异步电动机变频调速系统.doc

自动控制元件及线路自动控制元件及线路 课程实习报告课程实习报告 异步电动机变频调速系统异步电动机变频调速系统 1 4 1 系统原理框图及各部分简介 本文设计的交直交变频器由以下几部分组成 如图 1 1 所示 主主 主主 主主 主主 主主主主主 8051SPWM主 主主 主主主主 主主主 主主主主 主主 主主 主主主主主主主主 主主 主主主主主主主 主主主主 图 1 1 系统原理框图 系统各组成部分简介 供电电源 电源部分因变频器输出功率的大小不同而异 小功率的多用单相 220V 中大功率的采用三相 380V 电源 因为本设计中采用中等容量的电动机 所以采 用三相 380V 电源 整流电路 整流部分将交流电变为脉动的直流电 必须加以滤波 在本设计中采 用三相不可控整流 它可以使电网的功率因数接近 1 滤波电路 因在本设计中采用电压型变频器 所以采用电容滤波 中间的电容除 了起滤波作用外 还在整流电路与逆变电路间起到去耦作用 消除干扰 逆变电路 逆变部分将直流电逆变成我们需要的交流电 在设计中采用三相桥逆 变 开关器件选用全控型开关管 IGBT 电流电压检测 一般在中间直流端采集信号 作为过压 欠压 过流保护信号 控制电路 采用 8051 单片机和 SPWM 波生成芯片 SA4828 控制电路的主要功能是接受 各种设定信息和指令 根据这些指令和设定信息形成驱动逆变器工作的信号 这些信 号经过光电隔离后去驱动开关管的关断 1 4 2 变频器主电路方案的选定 变频器最早的形式是用旋转发电机组作为可变频率电源 供给交流电动机 随着 电力半导体器件的发展 静止式的变频电源成为了变频器的主要形式 静止式变频器 从变换环节分为两大类 交 直 交变频器和交 交变频器 1 交 交型变频器 它的功能是把一种频率的交流电直接变换成另一种频率可调电 压的交流电 转换前后的相数相同 又称直接式变频器 由于中间不经过直流环节 不需换流 故效率很高 因而多用于低速大功率系统中 如回转窑 轧钢机等 但这 种控制方式决定了最高输出频率只能达到电源频率的 1 3 1 2 所以不能高速运行 2 交 直 交型变频器 交 直 交变频器是先把工频交流通过整流器变成直流 然 后再直流变换成频率电压可调的交流 又称间接变频器 交 直 交变频器是目前广泛 应用的通用变频器 它根据直流部分电流 电压的不同形式 又可分为电压型和电流 型两种 1 电流型变频器 电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感器作为储能环节来缓冲无功功率 即扼制电流的变化 使电压波形接近正弦波 由于该直流环节内阻较大 故称电流源 型变频器 2 电压型变频器 电压型变频器的特点是中间直流环节的储能元件采用大电容器作为储能环节来缓 冲无功功率 直流环节电压比较平稳 直流环节内阻较小 相当于电压源 故称电压 型变频器 由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率 所以其主要优点 是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响 它主要适用于中 小容量的交流传动 系统 与之相比 电流型变频器施加于负载上的电流值稳定不变 其特性类似于电流 源 它主要应用在大容量的电机传动系统以及大容量风机 泵类节能调速中 由于交 直 交型变频器是目前广泛应用的通用变频器 所以本次设计中选用此种 间接变频器 在交 直 交变频器的设计中 虽然电流型变频器可以弥补电压型变频器 在再生制动时必须加入附加电阻的缺点 并有着无须附加任何设备即可以实现负载的 四象限运行的优点 但是考虑到电压型变频器的通用性及其优点 在本次设计中采用 电压型变频器 2 交流异步电动机变频调速原理及方法 2 1 三相异步电机工作的基本原理 2 1 1 异步电机的等效电路 异步电动机的转子能量是通过电磁感应而得来的 定子和转子之间在电路上没有 任何联系 其电路可用图2 1来表示 3 图2 1异步电动机的定 