基于单片机的SPWM变频调速器设计.doc
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1、摘要变频器具有调速精度高、响应快、保护功能完善、过载能力强、节能显著、维护方便、智能化程度高、易于实现复杂控制等优点。从变频器技术发展来看,电动机交流变频技术将成为今后工业自动化的主要对象之一,是当今节能、节电、改善工艺流程,以及提高产品质量和改善环境、推进技术进步的一种主要手段。变频器的发展趋势是小型化、智能化、多功能、大容量、低价格的方向。本文重点介绍了C8051F040单片机硬件和软件设计,硬件电路方面详细阐述了单片机的最小系统及外围电路;软件设计方面,首先,通过单片机的可编程计数器阵列PCA来实现输出频率可变的正弦脉宽调制控制波形,具体包括PCA的设置和16位SPWM实现的软件编程;其
2、次,给出单片机内部的频率捕捉程序和软件设计;最后,分析了单片机最小脉冲的解决方法。该SPWM波形控制方法简单,精度较高,效率高,实时性好。目前市场相继推出的数字式SPWM变频器中,大多数都采用了专用的SPWM芯片(如HEF4752,SLE480).这样可以使编程简单,但增加了投入,鉴于此,本设计主要是通过单片机的控制,产生SPWM波形的变频器,从而降低变频器的成本,可以使变频器得以推广。关键词:单片机,SPWM ,变频器DESIGN OF SPWM FREQUENCY CONVERTER BASED ON SINGLE CHIP MICROCOMPUTERABSTRACTFrequency c
3、onverter speed control precision, fast response, good protecting function, strong overload capacity, energy saving significantly, convenient maintenance, high intelligent degree, easy to realize complex control, etc. From the inverter technology, ac. frequency conversion electric motor technology wi
4、ll become one of the main object in industrial automation, is the energy saving, power saving, improve process flow, and improve product quality and improve the environment, one of the main means to promote technological progress. Inverter is the development trend of miniaturization, intelligent, mu
5、lti-functional, large capacity, low price direction. 自动检测 汉-英 汉-日 汉-韩 汉-法 英-汉 日-汉 韩-汉 法-汉This article focuses on the C8051F040 microcontroller hardware and software design, hardware circuit aspects in detail elaborated the SCM smallest system and the peripheral circuit; Software design aspects, firs
6、t of all, through the single-chip microcomputer programmable counter array PCA to realize the output variable frequency sinusoidal PWM control waveform, including the setting of PCA and 16-bit SPWM realization of software programming; Second, given the frequency of the single chip microcomputer inte
7、rnal capture program and software design; Finally, the paper analyzes the single chip microcomputer minimum pulse solutions. The SPWM waveform control method is simple, high precision, high efficiency and good real-time.Launched digital SPWM inverter in the market at present, most of them adopt the
8、SPWM dedicated chip (such as HEF4752, SLE480). This allows the programming is simple, but increase the investment, in view of this, this design is mainly controlled by MCU, produces SPWM waveform of the inverter, and reduces the cost of the inverter, can make the inverter to promotion.KEY WARDS: sin
