DZ194H型PWM数字直流调速系统设计
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PWM 电动机速度控制器 /DC 电灯调光器工作原理分析给这个装置提供动力的是一个利用太阳能的环式太阳能电源发生装置。其外观视图如下:该装置的电路图如下:为 12V 至 24V 供电电路设计的 PWM( pulse width modulator 直流脉冲宽度调制控制器)出处:家庭用电1999 年第 7 期作者:G.Forrest Cook介绍:PWM 控制器是一种可以被应用为有效率的电灯亮度调节器或者直流电动机速度控制器的装置。这个电路在这里是被描述成一种可以被用来控制那些将几安培电流控制住的直流装置和电器的装置。这种电流可以被应用于那些只有几条不重要的线路变化的 12V 到 24V 之间的电路系统。这种装置已经被用来作为汽车尾灯的亮度控制器或者作为一个用于电脑电源供应部分小直流风扇的电机速度控制器。PWM 控制器的电流工作原理是产生一个方波,通过控制方波开通和关断的比例来实现的,而开通和关断的时间比例可以从 0 到 100 之间变化。通过这种方法,就可以转换出一种比较稳定的电源。PWM 控制电流比逆变电流控制器最大的好处就是效率高,在开通关断比例 50%的时候,PWM 控制器会占用 50%的总能源,而所有的总能源几乎都被转换而运用;而逆变控制器此时会消费掉大概 71%的总能源,其中,大概 50%的能源被运用了,其余的 21%则都被浪费到了连续的逆变产热中。运用效率几乎是最为关键的一个指标,无论是在太阳能发电和其他一些综合性的能源系统中。另外 PWM 还具有另外一个好处就是,它可以很轻松的达到最大的供电电压并且产生更大的转矩,而那些中间性的电机逆变装置要做到这点就难多了。最后,在 PWM 电路中,一般的小电位将被应用于那些脉宽大的负载,而那些大的和贵重的高电位能源型逆变器将为逆变控制器所广为需求。PWM 电路的最大不利就在于它增加了一些干扰,尤其是有可能引入无线电频率干扰信号。这种微波干扰信号可以通过以下几个方法来抑制:1、让控制器离负载近一些2、使用短的输电线并放在一个小盒子里3、在输电线上使用附带的过滤装置这个电路可能会在人经过或者附近有 AM 收音机的时候产生少量的干扰。如果需要一个附带的电流滤波器,那么,汽车的收音机电线扼流圈应该和那些直流电源线一起捆绑放置,但是要确保不要超过扼流圈的电流比率。在上面的电路中,干扰大体来源于包含电源、负载和转换 FET 管的高电流路径。具体参数:PWM 电路的工作频率:400Hz电流比率:3A(使用 IRF521 FET)10A(使用 IRFZ34N FET 和散热器)PWM 电路电流:1.5ma(不带 LED 显示和负载)操作电压:12V 到 24V 之间(取决于电路结构)理论分析:PWM 电路需要一个稳定的、持续的高频交流来操作控制。 U1a 和 U1d和大约 400Hz 左右的频率干扰会形成一个方波或者三角波发生器。U1c 是用来产生一个 6V 的干扰电流,这个干扰电流会为高频交流提供一个虚拟的电流基点,为了使高频交流消耗单独的电源供应而不是+/-型的双重电源供应。U1b 被连成了一个比较器,并且作为产生脉冲宽度调制的一部分。 U1上的 6 片可以接收来自 R6、VR1、R7 电压差的大幅度电压。这个电压将会与来自 U1-14 的三角波进行比较。当三角波电压高于片 6 上的电压时,U1 就会产生一个高频输出;反之,当三角波电压低于片 6 上的电压时,U1 就会产生一个低频输出。通过改变片 6 的电压,就可以控制开关点在三角波上下移动,以此来实现脉冲宽度调制。逆变电阻 R6 和 R7 是用来设置VR1 控制的结束点的,VR1 的作用是允许这种控制在电位的变化过程中有最大的开关量和最大的关闭量设置。这些部分的改变直接影响了最终电位的表现量。最后,Q1 是电源转化器,它可以在输出门处接收脉宽调制电压,并通过电源过滤通道将这些负载电流转换开关状态。当 Q1 作用时,它为负载提供一个基点路径;当 Q1 关断时,负载的基点就会上浮。这时要当心,确保负载输出并没有被降低,否则,就会发生短路。负载任何时候都应该拥有一个正常的电压供给,LED1 就是为脉冲宽度调制提供一个直观的显示。电容器 C3 可以过滤掉那些转换中的波形,并且消除部分 RFI,二极管 D1 可以消除那些由电机负载感应出的附加电压。在 24V 工作模式下,控制器 U2 为了运行的 PWM 电流可以转换 24V电压供应为 12V 电压供应。Q1 将 24V 负载电压转换到基点的工作原理和它转换 12V 电压的原理是一样的。仔细看下电路结构图表里那些为 12V或 24V 电压准备的电路电线。 当你只运行几个电灯或者更少时,Q1 散热功能就丧失了。但是,当你要转换更多的电流时,一个带有热量检测的散热器就很必要了。Q1 可以被一些高电流装置替代,比如 IRFZ34N, IRFZ44N, 或 IRFZ48N。所有的电流操作装置,如转换器 S1、保险丝 F1、FET 之间的电线、电源供应和负载,这些都应该被控制在最大的负载电流允许的范围内。电路结构:这个电路的原形是建立在一个建立在部件和线、插孔满布的原形 IC 板上的。这种板子的一类成品被应用去做一种可调速的风扇,这种风扇被集成在一个小金属盒子里,PWM 电路也包含在这个电路里。一个简单的电路板是被构建在免费的 CAD 程序电路板子,也就是一种运行在 LINUX 系统下的 PCB 电路图。(看电路图)这种电路板的原理图是被打印在一种 POSTSCRIPT 的板子上,这种板子是一种被称做 TECHNIKS PRESS-N-PEEL 的蓝色面板。被打印在胶卷上的图案随即被焊到一块干净的单面塑胶平面板上。这种板子是用 FERRIC CHLORIDE 方法腐蚀雕刻的。孔都是用精密仪器量好后钻的,区域已经划分清楚,并且,板子上已经布好了电源线和地线。这项技术有利于在短时间内生产工作板,但是,并不适合生产大量的工作板。一块板子一般都是 3 号大小,这可能要照相到PRESS-N-PEEL 蓝色胶卷上,或者用照相腐蚀过程实现。无缺陷构建技术可以作为选择考虑,这种技术包括使用一种空白的 PC板,利用环氧树脂 5 分钟粘贴一个线对包裹的插座到板子一边,接着布好所有的中间连接线。地孔可以直接被布到板子上。附属部件:这个电路不需要任何其他辅助设备和附属部件。应用:这个电路可以用来做一个直流电灯的调光器,小型发动机控制器,甚至作为一个小型的热量控制器。它甚至可以为一台大型的太阳能电车提供完好的速度控制功能。这个电路已经在和 5 台电机的应用和 IRFZ34N FET 的应用中证实了很好。D1 在和某些电动机搭配使用时,也许需要用一个快点和高点的电流二极管来替代。这个电路应该也可以在类似电动自行车的电机的需求中发挥作用,如果你想尝试一下,一定要确保加上一个易于接受的应急电源离合装置,以便 FET 截断电流,并且保证电路是全开的。为 12V 或者 24V 需求连接电路时,就如图表所示,把电池连接到输入终端,并且把负载连接到输出终端,确保没有遗漏任何输出端子或者任何连接到输出终端的东西,比如电机。