单片机控制变频调速的设计

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1、d祸机电Q旌术学陇SHANXI INSTITUTE OF NECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING毕业综合实践论文姓 名：武德军学 号：10140233系 部：电子电气工程系专 业：电气自动化技术班 级：电气1034题 目：单片机控制变频调速的设计指导教师：韩篆i前言最近几年， 随着新型电力电子器件的不断涌现和计算机技术的飞速发展， 高性能的交流电动机变频调速系统得到了广泛的应用， 它的显著的节能效果和灵活的运行方式，给人们留下了深刻的印象。本论文首先论述了变频调速的基础技术， 简述了它在我国的发展和应用以及今后在这方面应做的工作； 其次对系统的主电路、 控制电路、

2、电气控制电路以及实现控制的软、硬件进行了系统地分析，并对调速系统的实施方案进行了论证。在此基础上，调速系统主电路采用了交-直-交型电路形式，并采用IGBT 作为主电路的功率开关器件；根据SPWM 波形的生成原理，从硬件和软件上探讨了基于 MA818 ， 用于 IGBT 控制的数字化 PWM 波形产生器的实现方法； 根据系统的设计要求， 选择了转速负反馈控制， 提高了系统的精度和稳定度； 最后完成了相应的电气控制电路。经相关的实验及仿真波形分析，表明该系统满足预期的设计要求。3第一章交流变频技术51.1 交流变频调速技术的发展与研究现状 51.2 变频调速技术的优点和发展方向 51.3 相关技术

3、分析81.4 本章小结 9第二章系统方案 112.1 系统主电路方案的确定 112.2 系统控制电路方案的确定 132.3 系统总体结构框图 142.4 本设计所要完成工作 152.5 本章小结 15第三章 系统主电路设计163.1 主电路工作原理 163.2 系统主电路参数设计与选择 183.3 本章小结 21第四章 系统硬件设计 224.1 触发控制电路框图 224.2 SPWM 生成原理 224.3 MA818 结构及工作原理 244.4 单片机89e28rd2特性 254.5 驱动电路 EXB841 介绍 264.6 A/D 转换 274.7 本章小结28第五章 软件设计295.1 数

4、字 PID控制295.2 数字滤波技术335.3 模数转换方式 365.4 MA818 编程 375.5 .本章小结 39第六章 结论 40参考文献 41结束语 42附 录 43电气自动化技术专业毕业综合实践报告第一章交流变频技术1.1交流变频调速技术的发展与研究现状在过去的几十年里，世界范围的工业进步的一个重要因素是工厂自动化程度的不 断提高。工厂里的生产线一般包括一个或多个可变速的电机传动装置，用于大功率传送带、机械手、桥式吊车、钢材扎制生产线以及塑料和合成纤维生产线等。50年代以前，所有这些应用都需要使用直流电机传动， 交流电机由于其固有的以同步或几乎 同步于电源的频率运行，所以难以真正

5、的调节或平滑的改变速度。 然而，直流传动存 在的诸如运行中产生火花、对环境要求叫高、电刷易于磨损、维护麻烦等等的自身结 构上的问题促使人们不断寻求更好的解决问题的方法。一般来说，交流传动与相当的直流传动相比通常有价格方面的优势， 而且具有较少维护、较小的电机尺寸和更高的 可靠性。然而对这些传动系统可利用的控制灵活性是非常有限的，而且它们的应用主要局限在风机、泵和压风机等应用方面，其速度只需要粗略调节而对暂态响应和低速 特性没有严格要求。用于机床、高速电梯、测功器、矿井提升机等的传动装置，有更 加复杂的要求，而且必须提供允许调节多个变量的灵活性，例如速度、位置、加速度 和转矩等。这样的高性能应用

6、，一般在速度闭环下要求高速段保持高于0.5%的调速精度和至少20： 1的宽调速范围，以及高于50rad/s的快速暂态响应。以前，这样的 传动装置几乎全部是直流电机的应用领域，并根据具体应用的需要配置各种结构的 AC-DC变换器。然而，采用适当控制的感应电动机传动在高性能应用上已胜过直流 传动，并且交流传动更加广泛的应用于计算机外围设备的传动、机床和电动工具、机器人和自动装置的传动、电动汽车和电器火车传动等等。经过近三十年的发展，交流调速电气传动已上升为电气调速的主流， 正在越来越 广泛的领域取代传统的直流调速传动。 其中变频调速是交流电机调速中发展最快、最活跃的一支。它以其优异的调速和起、制动

7、性能，高效率、高功率因数和节电效果及 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，成为现代调速传动的主 流。在冶金、交通、机械、电子、石油化工、纺织、制药、造纸、家用电器、电力牵 引等工业领域得到了广泛的应用， 产生了巨大的经济效益。同时变频调速传动系统无第-1 -页，共41页电气自动化技术专业毕业综合实践报告论在性能、装置体积、设备维护还是在节能乃至环保等方面也都体现了巨大的优势。交流传动得以飞速发展，得益于以下几个方面：1、电力电子功率器件的发展2、控制理论的发展3、PWM技术的发展4、微处理器和专用集成电路(ASIC)的发展我国变频调速技术的应用，是一个由试验到实用，由辅助系统到

8、生产装置，由考 虑节能到全面改善工艺水平，由开环手动控制到闭环自动控制，由低压中小容量到高 压大容量的过程。多年来，国家有关部门一直致力于变频调速技术的开发及推广应用， 并给予重点扶持，并将推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投 资方向。国家成立了风机水泵节能中心，开展信息咨询和培训。在国家经贸委小“九 五”资源节能综合利用工作纲要中，变频调速己被列入重点组织实施的10项资源节约综合利用技术改造示范工程之一。变频调速技术的应用范围已发展到新阶段。在石 油、石化、机械、冶金等行业都得到了大量使用和整套装置系统使用，取得了节能、 增产的显著效果。变频调速技术己成为节约能源及提高产品