9、gle chip microcomputer, SPWM, the inverter目录摘要I1 绪论11.1 国内外的发展现状11.1.1 国内的发展现状11.1.2 国外的发展现状11.2 研究背景21.3 本论文的组织和结构32 变频器的控制及其原理42.1 变频器简介42.1.1 变频器的分类42.1.2 变频器的应用领域42.2 变频器的原理42.2.1 交交变频42.2.2 交直交变频52.2.3 变频器的电路图62.3 SPWM变频器IGBT输出的调制方式72.3.1 SPWM原理72.3.2 SPWM的调制方式82.4 U/f的控制方式113 硬件设计133.1 硬件系统原理框
10、图及其总体方案133.1.1 系统结构框图133.1.2 专用芯片SLE4520结构及简介133.2 C8051单片机简介153.2.1 单片机的发展153.2.2 单片机的最小系统153.2.3 单片机的键盘及显示电路163.3 IGBT驱动及其电路203.3.1 IGBT 简介203.3.2 IGBT驱动203.3.3 IGBT的保护电路223.4 控制电路设计234 软件设计254.1 SPWM波的生成254.1.1 计数器阵列PCA254.1.2 SPWM波形的生成274.2 16位的SPWM软件编程284.3 频率的捕捉程序294.4 最小脉冲问题分析305 结论与展望315.1 变
11、频器的结论315.2 设计的展望31参考文献33致谢36V1 绪论随着电力电子技术和微机控制技术的进步,为交流电力拖动的开发创造提供了更有利的发展条件。而全球能源危机更促进了具有节能作用的交流传动系统的推广和使用。随着变频器的普及,其在国民生产及建设中扮演着越来越重要的角色。1.1 国内外的发展现状1.1.1 国内的发展现状 目前,在国内有不低于200家的低压变频器厂商,其大部分为AC380V的低压产品,而在高压大功率变频器方面,在30家左右。由于罗宾康没有在中国申请专利保护,因此绝大多数厂家都采用美国罗宾康的技术即单元串联多重化结构。国内变频器产品多为通用的电压等级为AC (Alternat
12、ing Current) 380V的中小功率产品,而在变速恒频风力发电系统所需要的高压大功率双向变频器,成熟产品不多。国内对变速恒频风力发电有较深研究的大学有:清华大学、沈阳工业大学、浙江大学等。从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距1015年。在数字化系统可靠性方面与国外还有相当差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组起动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷场机方面有很大需求。在中小功率变频技术方面,国内几乎所有的产品都是普通的V/F控制,仅有少量的样机采用矢量控制,品种与质量还不能满足市场需要,每年大量进口。 随着技术研究的进一步深入,在理论上和功能上国产变频器与进口的
13、变频器相比肩,但受工艺技术的限制,与进口产品的差距还是比较明显。例如,国外各大品牌的产品正加紧占领国内市场,并加快了本地化的步伐;具有研发能力和产业化规模的逐年增加;国产高压变频器的功率也越做越大,国内高压变频器的技术标准还有待规范;与变频器相关的产业很不发达;生产工艺一般,可以满足变频器产品的技术要求,价格相对低廉;变频器中使用的功率半导体关键器件完全依赖进口,而且相当长时间内还会依赖进口;与发达国家的技术差距在缩小,具有自主知识产权的产品正应用在国民经济中;已经研制出具有瞬时掉电再恢复、故障再恢复等功能的变频器;部分厂家已经开发出四象限运行的高压变频器,矢量控制的高压变频器也已经在使用。1
14、.1.2 国外的发展现状国外各大品牌的变频器生产商,起步较早,初步形成了系列化的产品,如ABB公司的ACS-1000系列,Simense公司的SIMOVERT MV系列,AB公司的Power Flex 7000系列等,其控制系统也己实现全数字化。ABB公司的ACS-1000系列采用了IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors)器件,功率范围为315KW-5000KW,输出电压范范围为2.3 kV-6 kV,电压源型三电平结构并提供有源前端( AFE,Active Front围为2.3 kV-4 kV,采用电压型三电平结构,并提供有源前端( AFE,A
15、ctive Front End)技术,可以实现能量双向流动。SIMENSE公司的SIMOVERT MV系列采用最新的HV-IGBT(High-Voltage Insulated Gate Bipolar Transistor)器件,输出电压End)技术。ABB公司的Power Flex 7000系列采用6.3KV 800A/1500A的SGCT (Symmetrical Gate Commutated Thyristors)器件,功率范围为150KW-6770KW,输出电压范围为2.3 kV-6 kV,兀需熔断器,有12脉冲整流和PWM整流两种整流方式,提供AFE有源前端技术,可以实现能量的双