调节电位器,就可以从负载处得到想要的速度或者亮度。电路清单:U1:LM324U2:78L12 12V 控制器Q1:IRF521 N 道 MOSFETD1:1N4004 二极管LED1:红色 LEDC1:0.01uF 瓷片电容 25VC2-C5:0.1uF 瓷片电容 50VR1-R4:100L 1/4W R5:47K 1/4WR6-R7:3.3K 1/4WR8:2.7K 1/4WR9:470 1/4WVR1:10KF1:3A 28V 快速熔断保险丝S1:双态转换器 5APWM Motor Speed Controller / DC Light DimmerPower this project from sunlight with a CirKits solar power circuit kit. Pulse Width Modulator for 12 and 24 Volt applicationsThis circuit was featured in an article in Home Power Magazine #75 (C) G. Forrest Cook 1999 IntroductionA pulse width modulator (PWM) is a device that may be used as an efficient light dimmer or DC motor speed controller. The circuit described here is for a general purpose device that can control DC devices which draw up to a few amps of current. The circuit may be used in either 12 or 24 Volt systems with only a few minor wiring changes. This device has been used to control the brightness of an automotive tail lamp and as a motor speed control for small DC fans of the type used in computer power supplies. A PWM circuit works by making a square wave with a variable on-to-off ratio, the average on time may be varied from 0 to 100 percent. In this manner, a variable amount of power is transferred to the load. The main advantage of a PWM circuit over a resistive power controller is the efficiency, at a 50% level, the PWM will use about 50% of full power, almost all of which is transferred to the load, a resistive controller at 50% load power would consume about 71% of full power, 50% of the power goes to the load and the other 21% is wasted heating the series resistor. Load efficiency is almost always a critical factor in solar powered and other alternative energy systems. One additional advantage of pulse width modulation is that the pulses reach the full supply voltage and will produce more torque in a motor by being able to overcome the internal motor resistances more easily. Finally, in a PWM circuit, common small potentiometers may be used to control a wide variety of loads whereas large and expensive high power variable resistors are needed for resistive controllers. The main Disadvantages of PWM circuits are the added complexity and the possibility of generating radio frequency interference (RFI). RFI may be minimized by locating the controller near the load, using short leads, and in some cases, using additional filtering on the power supply leads. This circuit has some RFI bypassing and produced minimal interference with an AM radio that was located under a foot away. If additional filtering is needed, a car radio line choke may be placed in series with the DC power input, be sure not to exceed the current rating of the choke. The majority of the RFI will come from the high current path involving the power source, the load, and the switching FET, Q1. SpecificationsPWM Frequency: 400 HzCurrent Rating: 3 A with an IRF521 FET, 10A with an IRFZ34N FET and heat sinkPWM circuit current: 1.5 ma 12V with no LED and no loadOperating Voltage: 12V or 24V depending on the configurationTheoryThe