基于MCS-51系列单片机的交流电机变频调速系统的设计【毕业论文】.doc

基于单片机的交流电机变频调速系统的设计【摘要】本课题主要是研究电压型三相交流SPWM变频技术的基本原理、实现方法及软硬件设计，完成系统的软硬件设计。要求完成内容主要有：1、变频调速技术基本原理2、变频调速基本原理3、控制方案确定4、软件与硬件设计。涉及的主要相关知识：电力电子及运动控制、微机控制。在通常情况下交流异步电动机用作调速机时，它的控制电路复杂，系统的效率较低。采用单片机微机控制的交流异步电动机变频调速系统使起控制电路大为简化，使用正弦脉宽调制（SPWM）驱动，系统效率也有所提高。交流异步电动机的变频调速，实际中多采用脉冲宽度调制（PWM），完成调频和调压两种功能。用单片机实现（PWM）来控制可使调节灵活，电路简化。本设计采用的MCS51系列的单片微机控制PWM。传统的交流变频调速系统由正弦波和锯齿波相交产生所需的脉宽调制波实现恒压额比的变频调速控制。这种系统由于采用模拟控制，设备复杂、调整困难，且控制精度低，可靠性差，因而限制了这种系统的应用。与上述传统的系统相比，本系统具有如下特点：采用新型大规模专用集成电路产生脉宽调制波，使波形稳定，精度和可靠性显著增加。以单片机8031CPU为核心的全数字控制电路简单，调整迅速，进一步提高了控制精度。【关键词】电压型三相PWM整流器；变频调速；单片机；交流电机【ABSTRACT】 Focus is Studying SPWM three-phase voltage-type AC inverter with the fundamental principles in this paper, and designing the methods and software and hardware, and complete system software and hardware. The main completion on: 1.the basic principles of VVVF technology 2. the basic principles of Frequency Control, 3.the control scheme for the 4.software and hardware design. The main relevant knowledge: power electronics and motion control, computer control. Under normal circumstances in exchange for motor asynchronous speed machine, its complicated control circuits, the systems efficiency is low. SCM using computer control the exchange of asynchronous motor Frequency Control System that has greatly simplified control circuit, the use of SPWM (SPWM) drive, the system has improved efficiency. Induction Motor Frequency Control, in the actual use of pulse width modulation (PWM), and completed FM Surge two functions. To achieve single-chip microprocessor (PWM) to control can adjust flexibly, to simplify circuit. This design by the MCS51 series of single-chip microprocessor achives PWM control。 The traditional exchange of Frequency Control System from the intersection of a sine wave and the sawtooth PWM wave of constant pressure to achieve than the frequency for arrest control. As a result of this analog control system, equipment complex and difficult adjustment, and low-precision control, reliability poor, thus limiting the application of such a system. With the traditional systems, this system has the following characteristics: a new type of large-scale ASIC PWM wave, the wave stability, accuracy and reliability of a significant increase in SCM (8031 CPU as the core of digital control. Circuit simple to adjust quickly to further enhance the control accuracy. 