开环PWM变频调速系统设计.docx

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1、 本科生课程设计（论文）摘要在电气时代的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。电动机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。研究电动机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。电动机的调速问题一直是自动化领域比较重要的问题之一。不同领域对于电动机的调速性能有着不同的要求，因此，不同的调速方法有着不同的应用场合。本文基于PWM的开环交流调速系统进行了研究，并设计出应用于交流电动机的开环变频调速系统。提出了PWM调速方法的优势，指出了未来PWM调速方法的发展前景，点出了研究PWM调速方法的意义。应用于交流电动机的调速方式很多，其中以PWM变频调

2、速方式应用最为广泛，而PWM变频器中，H型PWM变频器性能尤为突出，作为本次设计的基础理论，本文将对PWM的理论进行详细论述。在此基础上，本文将做出8051单片机控制的H型PWM变频调速系统的整体设计，然后对各个部分分别进行论证，力图在每个组成单元上都达到最好的系统性能。关键词：PWM；开环；变频调速；交流电动机目录第1章绪论1第2章 课程设计方案22.1 概述22.2 系统组成整体结构22.2.1 变频器22.2.2变频器的工作原理22.2.3 变频调速的基本原理32.2.4脉冲宽度调制技术4第3章 硬件设计63.1整体电路的设计63.2主电路的设计73.3整流电路设计73.4逆变电路的设计

3、83.5 光电隔离电路83.6 控制电路93.7 逆变驱动电路103.8 过压保护电路12第4章 软件的设计144.1 PWM波形生成方法144.2 程序流程144.3 单片机程序设计15第5章 系统测试与分析17第6章 课程设计总结18参考文献19第1章 绪论在交流调速中，交流电动机的调速方法有三种：变极调速、改变转差率调速和变频调速。其中变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能和可靠性不断完善，价格不断降低。变频调速是以变频器向交流电动机供电，并可以构成开环或闭环系统。变频器可以将原先固定的电压和频率的交流电源转换为可调电压和可调频率的交流电，所以变频器已经成为当今交流调速的核心部件。变频调

4、速是一种经典的交流电动机调速方法，交流电动机采用变频调速技术不仅能够实现无级调速，而且可以根据负载的不同，通过适当调节电压和频率的关系，使电动机始终在高效率区运行，并且保证良好的动态性能，因而被广泛使用。目前，应用较为广泛的变频调速系统主要有以下几种：1. 转速开环的变频调速系统所谓转速开环变频调速就是采用开环、恒压频比，并且带低频电压补偿的控制方式。该控制系统成本低及其结构简单，所以多用于风机等的节能调速上面。2. 转速闭环转差率控制的PWM变频调速系统利用电机稳定运行时，在转差率S很小的范围内，当磁通不变时，转矩与转差角频率成正比的关系来实现电动机较高性能调速，但其动态性能不够。3. 转速

5、、磁链双闭环矢量控制的电流滞环型PWM变频调速系统应用矢量控制理论，对转速、磁链进行分别控制，采用了滞环电流跟踪型PWM逆变器，所以其动态性能很好，还配有精确的转子磁链观测器，则系统都达到与直流电动机调速系统相媲美。第2章 课程设计方案2.1 概述本论文对于PWM变频调速系统进行了分析，并设计了一种以8051系列单片机为基础生成的PWM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的变化，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

6、型功率器件的应用更加安全。最后，为适应变频调速电动机的要求，设计了一套基于单片机生成的PWM控制逆变器来控制电动机的变频调速系统，对于硬件电路部分和实现控制策略的软件部分进行了设计。2.2 系统组成整体结构2.2.1 变频器变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交-直-交（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变

7、器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。2.2.2变频器的工作原理变频器是一种将电网电源整流后再逆变成频率、电压可变的交流电，供三相交流电动机专用的。电源装置变频调速的主装置的主回路由充电接触器、进线电抗器、充电电容、平波电容绢和6组SKIIP模块组成。而6个SKIIP模块组成两组三相桥式交流电路，其中一组为变频器输出逆变器；另一组为向发电电网反馈的逆变桥。在变频调速时，电动机的转矩Tmax=Cm(u/f)2式中：Cm-电动机常数；u-电源电压；f-电源频率。如果在改变f的同时同步改变电源电压u即可实现转矩T不变的调速性能，其原理图如图2.1所示。图2.1 变频器原

8、理图首先是将单相或三相交流电流电源通过整理器并经电容滤波后形成幅值基本稳定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。在这里通过改变矩形脉冲的宽度，控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时实现输出电压和频率的控制，而满足变频调速对u/f的协调控制要求。2.2.3 变频调速的基本原理异步电动机是依靠旋转磁场的作用而转动的，根据旋转磁场理论，有下列关系：n1=60f/p式中n1-定子旋转磁场转速，也叫异步电动机同步转速（r/min）；f-电源频率（Hz）；p-电动机的磁极对数。异步电动机的同步转速与实际转速n之差与同步转