PWM circuit requires a steadily running oscillator to operate. U1a and U1d form a square/triangle waveform generator with a frequency of around 400 Hz. U1c is used to generate a 6 Volt reference current which is used as a virtual ground for the oscillator, this is necessary to allow the oscillator to run off of a single supply instead of a +/- voltage dual supply. U1b is wired in a comparator configuration and is the part of the circuit that generates the variable pulse width. U1 pin 6 receives a variable voltage from the R6, VR1, R7 voltage ladder. This is compared to the triangle waveform from U1-14. When the waveform is above the pin 6 voltage, U1 produces a high output. Conversely, when the waveform is below the pin 6 voltage, U1 produces a low output. By varying the pin 6 voltage, the on/off points are moved up and down the triangle wave, producing a variable pulse width. Resistors R6 and R7 are used to set the end points of the VR1 control, the values shown allow the control to have a full on and a full off setting within the travel of the potentiometer. These part values may be varied to change the behavior of the potentiometer. Finally, Q1 is the power switch, it receives the modulated pulse width voltage on the gate terminal and switches the load current on and off through the Source-Drain current path. When Q1 is on, it provides a ground path for the load, when Q1 is off, the loads ground is floating. Care should be taken to insure that the load terminals are not grounded or a short will occur. The load will have the supply voltage on the positive side at all times. LED1 gives a variable brightness response to the pulse width. Capacitor C3 smooths out the switching waveform and removes some RFI, Diode D1 is a flywheel diode that shorts out the reverse voltage kick from inductive motor loads. In the 24 Volt mode, regulator U2 converts the 24 Volt supply to 12 Volts for running the pwm circuit, Q1 switches the 24 Volt load to ground just like it does for the 12 Volt load. See the schematic for instructions on wiring the circuit for 12 Volts or 24 Volts. When running loads of 1 amp or less, no heat sink is needed on Q1, if you plan to switch more current, a heat sink with thermal greas is necessary. Q1 may be replaced with a higher current device, suitable upgrades include the IRFZ34N, IRFZ44N, or IRFZ48N. All of the current handling devices, switch S1, fuse F1, and the wiring between the FET, power supply, and load should be rated to handle the maximum load current. ConstructionThe prototype for this circuit was constructed on an IC proto board with parts and wires stuck into the holes of the proto board. One version of the finished circuit was used to make a variable speed DC fan, the fan was mounted on top of a small metal box and the PWM circuit was contained inside of the box. A simple circuit board (see picture) was built using a free circuit board CAD program, PCB (1) that runs on the Linux operating system. The circuit board image was printed on a PostScript