基于电力电子与电力传动教学实验台用单片机实现正弦脉宽调制和电压空间矢量脉宽调制.doc

毕业设计（论文）封面1毕业设计（论文）题目：交流异步电动机的速度闭环控制及其硬件实现英文题目：ExchangesTheAsynchronousMotorSpeedClosed-loopControlAndTheHardwareRealization系别：电子与机械工程系学生姓名：班级：指导教师：专业：自动化二零零六年六月毕业设计（论文）摘要2摘要近年来，由于直流调速的局限性和交流调速的优越性，以及计算机技术和电力电子器件的不断发展，交流异步电动机变频调速技术正在快速发展中。在现代微机技术的快速发展下，计算机运行速度不断加快提高，指令的执行速度也达到了前所未有的高度，使得复杂算法应用计算机来进行实时运算，执行成为可能。经过最近几十年的应用开发，交流异步电动机的变频调速性能已经优于直流调速系统。所以，本设计针对交流异步电动机的速度闭环控制及变频调速技术的研究是非常有必要的。本文基于电力电子与电力传动教学实验台用单片机实现正弦脉宽调制和电压空间矢量脉宽调制的方法，实现对闭环控制异步电机的变频调速。交流调速的脉宽调制（PWM）控制技术在电子领域是一个非常重要的技术，也是本设计之所以能实现速度控制的关键之一，所以本设计花了大篇幅加以介绍。文中第四章，针对实现本设计涉及到的芯片加以详细的说明。然后第五章介绍了系统各组成部分框图。并在第六章中详尽地对调速系统的应用作了抗干扰分析，主要包括硬件抗干扰措施和软件抗干扰措施了个方面，所以能够很好的实现对系统的设计要求，精确的达到变频调速的目的。最后本设计在一台三相异步电动机上进行了试验调试，实验结果表明：SVPWM调制比SPWM调制时电机电流的谐波小，电压利用率高，电机的高频噪声低。关键词PWM；变频调速；闭环控制毕业设计（论文）Abstract3AbstractRecently,fortheDCadjusting-speedsystemhasmanylimitations,theACadjusting-speedsystemhasmanymeritsandwiththedevelopmentofnewpowerelectroniccomponentandcomputertechnology.thetechnologyofASAsynchronousMotorvariable-frequencyadjusting-speedhasbeeninfastdevelopment.Thespeedofcomputerisconationtonallyincreasinganditsexecute-instructionapedhadbeenonaveryhighlevel.Withtodaysmicrocomputertechnologysswiftdevelopment.itmakesitpossiblethatthereal-timesystemofcompelsarithmeticcouldruninacomputer.Theadjusting-speedabilityofACasynchronousMotorhadbeenalreadybetterthanDCadjusting-speedsysteminthepastseveralyears.Sothisthesisisverynecessarytodescribeit13。ThisthesisdescribestheimplementationsofSinePulseWidthMod-ulation(SPWM)usingsinglechiponateachingplatformofeclecticpowerelectrondrive,andachievesthepurposeofvariable-frequencyadjusting-speedforinductionmotor。Theexchangevelocitymodulationpulse-durationmodulation(PWM)controltechnologyintheelectronicdomainisanextremelyimportanttechnology,alsoisthisdesignthereasonthatcanrealizeoneofspeedcontrolkeys,thereforethisdesignspentthegreatlengthtointroduce.Inthearticlethefourthchapter,inviewofrealizesthechipwhichthisdesigninvolvestoperformthedetailedexplanation.Thenthefifthchapterintroducedthesystemeachconstituentdiagram.Andshouldserveastheantigamblinganalysisexhaustivelyinthesixthchaptertothevelocitymodulationsystem,mainlyincludedthehardwareantigamblingmeasureandasoftwareantigamblingmeasureaspect,thereforecouldtheverygoodrealizationtothesystemdesignrequest,preciseachievethefrequencyconversionvelocitymodulationthegoal。Thedesignschemeistestedanddebuggedonanthree-phaseasynchronousmotorintheend,andtheresultsshowthatthemethodofSVPWMhaslowercurrentharmonic,moreefficientuseofsupplyvoltage,lowernoisethanthesinepulsewidthmodulation(SPWM)15。KeywordsPWM；variablefrequencydrive；closed-loopcontrol毕业设计（论文）目录4目录摘要与关键词英文摘要与关键词绪论1.异步电动机变频调速原理11.1变频调速的基本控制方式11.1.1基频以下调速11.1.2基频以上调速21.2恒压恒频时异步电动机的机械特性22.闭环调速系统42.1原理介绍42.2PID算法及其改进52.3单片机控制调速的实现63.交流调速的脉宽调制（PWM）控制技术73.1正弦波PWM调制原理73.2SPWM信号的产生93.3SPWM的数字控制94.PWM变频调速系统的硬件设计134.1系统硬件框图134.2.IPM选择134.3系统保护电路155.芯片介绍165.1C8051芯片165.2PWM的专用芯片HEF4752185.3键盘显示专用芯片Intel8279205.4编程和记数定时器芯片8253215.574LS373；74LS138；2764；6264；74LS245芯片介绍226.系统各组成部分框图246.1逆变器触发单元设计246.2转速检测电路247.系统的抗干扰措施257.1硬件抗干扰措施257.2.软件抗干扰措施25结论27致谢28参考文献29附录1汇编程序代码30附录2系统原理图51毕业设计（论文）绪论1绪论现状：目前，国内变频调速系统的研究非常活跃，再加上调速系统所运用到的电动机具有高效、节能、低振动、低噪声、性能可靠、安装维护方便等特点，因此，为了加快国内变频调速系统的发展，许多技术人员和科技工作者都投入了大量的精力来对变频调速系统加以研究，开发和改善。由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。