课程设计――SPWM变频调速系统

1SPWM变频调速系统摘要：变频调速是交流调速中的发展方向。异步电动机的调速原理是研究控制算法的基石，因文首先介绍了异步电动机的调速特性，从而展开介绍SPWM变频调速的理论基础.包括变频调速控制思想的由来，控制方法的可行性。变频调速的控制算法也有许多，目前大部分通用变频器所采用的控制算法——恒压频比控制，给出了完整的硬件电路设计和软件程序流程设计。采用了Intel8OC196MC十六位单片机作为控制电路的CPU，采用该单片机的控制系统是本设计的硬件核心部分。关键词:变频器;恒压频比控制;正弦波脉宽调制:8OC196MC单片机。AbstractvariablefrequencyspeedcontrolisthedevelopmentdirectionofACspeedcontrolsystem.Controlprincipleofasynchronousmotorisacornerstoneofcontrolalgorithmresearch,becausethefirstintroducedthespeedcharacteristicsofasynchronousmotor,thusthetheoreticalbasisofSPWMvariablefrequencyspeedregulation.IncludingtheoriginofVVVFcontrolthought,thefeasibilityofcontrolmethod.Controlalgorithmofvariablefrequencyspeedcontrol--therearemany,constantratioofvoltageandfrequencycontrolalgorithmscurrentlyusedbymostofthegeneralinverter,giveacompletehardwarecircuitdesignandsoftwareprogramflowdesign.UsingtheIntel8OC196MCsixteenbitsingle-chipmicrocomputerasacontrolcircuitofCPU,controlsystemusingtheSCMispartofthedesignofthehardwarecore.Keywords:inverter;constantratioofvoltageandfrequencycontrol;sinusoidalpulsewidthmodulation:8OC196MCsinglechipmicrocomputer.2目录第1章绪论1.1变频器的发展方向........................................................................11.2发展的目的和意义-------------------------------------------------------------------1第2章恒压频比控制的SPWM变频系统的分析2.1变频调速基本原理...............................................................................22.2变频调速控制方式分析.......................................................................22.3SPWM逆变技术...................................................................................42.4.SPWM控制信号的产生方法...............................................................5第3章变频调速系统的硬件实现3.1变频调系统的整体硬件电路设计........................................................................63.2主电路硬件结构....................................................................................................73.3控制路的设计.......................................................................................93.4驱动和保护电路的设计.......................................................................9第4章主程序设计........................................................................................12总结--------------------------------------------------------------------------------------14参考文献..........................................................................................................15一绪论1.1变频器的发展方向变频器商业化以来，应用的领域在不断的扩大，主要有以下几个方面:(1)变频器容量不断扩大。(2)变频器结构的小型化。(3)变频器的多功能化和高性能化。31.2目的和意义在电力拖动领域，解决好电动机的无级调速问题有着十分重要的意义，电机调速性能的提高可以大大提高工农业生产设备的加工精度、工艺水平以及工作效率，从而提高产品的质量和数量。