9、质量的有效措施。实践的结果证明，节电率一般在10%30%,有白高达40%,更重要的是生产中一些技术 难点也得到解决。1.2变频调速技术的优点和发展方向交流异步电动机调速系统种类繁多， 常见的有：降压调速，电磁转差离合器调速， 饶线转子异步电机用级调速，变极对数调速和变压变频调速。 而由电机学可知，交流 异步电机的转速公式如下：_ 60 fp(1 -s)公式(1-1)其中：n是异步电动机转速，p是异步电动机的极对数，s是异步电动机的转差率, f是供电电源的频率。（1） 改变极对数作几挡的有级调速，该种电机通用性差，并且结构复杂、第-2 -页，共41页价格高、维护性差。（2） 改变电动机，即在转子

10、上用电阻，因饶线式电机的结构限制，通常为有级调速。（3） 当极对数不变时，电动机转子转速n与定子电源频率f成正比。因此通过连续改变定子电压供电频率f就能平滑、无级地调节异步电动机的转速，这种调速 方法称为变频调速。改变供电电源频率也称变频调速， 这种方法能实现无级调速，并 且能适用于各种异步电动机的调速需要，特别指出的是能适用我国现在普遍应用的鼠 笼式三相交流异步电动机的调速需要。变频调速的优点：调速范围宽，可以使普通异步电动机实现无级调速：启动电流小，而启动转矩大；启动平滑，消除机械的冲击力，保护机械设备；对电机具有保护功能，降低电机的维修费用：具有显著的节电效果：通过调节电压和频率的关系方

11、便地实现恒转矩或者恒功率调速：目前，变频调速己经成为异步电动机最主要的调速方式，在很多领域都得到了 广泛的应用：而且随着一些新的交流电机调速理论（如：矢量控制和直接转矩控制） 和现代电力电子技术（IGBT、IPM、PIC）以及高效的处理器（如：DSP）等相关技 术的发展，它将在很长一段时间内主导电气传动领域， 并向更高性能、更大容量以及 智能化方向发展。交流变频调速技术是强弱电混合、 机电一体的综合性技术。其发展的趋势大致为：1、主控一体化将功率芯片和控制电路集成在一饮芯片上使逆变功率和控制电路 达到一体化，智能化和高性能化的 HV IC （高耐压IC） SOC （System on Chip

12、）的概 念已被用户接受，随着功率做大，此产品在市场上极具竞争力。2、小型化紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度，功率器件发热的 改善和冷却技术的发展己成为重要原因。ABB公司将小型变频器定型为Comp-ACTM ,他向全球发布的全新概念是，小功率变频器应当像接触器、软起动器等电器 元件一样使用简牢，安装方便，安全可靠。第-3 -页，共41页电气自动化技术专业毕业综合实践报告3、低电磁噪音设计变频器要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC国际标准，主要做法是在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正电路，改善输入电流波形降低电网谐波以及逆变桥采取电流过零的开关技术。而控制电源用的开关电

13、源将推崇半谐振方式，这种开关控制方式在3050MHZ。时的噪声可降低1520dB。4、数字控制以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控制算 法。5、网络化新型通用变频器可提供多种兼容的通信接口，支持多种不同的通信协 议，内装RS485接口，可由个人计算机向通用变频器输入运行命令和设定功能码数 据等，通过选件可与现场总线：Pro巾bus DP、Interbus- S、Device Net、Modbus Plus、CCLink、LONNORKS、Ethernet、CAN Open、T-LINK 等通讯。如西门子、三菱、 普传、台安、东洋等品牌的通用变频器，均可通过各自可提供的选件支持

14、上述几种或 全部类型的现场总线。1.3相关技术分析1.3.1 PWM 技术PWM技术是变频调速技术的核心技术之一。它是利用半导体器件的开通与关断， 把直流电压变成电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度和周期以达到变压的目的或 者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术。目前 PWM技术被广泛应用于电气传动、不间断电源、有源滤波器等中。已经不限于逆变 技术，也覆盖了整流技术。如在整流电路中，采用自关断器件进行PWM控制，可使电网侧的输入电流接近正弦波，并且功率因数达到1,可望彻底解决对电网的污染问题。特别值得一提的是，由于 PWM整流器和PWM逆变器组成的电压型变频器(也 称

15、双PWM变流器)无须增加任何附加电路，就可以允许能量双向传送，实现四象限 运行。至于PWM控制技术又有许多中，并且还在不断发展中。但从控制思想上分， 它有以下四类：(1)等脉宽PWM法 它是为克服PAM方式中逆变器部分只能输出频率 可调的方波电压而不能调压的缺点而发展来的，该法是从是PWM法中最简单的一种。具缺点是输出电压中除基波外，还含有较大的谐波分量。（2） SPWM法它是为克服（1）法的缺点而发展来的，该法是从电动机供电电源角度出发，着眼于如何产生一个可调频调压的三相对称正弦波电源。（3）磁链追踪型PWM法它是从电动机角度出发，着眼点是如何使电动机获得圆磁场。它是以三相对称正弦波电压供电