9、速之比，叫异步电动机的转差率，以s表示 s=n1nn1=1nn1 （2.1） n1s=n1n （2.2） n=n1(1s) （2.3） n=60fp(1s) （2.4）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。如果连续的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。但是，为了保持在调速时电动机的最大转矩不变，必须维持电动机的磁通量恒定，因此定子的供电电压也要作相应调节。变频器就是在调整频率的同时还要调整电压，故简称VVVF（装置）。通过电工理论分析

10、可知，转矩与磁通量（最大值）成正比，在转子参数值一定时，转矩与电源电压的平方成正比。目前使用较多的是“交-直-交”变频器，将50Hz的交流电整流为直流电Ud，再由三相逆变器将直流逆变为频率可调的三相交流电供给鼠笼型异步电动机来实现变频调速。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，铁芯和线圈过热。2.2.4脉冲宽度调制技术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成电压脉冲序列，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。在变频调速中，前者主要应用于PWM斩波（DC-DC变换），后者主要应用于PWM逆变（DC-AC变换），PWM脉宽调

11、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，但绝不是最优信号。采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率,这样就达到对交流

12、电动机的变频调速的目的。PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。图2.2 PWM波形第3章 硬件设计3.1整体电路的设计交流变频调速系统原理框图如图3.1所示，从结构上主要分为控制部分和执行部分。单片

13、机、时钟电路、通讯接口、键盘与显示电路、光电耦合、IPM逆变器、整流模块等组。执行部分为三相异步交流电动机。主电路由：整流电路、逆变和逆变驱动电路、检测电路、滤波电路等组成，控制电路主要是8051控制电路和人机接口电路组成。图3.1 PWM变频调速整体电路图3.2主电路的设计主电路为单相全桥逆变电路，主开关管采用GTR，输出100V，50-400Hz频率可调的交流电压由单片机输出两路互补（有一定死区时间）单极性PWM波来控制该逆变电源。对输出PWM波的最小输出问题进行了处理，采用汇编语言对中断服务子程序进行编程，使得PWM波形中最小脉冲的宽度达到了3us,这个宽度（时间）基本达到实验中所用GT

14、R的最小开关周期。该系统主电路如图3.2所示，以8051为控制核心，采用交-直-交电压源变频器结构。图3.2 PWM变频调速系统主电路图3.3整流电路设计采用三相桥式不可控整流电路将交流电整流成直流电，电路如图3.2左半部分由6个二极管组成。通过二极管的峰值电流为：Im=21.414In=21.4140.5=1.42A （3.1）通过二极管电流的有效值： Id=f0120Im2d(t) （3.2）二极管电流额定值： I_n=2Id/1.57=1.04 （3.3）整流二极管的额定电压为： Ud=3Um=31.414220=933V （3.4）根据上面计算的电压和电流以及市场价格和供货情况，实际选

15、用的整流二极管为5A、1000V。3.4逆变电路的设计逆变电路的功率器件选用6个GTR和6个快速续流二极管。IGBT正反向峰值电压为： Um=1.414220=311V （3.5）考虑到23倍的安全系数，取耐压值为1000V。通态峰值电流： Im=21.414In=21.4140.5=1.41A （3.6）考虑1.52倍安全系数，取电流额定值为5A。续流二极管的耐压和续流计算与上相同，考虑到市场价格和供货情况，实际选用GTR为GT25Q101，续流二极管为MUR860。3.5 光电隔离电路为了使控制电路和主电路可靠隔离，系统又另外采用了快速光耦6N137进行主电路和控制电路的进一步隔离。6N1

16、37，其隔离电压为3KV，频率在10MHz以上，具有体积小，寿命长，抗干扰性强，隔离电压高，速度快，能与TTL逻辑电平兼容等优点，考虑到光耦采用集电极输出，当输入在默认状态都为低电平的时候，光耦输出都为高电平。若这样直接接IR2132半桥电路时，会使上下桥臂IGBT同时导通，即直通，因此在光耦输出后面接有CD4049反相器，使初始输出状态为低电平。图3.3 光电隔离电路图3.6 控制电路考虑8051的PWM口只有4mA电路输出，无法直接驱动光耦，因此在光耦前加CMOS反相器增加驱动能力。由于8051芯片的PWM的输出电平范围为0.2V3.3V，而CMOS的输入高、低电平的门限值分别为3.5V、

