中同步电机的极对数p固定，因此只有采用变压变频（VVVF）调速，即通常说的变频调速。
交流调速系统分类如下：
图1.1变频调速系统的分类框图
上述调速系统中，变频调速系统的静、动态特性能与直流调速系统媲美，实际应用中最为广泛，也是最有发展前途调速系统。
一、异步电机调速系统
1、转差功率不变型调速系统。
这种调速系统中，转差功率是消耗在转子上的，不论转速高低，转差功率基本保持不变，因此效率高。
变极对数调速和变频调速均属于此类，但变极对数调速是有级调速，应用受到限制；而变频调速是无级调速，应用非常广泛。
根据变频器的不同，变频器又分为交-交变频器调速和交-直-交变频器调速。
2、转差功率回馈型调速系统。
这种调速系统中，转差功率转换成热能被消耗，因此效率低，但系统简单，因此仍有一定的应用场合。
3、转差功率消耗型调速系统。
这种调速系统中，转差功率中一小部分被消耗掉，而余下的大部分则通过变流装置回馈给电网转化为机械能加以利用，并且转速越低，回馈底功率就越多，因此效率介于上述两类调速系统之间。
二、同步电机调速系统
1、他控变频调速系统。
这种调速系统是用独立的变频装置给同步电动机提高变频电源的。
2、自控变频调速系统。
这种调速系统是电机轴上所带的转子位置检测器（BQ）来控制变频装置脉冲时刻的。
交流调速系统的主要应用领域
交流电动机在工业设备电器传动中应用十分广泛，据有关资料统计显示，我国在电网的总负荷中，动力负荷约占60%，其中异步电动机负荷约占总负荷的85%左右，因此对交流电动机的有效利用，在改善其运行性能、节约能源等方面，交流调速系统大有用武之地，其主要应用可归纳如下。
一、以节能为目的
工业企业大量使用的风机、水泵、压缩机类负载是用电动机拖动的，这类负载的用电量约占工业用电量的50%左右，其中有不少场合需要调节流量，但由于过去交流电动机本身不能调速，只得用闸阈、挡板、放空及回流等措施来实现调节风量和供水的流量，早成狠毒的电能浪费。
如果把传统的调节流量装置换成交流调速装置，采用改变电动机转速的方法来实现流量的调节，则可大大节约电能。
据统计，改换交流调速装置后每台风机、水泵平均可节约电能20%，节电效果十分明显。
二、以实现自动化或提高产品质量、提高生产率为目的
工业生活中有许多在工艺上需要调速的生产机械，例如为了提高搬运机械停止位置精度、提高生产线速度控制精度而采用有反馈装置的流量控制来实现自动化；又如生产将时，为了实现最佳速度控制及协调生产线内各部分的速度，使其同步、同速以提高产品质量和加工精度等等。
这些生产机械需要高性能的调速装置，过去多采用直流传动。
现代交流调速技术，完全能获得与直流调速系统同样的高动态性能。
并且由于交流电动机比直流电动机结构简单、工作可靠、维修方便、效率高、成本低，因此在此领域内，交流调速可以与直流调速相竞争。
三、用于特大容量的场合以及设备小型化为目的
直流电动机的单机容量、最高转速、耐高压等问题都受换向器的限制，一般直流电动机单机容量只能达到12～14MW，最高电压在1000V左右，最高转速只能达到3000r/min。
交流电动机单机容量、最高转速和耐高压各项指标源源膏腴直流电动机，因此在需特大容量或极高转速传动时，采用交流调速更为适宜。
并且由于结构上的原因，在同等容量情况下，交流电动机比直流电动机体积小，质量轻，惯性小，能使设备小型化。
器件技术与交流调速系统
电力电子器件
20世纪50年代发明了晶闸管，它标志着以固态器件为基础的电力电子学革命的开始，从此，晶闸管的额定容量机器工作频率不断增长，使电力电子器件在调速系统中得到了广泛的应用。
70年代后第二代全控型器件迅速反之，如门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应管、绝缘栅双极晶体管等，新一代的电力电子器件又产生了新一代的交流调速装置。
20世纪80年代出现的功率集成电路代表了第三代电力电子器件，使电力电子装置向小型化、集成化以及节能化发展。
各种电力电子器件如图所示。
由于在[电力电子技术]课程中已对各种电力电子器件作了详细的介绍，这里就不再赘述了。
一、电力二极管（不可控器件）
电力二极管是不可控器件，它与信心电子电路中的二极管工作原理一样，都是以半导体PN结为基础的。
它既可以在交流-直流变换电路中作为整流元件，又可以在电感元件的电路需要适当释放的电路中作为续流元件，还可以在各种交流电路中作为电压隔离、箝位或保护元件。
电力二极管有不同类型，常用的有：
1、普通二极管。
适用于开关频率不高（如1kHz以下）的整流电路中。