转子图 图 2 1 中 其有效值可计算如下 2 1 1111 4 44 Nm Ef N K 电动机的T形等效电路图 由于交流异步电动机三相对称 所以现只取A相进行计 算分析 A相的T形等效电路如图2 2所示 图2 2 电动机的T形等效电路图 2 1 4 异步电机变频调速原理 交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型 我国异步电动机的使 用容量约占拖动总容量的八成以上 因此了解异步电动机的调速原理十分重要 交流调速是通过改变电定子绕组的供电的频率来达到调速的目的的 但定子绕组 上接入三相交流电时 定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转的磁场 它与转子绕 组产生感应电动势 出现感应电流 此电流与旋转磁场相互作用 产生电磁转矩 使 电动机转起来 电机磁场转速称为同步转速 用表示 0 n 2 7 p f n 60 0 式中 为三相交流电源频率 一般是 50Hz 为磁极对数 当 1 是 fpp 3000r min 2 时 1500r min 0 np 0 n 由上式可知磁极对数越多 转速就越慢 转子的实际转速比磁场的同步转速p 0 nn 要慢一点 所以称为异步电动机 这个差别用转差率 表示 0 n s 2 8 100 0 0 n nn s 在加上电源转子尚未转动瞬间 0 这时 1 启动后的极端情况 则ns n 0 n 0 即 在 0 1 之间变化 一般异步电动机在额定负载下的 1 6 综合 2 sss 7 和 2 8 式可以得出 2 0 60 1 1 fs nns p 9 由式 2 9 可以看出 对于成品电机 其极对数已经确定 转差率 的变化不ps 大 则电机的转速与电源频率成正比 因此改变输入电源的频率就可以改变电机nf 的同步转速 进而达到异步电机调速的目的 3 变频器主电路设计 3 1 主电路的工作原理 变频调速实际上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源 能实现这个功能 的装置称为变频器 变频器由两部分组成 主电路和控制电路 其中主电路通常采用 交 直 交方式 先将交流电转变为直流电 整流 滤波 再将直流电转变为频率可调 的交流电 逆变 在本设计中采用图 3 1 的主电路 这也是变频器常用的格式 图3 1 电压型交直交变频调速主电路 3 1 1 主电路各部分的设计 1 1 交直电路设计交直电路设计 选用整流管组成三相整流桥 对三相交流电进行全波整流 整流后的电 61 VDVD 压为 1 35 1 35 380V 513V d U L U 滤波电容滤除整流后的电压波纹 并在负载变化时保持电压平稳 F C 当变频器通电时 滤波电容的充电电流很大 过大的冲击电流可能会损坏三相 F C 整流桥中的二极管 为了保护二极管 在电路中串入限流电阻 从而使电容的 L R F C 充电电流限制在允许的范围内 当充电到一定程度 使闭合 将限流电阻短路 F C L S 在许多下新型的变频器中 已有晶闸管替代 L S 电源指示灯 HL 除了指示电源通电外 还作为滤波电容放电通路和指示 由于滤波 电容的容量较大 放电时间比较长 数分钟 几百伏的电压会威胁人员安全 因此维 修时 要等指示灯熄灭后进行 为制动电阻 在变频器的交流调速中 电动机的减速是通过降低变频器的 B R 输出频率而实现的 在电动机减速过程中 当变频器的输出频率下降过快时 电动 机将处于发电制动状态 拖动系统的动能要回馈到直流电路中 使直流电路电压 称泵升电压 不断上升 导致变频器本省过电压保护动作 切断变频器的输出 为了避免出现这一现象 必须将再生到直流电路的能量消耗掉 和的作用就 B R B V 是消耗掉这部分能量 如图 3 1 所示 当直流中间电路上电压上升到一定值 制动 三极管导通 将回馈到直流电路的能量消耗在制动电阻上 B V 2 2 直交电路设计直交电路设计 选用逆变开关管组成三相逆变桥 将直流电逆变成频率可调的交流电 