laser printer onto a mask transfer product called Techniks Press-n-Peel blue film (2). The printed on film is then ironed on to a cleaned piece of single sided copper clad board. The board is etched with Ferric Chloride solution. Holes are drilled with a fine gauge drill bit, parts are soldered in, and the board is wired to the power and load. This technique is great for producing working boards in a short time but is not suitable for making large numbers of boards. A board pattern is shown in Fig 3, this may be photo-copied onto a piece of press-n-peel blue film, or used in a photographic etching process. Alternately, the dead-bug construction method may be used, this involves taking a piece of blank copper PC board, glueing a wire-wrap IC socket sideways to the board with 5 minute epoxy, then soldering all of the parts to the wire wrap pins. Grounded pins can be soldered directly to the copper board. AlignmentNo alignment is required with this circuit. UseThis circuit will work as a DC lamp dimmer, small motor controller, and even as a small heater controller. It would make a great speed control for a solar powered electric train. The circuit has been tried with a 5 Amp electric motor using and IRFZ34N FET and worked ok, D1 may need to be replaced with a faster and higher current diode with some motors. The circuit should work in applications such as a bicycle motor drive system, if you experiment with this, be sure to include an easily accessible emergency power disconnect switch in case the FET shorts out and leaves the circuit full-on. Wire the circuit for 12 Volts or 24 Volts as per the schematic, connect the battery to the input terminals, and connect the load to the output terminals, be sure not to ground either output terminal or anything connected to the output terminals such as a motor case. Turn the potentiometer knob back and forth, the load should show variable speed or light. PartsU1: LM324N quad op-ampU2: 78L12 12 volt regulatorQ1: IRF521 N channel MOSFETD1: 1N4004 silicon diodeLED1 Red LEDC1: 0.01uF ceramic disc capacitor, 25VC2-C5: 0.1uF ceramic disk capacitor, 50VR1-R4: 100K 1/4W resistorR5: 47K 1/4W resistorR6-R7: 3.3K 1/4W resistorR8: 2.7K 1/4W resistorR9: 470 ohm 1/4W resistorVR1: 10K linear potentiometerF1: 3 Amp, 28V DC fast blow fuseS1: toggle switch, 5 Amps长春工业大学学生毕业论文1第一章 绪论1.1 问题的提出为什么我们要研究一种由计算机系统控制的 PWM 直流控制系统?要回答这个问题,首先我们应该系统的论述一下电动机转速控制系统的发展历程及现状。电动机按电源供应方式来分,可以分为两大类,即直流电动机和交流电动机。两类电动机在调速方面存在着很大差异。直流电动机具有良好的起、制动性,适宜在大范围内平滑调速,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域得到了广泛应用。即便如此,直流电动机也存在着固有的很多缺点,制约了其应用由于直流电动机使用直流电源,它的碳刷和滑环都要经常更换,这样的拆换工作是费时费力费财的,无疑会加重使用者的负担。因此,人们希望简单可靠低廉的交流电动机也能像直流电动机那样调速。定子调速、变极调速、滑差调速和转子串电阻调速和串极调速等调速方法应运而生,同时,由于技术的成熟,滑差电动机、绕线式电动机、同步式交流电机等随即出现,带来了电机史上的一次飞跃。但是,这些电动机的调速性能仍然不能与直流电动机相比。直到 20 世纪 80 年代,变频调速的出现才解决了直流电机调速性能好却费时费力的缺点。那么又是什么促成了变频调速的产生呢?电力电子技术、微电子技术和信息技术的产生与发展,直接推动了变频调速系统的产生。