16、时交流电机的理想磁链为基准，用逆变器不同开关模式所产生的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，由追踪的结果决定出逆变器的开关模式，以形成PWM波。（4）电流跟踪型PWM法1.3.2 电力电子技术变频技术是建立在电力电子技术基础之上的。电力电子时代是从50年代末品闸管（SCR）的出现开始的，后来陆续推出了其它种类的器件，诸如控制极可关断晶闸管（GTO）,双极型大功率晶体管（BJT或BPT）,功率MOS场效应晶体管 （MOSFET）,绝缘门极双极型晶体管（IGBT）,静态感应晶体管（SIT）,静态感应品闸管（SITH）, MOS控制的晶闸管（MCT）等。在这个不断发展的过程中，器件 的电压、电流额定以及其

17、他电气特性均得到了很大的改善。从最初的晶体管到第二代的GTR、MOSFET再到第三代的IGBT ,大功率半导体器件的性能不断提高， 使得变 频装置发生了根本性的变化。目前，大功率半导体器件又向集成化智能化方向发展。智能功率模块IPM是向第四代功率集成电路 PIC的过渡产品。IPM包含了 IGBT芯 片及外围的驱动和保护电路，有的把光耦也集成于一体，因此是更为好用的集成功率 器件。目前，在模块额定电流10-600A范围内的变频器均有采用IPM的趋势。它具 有开关速度快，驱动电流小，控制驱动更为简单，保护功能更为丰富等优势。其中IGBT作为第三代的电力电子器件，它的应用是变频器的性能有了很大的提

18、高，主要表现为：1 .发热减小，将曾占主回路发热50%-70%的器件发热降低了 30%;2 .高载波控制，使输出电流波形有明显的改善；3 .提高开关频率，实现了电机运行的静音化；4 .驱动功率减小，体积趋于更小。1.4本章小结本章先介绍了交流变频调速技术的发展与研究现状； 然后介绍了变频调速技术的优 点和发展方向；在最后介绍了本论文所涉及到的相关技术（ PWM技术和电力电子技 术等），并进行了相关分析。第-11 -页，共41页第二章系统方案交流电机变频调速系统包括主电路和控制电路两部分，主电路主要完成功率的转换，它的结构是随着电力电子技术的发展而发展的，特别是从半控器件到全控器件的过渡标志着变

19、频装置在性价比上可以与直流调速装置相媲美；控制电路主要完成对变频主电路提供各种控制信号，它是随着数字控制技术的发展而发展的，而且数字技术 的应用不仅提高了调速系统的精度和可靠性，而且还为现代控制理论与方法在交流调 速中的应用提供了物质基础。本章将分别对系统主电路和控制电路的几种可能实现的方案进行充分论证的基 础上，提出了系统采纳的方案以及说明选用该方案的原因。2.1 系统主电路方案的确定在交流变频调速系统中，主回路作为直接执行机构，其可靠性和稳定性直接影响 着系统的运转，因此，必须根据系统设计的要求选择合适的主电路。2.1.1 主电路结构的选择主电路是将三相交流电变换成频率、 幅值可调的交流电

20、压，能实现这一功能的电 路有交-交电路和交-直-交电路。交-交变频电路有一个变换环节就可以把恒压恒频(CVCF)的交流电源变换成VVVF电源，常用的交-交变频电路输出的每一相都是一个两相功率器件整流装置可 逆线路。当正向组工作在整流状态，反向组工作在逆变状态时，交流电机得到的是正 电压；反之，电机绕组得到的是负电压。只要控制两相反并联的桥组不断的处于整流 和逆变工作状态，就能将电网电压变成变频电源。但交 -交变频电路有以下缺点：(1)输出上限频率 由于交-交变频电路的输出电压是由若干段电网电压拼凑 而成，当输出频率升高时，输出电压在一个周期内电网电压的段数就减少， 所含的谐 波分量就增加。电网

21、频率为50HZ时，交-交变频电路的输出上限频率为 20HZ左右；(2)输出功率因数 交-交变频电路的输出是通过相控的方法的得到的， 因此， 在输入端需要提供所需的无功电流， 随着负载功率因数的降低和电源幅值的减小， 所 需的无功电流增加，所以输出功率因数低；(3)接线复杂，使用的功率器件多。所以，交-交变频电路主要用于转速在 600r/min以下的大功率交流调速装置中。交-直-交变频电路实现由整流器将电网中的交流电整流成直流电，经过滤波，然 后由逆变器逆变成交流电供给负载。根据中间环节采用大电容或大电感滤波可分为交 -直-交电压型和交-直-交电流型两类。当中间环节采用大电容滤波时，直流电压波形

22、 比较平直，在理想情况下是一种阻抗为零的恒压源， 输出电压是矩形波或阶梯波；当 中间环节采用大电感滤波时，直流电压波形比较平直，对负载来说是一个恒流源，输 出电压也是矩形波或阶梯波。由于电压源型变频电路是作为电压源向交流电机提供电功率的，因此，其主要优点是运行几乎不受负载功率因数和换流的影响； 缺点是当负载出现短路或过流时，必 须采取保护措施。电压源型逆变器从水银整流器问世就开始使用，并随着功率器件的发展逐渐完善。如今，适合工业应用、体积小、大功率的电压源型逆变器制造技术大 幅度提高，价格也降低了，并使交流电机调速性能一些应用场合超过直流电机调速系 统。正是由于这个原因，电压源型逆变器得到了广

