1、基于单片机的电流交流调速系统设计摘要近年来，交流电机变频调速及其相关技术的研究已经成为现代电气传动领域的一个重要课题，并且随着新的电力电子器件和微处理器的推出以及交流电机控制理论的发展，交流电机调速技术还将会取得更大进步。本课程设计主要是研究电压型三相交流SPWM变频技术的基本原理、实现方法及软硬件设计，完成系统的软硬件设计。通常情况下交流异步电动机用作调速机时，它的控制电路复杂，系统的效率较低。采用单片机微机控制的交流异步电动机变频调速系统使起控制电路大为简化，使用正弦脉宽调制（SPWM）驱动，系统效率也有所提高。交流异步电动机的变频调速，实际中多采用脉冲宽度调制（PWM），完成调频和调压两
2、种功能。用单片微机实现（PWM）来控制可使调节灵活，电路简化。本设计采用的MCS51系列的单片微机控制PWM，在300W的二相异步交流电机上进行运行实验。传统的交流变频调速系统由正弦波和锯齿波相交产生所需的脉宽调制波实现恒压额比的变频调速控制。这种系统由于采用模拟控制，设备复杂、调整困难，且控制精度低，可靠性差，因而限制了这种系统的应用。与上述传统的系统相比，本系统具有如下特点：采用新型大规模专用集成电路产生脉宽调制波，使波形稳定，精度和可靠性显著增加。以单片机8031CPU为核心的全数字控制电路简单，调整迅速，进一步提高了控制精度。关键词：电压型三相PWM整流器，变频调速，单片机，交流电机；
3、ABSTRACTRecently ,the research of variable frequency speed variation of AC motor and relevant technology has become an important issue in electrical drive field ,with the appearance of new power electronic apparatus and microprocessor and the development of the control theory ,the technology of vari
4、able frequence speed variation will improve more rapidly.Focus is Studying SPWM three-phase voltage-type AC inverter with the fundamental principles in this paper, and designing the methods and software and hardware, and complete system software and hardware. Under normal circumstances in exchange f
5、or motor asynchronous speed machine, its complicated control circuits, the systems efficiency is low. SCM using computer control the exchange of asynchronous motor Frequency Control System that has greatly simplified control circuit, the use of SPWM (SPWM) drive, the system has improved efficiency.
6、Induction Motor Frequency Control, in the actual use of pulse width modulation (PWM), and completed FM Surge two functions. To achieve single-chip microprocessor (PWM) to control can adjust flexibly, to simplify circuit. This design by the MCS51 series of single-chip microprocessor achives PWM contr
7、ol, 300W in the two-phase asynchronous motor exchanges on running the experiment. The traditional exchange of Frequency Control System from the intersection of a sine wave and the sawtooth PWM wave of constant pressure to achieve than the frequency for arrest control. As a result of this analog cont
8、rol system, equipment complex and difficult adjustment, and low-precision control, reliability poor, thus limiting the application of such a system. With the traditional systems, this system has the following characteristics: a new type of large-scale ASIC PWM wave, the wave stability, accuracy and
9、reliability of a significant increase in SCM (8031 CPU as the core of digital control. Circuit simple to adjust quickly to further enhance the control accuracy. Keywords：Three-Phase PWM voltage rectifier, Frequency Control, SCM, AC motor, computer control目录摘要.1ABSTRACT.2第一章 前言.11.1 概述.11.2 课程设计的总体思路
10、.1第二章 变频调速基本原理及应用.22.1 变频调速技术的发展.22.1.1 交流变频调速技术的发展.22.2 变频调速基本原理.32.2.1 变频调速的工作原理p磁极对数.32.2.2 变频调速的控制原理.32.3 变频器.42.3.1 变频器的工作原理.42.3.2 频器的运行和相关参数的设置.42.4 变频调速的应用.52.4.1 变频调速技术的实际运用分析.5第三章 脉宽调制技术.63.1 直接转矩控制PWM.63.2 非线性控制PWM.6第四章 系统的硬件设计.74.1 系统工作原理.84.1.2 C8051实现SPWM波形的原理及算法.84.2 主电路的设计.104.2.1 整流