逆 61 VV 变管在这里选用 IGBT 续流二极管的作用是 当逆变开关管由导通变为截止时 虽然电压突 127 VDVD 然变为零 但是由于电动机线圈的电感作用 储存在线圈中的电能开始释放 续流二 极管提供通道 维持电流在线圈中流动 另外 当电动机制动时 续流二极管为再生 电流提供通道 使其回流到直流电源 电阻 电容 二极管组成缓冲电路 来保护逆变管 0601 RR 0601 CC 0601 VDVD 由于开关管在开通和关断时 要受集电极电流和集电极与发射极间的电压的冲击 c I ce V 因此要通过缓冲电路进行缓解 当逆变管关断时 迅速上升 迅速降低 过高增 ce V c I 长的电压对逆变管造成危害 所以通过在逆变管两端并联电容 来减小电 0601 CC 压增长率 当逆变管开通时 迅速下降 迅速升高 并联在逆变管两端的电容由 ce V c I 于电压降低 将通过逆变管放电 这将加速电流的增长率 造成 IGBT 的损坏 所以 c I 增加电阻 限制电容的放电电流 可是当逆变管关断时 该电阻又会阻止电 0601 RR 容的充电 为了解决这个矛盾 在电阻两端并联二极管 使电容充电时 0601 VDVD 避开电阻 通过二极管充电 放电时 通过电阻放电 实现缓冲功能 这种缓冲电路 的缺点是增加了损耗 所以适用于中小功率变频器 因本次设计所选用的电动机为中 容量型 在此选用此种缓冲电路 3 1 2 变频器主电路设计的基本工作原理 1 1 整流电路整流电路 整流电路是把交流电变换为直流电的电路 本设计中采用了三相桥式不控整流电 路 主要优点是电路简单 功率因数接近于 1 由于整流电路原理比较简单 设计中 不再做详细的介绍 2 2 逆变的基本工作原理逆变的基本工作原理 将直流电转换为交流电的过程称为逆变 完成逆变功能的装置叫做逆变器 它是变 频器的主要组成部分 电压性逆变器的工作原理如下 2 三相逆变电路 三相逆变电路的原理图见图3 3所示 图3 3中 组成了桥式逆变电路 这6个开关交替地接通 关断就可以在 1 S 6 S 输出端得到一个相位互相差2 3的三相交流电压 当 闭合时 为正 闭合时 为负 1 S 4 S VU u 3 S 2 S VU u 用同样的方法得 当 同时闭合和 同时闭合 得到 同时 3 S 6 S 5 S 4 S WV u 5 S 2 S 闭合和 同时闭合 得到 1 S 6 S UW u 为了使三相交流电 在相位上依次相差2 3 各开关的接通 关 VU u WV u UW u 断需符合一定的规律 其规律在图3 3b中已标明 根据该规律可得 VU u WV u 波形如图下图所示 UW u 结构图 开关的通断规律 波形图 观察6个开关的位置及波形图可以发现以下两点 各桥臂上的开关始终处于交替打开 关断的状态如 1 S 2 S 各相的开关顺序以各相的 首端 为准 互差2 3电角度 如比滞后 3 S 1 S 2 3 比滞后2 3 5 S 3 S 上述分析说明 通过6个开关的交替工作可以得到一个三相交流电 只要调节开关 的通断速度就可调节交流电频率 当然交流电的幅值可通过的大小来调节 D U 3 2 主电路参数计算 根据前面所给出的原始参数 主电路各部分的计算如下 6 1 整流二极管的参数计算 峰值电流 15 6 22 06A m I2 N I2 有效值 15 6A d I 2 m I 二极管额定电流值 1 5 2 Id 1 57 14 91A 19 88A e I 额定电压值 2 3 2 3 380 1074 64V 1611 96V e U m U2 2 滤波电容 系统采用三相不控整流 经滤波后 1 1 380 591 05V d U2 3 制动部分 制动电阻粗略计算为 18 94 37 89 N d B I U R 2 NdI U 击穿电压 当线电压为 380V 时 根据经验值选 1000V b V 集电极最大电流 按照正常电压流经电流的两倍来计算 B V cm B R 2 591 05 18 94 62 41A b d CM R U I2 4 IGBT 的选用 峰值电压 2 2 