扩展卡尔曼滤波、FFT、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等等均应用到了各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。交流异步电动机的调速方式有多种，诸如调压调速、变极调速、串级调速、滑差调速、变频调速等，其中变频调速具有节能显著、性能稳定的特点，是当今国际上应用最广泛的一种调速方式。而本设计就是运用变频技术来对交流电机加以精确的速度控制。PWM技术是本设计的一个重要的模块，它是交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种PWM控制方式完成的。目前已经提出并得到实际应用的PWM控制方案就不下十几种，关于PWM控制技术的文章在很多著名的电力电力国际会议上，如PESC，IECON，EPE年会上已形成专题。尤其是微处理器应用于PWM技术并使之数字化以后，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。到目前为止，还有新的方案不断提出，进一步证明这项技术的研究方兴未艾。其中，空间矢量PWM技术以其电压利用率高、控制算法简单、电流谐波小等特点在交流调速系统中得到了越来越多的应用。同时，本设计也对涉及到的逆变电路作了大篇幅的介绍。目前，研究较多的大功率逆变电路有：多电平电压型逆变器，变压器耦合的多脉冲逆变器，交交变频器，双馈交流变频调速系统。展望：在交流调速的研究与制造过程中，硬件的设计与组装占了相当大的比重。电机制造以及调速装置的制造需要大批的技术熟练工人，对人员的素质有一定要求。而国外相关产业的人工成本相对较高，在近十年内，交流调速的制造业有可能向发展中国家转移。对中国来说，这也是一个机遇，如果我们抓住这个机会，再利用本身的市场有利条件，有可能在我国形成交流调速系统的制造业中心，使我国工业上一个新的台阶。需要注意的是发达国家在高技术领域是不会轻易放弃的，他们非常注意核心技术及软件的保护和保密，为此，必须加大该领域的科研与开发的力度。逆变电路中采用新型功率器件-智能功率模块IPM是本系统的又一特色。IPM内部集成毕业设计（论文）绪论2了高速、低耗的IGBT芯片和优化的门极驱动及过流、短路、欠压和过热保护电路，它提高了系统的性能和可靠性，降低了系统成本，缩短了产品开发周期，是值得推广的产品开发途径。对异步电机高效率的追求正成为制造界的一种潮流，而基于效率的电机优化技术也普遍受到电机界的关注。所以，对于交流异步电机的利用将来一定会越来越广泛，越来越普遍2。毕业设计（论文）异步电动机变频调速原理11.异步电动机变频调速原理系统的工作原理介绍：由异步电动机的转速公式n=60f1(1-s)/p可知,当转差率变化不大时,基本上正比于f1,所以改变供电电源频率f1,即可调节异步电动机的转速。这种调速方法,可以获得很大的调速范围,很好的调速平滑性和相对稳定性3。1.1变频调速的基本控制方式在进行异步电机调速时，希望保持电机中每极磁通量m为额定量不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，也不能产生足够的电磁力矩，影响电机的加减速时的快速性；如果增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。三相异步电机定子每相电动势的有效值是Eg=4.44f1N1kNm（1-1）式中，f1定子频率；N1定子每相绕组串联匝数；kN基波绕组系数；m每极气隙磁通量。由式Eg=4.44f1N1kNm可知，N1、kN是常数，只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通m的目的。对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。1.1.1基频以下调速由公式（1-1）可知，要保持m不变，当频率f1从额定值f1向下调节时，必须同时降低Eg,使Eg/f1=常值，即采用恒定的电动势频率比的控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以直接测量的，当电动势的值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压U1Eg,则得：U1/f1=常值，这是恒压频比的控制方式。低频时，U1和Eg都较小，定子漏阻抗压降所占的份量就比较显著，不能再忽略，这时，可以人为的把电压U1抬高一些，以便近似的补偿定子漏阻抗压降。其控制特性如（图1-1）所示。1-不带定子压降补偿2-带定子压降补偿图1-1恒压频比控制特性毕业设计（论文）异步电动机变频调速原理21.1.2基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从f1向上增高，但电压U1却不能超过电机的额定电压U1，最多只能保持U1=U1。由式（11）可知，这将迫使磁通与频率成反比的降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上的情况结合起来可得图2.2所示的异步电动机变压变频调速控制特性。如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，即电机都能在温升允许情况下长期运行，则转矩基本上随磁通变化。据拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质；而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”4。图1-2异步电机变压变频调速控制特性1.2异步电动机电压、频率协调控制的稳态机械特性恒压恒频时异步电动机的机械特性根据电机学原理，在下述假定条件下：（1）忽略空间和时间谐波，（2）忽略磁饱和，（3）忽略铁损，异步电动机的稳态等效电路如（图1-3）所示。图1-3异步电机稳态等效电路图R1、R2定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；Ll1、Ll2定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；Lm定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；U1、1电动机定子相电压和供电角频率；S转差率；Eg气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势；Es定子全磁通的感应电动势；毕业设计（论文）异步电动机变频调速原理3当异步电动机定子电压U1和电源角频率1都是恒定值时，电机的机械特性方程式为：（1-2）当s很小时，可忽略上式分母中含s的各项，则（1-3）即s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性Te=f(s)是一段直线。图1-4恒压恒频时异步电动机的机械特性当s接近于1时，可忽略式（14）分母中的R2，则（1-4）即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时，Te=f(s)是对称于原点的一段双曲线。当s为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如（图1-4）所示本文设计的PWM变频调速系统。它的工作原理是：采用三相二级管整流电路所示。将三相交流电变成直流电；整流后的电压波形是脉动的，脉动的直流电经过平波电抗器Ld,滤波电容C的滤波后变为电压恒定的直流电，再经过逆变电路将直流电变成交流电，完成交-直-交的变化过程，最后加到异步电动机上5。