异步电机变频调速_PWM控制_毕业设计_电气工程.pdf

1 太原理工大学 毕业设计（论文）任务书 毕业设计（论文）题目： 基于基于 mcs51 单片机的异步电动机变频调速单片机的异步电动机变频调速 f=45,n=27,m=0.8 一、一、毕业设计（论文）任务毕业设计（论文）任务 1.掌握异步电动调速的工作原理、机械特性； 2.掌握异步电动机变频调速原理、分类，熟练 pwm 调制方法原理、采样 方法及其类型； 3.掌握 51 单片机的基本原理，包括中断、指令、io 口、定时器等； 4.在 matlab 环境下搭建交直交变频调速仿真模型并进行系统仿 真； 5.设计 mcs- 51 单片机最小系统，编制相应软件程序，进行调试，得出正 确结果。 二、二、毕业设计（论文）内容毕业设计（论文）内容 1.课题背景及其相关原理 2. matlab 仿真 3.pwm 波形计算 3.51 单片机编程仿真 4.单片机电路板设计 5.结论 2 三三、基本数据：基本数据： 1.异步电动机：电源相电压 u= 220v,负载转矩 tl=0n.m，极对数 p=2， 额定功率 p= 4kw，频率 f=50hz 2.变频调速：输出频率 f=45hz,载波比 n=27，调制度 m=0.9 3.控制方式：mcs- 51 单片机 四、学生应交出的设计文件（论文）四、学生应交出的设计文件（论文）： 1. 单片机电路板一块 2. 毕业设计论文一份 五、主要参考文献（资料）五、主要参考文献（资料） ： 1、王兆安，黄俊电力电子技术机械工业出版社20053 2、陈伯时，电力拖动控制系统北京：机械工业出版社2003（7）,147- 187 3、张爱玲，李岚，梅丽风电力拖动与控制北京：机械工业出版社2003（50）,45- 80 4、王兆安，黄俊，电力电子技术北京：机械工业出版社2000.132- 165 5、botten s l,whitley c r,king a d.flight control actuation technology for next generation all electric aircraft j .technology review journal2000,8（2）,55- 68 专业班级电气 0706 班学生 要求设计（论文）工作起止日期2011 年 3 月到 2011 年 6 月 指导教师签字日期 教研室主任审查签字日期 系 主 任 批 准 签 字日期 3 i 基于基于 51 单片机的异步电机变频调速单片机的异步电机变频调速 pwm 调制方法研究调制方法研究 f=45，n=27,m=0.9 摘要摘要 以三相异步电动机调速系统为基础， 阐述了基于 8 位单片机 mcs- 51 为 pwm 控制， 配合采用 igbt 为主动功率器件完成三相异步电动机的 pwm 交流变频调速。此调速系 统充分利用了 mcs- 51 单片机 12mhz 主频，为产生精准的 pwm 控制波形提供了良好 的硬件基础。在此控制方式中，采用规则采样法，用正弦波来调制等腰三角形，从而得 到一系列的等幅不等宽的 pwm 波形。在逆变器主电路中，6 个 igbt 的导通和关断由 mcs- 51 单片机 p1 口输出的控制字决定，其中控制字是通过波形调制图上各项电压在 每一个时间段上的高低电平来确定的。另外，本文还介绍了 mcs- 51 单片机的结构、 中 断系统和定时器的使用。 最后通过编写 mcs- 51 单片机控制的主程序和中断程序来实现 正弦脉冲宽度调制，方便的实现变频调速。通过 matlab 仿真可以得到 pwm 变频调 速的结果，最后和通过单片机产生 pwm 控制波所得到的实验结果一致，进一步证明了 基于 51 单片机的异步电动机变频调速 pwm 调制方法的正确性和可行性。 关键词关键词：mcs- 51 单片机；变频器；调速系统 ii method study at asynchronous motor of variable frequency by pwm modulation based on 51 microcontroller controlf=45,n=27,m-0.9 abstract to three- phase asynchronous motor speed control system based on mcs- 51 based 8- bit single- chip for pwm control of the core，coupled with the use of igbt- based power device tocompletethree- phaseasynchronouspwm acvariablefrequencymotorspeed control.take full advantage of the speed control system of mcs- 51 single- chip frequency of up to 12mhz， in order way， we use the rule to adopt method， use the sine wave to modulate the waist triangle and get a series of wave according to the equivalent area- theory，the pwm form of sine expected are equivalent.in the main circuit of the inverter,the open and shut of every thyistor is determined by the controlling word of mcs- 