【Key words】 Three-Phase PWM voltage rectifier, Frequency Control, SCM, AC motor, computer control目 录摘要.1ABSTRACT.2第一章 绪论.41.1 当前变频调速的发展状况及其趋势.41.2 设计本课题的总思路.81.3 设计任务及要求.8第二章 异步电动机变频调速.92.1 变频器.92.2 变频调速基本原理.10第三章 脉宽调制技术.123.1 相电压控制PWM.123.2 线电压控制PWM143.3 电流控制PWM15 3.4 空间电压矢量控制PWM163.5矢量控制PWM.163.6 直接转矩控制PWM.173.7 非线性控制PWM17第四章 系统的硬件设计.184.1 系统工作原理.184.2 主电路的设计.224.3 光电隔离电路.264.4 过电压保护电路.274.5 8051控制电路.28第五章 系统的软件设计.305.1 单片机程序设计.305.2 控制电路.355.3 最小脉冲问题分析.35总结.36参考文献.37第一章 绪论1.1 当前变频调速的发展状况及趋势 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的优势，并且他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源，所以变频器已经成为当今交流调速的核心部件。交流变频调速的优异特性： (1)调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。(2)调速范围较大，精度高。(3)起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。(4)变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。(5)易于实现过程自动化。(6)必须有专用的变频电源，目前造价较高。(7)在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。 近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。我国是一个发展中国家，变频调速产品大体只相当于国际上20世纪80年代水平。随着改革开放，经济高速发展，变频调速产品形成了一个巨大的市场，它既对国内企业，也对外国公司敞开。很多先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了国内生产和生活需要。国内许多合资公司生产当今国际上最先进的变频调速产品，国内的成套部分在自行设计制造成套装置中采用外国进口公司和合资企业的先进设备，自己开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。在变频调速领域，我国虽然取得了很大成绩，但应看到由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性仍较严重。 在我们现在日常生活中，高速电力机车、汽车、电梯、音乐喷泉、冰箱、洗衣机、印刷设备、空调等，接近我们生活的一些用具以及生活用品对变频控制的采用也是越来越多了。 近10年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术正发生着交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术的革命。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节间效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式，成为当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。 变频调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。国内外技术现状对比国外现状在大功率交-交变频（循环变流器）调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达3万kW的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司提供了单机容量为6万kW的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司Simovert A电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10 2600 kVA和Simovert P GTO PWM变频调速设备单机容量为100 900 kVA，其控制系统已实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动。在小功率交流变频调速技术方面，日本富士BJT变频器最大单机容量可达700 kVA，IGBT变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。国外交流变频调速技术高速发展有以下特点： (1) 市场的大量需求。(2) 功率器件的发展。 (3) 控制理论和微电子技术的发展。(4) 基础工业和各种制造业的高速发展，变频器相关配套件社会化、专业化生产。国内现状 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10 15年。 在大功率交-交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及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。国内交流变频调速技术产业状况表现如下:(1) 变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模。 (2) 变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。 (3) 相关配套产业及行业落后。(4) 产销量少，可靠性及工艺水平不高。 变频调速技术的发展方向 交流变频调速技术是强、弱电混合，机电一体化的综合性技术。它分为功率级和控制级两大部分。功率级部分是解决高电压、大电流方面的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题;控制级部分是要解决数字化控制的硬、软件开发问题。鉴于这两方面，未来变频调速技术的发展方向主要有以下几点：（1） 各种控制方法的深入研究和实现，进一步提高变频调速性能。当前高水平的控制策略有：基于电动机和机械模型的有矢量控制、直接转矩控制和机械扭振补偿等;基于现代理论的有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微奈奎斯特阵列设计方法等；基于自能控制思想上网模糊控制、神经元网络 、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。