由于变频调速具有其他调速方式所不具有的几大特点:1)PWM 调速系统主电路线路简单,需用的功率器件少2)开关频率高,电流容易连续,谐波少,电机损耗及发热都较小3)低速性能好,稳速精度高,调速范围广,可达到 1:10000 左右4)如果可以与快速响应的电动机配合,则系统频带宽,动态响应快,动态抗扰能力强5)功率开关器件工作在开关状态,导通损耗小,当开关频率适当时,开关损耗也不大,因而装置效率较高6)直流电源采用不可控整流时,电网功率因数比相控整流器高变频调速很快为广大电动机用户所接受,成为了一种最受欢迎的调速方法,在一些中小容量的动态高性能系统中更是已经完全取代了其他调速方式。由此可见,变频调速是非常值得自动化工作者去研究的。在变频调速方式中,PWM 调速方式尤为大家所重视,这是我们选取它作为研究对象的重要原因。而在众多 PWM 变换器实现方法中,又以 H 型 PWM 变换器更为多见。这种电路具备电流连续、电动机四象限运行、无摩擦死区、低速平稳性好等优点。因此,本次设计以 H 型 PWM 直流控制器为主要研究对象。长春工业大学学生毕业论文2要研究 PWM 调速方法,不能不提到微电子技术、电力电子技术和微机控制技术,没有这些技术的支持,我们就只能还是在走前人的老路,被模拟、人工控制的思维所禁锢。在电动机转速控制领域,如果不能有效的引用这些技术,我们很难有所突破,发现问题,进而有所进步。微机控制技术的发展也就是计算机控制系统的发展历程。它的发展大体可以分为三个阶段:第一个阶段是 1965 年后的实验阶段,自从 1952 年计算机被应用于生产过程中后,它应用于生产领域并创造巨大价值的潜力立刻为世人所注意,进而被大面积研究试用起来。1959 年,美国得克萨斯州的一家炼油厂成功建成了世界上第一个计算机控制系统,标志着这项技术的发展已经开始。第二个阶段是 1965 年到1972 年间的实用阶段。在这段时间里,计算机控制系统开始从单项工程试验中迈向实用,并且得到了系统的完善。在这一时期,计算机集中控制得到认可。在高度集中控制时,若计算机出现故障,将对整个生产产生严重影响。为了应对这种负面影响,人们采取了多机并用的方案,促进了计算机控制系统的进一步发展。第三个阶段是从 1972 年至今,在这个阶段才真正出现了微机的概念,以它为核心,衍生出了很多计算机控制系统,如操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督计算机控制系统以及分布式控制系统,而随着微电子技术的发展,计算机控制系统可以实现小物起大用的效果,既不占空间,又可以同时处理很多生产问题,省时省力,计算机控制技术走向了成熟。而随着嵌入式系统的发展,计算机控制系统开始向网络化变迁,相信会有更大的发展空间。电力电子技术作为电源技术产业的支柱性领域,也已经经过了漫长的发展历程。这些技术如果都能被应用到 PWM 调速系统的控制当中,势必会使得调速系统的性能有一个很大的提升。在调速技术走到这个类似瓶颈地步的今天,这种尝试无疑是一种很有潜力的设想。至于系统应该如何构成,系统的实际应用效果会如何,这些都是很需要探讨的问题,那么,这个研究就是很必要的了,也是我写这篇论文阐述探讨结果的理由。1.2 国内外的研究现状做这项研究的人是不在少数的。他们的研究方法是大同小异的,基本的设计思路是一脉相承的大体可以归纳如下:计算机控制直流电动机调速系统被理解为一个以计算机为控制核心的闭环控制系统,当系统的给定转速发生变化的时候,系统通过速度检测环节,检测当前的转速,经信号变换、放大等环节,把反馈信号转换成数字信号送入计算机,计算机定时对速度信号采样,将采集后的被控量进行分析、比较和处理,按一定的控制规律运算,进行控制决策、实时输出控制量,通过计算机输出通道对直流电动机控制电路发出控制信号,使电动机的速度按要求发生变化,完成对电动机的控制任务。这类控制思路可以体现到下面的原理框图中:长春工业大学学生毕业论文3上位计算机下位计算机输出通道输入通道驱动电路驱动电路同步触发电路F/V转换功率放大控制主电路光电转速测量直流电动机图 1.1 计算机控制直流电动机调速系统原理框图可以看出,在这种方法中,存在很多可以借鉴的地方。在这个系统中采用了闭环控制,以数字化、集成化为设计原则,系统采用 SCC+DCC 的模式来控制。在系统中,以两级计算机控制系统,上位机的任务是实现系统的控制和管理,下位机用做数据采集,并直接选择了数字控制。这样做有很大的优势,无形中提高了系统的协调性,减少了很多繁杂的外围硬件外设的干扰,减少了故障绿和提高了设计精度。在本次的设计中,我们借鉴了这类系统的很多原理。计算机控制系统控制效果的优劣,主要取决于采用的控制策略和控制算法是否合适。控制算法的选择和系统的数学模型有关,因此建立数学模型是必要的。这次设计也不例外,在后面的介绍中,我们会详细介绍系统的数学模型。目前,高频电压领域的具体发展状况基本情况是这样的。目前已经提到并得到应用的 PWM 控制方案就不下于数十种,尤其是微处理器应用于 PWM 技术数字化后,花样是不断翻新,从最初追求电压波形的正弦,到电流波形的正弦,再到磁通的正弦;从效率最优,转矩脉动最少,再到消除噪音等,PWM 控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。目前仍有新的方案不断提出,这说明该项技术的研究方兴未艾。不少方法已经趋向于成熟,并有许多已经在实际中得到应用。PWM 控制技术一般可分为三大类,即正弦 PWM、优化 PWM 及随机 PWM,从实现方法上来看,大致有模拟式和数字式两种,而数字式中又包括硬件、软件或查表等几种实现方式,从控制特性来看主要可分为两种:开环式(电压或磁通控制型)和闭环式(电流或磁控型)。随着计算机技术的不断进步,数字化 PWM 已逐步取代模拟式 PWM,成为电力电子装置共用的核心技术。交流电机调速性能的不断提高在很大程度上是由于 PWM 技术长春工业大学学生毕业论文4的不断进步。目前广泛应用的是在规则采样 PWM 的基础上发展起来的准优化 PWM 法,即三次谐波叠加法和电压空间矢量 PWM 法,这两种方法具有计算简单、实时控制容易的特点。变频调速技术的现状具有以下特点:1)在功率器件方面,近年来高电压、大电流的 SCR、GTO、IGBT、IGCT 等器件的生产以及并联、串联技术的应用,使高电压、大功率变频器产品的生产以及应用成为现实。2)在微电子技术方面,16 位、32 位高速微处理器以及 DSP 和 ASIC(专用集成电路 Application Specific IC)技术的快速发展,为实现变频器高精度、多功能化提供了硬件手段。3)在控制理论方面,矢量控制、磁通控制、转矩控制、智能控制等新的控制理论为研制高性能变频器的发展提供了相关理论基础。4)在产品化生产方面,基础工业和各种制造业的高速发展,促进了变频器相关配套件的社会化、专业化生产。国内外高压变频器的分类、比较和应用情况:目前世界上的高压变频器不象低压变频器一样具有成熟的一致性的主电路拓扑结构,而是限于功率器件的电压耐量和高压使用条件的矛盾,国内外各变频器生产厂商,采用不同的功率器件和不同的主电路拓扑结构,以适应不同的电压等级和各种拖动设备的要求,因而在各项性能指标和适用范围上也各有差异。一般来讲,在高压供电而功率器件耐压能力有限的情况下,可采用将功率器件串联的方法来解决。但是功率器件在串联使用时,因为各器件的动态电阻和极间电容不同,而存在静态均压和动态均压问题。