23、泛的应用。因此，在变频调速系统 中主电路选择了电压源型交-直-交变频电路。具结构如图1所示。2.1.2 主电源的选择主电源的整流电路包括可控整流和不可控整流。 可控整流的优点是可以控制直流 电压输出的大小，可以实现变压；具缺点是对电网的干扰大，而且整流得到的直流电 压谐波大，输入功率因数低。而不可控整流的优点是对电网的干扰较小，整流得到的直流谐波小，电压稳定，因而输入功率因数高；缺点是直流电压不可控，要想控制输 出电压值，只有通过后面环节(逆变器可以控制电压大小)。本设计面向的是不需要 频繁制动和反转的电动机，所以选择不可控二极管整流桥方式。 滤波电路采用阻容方 式。逆变电路为三相全桥形式。图

24、1交-直-交电压型变频主电路2.1.3 逆变功率器件的选择功率器件应根据设计的要求和性能指标来选择，对于变频调速系统，一方面要求开关频率足够高，另一方面要求有足够的输出容量，对比SCR、GTO、BJT、GTR、IGBT、MOSFET、MCT等几种常用的新型功率半导体器件，SCR导通容易，但需强 迫换流电路使其关断；IGBT具有自关断能力，且有 GTR的大容量和MOSFET的驱 动功率小、开关动作快等优点，是中小容量最为流行的器件；MCT综合了晶闸管的高电压、大电流特性和 MOSFET的快速开关特性，是极具有发展前景的大功率、高 频开关器件。对于本设计而言，选择IGBT较合适。2.2 系统控制方

25、案的确定控制电路作为交流电机变频调速系统的核心部分，在影响整个系统的性能方面占有极其重要的地位，而控制系统的性能又取决于其运算速度和控制精度，这在某种程 度上依赖于实现该系统的电子芯片。目前,人们常常使用专用的芯片如TL494、SG3525等来产生PWM（脉冲宽度调制） 波形，并由其通过反馈信号来实现对PWM波形的宽度的调节，从而获得稳定的输出。 当控制电路设计完成后，就是一个相对独立的系统，调节、控制方式不能再更改，系统的 总体协调功能差。近几年，基于微机控制的逆变系统主要采用单片机或 DSP （数字信号 处理器）控制。采用单片机的系统若使用定时器产生 PWM,由于中断的特点，使输出的PWM

26、的脉宽容易发生改变，从而影响输出电压的精度。如 MCS51系列，中断响应为38个机器周期，用6MHz的晶振，机器周期为2仙s,逆变器工作频率为20 kHz,工作周期 50仙s，则误差范围为12 %3 %;此外，单片机对系统调节的实时性差(96系列的机型 也不能满足要求),因此单片机构成的系统一般需要外接产生 PWM的芯片，单片机主要 用于协调系统的工作及输出显示。专用 DSP的系统的实时性好，但灵活性差，通用的 DSP系统总体控制、协调性能不是很好，而且DSP开发过程比较复杂，开发工具价格 旦生 印贝。英国Marconi公司推出的、可产生三相PWM控制信号的大规模集成电路芯片MA818 (82

27、8/838),采用标准双列直插式40脚封装或44脚方形塑料封装。该芯片与SL E4520相似，是种立四既电微乎番不咀虽然它必和微处理器配合航K1TL494. SG352强大的多，用于控,-tfMWLA/L图2系统总体电路框图2.4本设计所要完成的主要工作课题的目标是完成交流电机变频调速系统主电路和控制电路两部分设计。所 以，基于这种思想，本论文所做的工作包括以下几个方面：(1)对交流电机的工作原理、运行特性以及变频调速原理进行了解；(2)通过调研查找与本课题有关的资料，并进行认真的分析、消化；(3)在消化吸收的基础上，根据本课题的特点，进行方案论证并确定设计方案；(4)根据确定的方案，进行主电

28、路、控制电路(包括保护电路、触发电路、 反馈电路等)、继电器、接触器等电气控制线路以及辅助直流电源的设计；(5)在设计当中，学习SPWM波发生器 MA818和单片机89E58RD2编程及 其相应的软件知识，为设计触发电路做准备；并学习常用画图软件工具以及完成有关 上交材料；(6)整体电路优化和调试；(7)完成毕业设计论文和电气原理图。2.5本章小结本章主要根据系统设计的要求，对系统主电路和控制电路的几种可能实现的 方案进行充分的论证、分析，提出了系统采纳的方案以及说明选用该方案的原因，最终，系统主电路选用了交-直-交电压型变频主电路，控制电路利用模拟电路和数字电 路实现，采用的是闭环控制，这样

29、，简化了电路结构，缩短了设计周期。第三章系统主电路设计3.1 主电路工作原理主电路由整流和逆变电路构成。三相交流电源经过三相全波整流、滤波、稳压， 为逆变器提供一个稳定可靠的大容量直流电源，然后由大功率开关元件按脉宽调制 （PWM）方式，将直流逆变成可变频率和电压的交流，供交流电动机变速之用。主 电路中大功率开关元件选择IGBT模块（IGBT即绝缘门极双极晶体管），它集VMOS 管和大功率达林顿晶体管特性优点于一身，而无两者的缺点，具有高电压、大电流、 低导通电阻、高速、高可靠、低开关损耗、低脉冲拖尾电流、对温度不敏感等特性。本课题选用的是交-直-交电压型PWM变频主电路，它包括不可控整流电路

30、、滤波电 路和三相桥式逆变电路。具结构如图 3所示。3.1.1 交一直变换电路该变换电路的任务是将电源的三相交流电变换为平稳的直流电。1 .整流电路 整流电路因变频电路输入功率大小不同而异。 对于小功率的，输 入电源多用单相220V,整流电路用单相全波整流桥；对于大功率的，一般用三相380V 电源，整流电路为三相桥式全波整流电路。本毕业设计中选用的是 2.2KW的三相交 流电动机，其额定电流为4.8A,额定电压为380V,额定频率为50HZ,额定转速为1440 转/分，属于中小功率范围。整流器件采用不可控的整流二极管或二极管模块。如图4 所示。2 .整流器件的一般选择原则1）最大反向电压Urm