51，andthecontrol word is determined by the high- low voltage of each phase voltage on the chart of wave brewage in every period of time.moreover，this article also introduces the mcs- 51 micro controller structure ， the interruption system and the timer.finally ， through compiling the main procedure and the interruption procedure，we change the power source frequency of the converter，and through the results produced by mcu control pwm，the experimental results proved the 51- series microcomputer based on asynchronous motor inverter pwm correctness and feasibility of the method. keyword: inverter;pwm;variable frequency system；mcs- 51 microcontroller 1 目录目录 摘要 i abstract. ii 第一章概述1 1.1pwm 调速系统的组成和功能.1 1.1.1pwm 信号发生与调节模块.1 1.1.2pwm 信号放大与电机驱动模块.1 1.1.3负载模块2 1.2单片机概述2 1.2.1单片机及其发展历程2 1.2.2单片机的应用领域及发展趋势2 1.3计算机仿真概述3 1.4交流调速系统的发展概述3 1.4.1电力拖动发展过程3 1.4.2直流调速系统的问题4 1.4.3交流电动机的调速优势4 1.4.4异步动机调速发展及特性5 1.4.5变频调速的基本控制方式6 1.4.6基频以下调速控制方式7 1.4.7基频以上调速控制方式8 1.5变频调速系统中的变频电路8 1.5.1 变频器的分类.9 1.5.2静止型常规变频器及特点9 第二章pwm 变频控制技术.11 2.1 变频调速原理.11 2.2 变频器控制方法.12 2.3spwm 模式下交直交变频器工作原理.14 2.3.1spwm 调制.14 2.3.2 三相逆变电路工作原理15 2.3.3spwm 波生成.16 2.3.4 spwm 输出波形的分析18 2.4 sapwm 模式.19 2.4.1 sapwm 波形产生.19 2.4.1 sapwm 优点.19 2 2.5 交- 直- 交电压源变频器组成及工作原理20 2.5.1 主电路组成结构.20 第三章交直交变频调速系统 matlab 仿真.21 3.1pwm 变频调速系统的建模与仿真21 3.1.1matlab 软件简介.21 3.2pwm 波形发生器及其仿真.23 3.2.1三角载波和正弦波合成23 3.2.2变频调速系统模型的搭建与仿真23 3.2.3变频调速系统模型参数设置25 第四章单片机原理与应用30 4.1msc- 51 单片机的硬件结构及 i/o 口 30 4.1.1单片机基本原理30 4.1.2单片机 i/o 口31 4.2mcs- 51 单片机的中断系统。.33 4.2.1中断系统的结构33 4.2.2中断请求源33 4.2.3中断控制35 4.2.4定时器/计数器的结构 37 4.2.5定时器的方式寄存器 tmod 和控制寄存器 tcon37 4.2.6定时器计数器的工作方式39 4.2.7定时器计数器的初始化40 第五章pwm 变频调制的实现.41 5.1三相正弦波转化为 pwm 波41 5.1.1三角载波与三相正弦调制波41 5.1.2pwm 脉宽计算.41 5.1.3pwm 输出值.44 5.2mcs51 单片机编程46 5.2.1单片机程序流程图46 5.2.2应用程序47 5.3keil 软件介绍及其运用49 5.4 proteus 软件介绍及其仿真50 5.4.1proteus 软件介绍.50 5.4.2proteus 软件仿真51 5.5 输出波形52 3 5.5.1 上下桥臂互补信号流程图52 5.5.2 相邻桥臂之间信号及其信号差图53 总结57 致谢59 参考文献60 外文翻译61 english. 61 中文77 1 第一章概述第一章概述 本文主要研究了利用 mcs- 51 单片机，通过 pwm 方式控制直流电机调速的方法。 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，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。随着电力电子技术、微电子技术 和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法， 如现代控制理论、 非线性系统控制思想 的应用，pwm 控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已经出现了多种 pwm 控制 技术。 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。 本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现交流电机速度的控制。 文章中 采用了汇编程序来控制单片机，产生 pwm 信号。