这些已有技术将逐步推广应用，同时新的控制技术将不断涌现。（2） 进一步提高变频器的功率因素，降低网侧和负载侧的谐波，以减少对电网的污染和电动机的转矩脉动。对中、小容量变频器，主要采取提高开关频率的PWM控制；对大容量变频器，主要采取在常规的开关频率下，改变主电路结构和控制方式这两条途径。（3） 进一步增加器件的集成度，缩小变频装置整体的尺寸，更加提高系统可靠性。今后变频器中的功率器件和控制元件将具有更高的集成度，入智能化的功率模块、高频率的开关电源以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。与之配套的功率器件冷却方式的改变（如冷水、蒸发冷却和热管），也有利于整机体积的减小。（4） 以32位高微处理器为基础的数字控制模块有足够的能力实现各种控制算法，Windows控制系统的引入使得自由设计成为可能，图形编程的控制技术也有很大的发展。有关资料表明，采用变频调速技术确实能够取得非常明显的节能、增产、提高产品质量的效果，节电率一般在10%30%，有的高达40%，更重要的是生产中一些技术难点也得到解决。变频调速作为高新技术、基础技术和节能技术，已经应用到各个领域部门，渗透到经济领域所有技术部门中，我国现在正大力发展和推广变频调速技术，努力缩小和世界先进水平的差距，使之向规模化、自主化、标准化发展。变频调速的主要类型目前，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的较高性能调速，但其动态性能不够。 3.转速、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。1.2设计本课题的总思路本文对于逆变器供电的变频调速系统进行了分析，并设计了一种以MCS-51系列单片机为基础生成的SPWM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，使得新型功率器件的应用更加安全。最后，为适应变频调速电机的要求，设计了一套基于单片机生成的SPWM控制逆变器来控制电动机变频调速系统，对于硬件电路部分和实现控制策略的软件部分进行设计。1.3设计任务及要求本课题主要是研究电压型三相交流SPWM变频技术的基本原理、实现方法及软硬件设计，完成系统的软硬件设计。要求完成任务主要有：1、变频器及其工作原理 2、变频调速基本原理 3、控制方案确定 4、软件与硬件设计 第二章 异步电动机变频调速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方式（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。 2.1.1 变频器的选型变频器选型时要确定以下几点：(1)采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。(2)变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。(3)变频器与负载的匹配问题； 电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。 电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。 转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。(4)在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。(5)变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。(6)对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。 2.1.2 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模块组成二组,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 (uf)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 变频器原理图首先是将单相或三相交流电流电源通过整流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 变频调速基本原理2.2.1 变频调速的工作原理p磁极对数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之差与同步转速之比，叫异步电动机的转差率，以s表示s = (n1 n) / n1 = 1 n / n1n1s = n1 nn = n1(1-s)n = (1-s) 60f / p 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。如果连续地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机的最大转矩不变，必须维持电机的磁通量恒定，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，将50Hz交流整流为直流电Ud，再由三相逆变器将直流逆变为频率可调的三相交流供给鼠笼电机实现变频调速。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，铁心和线圈过热。第三章 脉宽调制技术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为电压脉冲序列，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（DCDC变换），后者主要应用于PWM逆变（DCAC变换）。PWM脉宽调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，但决不是最优信号。