31、Urm =2Um,式中Um是电源线电压的振幅值（31）2）最大整流电流IvdmIvdm =2In ,式中In为变频器的额定电流（32）3）整流输出的平均直流电压Ud如果电源的线电压为Ul,则三相全波整流后平均直流电压的大小 Ud =1.35U2o（33）第-13 -页，共41页图3系统主电路整流管D1D6组成三相整流桥，对三相交流电进行全波整流。整流后的直流电压：U d =1.35U 2=1.35 X 380V=315V滤波电容Cr滤除整流后的电压波纹，并在负载变化时保持电压平稳。当变频器通电时，瞬间冲击电流较大，为了保护电路元件，加限流电阻Ra。延 时一段时间后，通过控制电路使开关 K闭合，

32、将限流电阻短路。电源指示灯DS除了指示电源通断外，还可以再电源断开时，作为滤波电容Cr放电通路和指示。滤波电容 Cr容量通常很大；所以放电的时间较长，几百伏的高 电压会威胁人员安全，因此，在维修时，要等指示灯熄灭后进行。Rc是制动电阻。电动机在制动过程中处于发电状态，由于电路时处于在断开情 况下，增加的电能无处释放，使电路电压不断升高，将会损坏电路元件。所以，应 给一个放电通路，使这部分再生电流消耗在电阻Rc上。制动时，通过控制电路使开关Tc导通，形成放电通路。3.1.2 直-交变换电路逆变开关管T1T6组成三相逆变桥，讲直流电逆变成频率可调的矩形波交流 电。逆变管可以选择绝缘栅双极晶体管IG

33、BT。续流二极管D7D12的作用是：当逆变开关管由导通状态变为截止时，虽然 电压突变降为零，但由于电动机线圈的电感作用，储存在线圈冲的电能开始释放，续 流二极管提供通道，维持电流继续在线圈中流动。另外，当电动机制动时，续流二极 管为再生电流提供通道，使其回流到直流电源。电阻R1R6,电容C1C6,二极管D13D18组成缓冲电路，来保护逆变开关 管。由于开关管在开通和关断时，要受集电极电流 Ic和发射极间电压Vce的冲击， 因此要通过缓冲电路进行缓解。当逆变开关管关断时， Vce迅速升高，Ic迅速降低， 过高增长率的电压对逆变开关管造成危害，所以通过在逆变开关管两端并联电容（C1C6）来减小电压

34、增长率；当逆变开关管开通时，Vce迅速降低，而Ic则迅速升高， 并联在逆变开关管两端的电容（C1C6）由于电压降低，将通过逆变开关管放电，这 将加速电流Ic的增长率，造成逆变开关管的损坏。所以增加电阻（ R1R6）,限制电 容的放电电流。可是当逆变开关管关断时，该电阻又会阻止电容的充电。为了解决这 个矛盾，在电阻两端并联二极管（D13D18）,使电容在充电时，避开电阻，通过二 极管充电，在放电时，实现缓冲功能。3.2 系统主电路参数设计与选择由图4可知，主电路由整流电路和IGBT逆变电路构成，它是本系统的功率驱动 单元，由不可控整流环节、中间直流环节、和逆变环节构成。系统所用参数如下: 电动机

35、参数：电动机型号：Y100L-2 型，2P=4,Pn = 2.2KW ,In =4.8A, 葭 = 88% ,cos邛=0.84, nN=l440r，min,心（过载能力倍数）=2.3Kq （启动转矩倍数）=2.2, Kf （启动电流倍数）=7.0电源电压：380V ,频率： 50HZ逆变部分采用IGBT SPWM型逆变器，% 控制方式，过载倍数 八=1.5/分钟。3.2.1 整流二极管模块选择1 .参数计算1）通过二极管的峰值电流2）流过二极管电流有效值I m = w5In = V2M4.8 % 6.8A(34)1200 211k J01md(叫3 二香 0 (35)式中，Im为电机最大负载

36、电流峰值，其值一般取为（56）Ino3）二极管电流定额Idn =-定14.1A（36）1.572.274）二极管的电压定额Ud =（23）Um =（23）J5u2i=(2 3 72 M 380 之 1074.8V(3 7)根据电网电压，考虑到其峰值、波动、闪电、雷击等因素，实取 Ud=1200V3.2.2 滤波电容的选择1 .参数计算1）当没有滤波沙容时，三相整流输出直流电压为(3-8)3 2Udc =5 =1.35 380 513V电气自动化技术专业毕业综合实践报告2)加上滤波电容后，U DC的最大线电压可达到交流线电压的峰值U DCP = 2U1 = 2 380 537V(39)2 .元件

37、选取滤波电容理论上越大越好，考虑到价格和体积，电容也不能选得太大；事 实上，中间直流滤波电容的容量是从限制电压波动的角度来选择的，因此，选用一个2200汗电容器。3.2.3 限流电阻的参数选择图3中Ra为变频电路启动时的限流电阻，由于变频电路通电瞬间，滤波电容相当 于短路，因而，冲击电流很大，故需加电阻Rs来限流，实际上当电容充电时，Rs和Cr构 成的回路是一个典型的一阶惯性环节，其时间常数 T=RC；故在零初始状态下，电 容上电压的相应方程式为 Uc =Udc(1-e-T )(310)当t=4T时，Uc =92.8%Udc ,故可选取充电时间为tc=4T=4RC。假若要求充电时间tc=30s