17、1.5V，因此，当8051芯片的PWM口直接接74LS04反相器时，反相器无法正常工作。图3.4 单片机接口电路图3.7 逆变驱动电路一个理想的GTR驱动器应具有以下基本性能：（1） 动态驱动能力强，能为GTR栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲；（2） 有足够的输入输出电隔离能力；（3） 具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿；（4） 输入输出的信号无延时；（5） 再出现短路、过流的情况下，迅速发出过流保护信号，供控制回路进行处理。在功率变换装置中，根据主电路的结构，其功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式，采用隔离驱动方式时需要将多路驱动电路、控制电路、主电路互相隔离，以免引起灾难性后果。

18、电磁隔离可分为光隔离驱动和电隔离驱动两种方式。光电隔离具有体积小，结构简单等优点，但存在共模抑制能力差，传输速度不是很快，一般快速光耦的速度可达几十千赫兹。电磁隔离用高频脉冲变压器作为隔离元件，具有响应速度快，原副边的绝缘强度高，共模干扰抑制能力强。但信号的最大传输速度受磁饱和特性的限制，因而信号的顶部不易传输，而且最大占空比受到限制。IR2132可用来驱动工作在母电线电压不高于600V的电路中的功率MOS门器件，其可输出的最大正向峰值驱动电流为250mA，而反相峰值驱动电流为500mA。它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络，使用户可方便的用来保护被驱动的MOS门驱动管，加之内部自

19、举技术的巧妙运用，使其可用于高压系统，它还可对 同一桥臂上下两个功率器件的门极驱动信号产生0.8s互锁延时时间。它自身工作和电源电压的范围较宽（320V），在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的3个通道的高压侧驱动器和低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的3个低压侧驱动器，并且输入信号与TTL及CMOS电平兼容。如图3.5所示。综上所述，本系统电路选取C1=0.22f，且耐压大于35V的电容。图3.5 IR2132驱动三相逆变桥3.8 过压保护电路电压保护功能分为过电压保护和欠电压保护两大类，对于通常电压型逆变器，直流回路是能量传递和转

20、换的通道，电网电压波动通过三相整流桥影响直流电压UDC，减速时因反馈能量来不及释放而生成的再生过电压，使直流电压UDC升高，如不采取相应的保护措施，很容易造成逆变桥的损坏，过压、欠压保护电路如图3.6所示：图3.6 过压、欠压保护电路电压检测信号取自直流母线电压UDC，即图中P，N两点之间的电压。根据所选IGBT的规格和用户对系统性能的要求，来设定过压与欠压的限值，然后选择R1、R2、R3的阻值来获得适当的采样电压信号，再经T型滤波器分别送入两个比较器的同相端和反相端。正常时，过压和欠压保护都输出高电平，经经两个与门后还是高电平，单片机的保护控制不动作；过压时，上面的同相比较器动作，输出低电平

21、，发光二极管LED1亮，同时经光耦隔离后，过压保护输出低电平，经过两个与门后，单片机的中断引脚获得一个下降沿信号，引起单片机的功率驱动保护中断，立刻封锁六路PWM信号输出，同时，IR2132的FAULT引脚也获得一个低电平信号，制动IGBT导通，系统进入能耗制动；欠压时，下面的反相比较器动作，输出高电平，发光二极管LED2亮，经光耦隔离后输出低电平。第4章 软件的设计4.1 PWM波形生成方法利用C8051的PCA计数器产生PWM波形的基本原理是：在高速输出并且允许CCF中断方式下，不断在CCF中断服务程序中将事先计算好的PWM波形的脉冲宽度累加到捕获/比较模块寄存器PCA0CPn中，这样在捕

22、获/比较模块寄存器和计数/定时器相匹配时就得到相应的PWM波形不断交替的高低电平。如果选用捕获/比较模块0输出此路PWM，则首先将10装入16位捕获/比较模块寄存器PCA0CPn中，并且将16位计数/定时器PCA0H和PCA0L清零，然后启动PCA计数器；当捕获/比较寄存器的数值与计数/定时器的数值相等时，CEX0引脚就会由原来的低电平跳变为高电平，并且产生一个CCF中断；然后在中断过程中又将l1累加到PCA0CP0上。这样，周而复始，CEX0引脚上不断产生交替的高低电平，从而在其所对应的端口I/O上得到准确的PWM波形。4.2 程序流程主程序流程如图4.1所示，在系统初始化过后首先通过键盘设

