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1、运动控制系统课程设计讲座,交流调速系统部分,设计题目： SPWM变频调速控制系统设计专题,参考文献： 1 阮毅，陈伯时. 运动控制系统（第4版）. 机械工业出版社. 2 王兆安, 刘进军. 电力电子技术（第5版）. 机械工业出版社. 3 童福尧. 电力拖动自动控制系统习题例题集. 机械工业出版社.,设计交-直-交电压源型三相SPWM变频器，整流部分为二极管三相不控整流，并由大电容滤波，获得恒定直流电压，逆变器由6个电力晶体管GTR和6个续流二极管组成，并由8051和大规模集成电路HEF4752组成SPWM变压变频调速系统的控制电路。,基本设计参数： 异步电动机额定功率11kW，额定电流22A，
2、线电压380V，允许过载倍数l=1.5，泵升电压DUs=150V，逆变器输出频率范围460Hz，额定输出频率f1e=50Hz，负载功率因数cosj0.5，负载引起直流电压脉动百分比K5%，Uin(max)=10V，,设计任务,设计主电路：选择GTR开关管以及滤波电容； 设计控制电路：采用大规模集成电路HEF4752，并设 fsmax=1000Hz，计算8253分频系数； 设计驱动电路：采用分立元件或集成电路模块均可； 画出系统原理图、控制电路图、驱动电路图、保护电路图（过压保护和过流保护二选一） ； 写出心得体会。,设计思想,变频器的三个主要组成部分 主电路 驱动电路 控制电路,一、主电路设计
3、,原理 变频器分类 主电路设计 参数计算（GTR参数、滤波电容）,交-直-交 交-交,电压源型 电流源型,交-直-交电压源型变压变频主电路设计,1、GTR参数计算,电压额定值的计算 UVT=(1.52) (2.34220KA+DU) K电网电压升高系数，一般取K=1.1 A电容滤波时电压升高系数，一般取A=1.04 DU(可能的)泵升电压(根据设计要求取150V),电流额定值的计算 F冲击电流系数，一般取F=1.4 l电流过载倍数 Ie额定电流,2、滤波电容的计算,A与负载阻抗角j有关的系数 I逆变器输出相电流(A) K由负载引起的直流电压脉动百分比 w逆变器输出最低角频率(s-1) Ud直流
4、侧电压(V),二、驱动电路,辅助电源电路设计 GTR驱动电路设计,1 辅助电源电路,2、驱动电路设计 方案一：分立元件 方案二：驱动模块,GTR理想驱动波形,t,ib,强导通 (23)ib,迅速关断,维持一段时间 确保可靠导通 (1.52)ib,尾流控制 (12)ib,方案一：分立元件构成的驱动电路,输入端A:接收来自控制器的PWM信号,VD2:嵌位二极管,VD3:电位补偿二极管,使GTR导通后始终处于临界饱和状态,而不进入深饱和区,17,方案一：分立元件构成的驱动电路,使GTR截止时b和e之间承受反压, 加速关断,稳压值23V,反偏压过低效果不明显,过高可能损坏GTR,消除VT4和VT5产生
5、的高频寄生振荡,18,i,方案一：分立元件构成的驱动电路,该回路放电电流时间短暂, 一旦GTR完全截止, 电流就为0,VST导通, GTR be结承受反偏压, 保证GRT可靠截止,向VT6提供基极电流, 利用VT6的正向eb结电压使VT4、VT5反偏,方案二：驱动模块M57215BL,输入和输出之间通过光耦电气隔离 具有大的驱动电流和关断电流能力 低损耗、体积小、与TTL兼容,M57215BL,M57215BL驱动电路原理图,Uin为低电平(01V)，GTR模块的基射极被UEE反向偏置，GTR可靠截止。 Uin为高电平(45V)，GTR模块正向偏置，产生驱动电流 ib。,三、控制电路,HEF4
