《毕业论文-基于80C51单片机控制的交流变频调速系统设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业论文-基于80C51单片机控制的交流变频调速系统设计.doc（27页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基于单片机控制的交流变频调速系统基于80C51单片机控制的交流变频调速系统设计目 录第1章概述21.1三相异步电动机变频调速的发展21.2 SPWM变频调速系统概述3第2章SPWM变频调速系统基本原理42.1 SPWM变频调速系统基本原理42.2 系统设计总方案的确定5第3章 主电路设计63.1主电路功能说明63.2 主电路设计73.3 主电路电路图7第4章 控制电路设计94.1 控制电路设计总思路94.2 SPWM波形产生电路9第5章 系统软件设计19结论22致谢语22参考文献23引 言随着电力电子技术、微机控制技术以及大规模集成电路的发展，基于集成PWM电路构成的变频调速系统以其结构简单、
2、运行可靠、节能效果显著、性价比高等突出优点而得到广泛应用。本文介绍的GTRSPWM变频调速系统是以大规模专用集成电路HEF4752和单片机（80C51）为核心构成的控制电路，由HEF4752产生的三相PWM信号经隔离、放大后，驱动由GTR构成的三相桥式逆变器，使之输出三相SPWM的波形，实现异步电机变频调速。第1章 概述 1.1三相异步电动机变频调速的发展随着变频调速异步电动机在国内外市场上日益扩大应用。自90年代中期以来，我国有众多电动机生产企业设计、研制和生产适用于不同应用的各种系列变频调速三相异步电动机，例如：通用变频调速电动机系列、起重冶金变频调速电动机系列、隔爆变频调速电动机系列、电
3、梯变频调速电动机系列、辊道变频调速电动机系列、牵引变频调速电动机系列等。从目前情况看，这些系列电动机能基本满足国内市场的需求。据资料显示，我国对于变频凋速三相异步电动机的品种不断扩大，产品设计也不断改进。为 了适应不同用途、不同工作条件和使用环境、不同工况等各种要求，专用系列和改型系列变频调速电动机产品不论现在和将来，都在迅速发展。变频器供电电源会存电动机端子和各相绕组的前几匝线圈上产生高频瞬间脉冲峰值电，因此，如果不对绝缘系统采用增强措施将会使绕组存高电压应力作用下过早失效，从而引起绝缘击穿故障。在电气传动领域中，随着自关断器件技术水平的不断提高，脉宽调制技术（简称PWM技术）也日趋成熟。P
4、MW交流变频调速以其高效率、高功率因数、输出波形好、结构简单等优点，在井下风机、水泵、造纸机等设备中得到了广泛的应用。将单片机应用于交流变频调速系统，可有效地避免传统调速方案中的一些缺点，达到了提高控制精度的目的，其特点：（1）采用单片机可以使绝大多数控制逻辑通过软件实现，简化了电路。（2）单片机具有更强的逻辑功能，运算速度快，精度高，有大容量的存储单元，可以实现较为复杂的控制。（3）无零点漂移，控制精度高。（4）可以提供人机界面，多机连网工作。1.2 SPWM变频调速系统概述二十世纪末以来,电力电子技术及大规模集成电路有了飞速的发展，在此技术背景下SPWM电路构成的变频调速系统以其结构简单、
5、运行可靠、节能效果显著、性价比高等突出优点而得到广泛应用。众所周之早期的交-直-交变压变频器说输出的交流波形都是矩形波或六拍阶梯波，这是因为当时逆变器只能采用半控式的晶闸管，会有较大的低次谐波，使电动机输出转矩存在脉动分量，影响其稳态工作性能。为了改善交流电动机变压变频调速系统的性能，在出现了全控式电力电子开关器件之后，科技工作者在20世纪80年代开发应用PWM技术的逆变器，由于它的优良技术性能，当今国内外生产的变压变频器都已采用这种技术。PWM技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变为电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或电压脉冲周期以达到改变电压的目的，或者通过控制电压脉冲宽度和电
6、压脉冲序列的周期以达到变压和变频的目的。在变频调速中，前者主要应用于PWM斩波（DCDC变换），后者主要应用于PWM逆变（DCAC变换）。PWM脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波（调制波）对三角载波进行调制，以达到调节输出脉冲宽度的目的。相当于基波分量的信号波（调制波）并不一定指正弦波，在PWM优化模式控制中可以是预畸变的信号波，正弦信号波是一种最通常的调制信号，但决不是最优信号。PWM控制技术有许多种，并且还在不断发展中。但从控制思想上分，可把它们分成四类，即等脉宽PWM法、正弦波PWM法（SPWM）、磁链跟踪PWM法（SVPWM）和电流跟踪PWM法等。本课题设计主要介绍正弦波SPWM的变
7、频调速控制系统。SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论: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.SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。第2章 SPWM变频调速系统基本原理2.1 SPWM变频调速系统基本原理PWM的原理，就是面积等效原理，在采样控制理论中有一个重要的
8、结论：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。所以可用等幅值的不同宽度的脉冲来等效一些想要的波形。PWM技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变为电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或电压脉冲周期以达到改变电压的目的，或者通过控制电压脉冲宽度和电压脉冲序列的周期以达到变压和变频的目的。变频调速中，前者主要应用于PWM斩波（DCDC变换），后者主要应用于PWM逆变（DCAC变换）。PWM脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波（调制波）对三角载波进行调制，以达到调节输出脉冲宽度的目的。相当于基波分量的信号波（调制波）并不一定指正弦波，在PWM优化模式控制中可以是预畸