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的环节上时，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。 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。到目前为止，已出现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有以下几类方法。 3.1 相电压控制PWM 3.1.1 等脉宽PWM法VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技术来实现的，其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压。等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发展而来的，是PWM法中最为简单的一种。它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。 3.1.2 随机PWM 其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声(在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的)，尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有其特殊的价值；另一方面则说明了消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，随机PWM技术正是提供了一个分析、解决这种问题的全新思路。 3.1.3 SPWM法 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的、目前使用较广泛的PWM法。前面提到的采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。该方法的实现有以下几种方案。 等面积法 硬件调制法 软件生成法 低次谐波消去法 3.1.4 梯形波与三角波比较法前面所介绍的各种方法主要是以输出波形尽量接近正弦波为目的，从而忽视了直流电压的利用率，如SPWM法，其直流电压利用率仅为86.6%。因此，为了提高直流电压利用率，提出了一种新的方法梯形波与三角波比较法。该方法是采用梯形波作为调制信号，三角波为载波，且使两波幅值相等，以两波的交点时刻控制开关器件的通断实现PWM控制。 由于当梯形波幅值和三角波幅值相等时，其所含的基波分量幅值已超过了三角波幅值，从而可以有效地提高直流电压利用率。但由于梯形波本身含有低次谐波，所以输出波形中含有5次、7次等低次谐波。 3.2 线电压控制PWM 前面所介绍的各种PWM控制方法用于三相逆变电路时，都是对三相输出相电压分别进行控制的，使其输出接近正弦波，但是，对于像三相异步电动机这样的三相无中线对称负载，逆变器输出不必追求相电压接近正弦，而可着眼于使线电压趋于正弦。因此，提出了线电压控制PWM，主要有以下两种方法。 3.2.1 马鞍形波与三角波比较法马鞍形波与三角波比较法也就是谐波注入PWM方式(HIPWM)，其原理是在正弦波中加入一定比例的三次谐波，调制信号便呈现出马鞍形，而且幅值明显降低，于是在调制信号的幅值不超过载波幅值的情况下，可以使基波幅值超过三角波幅值，提高了直流电压利用率。在三相无中线系统中，由于三次谐波电流无通路，所以三个线电压和线电流中均不含三次谐波。除了可以注入三次谐波以外，还可以注入其他3倍频于正弦波信号的其他波形，这些信号都不会影响线电压。这是因为，经过PWM调制后逆变电路输出的相电压也必然包含相应的3倍频于正弦波信号的谐波，但在合成线电压时，各相电压中的这些谐波将互相抵消，从而使线电压仍为正弦波。 3.2.2 单元脉宽调制法因为，三相对称线电压有Uuv+Uvw+Uwu=0的关系，所以，某一线电压任何时刻都等于另外两个线电压负值之和。现在把一个周期等分为6个区间，每区间60，对于某一线电压例如Uuv，半个周期两边60区间用Uuv本身表示，中间60区间用-(Uvw+Uwu)表示，当将Uvw和Uwu作同样处理时，就可以得到三相线电压波形只有半周内两边60区间的两种波形形状，并且有正有负。把这样的电压波形作为脉宽调制的参考信号，载波仍用三角波，并把各区间的曲线用直线近似(实践表明，这样做引起的误差不大，完全可行)，就可以得到线电压的脉冲波形，该波形是完全对称，且规律性很强，负半周是正半周相应脉冲列的反相，因此，只要半个周期两边60区间的脉冲列一经确定，线电压的调制脉冲波形就唯一的确定了。这个脉冲并不是开关器件的驱动脉冲信号，但由于已知三相线电压的脉冲工作模式，就可以确定开关器件的驱动脉冲信号了。 该方法不仅能抑制较多的低次谐波，还可减小开关损耗和加宽线性控制区，同时还能带来用微机控制的方便，但该方法只适用于异步电动机，应用范围较小。 3.3 电流控制PWM 电流控制PWM的基本思想是把希望输出的电流波形作为指令信号，把实际的电流波形作为反馈信号，通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断，使实际输出随指令信号的改变而改变。其实现方案主要有以下3种。 3.3.1 滞环比较法这是一种带反馈的PWM控制方式，即每相电流反馈回来与电流给定值经过滞环比较器，得出的相应桥臂开关器件的开关状态，使得实际电流跟踪给定电流的变化。该方法的优点是电路简单，动态性能好，输出电压不含特定频率的谐波分量。其缺点是开关频率不固定造成较为严重的噪音，和其他方法相比，在同一开关频率下输出电流中所含的谐波较多。 3.3.2 三角波比较法 该方法与SPWM法中的三角波比较方式不同，这里是把指令电流与实际输出电流进行比较，求出偏差电流，通过放大器放大后再和三角波进行比较，产生PWM波。此时开关频率一定，因而克服了滞环比较法频率不固定的缺点。但是，这种方式电流响应不如滞环比较法快。 3.3.3 预测电流控制法预测电流控制是在每个调节周期开始时，根据实际电流误差，负载参数及其它负载变量，来预测电流误差矢量趋势，因此，下一个调节周期由PWM产生的电压矢量必将减小所预测的误差。