并自动调节 pwm 信号的占空比。 将 信号输入驱动芯片从而达到控制电机的效果。 该程序能改变电源频率， 使电机在不同频 率下旋转，从而实现变频调速。最后还给出仿真方法和相关仿真图形。 1.1pwm 调速系统的组成和功能调速系统的组成和功能 1.1.1pwm 信号发生与调节模块信号发生与调节模块 作为一个 pwm 调速系统，首要的是需要产生 pwm 信号。pwm 的产生方法有很 多， 包括纯硬件电路产生方法和采用基于可编程器件的软件实现方法。 本文采用单片机 编程生成 pwm 信号，pwm 占空比的调节也采用软件实现。 1.1.2pwm 信号放大与电机驱动模块信号放大与电机驱动模块 由单片机产生的 pwm 信号很微弱，pwm 信号产生后并不能直接驱动电机等负载 模块，而需要使用专门的电路对该 pwm 信号进行放大和处理，使其能驱动电机。本文 2 采用专门的驱动芯片对电机进行驱动。 1.1.3负载模块负载模块 pwm 信号经过处理后，可用于驱动电机等负载，电机作为电信号转化为机械动力 的装置在调速系统中必不可少。 1.2单片机概述单片机概述 1.2.1单片机及其发展历程单片机及其发展历程 单片机是一种集成电路芯片， 采用超大规模技术把具有数据处理能力 （如算术运算， 逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（cpu） 、随机存取数据存储器（ram） 、 只读程序存储器（rom） 、输入输出电路（i/o 口） ，可能还包括定时计数器、串行通信 口（sci） 、显示驱动电路（lcd 或 led 驱动电路） 、脉宽调制电路（pwm） 、模拟多 路转换器及 a/d 转换器等电路集成到一块芯片上，构成一个最小而完善的计算机系统。 这些电路能在软件的控制下准确、 迅速、 高效地完成程序设计者事先规定的任务。 所以， 单片机有着微处理器所不具备的功能， 它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控 制功能，这是单片机最大的特征。 单片机诞生于 20 世纪 70 年代， 自 1971 年美国 intel 公司制造出第一块 4 位微处理 器以来，其发展十分迅猛，到目前为止，大致可分为以下几个阶段。 （1）4位单片机（19711974） ：如intel4004； （2）低档8位单片机（19741978）: 如intel公司的8084，mostek公司的3870等； （3） 高档8位单片机 （19781982） : 如intel公司的8051、 motorola公司的z8和nec 公司的mpd7800等产品； （4）16位单片机（19821990）:如mostek公司的68200、intel公司的8096等； （5）新一代单片机（90年代以来） ：如nec公司的mpd7800，mitsubishi公司的 m37700，reckwell公司r6500/21、r65c29，intel公司的8044、upi452等。 1.2.2单片机的应用领域及发展趋势单片机的应用领域及发展趋势 随着单片机的发展，其应用领域越来越广，大致有：智能仪器仪表、工业控制、 家 用电器、计算机网络和通信、医用设备等领域，此外，单片机在工商、金融、科研、 教 育、国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。 世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从 8 位、16 位到 32 位，应有尽 3 有，有与主流 c51 系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片 机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致 有： （1）低功耗 cmos 化； （2）微型单片化； （3）主流与多品种共存。 1.3计算机仿真概述计算机仿真概述 计算机仿真不仅在没有具体硬件环境的条件下模拟出具体硬件环境， 以判断系统的 可行性，而且在设计的系统出错时，不至于损害具体硬件环境。因此，采用系统仿真是 非常必要的。当前能够用于计算机仿真学习单片机的软件也已日趋成熟，比如 keil 都 出了 8.0 以上版本，proteus 也出了 7.0 以上版本，而各种集成开发环境更是层出不穷， 极大地方便了学生通过计算机仿真学习单片机。尤其是当前最热的几种 8 位和 16 位单 片机，比如：51 系列、avr 系列、pic 系列，仿真学习的条件最为成熟。甚至 32 位的 arm 单片机也能通过计算机仿真来进行学习。所以，当前计算机仿真学习单片机的条 件已经成熟，应该抓住这个机会，积极地利用它，并为学习单片机服务。 1.4交流调速系统的发展概述交流调速系统的发展概述 1.4.1电力拖动发展过程电力拖动发展过程 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 19 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，调速范围广和静差小及稳定性好等优点，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 速或要求调速性能不高的传动系统中。 在 20 世纪上半叶，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动系统都 采用了直流电动机，而约占电力拖动总容量的 80%以上，不变速系统则采用交流电动 机， 这种分工在一段时间内已成为一种举世公认的格局。 