23、置输出频率，然后进入PWM脉宽计算程序，根据所设置频率选择调制比N，计算脉宽并确定max。在PWM输出程序中，对PCA特殊功能寄存器进行设置并启动计数器运行，开始输出PWM波形。在中断服务程序中，首先根据CCFn的值来判断发生匹配的捕获/比较模块，然后根据该模块CEX引脚上的电平状态判断是将PWM波形的高电平脉宽还是低电平脉宽值累加到捕获/比较模块寄存器上；同时，根据脉宽数据指针与max是否相等来确定一个PWM周期的结束和下一个周期的开始，以便正确载入对应的数据。当载波比N发生变化时，max的值会发生变化。图4.1 程序流程图4.3 单片机程序设计其程序主要包括主程序和中断处理程序。（1） 程

24、序主要完成各接口芯片的初始化，给相应的内存单元赋初值。（2） INT0中断程序主要用于启动定时器。当交流电压信号由负到正，过零时，外部响应中断，执行INT0中断服务程序，启动T0计数。T0中断程序用于控制整流电路中可控硅晶闸管的移相角变化，由于整流电路的整流输出电压：U0=2.34U2cos（60）所以改变可以改变直流电压的大小。T1中断程序主要用于控制逆变电路中可控硅晶闸管的导通、关断时间，从而改变交流电源的频率。因此，这个程序依据相应算法的结果可以改变电动机的供电频率。（3） 设置T0初始值的问题：在实际运用中，给T0一个初始值，使得当T0溢出时，CPU通过I/O引脚发出控制信号来控制VT

25、1导通。控制信号产生半个周期后，再产生下一个控制信号来控制VT2的导通。为了保证这一过程中时间差的实现，给T0设定的初始值必须符合要求，即这一时间间隔在允许范围内要尽可能小。（4） 修改T1初始值的问题：变频电源的频率f与T1初始值的设定有重要的联系，因为变频电源的频率给定电压的信号决定，同时，根据输入的设定值来运算并自动改变输出的信号。图4.2 中断程序结构框图第5章 系统的测试把交流电动机、变频调速他系统、控制单元、测速发电机按要求连接。开通主电源，并通过单片机的按键进行调节来控制整流电路和逆变电路，使得交流电动机的给定电压和频率发生变化，缓慢增加给定电压,使电机升速,调节给定电压和负载使

26、交流电动机的电枢电流Id=1.1A,转速达到1200r/min。在测试过程中逐步增大负载电阻的阻值（即减小负载）就可测出该系统的开环机械特性n=f（I2），将其记入下面的表格：n(r/min)120011761153113611231108108011481032I(A)0.30.40.50.60.70.81.01.31.5然后将电机反转，增加给定（负给定）使电机反向升速，调节给定电压和负载使交流电动机的电枢电流Id=1.1A,转速分别达到-1200r/min。在测试过程中逐步增大负载电阻的阻值（即减小负载）就可测出该系统的开环机械特性n=f（I2），将其记入下面的表格：n(rpm)12001

27、1751150113011251105108511501030I(A)0.30.40.50.60.70.81.01.31.5图5.1 交流电动机的开环机械特性第6章 课程设计总结本设计是基于C8051系列单片机控制的开环PWM变频调速控制系统的设计，主要介绍了变频调速技术，脉宽调制技术、单片机程序设计等问题，这是一个非常使用的系统。系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两大部分。变频调速技术作为高新技术、基础技术、和节能技术，已经渗透到经济领域的所有技术部门中。我国以后在变频调速技术方面应积极做的工作如下：（1） 应用变频调速技术来改造传统的产业，节约能源及提高产品质量，获得较好的经济效益和社会

28、效益。（2） 大力发展变频调速技术，必须把我国变频调速技术提高到一个新水品，缩小与世界先进水平的差距，提高自主开发能力，满足国民经济重点工程建设和市场的需求。（3） 规范我国变频调速技术方面的标准，提高产品可靠性工艺水平，实现规模化、标准化生产。纵观整个设计，经典部分是已学过的知识，通过课程设计，深入理解了工程设计方法，扩展了知识面，各门课程综合应用，收益颇多，使我对开环PWM变频调速系统的控制有了更深的认识，但由于理论水平有限，仍有许多不足之处有待解决，在以后的学习和生活中，我会更加努力的学习专业知识来拓展自己的专业知识水平。参考文献1 陈伯时电力拖动自动控制系统第3版机械工业出版社，20122 李良人.变频调速技术与应用M.电子工业出版社，20043 和超.交流变频调速技术M.北京航空航天大学出版社，20054 王兆安.电力电子技术M.第5版.机械工业出版社，20125杨兴姚电动机调速的原理及系统北京水利电力出版社，20036吴守箴，藏英杰.电气传动的脉宽调制控制技术M .机械工业出版社，19957 梅丽凤.单片机原理及接口技术.北京交通大学出版社，20098 张毅刚.单片机原理及应用M.高等教育出版社，200419