16、向流动。目前,在发达国家,只要有电机的场合,就会同时有变频器的存在。其现阶段发展情况主要表现如下:技术开发起步早,并具有相当大的产业化规模;能够提供特大功率的变频器,目前已超过10000KW;变频调速产品的技术标准比较完备;与变频器相关的配套产业及行业初具规模;能够生产变频器中的功率器件,如IGBT、IGCT、SGCT等;高压变频器在各个行业中被广泛应用,并取得了显着的经济效益;产品国际化,当地化加剧;新技术,新工艺层出不穷,并被大量的、快速的应用于产品中。1.2 研究背景中国产值能耗是世界上最高的国家之一,要解决产品能耗高的问题,除其它相关的技术需要改进外,变频调速技术已成为节能和提高产品质
17、量的有效措施,变频调速的重要性日益得到了国家的重视,在国内推广变频器调速技术有着非常重要的意义和巨大的经济及社会价值。据有关资料分析,我国能源利用率为30%,比国外先进水平低约20%,估计节能潜力约为每年3亿吨煤,再加上我国存在大量可利用的工业“三废”和可利用的再生资源,环境管理也要求节能防污染,推广节能为主的方针确实是国家的头等大事。国家“十二五”提出继续坚持走“资源节约型,环境友好型”发展道路,这也为变频器的推广和使用奠定了坚实的基础。伴着变频器的应用范围不断扩大,其产品也有两个方向,一是无需调整就能得到最佳运行的高性能变频器,另一是通过简单的控制就能运行的小型及操作方便的变频器。除此之外
18、,还有是从安全环保的角度考虑,对变频器提出一些要求:扩大调速范围;确保高起动转矩;抑制输入电流的高次谐波;价格便宜;体积小,重量轻。电压型正弦脉宽调制(SPWM)变频器以其独有的技术优势而的到快速的发展和使用。在SPWM波形生成法中,已很少采用模拟的方法。数字方法在可靠性、灵活性、可控性等方面具有模拟方法无法相比的优越性。目前市场相继推出的数字式SPWM变频器中,大多数都采用了专用的SPWM芯片(如HEF4752,SLE480)。这样可以使编程简单,但增加了投入,鉴于此,本变频器采用C8051单片机实现输出频率可变的SPWM波形,并将输出的SPWM波形去控制交流电机。1.3 本论文的组织和结构
19、本文组织和结构如下:第一章绪论,阐述了变频器国内外发展现状以及研究背景,并且点明了主要的研究内容;第二章分析了该变频器各个组成部分的原理,包括变频器的原理,SPWM技术原理,及U/f控制方式;第三部分是硬件设计部分,首先画出系统原理框图及对应的主电路图,之后画出并分析单片机的最小系统及相应的单片机外围电路,其次给出IGBT简介及其驱动,最后介绍驱动保护电路;第四部分是软件设计,在软件设计中主要是利用C8051单片机可编程计数器阵列PCA来实现输出频率可变的SPWM波形,从而控制交流电机进行变频工作。具体包括SPWM波形生成,可编程计数器阵列PCA的设置,16位的SPWM软件编程,频率的捕捉,程
20、序流程图和最小脉冲问题分析;最后,给出变频器的相应的结论及展望。2 变频器的控制及其原理2.1 变频器简介变频器是新型的对交流电动机进行变频调速的装置,近年来随着电力电子技术、微处理控制技术和自动控制技术的迅速发展,变频器具有的调速精度高、响应快、保护功能完善、过载能力强、节能显著、维护方便、智能化程度高、易于实现复杂控制等优点。从变频器技术发展来看,电动机交流变频调速技术将成为今后工业自动化的主要发展对象之一,是当今节能、节电、改善工艺流程,以及提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频器的发展趋势是 向小型化、智能化、多功能、大容量、低价格的方向迅速发展的。 2.1.1 变频
21、器的分类(1)按变频器的结构分变频器可分为直接变频(交交变频)和间接变频(交直交变频)。在交直交变频中按直流侧性质,有电压型和电流型变频器;按输出电压调节方式,有脉冲幅值调制(PAM)和脉冲宽度调节制(PWM)。(2)按变频器的应用领域分有通用变频器和专用变频器等。在工程实际中使用的变频器大多是交直交脉冲宽度调制。2.1.2 变频器的应用领域交流电机变频调速已成为当代电动机调速的潮流,它以体积小、重量轻、转矩大、精度高、功能强、可靠性高、操作简便、便于通信等功能优于以往的任何调速方式,因而在钢铁、有色、石油、石化、化纤、纺织、机械、电力、电子、建材、煤炭、医药、造纸、注塑、卷烟、吊车、城市供水
22、、中央空调及污水处理行业得到普遍应用。国内变频器大多是日、美、欧发达国家变频调速技术进入我国市场和国产企业联合的产物,变频器在技术上向高性能、模块化、专用化、多功能发展。用量不断增加,价格不断降低,行业组合兼并的结果,有向国外拓展的可能。2.2 变频器的原理2.2.1 交交变频 交交变频器可将工频交流电直接转换为可控频率和电压的交流电,由于没有中间直流环节,因此称为直接式变压变频器。有时为了突出其变频功能,也称为周波变换器。 交交变频器输入功率因数低,谐波含量大,频谱复杂,最高输出频率不超过电网频率的一半,一般只用于轧钢机主传动、球磨机等大容量、低转速的调速系统,供电给低速电动机传动时,可以省
23、去庞大的齿轮箱。2.2.2 交直交变频 交直交变频是现代我们常使用的变频器,因此,本章主要以交直交变频器为例,来介绍变频器的结构及其原理。交直交变频器是先将工频交流电经过整流变换成直流,再经过逆变器变换成频率和电压可空的交流电。交直交变频器的电路可分为控制电路、整流电路、中间电路和逆变电路四个主要部分。其电路图2-1:图2-1 交直交变频器结构原理图(一)控制电路变频器的控制电路是变频器的核心部分之一,控制电路将信号传递给整流电路、中间电路和逆变器,同时控制电路也接收来自这些部分的反馈信号。简单说,就是控制电路要控制变频器的半导体器件,进行变频器与周边电路的数据交换并收集和处理故障信息还要执行
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- 基于 单片机 SPWM 变频 调速器 设计