交流调速系统的多种方案虽然 早已问世，并已经获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。 直到 20 世纪 70 年代， 随着电力电子技术的发展， 使得采用电力电子变换器的交流 拖动系统得以实现， 特别是大规模集成电路和计算机控制的出现， 使高性能交流调速系 统应运而生，交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。这时，直流电动机和交 流电动机相比的缺点日益显露。例如直流电动机具有电刷和换向器而必须经常检查维 护， 换向火花使它的应用环境受到限制， 换向能力限制了直流电动机的容量和速度等等。 于是， 用交流可调拖动系统取代直流可调拖动系统的呼声越来越大， 交流拖动控制系统 4 已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。 1971 年波拉斯切克（ f.braschke）提出了交流电动机矢量控制原理，使交流传动 技术从理论上解决了获得与直流传动相似的静、动态特性问题。矢量变换控制技术（或 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： at ict（1- 1） 其中 t c是转矩常数，磁通和电枢电流 a i 是两个可以单独控制的独立变量，他们 之间互成 90正交关系，在电路上互补影响，可以分别进行调节。 而交流异步电动机转的矩表达式： 22 mict t （1- 2） 其中异步电动机转矩系数 t c，气隙有效磁通 m 与转子电流 2 i之间是即不成直角关 系又不相互独立的两个变量， 转子电流 2 i不仅 m 与有关， 而且还与转差率 s （或转速 n） 有关，这也是交流电动机转矩难以控制的原因所在。 1.4.2直流调速系统的问题直流调速系统的问题 一直以来直流调速系统具有起、制动性能好，调速范围广，静差小及稳定性好等优 点而得到广泛的应用。但由于直流电动机的结构特点，使其必须有换向器和电刷，因而 必须经常检查维修。其次，换向火花使它的应用环境受到限制，换向能力限制了直流电 动机的容量和速度。 直流电动机本身有如下一些固有的缺陷，制约了直流调速的发展： （1）直流电动机的换向器在运行中易产生火花，电刷磨损，需要经常性的维护。 （2）由于存在换向问题，使单机容量和转速受到了限制，直流电动机难以做成高 速大容量机组。 （3）直流电动机结构复杂，成本远远高于交流电动机。 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、 最高压、 最高转速及过载能力等主要技术指标受到机械换向的制约，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。 1.4.3交流电动机的调速优势交流电动机的调速优势 早在上世界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 方法，直到 60 年代，随着电力电子技术的发展，交流调速得以迅速发展。交流电动的 5 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等等。 结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高、无电刷、维护费用 低。近年来，随着电力电子技术的进一步发展，交流调速系统得到很大的进步。同时得 益于采用了矢量控制技术， 使得交流调速系统已经从技术上解决了获得与直流传动相似 的静、动态特性问题。 但是交流调速系统也有它的缺点，例如，调速比较复杂，磁通和电流有关等。为了 克服这些缺点， 可以通过采用矢量控制技术实现。 本论文主要是采用了交直交变频 调速技术，技术比较简单但也很成素。同时，pwm 技术的发展也很迅速，在变频调速 领域的到了很好的应用。所以，在此用这些理论来完成交流电动机的变频调速。 1.4.4异步动机调速发展及特性异步动机调速发展及特性 （一）异步电动机的调速方式 对于笼型异步电机来说，要调节转速，只有通过改变同步转速来实现。由于同步 转速为： p f n 60 0 （1- 3） 式中，f电源的频率； p旋转磁场的磁极对数。 由式（1- 3）可知，调节同步转速的方法只有两种。 （二）改变磁极对数调速 定子磁场的磁极对数取决于定子绕组的结构。所以要改变极对数，必须将定子绕 组绕制为可以换接成两种磁极对数的特殊形式。 通常， 一套绕组只能换接成两种磁极对 数。如在定子上安置两套可变磁极对数的绕组，则可得到四种转速。 这种方法的缺点是显而易见的，主要有： 有极的，且级数很少。如电源频率 f=50hz，则 p=1，min/3000 0 rn （1- 4） p=2，min/1500 0 rn （1- 5） p=3，min/1000 0 rn （1- 6） p=4，min/750 0 rn （1- 7） 由于定子绕组的设计需照顾到两种磁极对数的情形，所以不管工作在那种情况下， 都不可能得到最佳设计，故而电动机的效率将很低。 （三）变频调速 这是我们做毕业设计变频调速所要完成的主要任务。由以前的相关学习我们知道， 变频调速所能达到的指标，已能和直流电机的调速性能媲美。其主要优点有： （1）调速范围广。通用变频器的最低工作频率为 0.5hz，如额定频率 fn=50hz， 6 则在额定转速以下，调速范围可达到1005 . 050 n 。实际是同步转速调节范围， 与实际转速的调节范围略有出入。 档次较高的变频器的最低工作频率可达 0.1hz，则额定转速以下的调节范围可达 5001 . 050 n （2）调速平滑性好。