2、快恢复二极管。
由于其具有恢复过程短，尤其是反向恢复过程很短（一般在5µs以下）的特点，适用于逆变器的换相、续流等电路。
3、肖特基势垒二极管。
因其具有低导通电压和短开关时间特性，故适用于开关电路及高频设备中。
二、晶闸管（半控型器件）
世界上第一只晶闸管产品是1957年诞生的，它标志着电力电子崭新似的的开始。
晶体管又称可控硅整流管，简称可控硅。
它是半控型器件。
由于其开通时间可以控制，晶闸管可作为用语直流传动的可控整流装置的主要元件，也可作为交流变压调速的交流调压装置的主要元件。
因为它不能控制关断，用于交流变频调速的逆变器时，由于需配置强迫换相电路，会使设备复杂。
因此，20世纪70年代后，各种具有自关断能力的全控型、高速型功率开关器件相继研制成功，使得晶闸管逐渐开始被全控型器件所取代。
但是晶闸管能承受的电压和电流容量仍是目前电力电子器件中最高的，且工作可靠，故在特大容量的逆变装置中仍能占有比较重要的地位。
三、全控型器件
由前所述的可知，晶闸管是只能控制导通，不能控制关断的半控型器件，因此人们就一直在致力欲研究开发功率大且能进行开通与关断的全控性器件，以便能用简单的控制电路实现复杂的变频装置。
全控型器件有：
门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应管（P-MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、场控晶闸管（MCT）、静电感应晶体管（SIT）、静电感应晶闸管（SITH）。
1.门极可关断晶闸管（GTO）
门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off-Thyristor，GTO）是晶闸管的一种派生器件，它可以用以正脉冲电流导通，并且可以通过在门极施加负脉冲电流使其关断，属电流控制的全控型器件。
它既具有晶闸管耐高压、通过电流控制的全控型器件。
它既具有晶闸管耐高压、通过电流大、耐浪涌能力强及造价低的优点；又具有电力晶体管GTR的自关断能力，且工作频率高、控制功率小、线路简单、使用方便。
因此是比较理想的开关器件，在兆瓦级以上的大功率电压逆变器和大功率自换相电流型逆变器中有较多的应用，并广泛用于机车牵引、交流电机驱动等装置中。
四、功率模块（PowerModule）和功率继承电路（PIC）
将多个形态的电力电子器件或多个相互配合使用的不同电力电子器件封装在一个模块中，之中模块被称为功率模块（PowerModule）。
模块化是电力电子器件研制和开发的新趋势，它能使电力电子装置体积减小，节省材料使得成本降低，且可靠性提高、使用方便。
将电力电子器件与逻辑、控制、保护、传感、检测及自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，则称为功率集成电路（PowerIntegratedCircuit——PIC）。
功率集成电路的结构如图1.2所示。
功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口，其具有广泛的应用前景。
图1.2功率集成电路的结构框图
五、现代电力电子开管器件性能比较及应用范
1.性能比较
前面介绍的各种电力电子开关器件，它们的性能各不相同，且每种开关器件的性能也就随着电力电子技术的发展而不断地发展，关于它们的性能比较如表1.1所示。
表1.1电力电子开关器件的性能表
器件
指标
GTO
GTR
VMOSFET
IGBT
STI
SIT
MCT
备注
电压耐压（V）
9000
1400
1000
4500
1500
4500
4500
指目前应用器件的最高值
电流通量（A）
9000
800
700
2500
200
2200
4000
指单个器件或模块的最大额定通流量
浪涌电流（A）
10Ie
3Ie
5Ie
5Ie
5Ie
10Ie
——
Ie指单只器件的最大额定通流量
驱动方式
电流
电流
电压
电压
电压
电压
电压
驱动功耗
中等
高
低
低
低
中等
低
开关时间（us）
几十
10
0.3
1
0.1
3
3
开关频率（HZ）
10k
50k
20M
150k
100M
100k
50k
指关断时间toff的典型值
dv/di耐量
低
中等
高
高
高
高
很高
di/dt
耐量
低
中等
高
高
高
中等
很高
最高结温（0C）
125
150
200
200
200
200
200
指此类器件的最高
抗辐射性能力
很差
差
中等
中等
好
好