该方法的优点是，若给调节器除误差外更多的信息，则可获得比较快速、准确的响应。目前，这类调节器的局限性是响应速度及过程模型系数参数的准确性。 3.4 空间电压矢量控制PWM空间电压矢量控制PWM(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法。它以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，由它们的比较结果决定逆变器的开关，形成PWM波形。此法从电动机的角度出发，把逆变器和电机看作一个整体，以内切多边形逼近圆的方式进行控制，使电机获得幅值恒定的圆形磁场(正弦磁通)。 具体方法又分为磁通开环式和磁通闭环式。磁通开环法用两个非零矢量和一个零矢量合成一个等效的电压矢量，若采样时间足够小，可合成任意电压矢量。此法输出电压比正弦波调制时提高15%，谐波电流有效值之和接近最小。磁通闭环式引入磁通反馈，控制磁通的大小和变化的速度。在比较估算磁通和给定磁通后，根据误差决定产生下一个电压矢量，形成PWM波形。这种方法克服了磁通开环法的不足，解决了电机低速时，定子电阻影响大的问题，减小了电机的脉动和噪音。但由于未引入转矩的调节，系统性能没有得到根本性的改善。 3.5 矢量控制PWM 矢量控制也称磁场定向控制，其原理是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia，Ib及Ic，通过三相/二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1及Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1及It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿对直流电动机的控制方法，实现对交流电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。 但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的不足。此外，它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统中需要配置转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。 3.6 直接转矩控制PWM直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制，它也不需要解耦电机模型，而是在静止的坐标系中计算电机磁通和转矩的实际值，然后，经磁链和转矩的Band-Band控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行最佳控制，从而在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，能方便地实现无速度传感器化，有很快的转矩响应速度和很高的速度及转矩控制精度，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。但直接转矩控制也存在缺点，如逆变器开关频率的提高有限制。 3.7 非线性控制PWM 单周控制法又称积分复位控制(Integration Reset Control，简称IRC)，是一种新型非线性控制技术，其基本思想是控制开关占空比，在每个周期使开关变量的平均值与控制参考电压相等或成一定比例。该技术同时具有调制和控制的双重性，通过复位开关、积分器、触发电路、比较器达到跟踪指令信号的目的。单周控制器由控制器、比较器、积分器及时钟组成，其中控制器可以是RS触发器。单周控制在控制电路中不需要误差综合,它能在一个周期内自动消除稳态、瞬态误差，使前一周期的误差不会带到下一周期。虽然硬件电路较复杂，但其克服了传统的PWM控制方法的不足，适用于各种脉宽调制软开关逆变器，具有反应快、开关频率恒定、鲁棒性强等优点。 第四章 系统的硬件设计变频调速技术是近20年内发展起来的一门新技术。随着电力电子技术的日益发展和PWM控制技术的成熟, 利用电机的转速和输入电源的频率是线性关系这一原理, 将50Hz 的交流电通过整流和逆变转换为频率可调的电源, 供给异步电动机,实现调速的目的。利用单片机组成的变频调速控制器可以实现从低频(12Hz) 起动到50Hz ,可以消除以往工频50Hz 直接起动对电机的冲击, 延长电机的使用寿命,同时由于变频器的输出电压可以自适应调节, 使负载电机可以工作在额定电压以下,不仅节能且可延长电机的使用寿命。4.1 系统工作原理交流变频调速系统原理框图如图4.1所示，从结构上主要分为控制部分和执行部分。单片机、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、转速检测和故障检测、报警电路等组成。执行部分为三相异步交流电动机。逆变及驱动电路检测电路整流电路M滤 波电 路 人机接口电路光电隔离相电流检测测转速检测计算机8051图4.1 基于8051的变频调速系统原理方框图系统的工作原理为：电机的转速由转速传感器转换成矩形脉冲信号，经光电隔离后进入单片机计数器，由计数器值获得电机的实际转速，与设定转速比较，经Fuzzy-PID控制器调节后，单片机产生的PWM波经6N137线性光耦进行电气隔离后作用于逆变模块IPM（intelligent power module），实现电机的闭环变频调速。霍尔电流、电压传感器将检测到的逆变模块的三相输出电流、电压信号，经采样保持后进入单片机，完成A/D转换后，由CPU进行处理。逆变模块工作时所需要的直流电压信号由整流电路对380V电源进行全桥整流得到。 基于8051的变频调速系统的总体设计方案方框图如图4.1所示。本系统采用TI公司的TMS320LF2407A为控制核心，逆变驱动电路芯片采用美国国际整流公司的IR2I32。主要由主电路（整流电路、逆变和逆变驱动电路、检测电路、滤波电路）、光电隔离电路、过压保护电路、8051控制电路和人机接口电路组成。4.1.1 SPWM技术原理SPWM技术的基本原理是利用一个三角波载波和一个正弦波进行比较，得到一个宽度按正弦规律变化的脉冲序列，用它们来驱动逆变器开关管的开关转换。