在频率给定信号为模拟量时，其输出频率的分辨率大多为 0.05hz，以 4 极电动机（p=2）为例，则每档的转速差为： min5 . 1 min 2 05. 060 r r n （1- 8） 如频率给定信号为数字量时，输出频率的分辨率可达 0.002hz，则第二档的转速 差为： min06. 0 min 2 002. 060 r r n （1- 9） （3）在工作特性方面，不管是静态特性，还是动态特性，都能做到和直流调速系 统不相上下的程度。 （4）经济性方面，变频调速装置的价格明显地高于直流调速装置。但在故障率方 面，由于直流电动机本身的弱点，变频调速系统具有较大优势。 1.4.5变频调速的基本控制方式变频调速的基本控制方式 异步电动机的变频调速属转差功率不变型调速， 是异步电动机各种调速方案中效率 最高和性能最好的一种调速方法，是交流调速的主要发展方向。 根据异步电动机的转速表达式： n=)1 ()1 ( 60 0 sns p f （1- 10） 以及第一节中对于同步转速 0 n的分析可知，只要调节异步电动机的供电频率 f，就 可以平滑调节同步转速 0 n，从而实现异步电动机的无级调速。 表面看来，只要改变定子电压的频率 f 就可以调剂转速大小了，但事实上仅改变 f 并不能正常调速，在实际系统中是在调节定子电压 s u，通过 s u和 f 的协调控制实现不 同类型的变频调速。 由电机学可知，三相异步电动机定子每相电动势的有效值是： mnssk nfeg 1 44. 4（1- 11） 式中，eg气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（v） ； 1 f定子频率（hz） ； s n定子每相绕组串联匝数； sn k定子基波绕组系数； m 每极气隙磁通量（wb） 。 7 如果忽略定子上的电阻压降，则有： nsknsfeu gs 144. 4 m （1- 12） 式中，us定子相电压。 于是，主磁通： mnss g m knf e 1 44. 4 （1- 13） 假设现在只改变 1 f调速，设 1 f上升，则 m 将下降，于是由电磁转矩的公式： 22cos icte mm （1- 14） 式中， e t电磁转矩（mn ） ； m c转矩常数； 2 i转子电流折算至定子侧的有效值； 转子电路的功率因数。 这样会拖动转矩 l t下降，这样电动机的拖动能力会降低，对恒转矩负载会因拖不 动而堵转；倘若调节 1 f下降，则 m 上升，当 1 f小于额定频率时，主磁通 m 将超过额定 值。由于在电动机设计时，主磁通 m 的额定值一般选择在定子铁芯的临界饱和点，所 以当在额定频率一下调频时，将会引起主磁通饱和，这样励磁电流急剧升高，使定子铁 芯 m ri 2 急剧上升。这两种情况都是实际运行中所不能允许的。 根据三相异步电动机定子每相电动势的有效值公式（1- 11）可知：在额定频率以下 调频时只要控制好 eg 和 1 f， 便可达到控制磁通 m 恒定的目的。 在额定频率以上调频时， 应控制定子电压 s u不超过电动机最高额定电压，否则会使电动机磁路饱和，铁损加剧， 严重时会使绕组过热。 1.4.6基频以下调速控制方式基频以下调速控制方式 由式（1- 12）可知，要保持 m 不变，则当频率 1 f从额定值 n f1向下调节时，必须同 时降低 g e，使 1 feg为常数，即采用气隙磁通感应电动势与频率之比为常数的控制方 式。 然而，绕组中的气隙磁通感应电动势是难以直接控制的，仅当电动势值较高时， 才 可以忽略定子绕组的阻抗压降，而认为定子相电压，则得 1 fus常数，这是恒压频比的 控制方式。 低频时， s u和 g e都较小，定子阻抗压降所占的分量就鼻较显著了，不能忽略。这 时可以人为地把电压 s u抬高一点，以便近似地补偿定子压降。带定子阻抗压降补偿的 8 恒压频比控制性于图 1- 1 的 b 线，无补偿的控制特性则为 a 线。 1.4.7基频以上调速控制方式基频以上调速控制方式 在基频以上调速时，频率可从 n f1往上增高，但电压 s u却不能增加得比额定电压 usn大，一般保持在电动机允许的最高额定电压 usn。由式（1- 12）可知，这样只能迫 使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况，即： mnss g m knf e 1 44. 4 （1- 15） 把基频以下和基频以上两种情况结合起来， 可得图 1- 2 所示的异步电动机变频调速控制 特性。 如果电动机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值， 即都能在允许温升 下长期运行，则转矩基本随磁通变化。按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转 矩也恒定，属于“恒转矩调速”；而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本属于“恒功 率调速”。 图 1- 1恒压频比控制特性图 1- 2异步电动机变压变频调速的控制特性 a无补偿 b带定子压降补偿 1.5变频调速系统中的变频电路变频调速系统中的变频电路 将直流电能变换成交流电能供给负载的过程成为无源逆变。 我们用于逆变的直流电 能通常由电网提供的交流电整流得来的。我们把将电网提供的恒压恒频 cvcf 变流电 变换为变压变频 vvvf 变流电供给负载的过程称为变频，实现变频的装置叫做变频器。 1.5.1 变频器的分类变频器的分类 1按变换环节分 （1）交交变频器把频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源。 