小容量异步电动机变压变频调速系统—电压采样电路设计.doc

小容量异步电动机变压变频调速课程设计小容量异步电动机变压变频调速系统电压采样电路设计small-capacity transformer asynchronous motor frequency control system - voltage sampling circuit design学 生 姓 名: 指 导 教 师: 摘 要 随着国民经济的快速发展，新的电力电子器件和微处理器的推出以及交流电机控制理论的发展，交流变频调速技术取得了巨大的技术进步，高性能调速成为电机调速的研究热点，于是广泛地应用于交流调速的异步电动机的设计和分析问题日渐受到人们关注。本课题就是以此为背景介绍了基于单片机的小容量异步电动机变压变频调速系统。本文设计了异步电动机变压变频过程中的电压采样电路，包括2路交流电压和1路直流电压，通过a/d转换电路将采样电路的模拟量转换为数字量，再将数字量交给单片机处理，通过单片机生成的pwm脉冲来控制逆变器的驱动电路。分析了整个采样电路在调速系统中的重要作用。 关键词:异步电动机； 变压变频调速； 电压采样电路i abstractalong with the fast development of the countrys economic, with the appearance of new power electron apparatus and microprocessor, also with the development of the control theory on the ac induction motor, the technology of variable-frequency has made tremendous progress. so widely used in ac induction motor speed control design and analysis issues have become increasingly subject to attention.this paper presents a scm-based ac induction motor variable frequency system, which based on this background. this paper presents the process of induction motor vvvf voltage sampling circuit, including two-way and one-way ac voltage dc voltage by a / d converter circuit sampling analog to digital conversion circuitry, digital and then to the microcontroller processing, generated by the microcontroller pwm pulses to control the inverter drive circuit.it analyzes the important role throughout the sampling circuit in the speed regulation system. keywords：induction motor；variable voltage frequency speed regulation;；voltage sampling circuit ii 目 录摘要.iabstract.ii1 绪论.11.1 课题背景和意义.11.2 任务设计及要求.22 系统组成原理.42.1 系统结构原理图及分析.42.2 系统主要电路.53 电压采样电路的设计.63.1 电压传感器电路设计.63.2 低通滤波电路设计.83.3 信号调理电路设计.103.4 限幅电路.123.5 a/d转换电路设计.133.6 采样电路的实现.15总结.16参考文献.17附录：电压采样电路 1 绪论1.1 课题背景和意义 随着变频调速异步电动机在国内外市场上日益扩大应用。自90年代中期以来，我国有众多电动机生产企业设计、研制和生产适用于不同应用的各种系列变频调速三相异步电动机，例如：通用变频调速电动机系列、起重冶金变频调速电动机系列、隔爆变频调速电动机系列、电梯变频调速电动机系列、辊道变频调速电动机系列、牵引变频调速电动机系列等。从目前情况看，这些系列电动机能基本满足国内市场的需求。 据资料显示，我国对于变频凋速三相异步电动机的品种不断扩大，产品设计也不断改进。为了适应不同用途、不同工作条件和使用环境、不同工况等各种要求，专用系列和改型系列变频调速电动机产品不论现在和将来，都在迅速发展。 变频器供电电源会存电动机端子和各相绕组的前几匝线圈上产生高频瞬间脉冲峰值电，因此，如果不对绝缘系统采用增强措施将会使绕组存高电压应力作用下过早失效，从而引起绝缘击穿故障。 在电气传动领域中，随着自关断器件技术水平的不断提高，脉宽调制技术（简称pwm技术）也日趋成熟。