38、,那么Rs =t=30r 3.5KC(311)s 4c 4 2200 10故Ra上消耗的功率为：22c UDC(1.35UL)2PR = DC = = %9.40W(312)8Ra8Ra实际上，假若不是经常性的冲放电时，Ra的瓦数可选小一些，以减小设备的体积。实选限流电阻Ra为：3.5KC/9W。3.2.4逆变器功率器件IGBT选择IGBT是场控大功率器件，具有自关断能力，开关速度高，所以，使用 IGBT 可使逆变器结构小巧。但它热时间常数小，承受过载能力差；因此，在实际的应用时， 应从负载最严重的情形来选择功率器件。本系统中，最严重的情况是异步电动机的启 动电流为额定电流的(1.22.0倍，

39、且要考虑电流峰值。1. IGBT集电极电流Ic计算公式为Ic =(1.22.0im =(1.22.0)/2IN %(320)式中，m 电机过载倍数，一般小于 2.7。In 电机额定电流所以，Ic = 1.22.0 Im = 1.22.0 2In m= 1.22.0 .2 2.3 4.8 44.15第-15 -页，共41页电气自动化技术专业毕业综合实践报告考虑安全裕量，实取50A。2. IGBT的耐压值UcesIGBT关断时的峰值电压为：Ucesp =(Udc x1.15 + Ld%t)xa =(650x1.15 十 150/1.1 =987.25V (321)式中，1.15为过压保护系数，a为

40、安全系数，一般取1.1, 150由L%t引起的尖峰电 压。令Uces AUcesp,并向上靠拢，IGBT的实际电压等级应取1200V。3.3本章小结本章首先介绍了主电路的基本结构，对主电路中的整流电路、滤波电路、逆变电路的工作原理进行了分析；然后，根据系统参数要求，对主电路中元器件参数进行了 分析、计算，并根据计算结果选择了元器件。第-# -页，共41页电气自动化技术专业毕业综合实践报告第四章系统控制电路设计控制电路和保护电路是整个系统的控制核心，主要是逆变器的控制电路设计（主要是SPWM的产生阴颦0B中世H为交流电机变频调速系统的核心部分，在影响整个系统的性能方面占其重要的地位，它主要是向变

41、频主电路提图5 SPWM生成原理第-17 -页，共41页供各种控制信号，以使主电路安全、口4.1 触发控制电路框图图4触发控制电路结构框图4.2 SPWM的生成原理以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角 形作为载波，并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波，当调制波与载波相交时， 由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦波调制波的半个周期 内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。 按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波SPWM,这种序列的矩形波称作电气自动化技术专业毕业综合实践报告仍采

42、用传统的三角波和正弦波叠加原理，且采用双极性规则采样法II,由于每个 周期的采样时刻都是固定的(图中 E点)，根据脉冲电压对三角载波的对称性，假设 A相电压瞬时电压表达示为 Ua= Sin(wit)。可得脉宽时间：ta2=T/21+MSin(w ite)tb2=T/21+MSin(w 1te-120)tc2 =T/21+MSin(w 3+120)而间隙时间：RESETSYSTEM BUSCS MOTEL INTAR FACE总线译码总线控制R0R1R2R3CLOCK，24位初始化寄存器2 4位控制寄存器相 控 逻辑脉冲 删除电路脉冲 删除电路脉冲 删除电路脉冲延迟电路脉冲延迟电路脉冲延迟电路分

43、频器地址发生器数据缓冲器输出封锁锁存器调制波EPROMSET TRIPTRIP图5MA818内部结构框图MA818主要由三部分组成：第一部分为接收并储存微处理器命令的控制字部分。 它主要由总线控制，总线译码,暂存器R0、R1、R2虚拟寄存器R3、R4及24位初始化 寄存器和24位控制寄存器组成；第二部分为从EPROM中读出正弦调制波形的数据 部分。它由地址发生器和数据缓冲器组成；第三部分为三相输出控制电路及输出脉冲 锁存电路。每相输出控制电路又由脉冲删除电路和脉冲延迟电路组成。脉冲延迟电路能在同一相的两个开关器件进行开、关切换时，提供一个较短的延迟时间，以使导通 信号滞后于关断信号，从而避免同

44、一相上的开关器件发生直通短路现象。脉冲删除电路能保证使最小输出脉冲大于器件的开关时间，而将更窄的脉冲删除掉。2.工作原理MA818在工作之前,两个24位寄存器（初始化寄存器和控制寄存器）要先从微 机中输入命令字。MO TEL总线的宽度为8位，向24位寄存器输送数据时,要分三次 分别送到R0、R1、R2寄存器中，再通过向虚拟寄存器R3、R4的写指令命令分别完成 从R0、R1、R2向控制寄存器和初始寄存器传送数据。MA818采用规则采样法产生SPWM波形。它内部具有一个地址发生器和一个输入数 据缓冲器，能从外部微机系统PROM/ EPROM中直接读取用户按要求定义的各种精确 的、用于产生SPWM脉

45、冲序列的调制波形，并与三角载波比较，从而产生所需要的 SPWM波形。在调制波形的正半周（0180 ）,波形被分割为768个8位采样值进 行存储，幅值范围为0255。768个采样值从0180按线Tt增长，其角度分辨率 为0. 23 。在调制波形的负半周（180360 ） , MA818对0180内的768个采 样值取反，从而得到全360。的调制波形。768个采样值分成1536个4位采样值存储, 其中低4位部分分别存储在0000H0300H单元中，高4位部分分别存储在0400H 0700H单元中，MA818自动地读取这两个部分，并在内部拼成一个8位采样值。这样，MA818只需要4根数据线既可完成从