5 1 1 380 1182 1V 1477 63V2 集电极电流 1 2 2 1 2 2 58 23 97 06A c I m I N I2 集电极 发射极额定电压 1 2 倍最高峰值电压 1 2 1477 63V 1773 16V 3 3 IGBT 及驱动模块介绍 在设计中采用 EXB840 它是一种高速驱动集成电路 最高使用频率为 40KHz 驱动 150A 600V 或者 75A 1200V 的 IGBT 驱动电路信号延迟小于 1 5 采用单电源 20V 供s 电 EXB840 的功能框图如图 3 4 所示 它主要由输入隔离电路 驱动放大电路 过流检测急保护电路以及电源电路组成 其中输入隔离电路由高速光电耦合器组成 可隔离交流 2500V 的信号 过流检测及保护 电路根据 IGBT 栅极驱动电平和集电极电压之间的关系 检测是否有过电流现象存在 如 果有过电流 保护电路将迅速关断 IGBT 防止过快的关断时而引起因电路中电感产生的 感应电动势升高 使 IGBT 集电极电压过高而损坏 IGBT 电源电路将 20V 外部供电电源 变成 15V 的开栅电压和 5V 的关栅电压 EXB840 引脚定义如下 引脚 1 用于连接反偏置电源的滤波电容 引脚 2 和 9 分别是 电源和地 引脚 3 为驱动输出 引脚 4 用于连接外部电容器 防止过流保护误动作 一般 场合不需要这个电容 引脚 5 为过流保护输出 引脚 6 为集电极电压监视端 引脚 14 和 15 为驱动信号输入端 其余引脚不用 R 主主主 主主主主 主主主主主 A 14 15 1 2 3 45 6 9 VST 主主 主主 主主 主主主主主主主 主主 主主主 主主主主 主主 主主主主主主主 主主主 主主主主 主主 20V 主主主主 主主主主主 主主主主主主主 主主 0V 图3 4 EXB840的引脚图 3 3 2 采用 EXB840 的 IGBT 驱动电路 其中 ERA34 10 是快速恢复二极管 IGBT 的栅极驱动连线应该用双绞线 长度应该 小于 1m 以防止干扰 如果 IGBT 的集电极产生大的电压脉冲 可增加 IGBT 的栅极电阻 G R 驱动信 号 故障输 出 4 7 双绞线 隔离电源 EXB840 组成的 IGBT 典型集成电路驱动电路 4 控制回路设计 控制回路是为变频器的主电路提供通断信号的电路 其主要任务是完成对逆变器 开关元件的开关控制 控制方式有模拟控制和数字控制两种 本设计中采用的是以微 处理器为核心的全数字控制 优点是它采用简单的硬件电路 主要依靠软件来完成各 种控制功能 以充分发挥微处理器计算能力和软件控制灵活性高的特点来完成许多模 拟量难以实现的功能 设计控制电路如下 4 1 驱动电路设计 驱动电路的作用是逆变器中的逆变电路换流器件提供驱动信号 主电路逆变电路 设计中采用的电力电子器件是 IGBT 故称为门极驱动电路 以下将介绍 SPWM 技术工 作原理和设计中所选用能产生 SPWM 波芯片 SA4828 的基本结构和工作原理 4 1 1 SPWM 调制技术简介 脉宽调制 PWM 技术是利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电压变成一定 形状的电压脉冲序列 实现变压 变频控制并消除谐波的技术 脉宽调制技术在逆变器中的应用 对现代电力电子技术 现代调速系统的发展起 到了极大的促进作用 近几年来 由于场控自关断器件的不断涌现 相应高频SPWM 正 弦脉宽调制 技术在电机调速中得到了广泛应用 不仅能及时 准确地实现变压变频控 制技术 而且更重要地是抑制逆变器输出电压或输出电流中的谐波分量 从而提高了 电机的工作效率 扩大了调速系统的调速范围 实际工程中目前主要采用的PWM技术是 正弦PWM SPWM 这是因为变频器输出的电压或电流波形更接近于正弦波形 根据电机学原理 交流异步电动机变频调速时 如果按照频率与定子端电压之比 为定值的方式进行控制 则机械特性的硬度变化较小 所以在变频的同时 也要相应 改变定子的端电压 若采用等脉宽PWM调制技术实现变频与变压 