中等
制造工艺
复杂
复杂
很复杂
很复杂
很复杂
很复杂
很复杂
使用
难
较难
很容易
中等
容易
容易
容易
2.应用范围
由于各种电力电子开关器件的电流容量和开关速度各不相同，因此它们的应用范围也不尽相同。
发展前景
交流调速系统的发展实际上是依赖于微电子学、电力电子技术、计算机控制、现代控制理论和逆变技术的发展及交流电动机制造技术的发展的。
新的控制理论的提出和电力电子器件技术、计算机控制技术的迅速更新是推动交流调速系统不断发展的动力。
交流调速系统的发展前景可概括如下。
一、研制各种新型的开关元件和储能元件以及模块，目前，电力电子期间正在向大功率化、高频化、模块化及智能化发展，这也是今后功率器件主要发展方向。
二、交流调速系统中应用最广也是最有发展前途的是变压变频调速，而要实现变压变频调速度就离不开变频技术。
在全控型高频率开关器件组成的脉宽调制（PWM）逆变器取代了以普通晶闸管构成的方波形逆变器之后，正弦脉宽调制（SPWM）逆变器及其专用芯片得到了普遍的应用。
同时，磁通跟踪型PWM逆变器由于控制简单、数字化方便，亦呈现出取代传统SPWM的趋势，虽然随着器件开关频率提高，并借助于控制模式的优化来消除指定谐波使PWM逆变器的输出波形非常逼近正弦波，但在电网侧，由于电流谐波分量大，总功率因数仍很低，因此消除对电网的谐波污染，并提高功率因数人是变频技术不可回避的问题。
近年来研究车的谐振型逆变器是一种新型软开关逆变器，由于应用谐振技术使功率开关在零电压和零电流下进行开关状态转换，使开关损耗几乎为零，这种逆变器效率高、体积小、质量轻、成本低，是很有发展前景的逆变器。
三、推广微型计算机在交流调速系统中的应用。
数字化技术能实现更复杂的控制，使调速系统的硬件简化、成本降低、精度提高，可靠性更高。
数字化已成为交流调速系统控制技术的发展方向。
四、引入新的控制思想和理论。
矢量控制理论解决不了交流电动机的转矩控制问题，开创了交流调速与直流调速相竞争的时代；直接转矩控制方法免去了矢量变换的复杂计算，使控制结构简单，便于实现数字化。
随着现代控制理论的发展，线性解耦控制、人工神经网络自适应控制及模糊控制等新的控制策略不断涌现，必将给交流调速带来更美好的前景。
论文的总体设计内容
“单片机控制的交流变频调速系统”主要是用单片机实现对整个变频调速系统的检测、控制和保护等工作。
可应用于风机、水泵、交流电梯等许多设备中。
设计具体内容：
一、件电路设计
1、单片机系统、整流电路
2、逆变器电路
3、PWM模块、检测保护电路
4、转速测量电路
二、软件部分程序设计
1、控制算法子程序
2、升降频控制子程序
3、显示键盘子程序
第2章
PWM变频调速原理
异步电动机变频调速运行原理
三相异步电动机的转速公式为:
（2-1）
式中:
——异步电动机定子电压供电频率、
——异步电动机的磁极对数
s——异步电动机的转差率
由转速公式（2-1）可知,我们可以通过改变极对数、转差率和频率的方法实现对异步电机的调速。
前两种方法转差损耗大，效率低，对电机特性都有一定的局限性。
变频调速是通过改变定子电源频率来改变同步频率实现电机调速的。
在调速的整个过程中，从高速到低速可以保持有限的转差率，因而具有高效、调速范围宽（10%～100%）和精度高等性能，节电效果20%～30%。
实际上仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。
因为由异步电机的电势公式可知，外加电压近似与频率和磁通乘积成正比，即：
U∝E=C1fΦ（2-2）
式（2-2）中，C1为常数，因此有：
Φ∝E/f≈U/f（2-3）
若外加电压不变，则磁通Φ随频率而改变，如频率f下降，磁通Φ会增加，造成磁路过饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热，显然这是不允许的。
为此，要在降频的同时还要降压，这就要求频率与电压协调控制。
此外，在许多场合，为了保持在调速时，电机产生最大转矩不变，需要维持磁通不变，这可由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速（VVVF），简称变频调速。
从结构上看，静止变频调速装置可分为交-直-交变频、交-交变频两种方式。
前者适用于高速小容量电机，后者适用于低速大容量拖动系统。
只要设法改变三相交流电动机的供电频率f,就可以十分方便地改变电机
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