46、外部 PROM/ E2PROM中读取采样值。4.4单片机SST89E58RD2勺特性SST87E58RD2是一款 80C51 微控制器，包含 32KB+8KB FLASH 和256+768B的数 据RAM。SST89E58RD2的典型特性是他的X2方式选项，利用该特性，设计者可使应 用程序以传统的80C51时钟频率（每个机器周期包含12个时钟）或X2方式（每个机器 周期包含6个时钟）的时钟频率运行。FLASH程序存储器支持传统的并行编程，也支持用行在系统编程（ISP） o ISP 允许在软件控制下对成品中的器件进行重复编程，SST89E58RD池可采用在应用中编程（IAP）,允许随时对两片FL

47、ASH程序存储器重新配置，即使应用程序正在运行 时也不例外。SST89E58CD2特性如下：- 80C51核心处理单元； 5V的工作电压，操作频率为0-40MHZ； 64KB的片内FLASH程序存储器，具有ISP （在系统编程）和IAP （在应用中编 程）功能； 通过软件或ISP选择支持12时钟（默认）或6时钟模式； SPI （串行外围接口）和增强型UART; PCA （可编程计数器阵列），具有PWM和捕获/比较功能； 4个 8位 I/O 口 (P0-P3) , 1 个4位 I/O 口 (P4); 3个16位定时器/计数器； 可编程看门狗定时器（WDT）; 10个中断源，4个中断优先级； 2个

48、DPTR寄存器； 低EMI方式（ALE禁能）； 兼容TTL和CMOS逻辑电平; 掉电检测;低功耗模式断唤醒，空闲模式飞4.5驱动电路 EXB841好缁保口中跳将控制电路产生的PWM叫用呷高、（率1大，形成驱动各开关器件开关信成电路动作的电路?隹库讲斗中，点二t&用的841的IGBT专用驱动集O是上种潮s驱动集成电路，最高使用频率为KHz,能驱动 150A/600V或者75A/1200V的IGBT,驱动小于1.5,采用单电源20V供电。图6 EXB841功能图EXB841的功能图如图6所示，它主要有输入隔离电路、驱动放大电路、过流检 测与保护电路以及电源电路组成。 其中输入隔离电路是由高速光电耦

49、合器组成， 可隔 离交流2500V的信号。过流检测与保护电路是根据IGBT栅极驱动电平和集电极电压 之间的关系，检测是否有过流现象存在。如果过流，保护电路将慢速关断IGBT,以防止过快关断引起因电路中电感产生的感应电动势升高，使IGBT集电极电压过高而 损坏IGBT。EXB引脚定义如下：引脚1用于连接反偏置电源的滤波电容；引脚 2和引脚9 分别是电源和地；引脚3为驱动输出；引脚4用于连接外部电容器，以防止过流保护 误动作(一般场合不需要这个电容)；引脚5为过流保护输出；引脚6为IGBT集电 极电压监视端；引脚14和引脚15为驱动信号输入端；其余不用。4.6 A/D转换器在电动机的控制过程中，常

50、需要将一些过程信号送回单片机进行处理，如输出 转速信号、输出电压信号、输入电流信号等。因为单片机只能处理数字信号，如果电 动机的这些过程信号是模拟量，必须先经过A/D转换，再将转换所得到的数字信号送入单片机处理。所以A/D转换在电动机控制中常常是不可缺少的。A/D转换器即模拟、数字转换器，是将输入的模拟信号的器件。 本设计中选择的 是ADC0809型号，它是8位CMOS逐次逼近式A/D转换器，由8位A/D转换器、8 通道多路转换器与微处理器兼容的控制逻辑组成。 8通道多路转换器能够直接连通8 个单端模拟信号中任何一个。(1) A/D0809的功能特点： 8位分辨率。 模拟输入范围为05V,单一

51、+5V供电。 具有锁存控制的8路模拟开关。 可锁存三态输出，输出与TTL兼容。 最大不可调误差小于+1LBS或者-1LBS。 不必进行零点和满度调整。 转换速度取决于芯片的时钟频率。时钟频率范围在101280KHZ；当CLK=500KHz时，转换速度为128%(2)引脚功能介绍：IN0IN7 : 8路输入通道的模拟量输入端口。D0D7 : 8位数字量输出端口。START和ALE : START为启动控制输入端口，ALE为地址锁存控制信号端口。 这两个信号端可连接起来同时控制，当输入一个正脉冲，便立即启动 A/D转换。EOC和OE: EOC为转换结束信号脉冲输出端口， OE为输出允许控制端口。

52、EOC 电平由低变高表示A/D转换。OE端的电平由低变高，则打开三态输出锁存器，将转换 结果的数字量输出到数据总线上。该信号可连接在一起，方便控制。REF(+),REF(-),Vcc, GND : REF(+)和REF(-)为参考电压输入端，Vcc为主电源输 入端，GND为接地端。通常REF(+)和Vcc、REF(-)和GND连接在一起。CLK:时钟输入端。ADD A , B, C： 8路模拟开关的三位地址选通输入端，以选择对应的输入通道。 其他地址分别为二进制数000111 (对应C,B,A)时，对应的输入通道IN0IN7选通。4.7 本章小结本章对控制电路进行了具体的分析、设计，主要包括以