由于输出矩形波中含 有较严重的高次谐波 会危害电动机的正常运行 为减小输出信号中的谐波分量 一种有效的途径是将等脉宽的矩形波变成信号宽 度按正弦规律变化的正弦脉宽调制波 即 SPWM 调制波 产生 SPWM 信号的方法是用一组等腰三角波 称为载波 与一个正弦波 称为调制波 进行比较 如图 4 1 所示 两波形的交点作为逆变开关管的开通与关断时间 当调制 波的幅值大于载波的幅值时 开关器件导通 当调制波的幅值小于载波的幅值时 开 关器件关断 虽然正弦脉宽调制波与等脉宽 PWM 信号相比 谐波成份大大减小 但它毕竟不是 正弦波 提高载波 三角波 的频率 是减小 SPWM 调制波中谐波分量的有效方法 而载 波频率的提高 受到逆变开关管最高工作频率的限制 第三代绝缘栅双极型晶体管 IGBT 的工作频率可达 30KHz 用 IGBT 作为逆变开关管 载波频率可以大幅度提高 从 而使正弦脉宽调制波更接近正弦波 可由模拟电路分别产生等腰三角波与正弦波 并 送入电压比较器 输出即为 SPWM 调制波 u t t 0 u 主主主主 主主主主 主主主 主主 0 图4 1 SPWM波生成方法 在本设计中选用 SA4828 SA4828 是 MITEL 公司推出的一种专用于三相 SPWM 信号 发生和控制的集成芯片 可以和单片机接口 完成对交流电动机的变频调速 4 1 3 SA4828 内部结构及工作原理 SA4828 为 28 引脚的 DIP 或 SOIC 封装的控制芯片 内部具有总线控制及译码电路 有多种寄存器和相控逻辑电路 外部时钟输入经分频器分成设定的频率 并生成三角 形载波 三角载波与所选定的片内三种调制波形进行比较 自动生成 SPWM 输出脉冲 然后通过脉冲删除电路删除窄脉冲 如图 4 3 窄脉宽 图4 3 脉冲序列中的窄脉宽 因为这种脉冲不起任何作用 只会增加开关管的损耗 通过脉冲延迟电路生成死 区 从而保证桥上的管子不会在状态转换期间导通短路 看门狗定时器用来防止程序 跑飞 当条件满足时快速封锁输出 SA4828 内部结构原理框图如图 4 4 所示 图4 4 SA4828原理框图 SA4828 的设置是通过单片机接口将数据送入 SA4828 芯片内的两个寄存器 初始化寄存 器和控制寄存器 来实现的 初始化寄存器用于设定与交流电动机有关的基本参数 这 些参数要在 PWM 输出端允许输出前设定 系统工作以后不允许改变 控制寄存器是在 工作过程中控制输出脉宽调制波的状态 从而进一步控制交流电动机的运行状态 通 常在工作时 该寄存器的内容常被改写 以实现实时对交流电动机的速度进行控制 4 2 保护电路 保护电路的主要功能是对检测电路得到的各种信号进行运算处理 以判断变频器 本身或系统是否出现异常 当检测到异常时 进行各种必要的处理 4 2 1 过 欠压保护电路设计 过压 欠压保护是针对电源异常 主回路电压超过或低于一定数值时考虑的 通 用变频器输入电源电压允许波动的范围一般是额定输入电压的士 10 通常情况下 主回路直流环节的电压与输入电压保持固定关系 当输入电源电压过高 将使直流侧 电压过高 过高的直流电压对 IGBT 的安全构成威胁 很可能超过 IGBT 的最大耐压值 而将其击穿 造成永久性损坏 当输入电压过低时 虽不会对主回路元件构成直接威 胁 但太低的输入电压很可能使控制回路工作不正常 而使系统紊乱 导致 SA4828 输 出错误的触发脉冲 造成主回路直通短路而烧坏 IGBT 而且较低的输入电压也使系统 的抗干扰能力下降 因此有必要对系统的电压进行保护 图 4 5 为本文介绍的变频器 过压保护电路 图4 5 过电压保护电路 它直接对直流侧电压进行检测 其中电压信号的取样是通过电阻和分压得到 1 R 2 R 的 电容起滤波抗干扰作用 防止电路误动作 过压设定值从电位器上取出 运 1 C 1 W 放接成比较器的形式 当取样电压高于设定值时 异常情况下 比较器输出高AU 1 电平 光耦器件导通 输出低电平保护信号 其中电阻是正反馈电阻 它的接入使 5 R 正反馈有一定回差 