9、变的信号波，正弦信号波是一种最通常的调制信号，但决不是最优信号。根据面积等效原理，PWM波形和正弦波是等效的，而这种的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM（Sinusoidal PWM）波形。当前逆变电源的控制技术中，滞环控制技术和SPWM控制技术是变频电源中比较常用的两种控制方法。滞环控制技术开关频率不固定，滤波器较难设计，且控制复杂，难以实现；SPWM控制技术开关频率固定，滤波器设计简单，易于实现控制。当二者采用电压电流瞬时值双闭环反馈的控制策略时，均能够输出高质量的正弦波，且系统拥有良好的动态性能.三相交流电动机定子绕组中的三相交流电在定子隙圆周上产生一个旋转磁场
10、，这个旋转磁场的转速称同步转速，记为n 实际电动机转速n要低于同步转速，故一般称这样的三相交流电动机为三相异步电动机。异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为 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 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。在对异步电机调速时，希望电机的主磁通保持额定值不变。任何电动机的电磁转矩都是磁通和电流相互作用的结果，主磁通小了，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降;主磁通大了，会使电动机的磁路饱和，并导致励磁电流畸变，励磁电流过
11、大，严重时会使绕组过热损坏电机。主磁通是由励磁电流产生的，两者之间的关系是由磁化特性决定的。由电机理论知道，三相异步电机定子每相电动势的有效值为 .其中E1为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值(V), 为定子频率(Hz),为定子每相绕组匝数，为极磁通里(Wb)。由上式可见主磁通中.是由E1和。共同决定的，如果保持E1和之比不变，就可以保持主磁通不变。2.2 系统设计总方案的确定在三相交流电源供电的情况下，共需经过八个主要模块完成整个调速过程。首先是三相整流变压器降压，然后经二极管桥式整流，再者由电容滤波器滤波获得直流电源，最后经IGBT逆变电路逆变，得到可调交流电源。IGBT为场控输入器件
12、，输入功率小。确定主电路模块之后，本课程设计将采用HEF4752芯片构成SPWM波形生成电路，实现PWM波的调制。并采用电流转速双闭环调制系统，同时确定保护电路模块，检测电路模块，驱动电路模块等。系统总流程图如图1所示。 M逆变电路平波回路整流电路检测电路隔离保护保护电路电流转速双闭环调制电路驱动电路HEF4752波形控制电路图1 SPWM变频调速系统总流程图第3章 主电路设计3.1主电路功能说明主电路为AC/DC/AC逆变电路，由三相整流桥、滤波器、三相逆变器组成。三相交流电经桥式整流后，得到脉动的直流电压经电容器滤波后供给逆变器。二极管整流桥把输入的交流电变为直流电，电阻R1为起动限流电阻
13、，其上的电压波形反映了主回路的电流波形，可以用来观察波形。C1为滤波电容。可逆PWM变换器主电路系采用IGBT所构成的，IGBT (V1、V2、V3、V4、V5、V6）和六个续流二极管（VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6）组成的双极式PWM可逆变换器。经变换器逆变，可将直流电源变成稳定的或可变的交流电源。3.2 主电路设计1.整流器本课题中的整流器是使用六个二极管组成，如图2所示，它把工频电源变换为直流电源。该电路整流输出接有大电容，而且负载也不是纯电感负载，但为了简化计算，仍可按电感计算，只是电流裕量要可适当取大些即可。2.平波回路在整流器整流后的直流电压中，含有6倍频率的脉动电
14、压，此外逆变变流器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。在滤波电容选择时，一般根据放电的时间常数计算，负载越大，要求纹波系数越小，一般不做严格计算，多取2000以上.3.逆变器逆变器的作用是将直流功率变换为所要求频率的交流功率。3.3 主电路电路图主电路电路图如图所示。3.1 主电路第4章 控制电路设计主电路采用了交直交变频器，工作原理即：先将工频交流电源通过整流器变换成直流电，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流电，由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直溜环节”，所以又称间接式变频器。它又分为电压源型和电流源型两种，
15、电压源型采用较大电容量的电容器进行滤波，直流电路电压波形平直，输出阻抗小，电压不易变化，相当于直流恒压源，它在当前中小功率变频调速系统中应用十分广泛。如下：图2 图2 交-直-交变频电源整流部分原理图如图3，其中A，B，C是交流电输入端，接有熔丝，当出现电流过大时熔丝会自动熔断，起到保护整个电路的作用，在整流电路入口还接有电容和电阻，能够起到抗干扰的作用，使得系统的性能更加的稳定。图3整流部分原理图IGBT的分立驱动电路的设计 IGBT的驱动设计问题亦即MOSFET的驱动设计问题，设计时应注意以下几点：IGBT栅极耐压一般在20V左右，因此驱动电路输出端要给栅极加电压保护，通常的做法是在栅极并联稳压二极管或者电阻。前者的缺陷是将增加等效输入电容Cin，从而影响开关速度，后者的缺陷是将减小输入阻抗，增大驱动电流，使用时应根据需要取舍。尽管IGBT所需驱动功率很小，但由于MOSFET存在输入电容Cin，开关过程中需要对电容充放电，因此驱动电路的输出电流应足够大。假定开通驱动时，