pmw交流变频调速以其高效率、高功率因数、输出波形好、结构简单等优点，在井下风机、水泵、造纸机等设备中得到了广泛的应用。将单片机应用于交流变频调速系统，可有效地避免传统调速方案中的一些缺点，达到了提高控制精度的目的，其特点：（1） 采用单片机可以使绝大多数控制逻辑通过软件实现，简化了电路。（2）单片机具有更强的逻辑功能，运算速度快，精度高，有大容量的存储单元，可以实现较为复杂的控制。（3）无零点漂移，控制精度高。（4）可以提供人机界面，多机连网工作。 研究表明,工业企业大量使用的风机、水泵、压缩机类负载是用交流电动机拖动的,但由于过去交流电动机本身不能调速,只得靠阀门和挡板来调节风量和流量的,从而造成大量的电能浪费。如果用改变电动机转速的方法来调节风量或者流量,在压力不变的情况下,一般可以节省电能左右。在发达国家,经济型交流电动机变频调速装置己经大量的使用在这类负载中,成为重要的节能手段。现在我国的能源利用率较低,在能源后备储量有限的情况下,发展交流电动机的变频调速技术有着重要的意义。1.2 设计任务及要求设计要求 设计一个变压变频调速系统，系统包括速度设定、速度显示、速度测量、速度控制、正反转控制、声光报警等，且根据交流异步电动机的容量采用由三相二极管整流桥、电容滤波、基于全控型开关器件igbt或mosfet的三相pwm逆变桥构成的主电路给异步电动机供电。已知（1）异步电动机：额定容量pn =3kw，额定电压un =380v，额定电流in =6.9a，额定转速为nn =1400 r/min，额定频率fn =50hz，定子绕组y联接。由实验测得定子电阻rs =1.85，转子电阻rr =2.658，定子自感ls =0.294h，转子自感l r =0.2898h，定、转子互感l m =0.2838h，转子参数已折算到定子侧，系统转动惯量j =0.1284kg.m2。（2）变频电源主要技术指标：1）输入电压额定值：三相、380vac、50hz，2）效率：80%以上，3）额定输出容量：4kva或250va，4）额定输出电压：三相、380vac，5）输出频率：5-400hz， 6）控制方式：开环恒压频比控制方式/转速闭环转差频率控制方式，cfpwm、spwm、svpwm脉冲产生方式。设计任务 本课题设计总任务如下: （1）系统理论分析 （2）系统总体结构设计 （3）主电路设计 （4）系统仿真分析 利用matlab/simulink建立转速开环变压变频调速系统和转速闭环转差频率控制变压变频调速系统的仿真模型；对系统在电流跟踪式pwm、自然采样spwm、规则采样pwm、svpwm控制方式下，加与不加给定积分器的条件下，对变频器的输出电压和电流波形、电机的转速和转矩波形等进行仿真分析。 （5）系统控制电路设计 1）单片机（51单片机或dsp）数字控制电路设计 2）电压（2路交流电压、1路直流电压）采样电路 3）电流（2路交流电压、1路直流电流）采样电路4） 电网交流电压同步信号检测电路 5）控制系统辅助供电电源电路5 6）pwm控制脉冲产生、光电隔离放大电路及驱动电路 7）过流、过压、过温保护电路和泵升电压限制电路8）逻辑保护电路设计 （6）系统软件设计 1）系统总体设计（软件功能设计） 2）主程序设计3）转速开环恒压频比控制软件设计4）m法、t法、m/t法& b# h, i e$ ayg; j1 测速程序6 x- e j# : m. n e& i免费提供全国各地大学的精品教学课件，课程设计，毕业设计，论文资源!为大学生学习交流提供课程设计,毕业设计论文,习题答案,课件ppt的下载社区 5）d转速pi控制算法程序 6）电压和电流采样程序& i( b0 z! w0 | 7）电流滞环控制程序 8）键盘与显示程序 9）过流、过压、过热故障检测与保护中断服务程序 10）上位机监控软件设计（用vc+或matlab等做图形界面软件设计） （7）用proteus软件进行系统软硬件仿真测试本文主要是在分析系统控制电路原理的基础上，完成电压采样电路的设计，具体任务如下：1）了解电压采样的具体流程；2）完成电压采样电路每一模块电路的设计；3）完成电路中每个器件的选型。2 系统组成原理2.1 系统结构原理图及分析 图2-1为基于微机控制的数字控制通用变频器-异步电动机调速系统硬件结构图。它包括主电路、驱动电路、微机控制电路、信号采集和故障综合电路，图中未绘出开关器件的吸收电路和其他辅助电路。图2-1 数字控制通用变频器-异步电动机调速系统硬件结构图系统原理分析：380v，50hz的三相交流电经电抗器流入二极管整流桥，为了抑制谐波电流，对于容量较大的pwm变频器，都应在输入端设有进线电抗器，有时也可以在整流器和电容器之间串接直流电抗器。还可用来抑制电源电压不平衡对变频器的影响。从整流桥输出的是直流，经过滤波电路和泵升电路后，直流进入由全控开关器件igbt组成的pwm逆变器中，输出交流到异步电动机中。控制电路由c51单片机实现，其中电压、电流、温度检测等检测电路综合的故障保护、a/d或d/a转换、键盘显示电路及上位机控制等i/o口和通讯接口，这些信号都要传到单片机中，然后由单片机处理到来的信号，并且单片机控制着pwm 的生成，从而控制驱动电路。该调速系统采用开环恒压频比控制方式/转速闭环转差频率控制方式，cfpwm、spwm、svpwm脉冲产生方式。