11、电路设计.114.2.2 逆变电路的设计.114.2.3 逆变驱动电路的设计.114.2.4 转速检测电路. 124.2.5 滤波电路的设计. 134.3 光电隔离电路. 144.4 8051控制电路. 154.4.1 PWM输出与光耦驱动的接口电路. 154.5 人机接口电路. 15第五章 系统的软件设计. 165.1 单片机程序设计. 165.1.1 初始化程序. 175.1.2 转速调节程序. 175.1.3 显示中断程序. 185.1.4 故障中断服务程序. 195.2 控制电路. 205.3 最小脉冲问题分析. 20总 结. 21参考文献.22 第1章 前言1.1 概述 自20世纪5
12、0年代末第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上自20世纪50年代末第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台，以此为基础开发的可控硅整流装置，是电气传动领域的一次革命，使电能的变换和控制从旋转变流机组和静止离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子的诞生。进入20世纪70年代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品，普通晶闸管不能自关断的半控型器件，被称为第一代电力电子器件。随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容易和类型等方面得到了很大发展，是电力电子技术的又一次飞跃，先后研制出GTR、GTO，功率MOSFET
13、等自关断全控型第二代电力电子器件。而以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的第三代电力电子器件，开始向大容易高频率，响应快，低损耗方向发展。而进入20世纪90年代电力电子器件正朝着复台化 标准模块化、智能化功率集成的方向发展，以此为基础形成一条以电力电子技术理论研究，器件开发研制，应用渗透性，在国际上电力电子技术是竞争最激烈的高新技术领域。1.2课程设计的总思路本文对于逆变器供电的变频调速系统进行了分析，并设计了一种以MCS-51系列单片机为基础生成的SPWM来控制逆变器的控制系统。首先，在逆变器供电的交流调速系统中，电动机的运行条件发生了很大变化，针对逆变器供电的特点给出了变频调速异步电动机的
14、选择方法。其次，对于新型器件的应用做了说明，根据新型功率器件的特点和应用要求，设计出了逆变器的驱动电路和保护电路，使得新型功率器件的应用更加安全。最后，为适应变频调速电机的要求，设计了一套基于单片机生成的SPWM控制逆变器来控制电动机变频调速系统，对于硬件电路部分和实现控制策略的软件部分进行设计。第2章 变频调速基本原理及应用2.1 变频调速技术的发展近10年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动
15、技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节间效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。2.1.1 交流变频调速技术的发展交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。其主要发展方向有如下几项：(1)实现高水平的控制。基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直接转矩控制和机械扭振补偿等；基于现代理论的控制策略，有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器，在某
16、种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。(2)开发清洁电能的变流器。所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为1，网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。对中小容量变流器，提高开关频率的PWM控制是有效的。对大容量变流器，在常规的开关频率下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。(3)缩小装置的尺寸。紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源，以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗
17、器和电容器。(4)高速度的数字控制。以32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法，Windows操作系统的引入使得可自由设计，图形编程的控制技术也有很大的发展。(5)模拟与计算机辅助设计（CAD）技术。电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。主要的研究开发项目有如下各项：(1)数字控制的大功率交-交变频器供电的传动设备。(2)大功率负载换流电流型逆变器供电的传动设备在抽水蓄能电站、大型风机和泵上的推广应用。(3)电压型GTO逆变器在铁路机车上的推广应用。(4)电压型IGBT、IGCT逆变器供电的传动设备扩大功能，改善性能。如
18、4象限运行，带有电极参数自测量与自设定和电机参数变化的自动补偿以及无传感器的矢量控制、直接转矩控制等。(5)风机和泵用高压电动机的节能调速研究。众所周知，风机和泵改用调速传动后节约大量电力。特别是电压电动机，容量大，节能效果更显著。2.2 变频调速基本原理2.2.1 变频调速的工作原理p磁极对数由电机学理论可知，电动机的转速为n=60f/p，式中f电源频率；p磁极对数；当P为定值时，n与f成正比。如果连续地改变供电电源的频率就可以调节电动机的转速，这就是变频调速的工作原理。而变频调速的关键设备就是变频器它决定整个调速系统的性能。目前使用较多的是“交直交”变频，将50Hz交流整流为直流电Ud，再
19、由三相逆变器将直流逆变为频率可调的三相交流供给鼠笼电机实现变频调速。频率的下降会导致磁通的增加，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。2.2.2 变频调速的控制原理变频调速装置主电路由空气开关QF1，交流接触器KM1和变频器VF组成，由安装在配电柜面板上的转换开关SA，复位开关SB；或安装在现场防爆操作柱上启动按钮SB和停止按钮SB2控制VF的运行：(1)启动VF时必须先合上QF1和QF2，使SA置于启动位置，KM1便带动电触点闭合，来电显示灯HL2亮；此时按下SB，也可以按下现场SB1使KA1带电触点闭合，VF投入运行同时运行指示灯HL3亮。(2)需要停止VF时，按下SB2使KA1失电，VF停止运行，此时HL3灭；置SA于停止位置，KM1断开同时HL1亮，表示停机。(3)如果在运行过程中VF有故障FLA、FLC端口将短接，KA2带电，KM带电其触点断开，同时故障指示灯HL3亮并报警。由于工艺条件复杂，实际运行过程中有多方面