二恒压频比控制的SPWM变频系统的分析2.1变频调速基本原理异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为pnfn/6011其中1n为同步转速(r/min)1f为定子频率，也就是电源频率(Hz);pn为磁极对数。异步电机的轴转速为pnsfsnn/)1(60)1(11其中s为异步电机的转差率，11/)(nnns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。2.2变频调速控制方式分析在基频(额定频率)以下调速时，由于E1的大小不易从外部加以控制，而定子绕组的阻抗压降(U=11，1为定子绕组的阻抗压降，包括电阻和漏磁电抗)在电压较高时可以忽略，所以可以认为电动势和电源相电压近似相等即有U1E1，因此作为一种可行的方案是在电源电压较高时用电源相电压U1代替电动势E1，当频率较低时，U1和E1都变小，定子漏阻抗压降所占比重加大，不可以忽略，所以要人为的补偿，这是一种近似的恒磁通控制，这种控制方式常用于恒转矩控制，如下图在基频以上调速时由于电压U,受额定电压的限制不能升，因此在频率升高时，4迫使主磁通变小，进入弱磁变频调速，属于近似恒功率控制，如图2-1.但是用恒压频比代替恒电动势频率比的一个重要缺点是在速度降低时，电动机的带载能力也同时下降转矩利用率下降，从图2-2的a,b可以看出a图的临界转矩点随着速度的降低也减小，而b图则没有变化，然而要达到b图的效果就要保持E1/f1的比值为恒值而不仅是保持U1/f1比值为恒值了。基于上述原因，在变频调速的基本控制方式下，改变频率的同必须改变电压，所以称之为VVVF控制。ntumu2nnf1n异步电机变频调速的控制特2.3SPWM逆变技术SPWM调制变频技术SPWM调制技术是PWM多脉冲可变脉宽调制技术的一种，即所谓的正弦波脉宽调制.其输出波形是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n等份，然后把每一等份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份的中点相重合，这样，由n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法与恒转矩调速恒功率调速05一系列负脉冲波等效。如图2-4所示。设由整流器提供的直流恒值电压为Us，并设电机绕组中点与直流电压中点相连，则SPWM脉冲序列波的幅值为2/sU。令第i个矩形脉冲的宽度为i，其中心点相位角为i，则根据面积相等的等效原则，可写成：i2sU=mUttdnn122111sinmU)2(cos)2cos(nknii=imnUsin2sin2（2-3）当n的数值较大时，近似的认为sin/(2n)=/(2n)，于是isminUUsin20uwtUmsin2tw1TSPWM的输出波形2.4.SPWM控制信号的产生方法原始的SPWM是由模拟控制来实现的。图是SPWM模拟控制电路原理框图。三相对称的参考正弦电压调制信号rau，rbu，rcu由参考信号发生器提供，其频率和幅值都是可调的。三角载波信号tu由三角波发生器提供，各相共用。它分别与每相调制信号在比较器上进行比较，给出正或零的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波dau，dbu，dcu，6作为变压变频器功率开关器件的驱动信号。图下为spwm播磨你控制电路daudcuSPWM波模拟控制电路SPWM的数字控制数字控制是SPWM目前常用的控制方法。可以采用微机存储预先计算好的SPWM数据表格，控制时根据指令调出;或者通过软件实时生成SPWM波形;也可以采用大规模集成电路专用芯片产生SPWM信号。三变频调速系统的硬件实现3.1变频调系统的整体硬件电路设计本系统主要由主电路、驱动电路、控制电路以及保护电路构成。其结构框图如下主电路方框图参考信号发生器三角波发生器驱动V1-V6SPWM波形电源整流电路滤波电路逆变电路7控制电路框图驱动电路框图主电路方框图图3-1硬件电路方框图控制电路以80C196MC为核心，输出六路互补SPWM波形，输入和电位器模拟输入两种输入方式，可以用键盘数字电流检测以及测速码盘的接入口在控制电路中全都预留有接口，3.2主电路的设计键盘显示电路8279外部扩展存储器80C196MC单片机模拟输入检测电流预留口SPWM输出保护电路输入口直流电源晶体管放大电路光电隔离电路SPWM输入信号输出给IGBT基极控制信号BUBXBVBYBWBZ83.2.主电路硬件结构主电路是交一直一交电压源型，单相220V工频交流供电，采用不可控的二极管整流桥，大电容滤波，采用大功率晶体管IGBT作为输出SPWM波形的开关器件。目前的大功率开关器件都是以集成的大功率场效应管IGBT为主流，另外系统中设置了保护电路，包括过压、过流的保护。逆变(DC／AC)技术是电力电子技术的重要组成部分，是把直流电变成交流电的过程，完成逆变功能的电路称为逆变电路逆变电路根据直流侧电源性质不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。它们也分别被称为电压源型逆变电路和电流源型逆变电路。三相交流负载需要三相逆变器，在三相逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆变电路。下面来分析三相桥式你变电路的工作波形对于A相输出来说，当桥臂l导通时，dAOUU21当桥臂4导通，dAUU210因此，0AU的波形是幅值为dU21的矩形波。B，C两相的情况和A相类似，COBOUU,的波形形状和AOU相同，只是相位依次相差0120。三相逆变电路输出波形：UAATUBBBT9UCCCT图3-4三相逆变电路输出电压波形3.3控制路的设计控制器的选择8XC196MC单片机是Intel公司专门为电机高速控制设计的一种16位微控制器。其基本结构主要包括算术、逻辑运算部件RALU，寄存器集，内部A/D转换器，PWM发