2.2 系统主要电路1. 主电路与驱动电路主电路由二极管整流器ur、pwm逆变器ui和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容c滤波，同时兼有无功功率交换的作用。为了避免大电容c在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻或电抗。t7和r3为泵升电压限制电路，由于二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流通路，因此除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时，异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容c充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压）升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。为便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。驱动电路的作用是将微机控制电路产生的pwm信号经功率放大后，控制电力电子器件的开通或关断，起到弱电控制强电的作用。2. 信号采集与故障综合电路电压、电流、温度等检测信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大等综合处理，再进入a/d转换电路，输入给cpu作为控制算法的依据，并同时用作显示和故障保护。3. 微机数字控制电路现代pwm变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的pwm信号。微机芯片主要采用8位或16位的单片机，或用32位的dsp。pwm信号可以由微机本身的软件产生，由pwm端口输出，也可采用专用的pwm生成电路芯片。4. 控制软件控制软件是系统的核心，除了pwm生成、给定积分和压频控制等主要功能软件外，还包括信号采集、故障综合及分析、键盘及给定电位器输入、显示和通信等辅助功能软件。现代通用变频器功能强大，可设定或修改的参数达数百个，有多组压频比曲线可供选择，除了常用带低频补偿的恒压频比控制外，还有带s型或二次型曲线的，或具有多段加、减速功能，每段的上升或下降斜率均可分别设定，还具有摆频、频率跟踪及逻辑控制和pi控制等功能，以满足不同用户的需求。3 电压采样电路的设计3.1 电压传感器电路设计1）电压传感器的原理电压传感器是一种将被测电量参数转换成直流电流、直流电压并隔离输出模拟信号或数字信号的装置。电压传感器用于测量电网中波形畸变较严重的电压或电流信号，也可以测量方波，三角波等非正弦波形。电压传感器，是一种检测装置，能感受到被测电压的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为符合一定标准需要的电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。该电压传感器原理是利用霍尔原理。 霍尔原理:霍尔电压传感器是一种利用霍尔效应，将原边电压通过外置或内置电阻，将电流限制在10ma,此电流经过多匝绕组之后，经过聚磁材料将原边电流产生的磁场被气隙中的霍尔元件检测到，并感应出相应电动势，该电动势经过电路调整后反馈给补偿线圈进而补偿，该补偿线圈产生的磁通与原边电流（被测电压通过限流电阻产生）产生的磁通大小相等，方向相反，从而在磁芯中保持磁通为零。实际上霍尔电压传感器利用的是和磁平衡闭环霍尔电流传感器一样的技术，即零磁通霍尔电流传感器。2） 电压传感器的选型系统输入的电压信号为380vac，通过表3-1可知，可以选择chv-系列的霍尔电压传感器，其输入交流电压信号，输出电流信号。表3-1 霍尔传感器的分类由表3-2得出，可以选择chv-50p/600，并且其额定电流为=10ma,输出电流为=50ma,输入电源定为。表3-2 霍尔电压传感器的型别电压传感器电路图在protel 99se中绘制出来，如图3-1所示图3-1 电压传感器电路图由于chv-50p的输入额定电流为=10ma，本电路检测的电压是380v的交流电压，则(3-1)电阻r1消耗的功率p1为 (3-2)因此当检测交流电压时，电阻r1选择阻值为38k，功率为5w的大功率电阻。当电路检测直流电压时，电阻r1为，功率为6w的大功率电阻。由于chv-50p的输入额定电流为=50ma，为了admc40l的a/d转换通道检测，必须把输出电流转换为电压，所以在电压传感器的输出侧串联了电阻r2。admc401的a/d转换通道检测电压范围-2v+2v，则 (3-3)由于电阻r2消耗功率比较小，电阻r2选择上对功率没有特殊的要求。3.2 低通滤波电路设计1） 低通滤波电路的原理低通滤波(low-pass filter) 是一种过滤方式，规则为低频信号能正常通过，而超过设定临界值的高频信号则被阻隔、减弱。但是阻隔、减弱的幅度则会依据不同的频率以及不同的滤波程序（目的）而改变。