6、752介绍 功能原理 基本结构及工作原理 HEF4752控制功能,4752器件介绍,主激励输出 （逆变器驱动输出） 接到三相逆变器6个开关器件的驱动电路输入端。 第一个字母表示相序 数字1、2分别表示上、下桥臂开关元件的PWM激励信号。,AM1,AM2,CM2,CM1,BM2,BM1,辅助激励输出 （换向开关驱动输出） 当逆变器由晶闸管作开关器件时，提供强迫换流信号。 第二个字母C表示辅助输出。,AC1,AC2,BC1,BC2,CC1,CC2,AM1,AM2,CM2,CM1,BM2,BM1,4752器件介绍,4个时钟输入 1. FCT： 频率控制时钟：控制逆变器输出（基波）频率fOUT ，控制
7、转速。 fFCT = 3360 fOUT,AM1,AM2,CM2,CM1,BM2,BM1,AC1,AC2,BC1,BC2,CC1,CC2,FCT,HEF4752能自动使输出电压与频率成线性关系。 直到100%调制发生时: 相邻脉冲开始合并，输出电压有效值为 0.624Vd。 fout(nom)=0.624Vdf1e/V1e,4752器件介绍,VCT,fVCT(nom)= 6720 fOUT(nom),AM1,AM2,CM2,CM1,BM2,BM1,AC1,AC2,BC1,BC2,CC1,CC2,FCT,4个时钟输入 2. VCT 电压控制时钟：决定PWM调制深度，从而控制SPWM调制波平均电压
8、，实现恒Eg/f1控制。,减小fvct导致输出电压增加，实为“V/f ”比增加。,4752器件介绍,4个时钟输入 3. RCT 频率参考时钟：用于控制逆变器载波最高频率 fs(max) （固定值） fRCT = 280 fs(max) 载波最低频率fs(min) 由4752内部设定 fs(min) = 0.6 fs(max),RCT,VCT,AM1,AM2,CM2,CM1,BM2,BM1,AC1,AC2,BC1,BC2,CC1,CC2,FCT,4752器件介绍,4个时钟输入 4. OCT 输出延时时钟：设置互锁延迟间隔时间，避免同一桥臂上下两管同时导通。 与 K 配合使用 延时时间 T = 8
9、/fOCT K=“0” 16/fOCT K=“1” 通常 fOCT = fRCT,OCT,K,RCT,VCT,AM1,AM2,CM2,CM1,BM2,BM1,AC1,AC2,BC1,BC2,CC1,CC2,FCT,4752器件介绍,7个控制输入 13. A、B、C 测试端 工作时接地,A,B,C,OCT,K,RCT,VCT,AM1,AM2,CM2,CM1,BM2,BM1,AC1,AC2,BC1,BC2,CC1,CC2,FCT,4752器件介绍,7个控制输入 4. I 驱动晶体管或晶闸管选择 I=,“0”驱动晶体管逆变器 “1”驱动晶闸管逆变器,I,A,B,C,OCT,K,RCT,VCT,AM1
10、,AM2,CM2,CM1,BM2,BM1,AC1,AC2,BC1,BC2,CC1,CC2,FCT,4752器件介绍,7个控制输入 5. K 延时时钟选择 (与OCT配合) 6. L 起动/停止控制 L=,“0”输出调制信号被封锁 “1”输出SPWM调制信号,L,I,A,B,C,OCT,K,RCT,VCT,AM1,AM2,CM2,CM1,BM2,BM1,AC1,AC2,BC1,BC2,CC1,CC2,FCT,4752器件介绍,7个控制输入 7. CW 相序选择 CW=,“0”逆相序C-B-A “1”正相序A-B-C,CW,L,I,A,B,C,OCT,K,RCT,VCT,AM1,AM2,CM2,C
11、M1,BM2,BM1,AC1,AC2,BC1,BC2,CC1,CC2,FCT,4752器件介绍,3个控制输出 RSYN：(R相)示波器同步信号，供示波器外同步用。 VAV：输出电压模拟信号，数字信号, 模拟输出电压平均值。 CSP：逆变器开关频率输出，两倍于逆变器开关频率的脉冲串。,RSYN,VAV,CSP,CW,L,I,A,B,C,OCT,K,RCT,VCT,AM1,AM2,CM2,CM1,BM2,BM1,AC1,AC2,BC1,BC2,CC1,CC2,FCT,4752器件介绍,2个电源线 UDD 正电源线 +10V USS 地线,UDD,USS,RSYN,VAV,CSP,CW,L,I,A,