如果采用与器件并联 R 和 Rc 的均压措施,会使电路复杂,损耗增加;同时,器件的串联对驱动电路的要求也大大提高,要尽量做到串联器件同时导通和关断,否则由于各期间开断时间不一定,承受电压不均,会导致器件损坏设置整个装置崩溃。根据高压变频器有无直流环节,可以分为交交变频器和交直交变频器;根据直流环节滤波元件的性质又可以分为电流源型变频器和电压源型变频器;电流源型变频器又可以分为负载换流式晶闸管变频器(LCI)和采用自关断器件(GTO、SGCT)的电流源型变频器;电压源型变频器则可以分为:1)功率器件串联二电平直接高压变频器2)采用 HVIGBT、IGCT 的多电平电压源变频器3)采用 LVIGBT 的单元串联多重化电压源变频器等,如图 1.1 所示。长春工业大学学生毕业论文5高压变频器交 - 交变频器 ( 周波换流器 C Y C L D )交 - 直 - 交变频器矩阵变频器电流源型变频器电压源型变频器负载换流型变频器 ( L C I )可关断器件电流源型变频器功率器件串联直接高压二电平变频器多电平变频器三电平变频器四电平变频器五电平变频器单元串联多重化变频器变压器耦合输出变频器1.1 高压变频器分类上世纪末以前,高压大功率变频器都采用国外进口品牌。如美国罗克韦尔公司的 Power FlexTM7000 高压变频器,是采用 SGCT 功率器件串联的交一直一交电流源型变频器,与电动机的特性有关,调试比较困难;并且 du/dt 比较大,对电机的绝缘影响较大。是进入我国火电厂节能改造功能最早的产品。美国罗宾康(ROBICON)公司的单元串联多电平变频器,采用低压 IGBT 功率器件,号称完美无谐波变频器。也是进入我国较早,且使用最多的产品。它的优点是电压电流波形好,谐波含量小,对电动机影响小。欧洲 ABB 公司的 ACS1000 高压变频器,是采用 IGCT 器件的三电平变频器,最高电压到 4.16kV。若用在我国 6kV 高压电动机上,要进行星角改接,不利于进行工频旁路切换(切换前要先进行角星形改接),所以限制了它在我国火电厂的使用。目前在我国发电厂使用量很少。德国西门子公司的 SIMOVERT MV 系列高频变压器,6KV 电压可做到2000KW。它实际上采用的是高一低一高方式。其核心的逆变器是采用高压 IGBT 器件的三电平变频器,输出电压为 2.3kV,通过一个“集成升压滤波器”将电压升到6kV,并兼有滤波作用。也是进入我国较早的产品,目前使用量已超过 200 台套。法国阿尔斯通公司的 ALSPA CDM6000 系列高压变频器,是采用 IGBT 器件的飞跨电容四电平变频器,可四象限运行,输出波形较好,谐波含量和 du/dt 较小(du/dt500V/us)。在冶金、矿山使用较多,在我国电厂使用很少。国外产品的共性是质量好,可靠性高,但价格也很高,且对我国电网的适应能力差,用户界面差(未汉化),售后服务响应差。备品备件供应差且价格昂贵。以上因素给国内用户带来很大的不便。长春工业大学学生毕业论文6进入新世纪以来,国产高压变频器企业迅速崛起,并以惊人的速度占领市场。北京利德华福公司的高压变频器销售业绩,到 2006 年 6 月份已突破 600 台套。还有成都东方日立(原东方凯奇)公司,北京合康亿盛公司、山东新风光公司、成都佳灵公司、中山明扬公司、哈尔滨九洲公司、广州智光公司、上海科达公司、深圳的微能科技和康沃公司等也都先后进入这个领域,并且必然会有更多的企业加入进来。这将对我国高压变频器品牌占领国内市场起到积极的作用。并为我国创建节约型社会送来强劲的东风。国产品牌在可靠性和生产工艺上正在迎头赶上,其最大的优势是适合中国国情和用户的需要,可以进行特殊设计,用户界面友好,操作方便,价格便宜。最主要的是良好的售前售后服务和备品备件的提供,以及操作维护人员的培训工作,更是国外品牌的产品所无法比拟的。在上世纪末,用户是唯进口品牌是论,根本不考虑国产品牌,而现在情况正好反过来了,许多用户主动要求选用国产品牌,而不要进口品牌。国外的高压变频器生产公司为了占领中国市场,也都纷纷在国内设立组装厂,象进线变压器等也由国内配套厂提供,产品的设计也越来越适应中国用户的要求,价格也有所下降。国内的产品大多数采用单元串联多电平电路,也有少数采用三电平电路和功率器件直接串联二电平电路的。对于我国目前以节能为目的的用户来说,单元串联多电平电路,在性能上还是占有一定优势的。随着使用领域的扩大,还有待于开发出性能更好的产品来。目前国内投运的高压变频器已接近 3000 套,大多来自西门子公司、罗克韦尔(AB)公司、ABB 公司、利德华福公司、东方日历公司、中山明阳龙源公司、哈尔滨九州公司、成都佳灵公司、山东新风光、上海科达公司、广州智光公司、湖北三环公司几家公司,在几家公司中,中外方变频器的使用套数比例基本平衡,可见国内在这个领域的生产能力还是不差的,不过,在效率方面还是有待提高。目前在变频器领域的几项重点技术都是比较有发展潜力的:1) 矢量控制技术2) 无速度传感器矢量控制技术3) 直接转矩控制技术4) PWM 控制技术5) 数字化控制技术6) 自整定技术7) 交流传动系统的智能控制高压变频调速技术的发展趋势:20 世纪末,交流电动机变频调速技术以电力电子功率变换技术、微电子控制技术为核心得到了惊人的发展,展望 21 世纪,变频调速技术将会有更大发展。长春工业大学学生毕业论文7这种发展趋势大体可发为以下几点:1) 功率变换器的高频低损耗化、自关断化、模块化、高耐压、大容量化2) 矩阵变频器的出现和推广3) 变频器在同步电动机的应用4) 控制技术的数字化、矢量控制化、直接转矩控制化5) 无速度传感器矢量控制化6) 操作系统的网络化7) 硬件通用化、调试维护软件化8) 变频装置无谐波化,采用多电平、多重化、带就地补偿9) 工作负荷参数的模型化10)新理论新机理新材料的出现将出现新概念功率变换期间、新概念变频装置下面对此做专门介绍。1) 在开关器件方面:IGBT 变频器已成为 20 世纪 90 年代变频调速技术的主流,在 21 世纪初相当长的一段时间内仍将是电气传动领域的主导变频器。在 21 世纪,IPM 及智能化变频器将会有很大的发展。功率变换、驱动、检测、控制、保护等功能的集成化促成了功率器件及变频器的智能化,实现高效节能、多功能、高性能、高附加值,同时将研究开发新电力电子器件 IGCT、IEGT(集成发射式门极晶闸管Integrated Emit Gate Thyristor)、GaAs(砷化镓)、SiC(碳化硅复合器件)、光控 IGBT 及超导功率器件等新功能变频器。2) 在变频电路拓扑结构方面:基于双 PWM 能量回馈的绿色变频电路是变频调速技术的发展趋势,即整流部分也采用电力电子自关断器件构成,并对其进行 PWM控制。一方面使交流输入电流波形为正弦,且功率因数为 1;另一方面实现能量向电网回馈,保证变频器四象限运行。除此之外,PWM 整流电路还有助于减小直流环节滤波电容的容量,随着电力半导体器件性能的不断提高和价格的不断下降,这种结构会得到广泛地推广和应用。3) 在变频控制电路方面:现在变频装置几乎已实现了数字化控制,但控制技术的微电子数字化仍是今后的发展趋势。