防止取样信号在给定点附近波动时比较器抖动 这里将过压保护 的动作值整定为额定输入电压的 110 欠压产生的原因有两种 一是输入的交流电压长时间低于标准规定的数值 另一 种是瞬时停电或瞬时电压降低 欠电压导致逆变器开关器件驱动功率不足而烧坏开关 器件 一般欠压信号从直流端取样 这样既能在欠电压 过电压时检测出信号进行保 护 又不会因为短时间因为在欠电压 过电压并未构成危险时而保护误动作 欠压保护电路的原理与过压保护电路类似 其电压取样与过压取样相同 欠压设 定值由上取出 运放接成比较器的形式 当取样电压高于设定值时 正常情况 2 WBU 1 下 比较器输出高电平 光耦器件不导通 输出高电平 当取样电压低于设定值时 欠压情况下 比较器输出低电平 光耦器件导通 输出低电平保护信号 其电路下 图所示 动作值整定为输入电压的 85 图4 6欠压保护电路 本系统的故障自诊断是指在系统运行前 变频器本身可以对过载 过压 欠压保护 电路进行诊断 检测其保护电路是否正常 因此故障自诊断功能就是由单片机控制发 出各种等效故障信号 检测对应的保护电路是否动作 若动作则说明保护电路正常 反之说明保护电路本身有故障 应停机对保护电路进行检查 直到显示器显示正常 故障自诊断电路工作过程如下 单片机控制HSO 2口发出一高电平 经非门整形后 输出低电平 光耦器件导通 有电流流过三极管的基极 三极管导通输出低电平 输 出的低电平自诊断信号分别送至过压 欠压保护电路 因SA4828的SET TRIP端为高电 平有效 所以应加上一个反相器 使其反相后输出高电平 以下的过流信号也是如此 故 障自诊断电路如图4 7所示 图4 7 故障自诊断电路 4 2 2 过流保护设计 变频器在诸如直流短路 桥臂短路 输出短路 对地短路等情况下 电流变化非 常迅速 元件将承受极大的电压和电流 而 IGBT 器件的内部结构决定了它在足够大的 电流下会出现锁定现象 造成管子失控无法关断 以至烧坏 所以过流之前必须使 IGBT 关断以切断电流 虽然在 IGBT 的驱动模块 EXB840 中已经有过流保护 但考虑到 过大时 IGBT 还未来得及关断已经发生锁定现象的可能性 必须采取辅助断流措 dt di 施 这里采用瑞士 LEM 公司生产的霍尔效应磁场补偿式电流传感器来进行电流的检测 在此传感器的输出端串电阻 R 则 R 上的压降反应了被测的电流 过流发生时 R 上的 压降大于过流保护动作整定值 比较器 LEM324 输出低电平去封锁 IGBT 的驱动电路的 输入信号 即可使桥臂上的所有 IGBT 处于截止状态实现过流保护的功能 过流保护的 电路示意图如 4 8 图所示 图4 8 过流保护电路 4 3 控制系统的实现 模拟量的频率给定通过 ADC0809 模数转换器读入 8051 转化为 SA4828 的控制字 以控制触发信号的波形 ADC0809 是一种 8 路模拟输入的 8 位逐次逼近型 A D 转换器 件 电位器的输出接其输入 IN0 当 51 单片机没有当 5l 单片机没有外扩 RAM 和 I O 口时 ADC0809 就可以在概念上作为一个特殊的唯一的外扩 RAM 单元 因为它是唯一 的 就没有地址编号 也就不需要任何地址线或者地址译码线 只要单片机往外部 RAM 写入 就是写到 ADC0809 的地址寄存器中 只要单片机从外部 RAM 读取数据 就 是读取 ADC0809 的转换结果 EOC 转换结束信号经一非门接 8031 外部中断 1 P3 3 8051 通过地址线 P2 0 和读写信号来控制转换器的模拟量输入通道地址锁存 启动允 许输出 XTAL1 P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 WR RD P2 7 P3 2 REST ALE P1 0 XTAL2 AD0 AD1 ZPPR AD2 CS AD3 AD4 RD AD5 WR AD6 ALE AD7 STTRIP TRIP CLK 19 RESET RPHB BPHB YPHB BPHB RPHT YPHT R