它有的时候也被叫做高频去除过滤（high-cut filter）或者最高去除过滤（treble-cut filter)。低通过滤是高通过滤的对立。低通滤波可以简单的认为：设定一个频率点，当信号频率高于这个频率时不能通过，在数字信号中，这个频率点也就是截止频率，当频域高于这个截止频率时，则全部赋值为0。因为在这一处理过程中，让低频信号全部通过，所以称为低通滤波。常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。若滤波电路元件仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成，则称为无源滤波电路。无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波(包括倒l型、lc滤波、lc型滤波和rc型滤波等)。若滤波电路不仅由无源元件，还由有源元件（双极型管、单极型管、集成运放）组成，则称为有源滤波电路。有源滤波的主要形式是有源rc滤波，也被称作电子滤波器。有源滤波电路的负载不影响滤波特性，因此常用于信号处理要求高的场合。有源滤波电路一般由rc网络和集成运放组成，因而必须在合适的直流电源供电的情况下才能使用，同时还可以进行放大。但电路的组成和设计也较复杂。有源滤波电路不适用于高电压大电流的场合，只适用于信号处理。 该系统选择用有源滤波电路，并使用二阶有源滤波电路。二阶有源滤波电路如下图3-2所示，其中有两个部分，第一部分是电压跟随器，其电压增益等于1，它的输入阻抗趋近无穷，而且输出阻抗趋近于零，故它在电路中常作为阻抗变换器或缓冲器。第二部分为二阶有源滤波电路，它由两节rc滤波电路和运放组成，在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段，反馈的极性不相同，当信号频率ff0时（f0为截止频率），电路的每级rc电路的相移趋于-90，两级rc电路的移相到-180，电路的输出电压与输入电压的相位相反，故此时通过电容c引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信号将起着削弱输入信号的作用，使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减，只允许低频端信号通过。其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。图3-2 二阶有源滤波电路2） 低通滤波电路参数计算和选型运算放大器的选型 lm324是由四个独立的运算放大器组成的电路。它设计在较宽的电压范围内单电源工作，但亦可在双电源条件下工作。本电路在家用电器上和工业自动化及光、机、电一体化领域中有广泛的应用。其引脚图如图3-3，其特点如下：具有宽的单电源或双电源工作电压范围；单电源3v30v，双电源1.5v15v内含相位校正回路,外围元件少消耗电流小:icc=0.6ma输入失调电压低:2mv电压输出范围宽：0v-1.5v共模输入电压范围宽：0v1.5v封装形式：dip14图3-3 lm324引脚图二阶滤波电路参数的计算有源二阶低通滤波器性能参数表达式为： (3-4) (3-5) (3-6)因为该低通滤波的截止频率为400hz，所以将f=400hz带入上式中，并且取,则可以求得二阶滤波器的性能参数，得 (3-7)3.3 信号调理电路设计1） 信号调理电路的原理 信号调理电路，把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号。模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、光强等.但由于传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字信号之前必须进行调理。调理就是放大，缓冲或定标模拟信号等，使其适合于模/数转换器(adc)的输入。然后，adc对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到mcu或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。信号调理将您的数据采集设备转换成一套完整的数据采集系统，这是通过帮助您直接连接到广泛的传感器和信号类型(从热电偶到高电压信号)来实现的。关键的信号调理技术可以将数据采集系统的总体性能和精度提高10倍。信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。是指利用内部的电路(如滤波器、转换器、放大器等)来改变输入的讯号类型并输出之。因为工业信号有些是高压，过流，浪涌等，不能被系统正确识别，必须调整理清之。一般的采集卡上都带有可编程的增益，但具体要不要作信号调理，要视待采信号的特点而定，若信号很小，则要经过放大将信号调理到采集卡能够识别的范围，若信号干扰较大，就要考虑采集之前作滤波了。 交流电压变送器以05 v的交流电压作为输出信号。因为a/d输入信号范围为03 v，因此必须添加合适的调理电路以满足a/d输入的要求。