变频装置的数字化技术是从 20 世纪 80 年代中期开始逐步发展到 16 位、32 位微处理器,目前普遍采用 DSP。4) 矢量控制技术及直接转矩控制技术:矢量控制依然是高性能交流电机调速系统的主流控制策略。它所包涵的关键技术有:控制理论和方法,如 PWM 技术,磁通的观测,速度辩识,无速度传感器控制;电机铁损补偿,参数辩识,参数变化的补偿;主电路使用新型电力半导体器件,提高开关频率,改善电压或电流波形,同时使用微电子技术所提供的 DSP、CPU、ASIC 等。通过网络设定频率是一种高精度的频率设定,其具有通讯速率高,稳定可靠,接线简单等优点,而且在模拟量控制时,输出端经过一个数模转换器,经过导线,长春工业大学学生毕业论文8进入输入端(变频器)又经过一个模数转换器才能参与控制,两个转换器位数不同和导线损耗都可能造成一定误差,而通讯传递直接是数字量不需要转换,没有误差,在传输过程中不会造成损耗,而且响应速度也会很高。变频器经常被用于系统复杂、工作环境恶劣、高负荷、长时间运行的工况中,如无人值守泵站、油田磕头机等。变频器故障率在这种环境中自然比较高,一般都采取事后维修的方式进行,随着电子技术的发展,传统的维修方式将变为故障预报和整机在线维修。有必要对其实现在线工作状态的监测以及常规故障机理的综合分析研究,以便对其故障的事先诊断分析。目前大功率变频器的故障诊断、远程监控系统及智能控制方面取得了较大的进展,在网络化日益普及的今天,与普通的点对点硬线连接方式而言,通过高速通讯连接的变频器系统可以最大程度上降低系统维护时间、提高生产效率、减少运行成本。目前安装的现场总线模块有 Profibus DP、Interbus、DeviceNet、CAN Open 和 Modbus Plus 等。用户可以有更大的自由根据生产过程来选择 PLC 型号和品牌,并非常简单地集成到现有的网络中去。而且通过现场总线模块,可以不考虑变频器的型号,而以同一种语言来与不同功率段、不同型号的变频器进行组构,如功率、速度、转矩、电流、设定值等。交流同步电动机已成为交流可调速传动中的一颗新星,特别是永磁同步电动机。电机是无刷结构,功率因数高、效率也高,转子转速严格与电源频率保持同步。同步电机变频调速系统有他控变频和自控变频两大类,自控变频同步电机在原理上和直流电机极为相似,用电力电子变流器取代了直流电机的机械换向器,如采用交-直-交变压变频器时叫做“直流无换向器电机”或称“无刷直流电动机”。传统的自控变频同步机调速系统有转子位置传感器,现正开发无转子位置传感器的系统,且已经取得重大进步和在市场的成功应用。同步电机的他控变频方式也可采用矢量控制,其按转子磁场定向的矢量控制比异步电机更为简单。PWM 系统由于产生及发展了很短时间,所以仍旧存在不少有待改进的地方,具体表现为以下几点:1)应该进一步扩大晶体管 PWM 驱动装置的容量,使之能达到 100KW 以上,复合型大功率晶体管的出现,使之成为可能。2)研究大功率晶体管工作状态检测电路,使之保证在开关状态下安全工作。3)晶体管 PWM 驱动装置中最容易出现的严重问题是大功率晶体管的二次击穿与短路烧毁,应研究合理的驱动方式、恰当的保护方式以及参数计算方法。4)开展微处理器在 PWM 系统中的应用研究。5)就 PWM 控制原理本身来说,它是具有继电特性的本质非线性控制,严格的说,直流 PWM 系统是一种典型的非线性控制系统,为了使这种非线形系统有良好的工作特性,需对由非线性引起的一些特殊问题,如自激振荡、线性化的条件等进行深一步的研究。长春工业大学学生毕业论文96)PWM 控制的特点就是开关控制,电池兼容性问题是工程实用中至为重要的问题。1.3 本课题的设计要求和技术指标1.3.1 本课题的设计要求和技术指标本文研究目的是为了设计一个以微型计算机控制的 PWM 变频调速系统,其具体参数要满足以下条件:1) 2.2Kw 电动机,额定电压为 220V,额定电流为 12.5A,额定转速为1500r/min,励磁电阻为 1 欧姆2)静态指标:稳态无静差,调速范围 D1000,动态指标:转速无超调3)自动实现双极式、单极式、受限单极式控制方式的转换4)具有键盘数据和转速、电流的指示功能5)具有故障处理和报警功能1.3.2 本文研究内容本论文试图在变频调速领域内探讨出利用计算机控制的 PWM 直流控制系统,当然,以此为基础,必须要将变频调速的基本原理阐述明白。那么,本文试图将下面问题阐述明白:1)变频调速的基本原理2)变频调速与其他调制方式的优越之处3)计算机控制系统的构成与基本原理4)计算机控制的 PWM 直流调速系统的构成5)电流检测、电压检测、温度检测、显示电路、键盘电路等环节的研究长春工业大学学生毕业论文10第二章 系统总体论证2.1 基础理论2.1.1 直流调速的分类直流电动机的调速系统有很多种类。调速即速度的控制,是指在直流传动系统中通过各种手段改变电动机转速来满足系统的要求。在机械特性上来说,就是通过改变电动机参数使机械特性发生改变,使电动机转速发生改变,以此满足要求。直流调速的分类可以分为以下三种:1)无级调速和有级调速无级调速,也即连续调速,是指电动机的转速可以平滑的调节。其特点为:转速变换均匀,容易实现调速自动化,是工业装置中广泛采用。有级调速,也就是间接调速或分级调速,转速只有有限的几级,不能在范围内任意调制,很难实现调速自动化。2)基速向上调速和基速向下调速电动机有一个固有转速,也就是电动机额定负载时的额定转速,这个转速是调速的基础点,所以称为基本转速或基速。那么,基速向上调速和基速向下调速的意义就是在基速向上或向下提高转速的调制。基速极限受电动机机械强度和换向条件限制。基速向上调速的典型实例是直流电动机改变磁通进行调速。基速向下调速的典型实例是改变直流电动机的电枢电压进行调速,调速的极限即最低转速,主要受转速稳定性的限制。3)恒转矩调速和恒功率调速恒转矩调速是一种普遍应用的负载性质。它的意义是调速过程中不同的稳定速度下,电动机的转矩为常数。如果选择的调速方法能使电磁转矩 T I=常数,则在恒转矩负载下,电机无论在高速或低速下运行,其发热情况始终是一样的。这就使电动机容量能得到合理而充分的利用。这种方法称为恒转矩调速。它的典型应用为磁通一定时,调节电动机的电枢电压或电枢回路电阻的方法。具有恒功率特性的负载是指调速过程中负载功率 PL为常数负载,其负载转矩TL=(1/n) ( 为励磁调节系数) ,在这种负载下,采用恒转矩调速方法,使调速过程保持 TeI,那么,在不同转速时,电动机电流将不同,并在低速时电动机必定长春工业大学学生毕业论文11过载。解决办法就是保持调速过程电流恒定,要保持功率I,这种调速方法就是恒功率调速。对于直流电动机,当电枢电压一定时,减弱磁通的调速方法属于恒功率调速。还存在一个问题就是,用恒功率调速方法去带动恒转矩负载也是不合理的。在高速时电机将会过载。2.1.2 调速的基本方式直流电动机转速 n 的变化可用下式表示:n=U-RT/C eCT 2 (2-1)式中:U电枢电压;R电枢回路电阻;励磁磁通;Ce与电机结构相关的电动势常数;CT转矩常数;T电动机电磁转矩。由公式(2-1)知道,实现调节电动机转速 n 的方法是改变电枢回路电阻 R,减弱励磁磁通 ,调节电枢电压 U。