9 其主要优点是没有中间环节，故变换效率高，但其连续可调的频率范围窄，一般为额定 频率的 12 以下，故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。 （2）交直交变频器先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成 频率连续可调的三相交流电。由于把直流电逆变成交流的环节较易控制，因此，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。我们要使用的 就是这种变频器。 2按电压的调制方式分 （1）pam（脉幅调制）变频器输出电压的大小通过改变直流电压的大小来进行调 制。在中小容量变频中，这种方式已经不常用了。 （2）pwm（脉宽调制）变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行 调制。 目前普遍应用的是占空比按正弦规律安排的正弦波脉宽调制调制 （spwm） 方式， 这也是我们要应用的方式。 3按直流环节的储能方式分 （1）电流型直流环节的储能元件是电感线圈； （2）电压型直流环节的储能元件是电容器。 1.5.2静止型常规变频器及特点静止型常规变频器及特点 1间接（交直交变频装置） 交直交变频器由恒压恒频电源经整流器转变为直流电源最后经逆变转化为交流 电源。交直交变频器先把交流电转换为直流电，经过中间滤波环节，再把直流电逆 变成变频变压的交流电，故又称为间接变频器。输入用不可控整流器，这样输入功率因 数高； 用 pwm 逆变， 则输出谐波可以减少。 但 pwm 逆变器需要全控型电力电子器件， 其输出谐波减少的程度取决于 pwm 的开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限 制。采用 igbt 时，开关频率可达 10khz 以上，输出波形已经非常接近于正弦波，因而 又称之为正弦脉宽调制（spwm）逆变器。这是现在最有发展前途的一种装置形式， 也 是我们毕业设计的主要内容。 2直接（交- 交）变压变频装置 交- 交变频器的主要构成环节由恒压恒频电源，交交变压变频器，变压变频电源 三环节构成，交- 交变频电路是不通过中间直流环节而把工频交流电直接变换成不同频 率交流电的交流电路，故又称为直流变频器或周波变频器。因为没有中间直流环节， 仅 用一次变换就实现了变频， 所以效率较高。 大功率交流电动机调速系统所用的变频器主 要是交- 交变频器。 10 第二章第二章pwm 变频控制技术变频控制技术 2.1 变频调速原理变频调速原理 变频器工作原理： 变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、 频率固定不变 的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。在诸多交流异步电动机调速技术中，如调 压调速、变极调速、串级调速、滑差调速、变频调速等，其中由于变频调速具有的优点： （1）调速时平滑性好，效率高； （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）易于实现过程自动化； 因此，变频调速技术是当前应用最广泛的一种调速技术。在中小功率的变频调速 系统中使用最多的变压变频调速， 简称 u/f 控制， 相应的变频调速控制器为电压源型变 频调速器（vsi）。由电机学知识可知异步电动机的转速与电源频率有以下关系： )1 ( 60 s p f n（2- 1） 式中：n电机的转速（r/min）； p磁极对数； s转差率（） ； f电源频率（hz） 。 从式（2- 1）可以看出，改变电源频率就可以改变电机转速。另外，根据的电势公 式知道，外加电压近似地与频率和磁通的乘积成正比。即 fceu 1 （2- 2） 式中 c1为常数。因此有： fufe（2- 3） 若外加电压不变，则磁通随频率而改变，如频率下降，磁通会增加，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，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，在很多场合为了保持在调 速时，电动机产生最大转矩不变，也需要维持磁通不变，这亦由频率和电压协调控制来 实现。通过改变异步电动机的供电频率，从而可以任意调节电机转速,实现平滑的无级 调速。 11 2.2 变频器控制方法变频器控制方法 现代变频调速技术控制方式可以分为以下几种： （1）u/f=c 的正弦脉宽调制（spwm）控制方式：其特点是控制电路结构简单、成 本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领 域得到广泛应用。 （2）电压空间矢量（svpwm）控制方式：它是以三相波形整体生成效果为前提， 以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的， 一次生成三相调制波形， 以内切多边 形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度 控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流 闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节， 所 以系统性能没有得到根本改善。 （3）矢量控制（vc）方式：矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标 系下的定子电流 a i、 b i、ic通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电 流 1a i, 1b i，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流 1m i、 1t i（ 1m i相当于直流电动机的励磁电流； 1t i相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模 仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对 异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个 分量进行独立控制。 通过控制转子磁链， 然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量， 经坐标变换，实现正交或解耦控制。 （4）直接转矩控制（dtc）方式：1985 年，德国鲁尔大学的 depenbrock 教授首次 提出了直接转矩控制变频技术。 该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足， 并以 新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前， 该 技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制直接在定子坐标 系下分析交流电动机的数学模型， 控制电动机的磁链和转矩。 它不需要将交流电动机等 效为直流电动机， 因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算； 它不需要模仿直流电动 机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。 （5）矩阵式交- 交控制方式：vvvf 变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是 交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要 大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交 交变频应运而生。由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、 价格贵的电解电容。它能实现功率因数为 l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的 功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。 在这里本文采用是基于 spwm 控制方式即 u/f=c 的正弦脉宽调制， 其特点是控制 12 电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速 要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。 u/f=c 的正弦脉宽调制控制方式原理: mns1g 44. 4 s knfe （2- 4） 式中：eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为v； f1定子频率，单位为hz； ns定子每相绕组串联匝数； kns基波绕组系数； m每极气隙磁通量单位为wb。 由式（2- 1）可知，只要控制好eg和f1，便可达到控制磁通m的目的，对此， 需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况，这里主要讨论基频以下： 常值 1 f us （2- 5） 转速给定既作为调节加减速的频率f指令值，同时经过适当分压，作为定子电压 u1的指令值。该比例决定了u/f比值，由于频率和电压由同一给定值控制，因此可以保 证压频比为恒定。但是，在低频时us和eg都较小，定子阻抗压降所占的份量就比 较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压us抬高一些，以便近似地补偿定子 压降。如图2.1，带定子压降补偿的恒压频比控制特性于下图中的b线所示，无补偿的 控制特性则为a线所示。 图2.1 恒压频比控制特性 在基频以上调速时，频率应该从f1n向上升高，但定子电压us却不可能超过额定 电压usn，最多只能保持us =usn，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电 机弱磁升速的情况。基频以上在这里不多做分析。 u/f控制有两种基本实现方法：脉幅调制（pam） ，脉宽调制（spwm） 。 13 2.3spwm 模式下交直交变频器工作原理模式下交直交变频器工作原理 本文采用的是spwm基础上改进型sapwm控制模式， 所谓的spwm波形就是在 进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值时，脉冲 的宽度一也最大，而脉冲间的间隔则最小。反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小， 而脉冲间的间隔则较大，如图2.2所示。这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的谐波 成分大为减小， 故称为正弦波脉宽调制.