由微控制器来实现SPWM波形的方法有表格法、随时计算法和实时计算法，但前两种无实时处理能力。采用实时计算法要有数学模型，其中一种较为常用的是采样型SPWM法，它分为自然采样法、对称规则采样法和不对称规则采样法。典型的单极性对称规则采样法，在三角波的峰值时刻采样正弦调制波并将采样值保持，分别取保持值和三角波交点作为脉冲宽度时间。若Ts为三角波的周期，同时也是采样周期；Ur为三角波的高，正弦波为Ucsint。根据三角形相似关系，得到所以，其中，M=Uc/Ur为调制比，t为采样点（这里为顶点采样）的时刻。则脉冲宽度为，采样点时刻t只与载波比N有关。在对称规则采样情况下，只要知道采样点时刻t就可以确定这个采样周期内的脉冲宽度TPM和时间间隔Toff，从而可以计算出SPWM波形高、低脉冲的宽度。4.1.2 C8051实现SPWM波形的原理及算法(1) C8051F系列单片机PCA简介C8051F系列单片机都具有一个可编程计数器阵列PCA，以C8051F040为例，PCA包含1个专用的16位计数器/定时器和6个16位捕捉/比较模块，可以输出6路PWM波形。如图2所示，16位PCA专用计数器/定时器的时基信号可有多种选择，可通过配置相关的系统控制器的特殊功能寄存器（SFR）来实现。每个捕捉/比较模块有自己的I/O线CEXn，可通过配制交叉开关寄存器（XBR0）将每个模块的I/O线连接到端口I/O；每个模块都可配制为独立工作，有四种工作方式：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出或脉宽调制器。本文中，产生频率可变的SPWM波形是使用了捕捉/比较模块的高速输出工作方式，其原理如下：当PCA的16位计数器/定时器PCA0H（高8位）和PCA0L（低8位）与16位捕捉/比较模块寄存器PCA0CPHn（高8位）和PCA0CPLn（低8位）发生匹配时，模块的CEXn引脚上的逻辑电平将发生跳变，并产生一个中断请求，即将控制寄存器PCA0CN中相应的CCFn位置位，当CCF中断被允许时，CPU将转向CCF中断服务程序。如果将相应模块的I/O线CEXn连接到端口I/O，单片机相应端口输出电平即发生变化，这就可实现PWM脉冲的高、低电平输出。置位PCA0CPMn寄存器中的TOGn、MATn、ECOMn和ECCFn位，将允许高速输出方式，同时允许CCF中断。(2) SPWM波形生成方法利用C8051的PCA计数器产生SPWM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SPWM波形的脉冲宽度累加到捕捉/比较模块寄存器PCA0CPn（高8位PCA0CPHn和低8位PCA0CPLn）中，这样在捕捉/比较模块寄存器和计数器/定时器相匹配时就得到相应的SPWM波形不断交替的高低电平。如果选用捕捉/比较模块0输出此路SPWM，则首先将l0装入16位捕捉/比较寄存器PCA0CP0中，并且将16位计数器/定时器PCA0H和PCA0L清零，然后启动PCA计数器；当捕捉/比较寄存器的数值与计数器/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；在CCF中断程序中，将h0累加到PCA0CP0上；中断过程中，计数器的数值是连续增加的，当其值与改变过后的捕捉/比较寄存器的数值相等时，又会使得CEX0引脚由原来的高电平跳变为低电平，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SPWM波形。 (3)程序流程主程序流程如图4.2所示，在系统初始化过后首先通过键盘设置输出频率，然后进入SPWM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SPWM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SPWM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捉/比较模块，然后根据该模块CEX引脚上的电平状态判断是将SPWM波形的高电平脉宽值还是低电平脉宽值累加到捕捉/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SPWM周期的结束和下一个周期的开始，以便正确载入对应数据。当载波比N发生变化时，max的值会发生变化。开始 中断服务子程序初始化键盘子程序YSE NOSPWM脉冲计算程序SPWM输出程序输出频率变化否图4.2 程序流程图应该注意的一点是，CCFn位和CF位（计数器/定时器溢出标志）由硬件置位，但不能由硬件自动清0，必须在中断程序中用软件清0。4.2 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SPWM波来控制该逆变电源。对输出SPWM波的最小脉冲问题进行了处理，采用汇编语言对中断服务子程序进行编程，使得SPWM波形中最小脉冲的宽度达到了3s，这个宽度（时间）基本达到实验中所用GTR的最小开关周期。该系统主电路如图4.3所示，以8051为控制核心，采用交-直-交电压源变频器结构。图4.3电压型交-直-交变频主电路4.2.1 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为直流电，电路如图4.3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 （4.1）流过二极管电流的有效值： （4.2）二极管电流定额：In =(1.5or2)Id/1.57=0.78or1.04A （4.3）考虑滤波电容充电电流的影响，需要留有较大的电流余量，选用IN=2A，整流二极管电压定额：Ud =(2or3)Um =(2or3)1.414220=622or933V （4.4）根据上面计算的电压和电流以及市场价格和供货情况，实际选用的整流二极管为5A、1000V。 4.2.2 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 （4.5）考虑到23倍安全系数，取耐压值为1000V。通态峰值电流： Im=21.414In=21.4140.5=1.41A （4.6）考虑1.52倍安全系数，取电流定额为5A。续流二级管的耐压和