53、下几个方面的内容：1 .触发电路框图2 . SPWM的生成原理3 . MA818结构及工作原理4 .单片机SST89E58RD2的特性5 .驱动电路设计6 . A/D转换器通过对以上电路的设计，设计了一种交流电动机变频调速系统的控制回路，并给出了系统设计上述电路所需的软硬件。第五章软件设计5.1 数字PID控制5.1.1 PID 控制原理系统偏差一般定义为系统给定量与输出反馈量之差，将偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制器的调节器，是控制系统中技术成熟、应用 最为广泛的一种调节器。实际运行经验和理论分析均表明，运用这种控制规律对许多 工业过程进行控制时，都能得到满意的效

54、果。特别当用计算机实现PID控制时，不是 简单地把模拟PID控制规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能相结合，使PID控制更加灵活，更能满足生产过程提出的要求，即用软件来实现PID控制，即数字PID控制。在工业控制系统中，常采用 PID 控制规律为 u(t) =Kpe(t) 1Ti 0e(t)dt Tdde(t)出 + u o (1)式中Kp式比例系数；Ti是积分常数；Td是微分常数；u。是控制常量.但由于计算机控制室一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值控制空置量， 而不能像模拟控制那样连续输出控制量，进行连续控制。式(1)中的积分项 和微分 项不能直接使用，必须进行离散化处理。以

55、T作为采样周期，k作为采样序号，则离 散采样时间kT对应着连续时间t,用求和的形式代替积分，用增量的形式代替微分， 可作如下近似变换：t 为kT (k=0, 1, 2,)tkkoe(t)dt T e(jT) T ejde(t) e(kf )0-e(k -1)tj ek - ek4fts=dtTT上式为表方便，将类似e (kT)简化成ek等，等到离散的PID表达式：T /Td、Uk =Kpek + 乙 ej + (ek eg) +u0 (2)Ti j =0T本设计中采用增量式PID控制，增量式PID是指数字控制的输出只是控制量的增量Au3当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可

56、以使用增 量式PID控制算法进行控制第-29 -页，共41页开始4CH偏差小z式FID 控制算法-ek J.n式(2)越%(ek2ekJ+ek/)，式中：A=Kp(1+ T t 计算4$； TiTdT片，C=Kp),B=-KpTdT由王黄而以外巾，如果加系统采用恒定采样周期使用前由无测量即勺偏差，,曲以由上式求出控制增量。存|存入叼：4EH5.1.2增量式PID控制算法学程序心增短赢输算法子程序藏翩鼠K 3)设计的。程序的入口参数：偏差ek、ek、ek/,测量值y,给定U占用的资源：A, B, R0R7, CY, F0。4rH(a)程序框图(b) RAM分配图程序如下：PID1: MOV R0

57、, #52HMOV R1, #49HLCALL FSUBMOV R1, #46HLCALL FSTRMOV R1, #4CHMOV R2, #06HLCALL LPDMMOV R0, #46HMOV R1, #4CHLCALL FMULMOV R1, #4CHLCALL FSTRMOV R1, #4FH；计算ek;存入 46H48H;取A值，存入4CH4EH;计算A ek;存入 4CH4EHMOVR2, #09HLCALLLPDM;取B值，存入4FH51HMOVR0, #43HMOVR1, #4FHLCALLFMUL；计算Be=MOVR1, #4FHLCALLFSTR存入 4FH51HMOVR

58、0, #4CHMOVR1, #4FHLCALLFADDMOVR1, #4CH;存入 4CH4EHLCALLFSTRMOVR1, #4FHMOVR2, #0CHLCALLLPDM;取C值，存入4FH51HMOVR0, #40HMOVR1, #4FHLCALLFMUL;计算C ek_2MOVR1, #4FHLCALLFSTR;存入 4FH51HMOVR1, #4FHMOVR0, #4CHLCALLFADD；计算 UkMOVR1, #4CHLCALLFSTR;存入 4CH4EHMOV40H, 43H;更新eyMOV41H, 44HMOV42H, 45HMOV43H, 46H;更新ekMOV44H,

59、47HMOV45H, 48HMOVA, 4CHMOVC, A.7;取AUk数符号MOVF0,C；存入F0JBA.6, PIDJ12;取AUk阶数符号，为负，转向PIDJ12ANLA,#3FH;否则为止。屏蔽图2位MOVR7, A；存入R7PIDJ12 :CLRA;阶数为负时INCAANLA, #3FH;屏蔽图2位MOVR7, A;存入R7DL1 :DJNZR7, DL1DEC4EH；Uk-1CJNEA, 4EH, PID1;AUk是否为0,等于0退出CJNEA, 4DH, DL1RETLPDM :MOVR7, #03H;取A、B、C值子程序LPDM0:MOVA, R2MOVCA, A+PCMO

60、VR1, AINCR2INCR1DJNZR7, LPDM0RETOM :DBXXH , XXH , XXH;A值DBXXH , XXH , XXH;B值DB XXH , XXH , XXH; C值5.2数字滤波技术在电动机数字闭环控制系统中，测量值 y是通过对系统的输出量进行采样而 得到的。它与给定值r之差形成偏差信号所以，测量值y是决定偏差大小的重 要数据。测量值如果不能真实地反映系统的输出，那么这个控制系统就失去它的作用。在实际中，对电动机输出的测量值常混有干扰噪声，它们来自于被测信号的形成过程和传送过程。用混有干扰的测量值作为控制信号， 将引起系统误动作，在有微分控制环节下的系统中还会引起系统震荡，因此危害极大。所以对于低频周向叫眦机性的干扰，硬4就显*曹方；J数字滤波就可以解决该问题。所谓数字滤波，就是通过一 暂存新数据以比重，达到减弱或者消除干扰的心的定软件计算或者判断来减少阡扰在有用信号中的