如图2.2所示， 等效的原则是每一区间的面积相 等，把一个正弦波分作几等份,然后把每一等分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 等分的中点相重合 （如图2.2） ， 这样由几个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正 弦波等效，称作spwm波形。同样，正弦波的负半周也用同样的方法与一系列负脉冲 波等效。 c u r u t o u of u o u u d u d u 2.2spwm波形 2.3.1spwm 调制调制 spwm调制分为单极性调制和双极性调制。 （1）单极性调制：单极性pwm调制在半个周期的调制波中，三角载波只在正极 或负极一种极性范围内变化，如图2.3所示，是用一条正弦控制波与一条在正弦波正半 周的极性为正、负半周的极性为负的等腰三角载波进行比较后得到pwm波的调制方 式。在正半周，如果正弦信号的幅值大于三角信号的幅值则比较器的输出取正电平;如 果正弦信号的幅值小于三角信号的幅值，输出0电平，这样对应于逆变器输出只有ud 14 和0两种状态。而在负半周，当正弦信号的幅值大于三角信号的幅值时，比较器的输出 取负电平；当正弦信号的幅值小于三角信号时，取0电平，这样对应于逆变器输出只有 - ud和0两种状态。 因此对于单极性pwm控制的逆变器可以输出幅值为别ud, 0和- ud 的三种方波电压3。 （2）双极性调制双极性调制及逆变器输出电压，其调制原理如图2.2。当正弦信号 幅值大于三角波幅值时，比较器输出+ud，反之输出- ud，这样只能得到正、负两种电 平的pwm信号。 u 1 1 0 t t s u c u 图 2.3 单极性调制 对于一个具体的逆变电路，是采用单极性还是双极性pwm控制方式，取决于主电 路本身的结构。有些电路，如单相桥式逆变电路，既可用单极性pwm控制，也可用双 极性pwm控制。而三相桥式逆变电路则采用双极性pwm调制信号去控制。在同等情况 下，单极性pwm调制波比双极性pwm调制波的谐波分量要小。 2.3.2 三相逆变电路工作原理三相逆变电路工作原理 当前广泛应用的spwm逆变电路通常采用igbt作为开关器件，在一个电压输出周 期中，对各开器件进行多次通、断控制，这样既可调节输出电压的大小和频率，又可降 低各次谐波分量的影响。图2.5就是1800导通型电压源逆变器在spwm方式下的工作波 形。 c u是载波信号， ru u, rv u, rw u是三个调制电压波，初相依次相差120o下面依次是逆 变器相对于直流电源假想中点的输出电压波形。 是逆变器输出的线电压波形， 图中虚线 代表与之面积等效的正弦波。同样，当负载为感性时，如电动机，负载电流不能突变， 15 这样也可以使逆变器输出的电流波形更接近于正弦波， 使其运行更加平稳， 也减小了损 耗，提高了效率。图2.6为变器拖动感性负载时实际输出的线电流波形。 ru u rv u rw u c uu o un u vn u wn u 2 d u 2 d u 2 d u 2 d u 2 d u 2 d u t t t t t d u d u , uw u 图 2.5spwm 模式下工作波形 t0 i 图 2.6逆变器拖动感性负载时线电流波形 2.3.3spwm 波生成波生成 对spwm逆变电路分析时，应为分同步和非同步两种调制方式情况来分析。在非同 步spwm调制时，一个调制波周期内所含的各脉冲模式不具备重复性，因可无法以调制 波的角频率 s 为基准。比时以载波角频率 s 为基准，考察其边频带波分布情况的方法 较合适。图2.7是以载波uc角频率 s 为基准的自然采样图，tc为载波周期，us为正弦控 制信号，其角频率为 s ，采样时刻分别是 1 和 2 。 16 u r u c u o 1 2 1 1 1 2 d u d u t t 图 2.7 采样图 图2.8给出了三角波作为载波，其峰值为2uc，即以等腰点为中性点、幅值为正uc 的对称三角波。 图中tumsin为a相输出电压基波。 当采用图2.7所示三相逆变器拓朴是， 中性点0与直流电压中点相连时，其工作原理分析如下：在a0 图 3- 6 定子电流 28 00.050.10.150.20.250.30.35 -20 0 20 40 60 80 100 图 3- 7 转矩波形 00.050.10.150.20.250.30.35 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 图 3- 8 转子转速波形 29 第四章单片机原理与应用第四章单片机原理与应用 4.1msc-51 单片机的硬件结构及单片机的硬件结构及 i/o 口口 4.1.1单片机基本原理单片机基本原理 掌握单片机芯片的内部结构和外部封装等硬件知识是学习应用单片机的第一步， 只 有充分了解该单片机硬件系统， 才能把其现有的引脚资源和内部一切可以利用的硬件资 源充分利用起来，可以更好地实现项目和产品性能的最大化。 8051系列单片机的内部基本结构如图4- 1所示。 图 4- 1 8051 系列单片机的内部基本结构 由图4- 1可见，8051单片机由微处理器（由运算器和控制器组成） 、片内存储器 ram/rom、p0p3组成的i/o端口、各种存储器组成的特殊功能寄存器sfr、串行接 口、定时/计数器、中断系统、振荡器等所构成。我们分别了解一下各部分的基本情况。 （1）8051的中央处理器（cpu） 中央处理器是单片机芯片中最复杂、 最核心的智能部件， 完成运算和控制功能8051 的cpu能处理8位二进制数或代码。 （2）8051内部数据存储器（内部ram） 8051片中共有256个ram单元， 其中高128个字节单元被专用寄存器sfr占用， 能作为寄存器供用