交流电压调理电路见图3-4，这部分为电压偏移电路和电压跟随器，输出的电压信号经过限幅电路后进入ad转换电路。图3-4 信号调理电路2） 信号调理电路元件选型该信号调理电路中，运算放大器选择lm324，,为了满足a/d输入的要求，则偏移电压电源选择3.3v的电源。3.4 限幅电路1） 限幅电路的原理 能按限定的范围削平信号电压波幅的电路，又称限幅器或削波器。限幅电路常用于： 整形，如削去输出波形顶部或底部的干扰；波形变换，如将输出信号中的正脉冲削去，只留下其中的负脉冲；过压保护，如强的输出信号或干扰有可能损坏某个部件时，可在这个部件前接入限幅电路。限幅电路按功能分为上限限幅电路、下限限幅电路和双向限幅电路三种。在上限限幅电路中，当输入信号电压低于某一事先设计好的上限电压时，输出电压将随输入电压而增减；但当输入电压达到或超过上限电压时，输出电压将保持为一个固定值,不再随输入电压而变,这样，信号幅度即在输出端受到限制。同样，下限限幅电路在输入电压低于某一下限电平时产生限幅作用。双向限幅电路则在输入电压过高或过低的两个方向上均产生限幅作用，限幅电路如图3-5所示。 图3-5 限幅电路2） 限幅电路元件选型限幅二极管的特点：1、多用于中、高频与音频电路；2、导通速度快，恢复时间短；3、正偏置下二极管压降稳定；4、可串、并联实现各向、各值限幅；5、可在限幅的同时实现温度补偿。稳压二极管型号的选择如表3-3，可知选择二极管2cw51，其电压范围是3v-28.5v。限幅电压为了满足a/d转换电路要求，选择3v的电源。表3-3 稳压二极管型号选择3.5 a/d转换电路设计1）a/d转换电路原理a/d转换电路亦称“模拟数字转换器”，简称“模数转换器”。将模拟量或连续变化的量进行量化（离散化），转换为相应的数字量的电路。a/d变换包含三个部分：抽样、量化和编码。一般情况下，量化和编码是同时完成的。抽样是将模拟信号在时间上离散化的过程；量化是将模拟信号在幅度上离散化的过程；编码是指将每个量化后的样值用一定的二进制代码来表示。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量(如温度。压力。位移。图像等),要使计算机或数字仪表能识别。处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析。处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路-模数和数模转换器。将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器(简称a/d转换器或adc,analog to digital converter)；将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器(简称d/a转换器或dac,digital to analog converter)；a/d转换器和d/a转换器已成为信息系统中不可缺的组成部分，为确保系统处理结果的精确度，a/d转换器和d/a转换器必须具有足够的转换精度；如果要实现快速变化信号的实时控制与检测，a/d与d/a转换器还要求具有较高的转换速度。转换精度与转换速度是衡量a/d与d/a转换器的重要技术指标。随着集成技术的发展，现已研制和生产出许多单片的和混合集成型的a/d和d/a转换器，它们具有愈来愈先进的技术指标。2） a/d转换芯片选型a/d转换器的功能是把模拟量转换为数字量，其主要参数有：（1） 分辨率：指a/d转换器可转换成数字量的最小电压，是反映a/d转换器对最小模拟输入值的敏感度。分辨率通常是用a/d的位数来表示，比如 8位、10位、12位等。所以， a/d转换器的输出数字量越多。其分辨率越高。所以分辨率一般表示式为： 分辨率=vref/2位数（单极性） 或 分辨率=（v+ref-v-ref)/2位数（双极性）（2）精度：有绝对精度和相对精度 绝对精度 指定应于一个给定的数字量的实际模拟量输入与理论模拟量输入之差。 相对精度 指在整个转换范围内任一数字量所对应的模拟量实际值与理论值之差。（3）线性度：当模拟量变化时，a/d转换器输出的数字量按比例变化的程度（4）量程：指能够转换的电压的范围：03v，010v等adc引脚功能如图3-6所示：图3-6 adc引脚功能adc0809是美国国家半导体公司生产的cmos工艺8通道，8位逐次逼近式a/d模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行a/d转换。adc0809有以下几个特性：18路输入通道，8位a/d转换器，即分辨率为8位；具有转换起停控制端；转换时间为100s(时钟为640khz时)，130s（时钟为500khz时）；单个+5v电源供电；模拟输入电压范围0+5v，不需零点和满刻度校准；工作温度范围为-40+85摄氏度；低功耗，约15mw。选择adc0809转换芯片，将模拟信号转换为8位数据信号，然后再输入到单片机中进行数据处理，实现了电压信号的数据采集。3.6 采样电路的实现电压采样电路总体硬件结构框图如图3-7所示。由图3-7可知采