有以下几种调速方法,下面做具体解释。2.1.2.1 改变磁通调速1)调速的方法在电动机励磁绕组电路中,改变其串励电阻 Re的大小(见图 2-2)可以改变励磁电流和磁通,此时电动机的电枢电压通常为额定值 UN,而且不串附加电阻 1、21 。改变磁通调速的机械特性方程式为n=UN/Ce-R a/CeCT 2=UN/CE-RaI/C E (2-2)从机械特性方程式可以看出,当 改变时,n 变,n 也变。当磁通 减弱时,理想空载转速 N0增加,机械特性斜率随着磁通减弱而急速增加,N=0 时的转矩(堵转转矩)T Lr随 减弱而减小(T Lr=UNCT/R a) ,但此时的电流(堵转电流)TLr=UNCT/R a却与 没有关系,因此,转矩已不与电流成正比了。在调速过程中,为使电动机容量得到充分利用,应该使电枢电流一直保持在额定电流 IN,这时磁通与转速成正比:=(U N-INRa)/C eN1/N (2-3)故 T=C TI N1/n (2-4)上式可以看出,转矩也与转速成正比,即保持电枢电流 I=IN=常数,磁通与转速的关系为双曲线,因此,改变磁通调速适合于带恒功率负载,实现恒功率调速。长春工业大学学生毕业论文12图 2-1 串联电阻调速2) 调速的优缺点弱磁调速时应使电动机电压保持额定值 UN,R a应为最小(切除所有附加电阻) 。一般不能在电枢回路串有外加电阻,且降低外加电压的低速大负载下用减弱磁通来升速。通常 Nn以上靠减弱磁通来调速。注意磁通 减小时,I n不变,但 Tn减小,转速 n 升的越高,T n减小越多。弱磁调速,在高速下由于电枢电流去磁作用增大,使转速特性变得不稳定,换向性能也会下降。因此,采用改变磁通来调速的范围是有限的。对于普通电动机的调速范围,最多为 D=2;对于特殊设计的额定转速较低的调磁电动机 D=3-4。弱磁调速的优点是:因为调节是在功率较低的励磁电路中进行,励磁电流只有电枢电流的 2%-5%,故控制方便,能量损耗小,调速平滑性较高。弱磁调速的最大问题就是其可靠性,如果他励直流电动机在运行过程中,励磁电路突然断线, 就会变成很小的剩磁,此时电枢电流大大增加,更会由于严重弱磁,使转速急剧上升可能,把整个电枢破坏,因此必须有相应的保护措施。2.1.2.2 改变电枢回路串联电阻调速1)调速情况分析由直流电动机的调速公式(2-5)知道,当电枢回路串联附加电阻 Rs(由R1、R2 构成)时,其特性方程式变为n=U/ Ce-(R a+Rs)T/ CeCT 2=n0-t (2-5)见图 2-1。长春工业大学学生毕业论文13图 2-2 直流电动机改变 Rs 调速电路由图知,电枢电路串电阻调速的物理过程:电动机在一个状态稳定运行时,电枢串接电阻 Rs,接入电阻瞬间,由于拖动系统的机械特性,转速 n 来不及变化,则电枢电流减小,则电动机的状态发生变化,产生过度,此时 TT/2,则 Uab 的平均值为正,电动机正转,反之则反转;如果正、负脉冲相等,ton=T,平均输出电压为零,电动机停止。在 2-9 中表示出了电动机正转时的情况。双极式控制可逆 PWM 变换器的输出平均电压为Ud=(2ton/T-1)Us (2-11)若占空比 长春工业大学学生毕业论文20=ton/T (2-12)与电压系数 定义与不可逆变换器中相同,则在双极式控制的可逆变换器中=2-1 (2-13)就和不可逆变换器的关系不一样了。调速时, 的可调范围为 01,相应的,=-1+1。当 0.5 时, 为正,电动机正转;当 T1时,V0,50% 电机正转长春工业大学学生毕业论文30T2 #include #include 长春工业大学学生毕业论文54#include UPSD3200.H #include upsd_pwm.h #define uint unsigned int #define uchar unsigned char PSD_REGS PSD8xx_reg _at_ csiop; #define KEYIO (PSD8xx_reg.DATAIN_A) & 0x07 sbit CP=P47; sbit U_D=P11; void init_system();uchar keyboard(); void uPSD_PWM4_Variable(unsigned char PWM_Period, unsigned char PWM_PulseWidth); uchar Adjust_station=NO; unsigned char data x,flag; unsigned char keyboard() unsigned char a=0xff,b=0x01,c=0xf8,d; uint i; do a=KEYIO|c; while(a=0xff); if (a = 0xfe)d = 1; else if (a = 0xfd)d = 2; else if (a = 0xfb)d = 3; else d = 0; return(d); void uPSD_PWM4_Init(void) unsigned int PWM_prescaler; P4SFS |= 0x80; PWM_prescaler = (unsigned int)(FREQ_OSC/2)/PWM4_INPUT_freq); PSCL1L = PWM_prescaler & 0x00ff; PSCL1H = (PWM_prescaler 8); void StepMotor_GO(bit direction,uint speed) 长春工业大学学生毕业论文55unsigned char PWM_Period, PWM_PulseWidth; uint temp_uint; U_D = direction;/方向 temp_uint = (PWM4_INPUT_freq*1000)/speed; PWM_Period = (unsigned char)temp_uint; PWM_PulseWidth = PWM_Period/2; uPSD_PWM4_Variable(PWM_Period,PWM_PulseWidth); void StepMotor_STOP(void) P4SFS &= 0x7f; void uPSD_PWM4_Variable(unsigned char PWM_Period, unsigned char PWM_PulseWidth) P4SFS |= 0x80; PWMVP = PWM_Period; PWMVPW = PWM_PulseWidth; PWMCON |= 0x20; void initkey(void) PSD8xx_reg.DATAOUT_A=0xFF; PSD8xx_reg.CONTROL_A=0x00; PSD8xx_reg.DIRECTION_A=0x00; void init_system() WDKEY=0x55; P4SFS = (unsigned char) (0x08 3); uPSD_PWM_Channel_8bit(3,243);
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