12、B,C,OCT,K,RCT,VCT,AM1,AM2,CM2,CM1,BM2,BM1,AC1,AC2,BC1,BC2,CC1,CC2,FCT,4752器件介绍,4752调制方式,双边缘正弦调制,不同于三角波-正弦波调制法。采用从载波脉冲两端改变脉冲宽度的双边缘正弦调制。 优点：在于可获得两倍载波频率的输出线电压脉冲，从而可减小低速时的脉动转矩。,U为逆变器输出线电压有效值 UAB为电动机额定线电压有效值 改变调制比hV，就可以改变逆变器输出电压U,4752调制比hV,定义：,V与时钟FCT和VCT的“频率比”成正比 如满足：,0,fFCT/fVCT,0.5,100%,hV,可见：当固定fVCT时
13、，调制比V与fFCT成正比关系，而fFCT又与逆变器输出频率fout成正比关系。 所以：调节fFCT可调电机转速，并实现U/fout =常值的“恒磁通控制”。,4752调制比hV,则有,37,=3360fOUT(nom),Us,fVCT(nom)(UsN),O,fFCT(f1),fVCT(Us),fFCT(nom)(f1N),=6720fOUT(nom),恒压频比控制,带低频定子电压补偿,基频以上,F,控制电路原理 控制电路采用8051+HEF4752 其它主要器件： 8253 可编程定时/计数器 ADC0809 逐次比较式8位模/数转换器 74LS373 8位地址锁存器 27256 32K8
14、位EPROM存储器 CD4527 十进制比例乘法器,40,上图为控制电路原理图，没有给出具体的连接，请同学们在设计中认真思考，并作出详细的电路连接图纸。,8253可编程计数器/定时器,CLK=2M，设为工作方式3（分频, 方波发生器）,【PWM载波频率】,【通道2分频系数Z2】,8253通道2，参考时钟RCT与延迟时钟OCT：,CLK=2M，设为工作方式3（分频, 方波发生器）,【通道1分频系数Z1】,8253通道1，电压控制时钟VCT ：,Vd: 直流侧电压 f1e:电机额定频率 V1e:电机额定电压,8253可编程计数器/定时器,【通道0：最大、最小分频系数5966】,0：,8253通道0
15、，频率控制时钟FCT：,8253可编程计数器/定时器,4527比例乘法器,若输出频率在1100Hz之间变化时，计算机控制8253的0通道（分频系数）从6596变化。但变化的台阶较大，故增加细分电路。 频率将受到8253和4572数字比例乘法器的双重制约，使输出更为精密。,45,CD4527 是低功耗4 位数字比例乘法器，其主要功能是输出的脉冲数等于时钟脉冲乘以某一系数，该范围为0.10.9，由BCD 输入确定。若由两个4527 同时工作，则范围为0.010.99。,4527比例乘法器,4527”加法”模式举例,4527”乘法”模式举例,加细分电路后，,单片机=M值,min,min,min,（f
16、）,8253分频系数,45272,作0通道时钟,注：本设计中取 M=460即可满足系统工作要求。,M=199,或简单计：不加4527电路，直接用单片机根据要求输出的工作频率实时计算分频系数，并向8253实时传递，也可。 注意：调速时当前工作频率fout不宜阶跃给定，要经过给定积分运算，使频率缓慢升降。 请大家根据具体课程设计要求，计算8253各通道的分频系数。以上的设计计算仅作参考。,50,课程设计时间为1920周 19周安排： 直流部分做实验验证，交流部分以理论设计为主，不再做实验。 实验地点：工科2-105 20周周五，课程设计按班级收齐后，交至工科2-115 自142 指导老师 高计委 自143 指导老师 李勋 自144 指导老师 徐兴元,2017.6.25,