RES2 5V 5V VDD P3 3 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 IN0 VREF VREF SC ALE CLK OE EOC 主2 P2 0 8051 SA4828 图4 10 单片机系统图 因 8051 的复用总线结构 SA4828 的 MUX 引脚应该接高电平或悬空不接 8051 的 P0 口与 SA4828 的 AD 口连接 提供 8 位数据和低 8 位地址 SA4828 芯片中的地址锁存 器可以锁存来自 8051 的低八位地址 从而将 AD 口输入的地址和数据分开 SA4828 的 地址锁存器由 8051 的 ALE 引脚控制 同时连接的控制信号还有读 写信号 RD SA4828 的片选信号用 8051 的 P2 7 引脚来控制 这样 SA4828 的 8 个寄存器的WRCS 地址为 寄存器 R0 R5 的地址 0000H 0005H 虚拟寄存器 R14 R15 的地址 000EH 000FH SA4828 的 STTRIP 引脚接 8051 的 P1 0 使单片机能在异常情况下封锁 SA4828 的 输出 ZPPR 引脚接 8051 的 P3 2 测量调试波的频率 用于显示 因 80510INT 的复位端为高电平有效 而 SA4828 为低电平有效 所以在两者中间需要加上反相器 SA4828 的引脚接一个发光二极管 当 SA4828 的输出被封锁时 发光二极管TRIP 亮 用于指示封锁状态 SA4828 的六个输出引脚分别通过各自的驱动电路来驱动逆变 桥的六只开关管 第 4 章 实验与仿真 1 运行仿真 打开仿真 参数窗口 选择 ode23tb 算法 将相对误差设置为 1e 3 停止时间 设置为 0 1s 单击工具栏中的 开始 按钮开始仿真 仿真结束后双击示波器模块 可观测被测量的波形 改变模块参数可得到随之变化的仿真波形 0 200 400 600 800 1000 Vdc 1500 1000 500 0 500 1000 1500 Vab inverter 500 0 500 Vab Load 00 010 020 030 040 050 060 070 080 090 1 0 4 0 6 0 8 1 modulation index 图 4 1 交直交变频调速系统的仿真波形 4 3 2 1 0 1 2 3 4 x 10 4 00 010 020 030 040 050 060 070 080 090 1 1000 800 600 400 200 0 200 400 600 800 1000 Vab Load 图 4 2 变频前后电压波形 取一相 5 1 流程图 软件设计的流程图如图 5 1 图5 1 程序设计流程图 5 2 程序设计 由可算出调制波频率范围为 0 50Hz 时钟频率为 12MHz 设计载波频率 p sf 1 60 为 5kHz 实际脉冲删除时间为 12 s 死区延迟时间为 6 s 系统采用高效波形 不使 用看门狗功能 我们采用 Intel 公司的 8051 单片机 对 SA4828 进行设置 进而实现 对三相交流电动机进行调速控制 19 将程序分成三部分 分别介绍如下 1 初始化程序设计 根据上面介绍的公式 计算出 SA4828 各个初始化参数字 为了显示调试波频率 必须测量 ZPPR 引脚的输出脉冲周期 其周期的倒数就是调 制波频率 测量 ZPPR 输出脉冲周期的方法是 利用 ZPPR 输出脉冲的下降沿触发 中断 这时计算两个 ZPPR 输出脉冲下降沿的时间间隔 时间间隔可用定时器 T00INT 求得 初始值为 00H 但是因为调制波的频率较低 周期比较长 可能会出现周期大 于 16 位的 T0 所能定时的最长时间 因此 还要利用定时器 T0 的溢出中断 在 T0 每 次中断时 给一个指示器加 1 加 1 的结果存入 RAM 某个单元中 所以 本程序要用 两个中断 程序如下 ORG 0000H LJMP START ORG 0003H LJMP WZD ORG 000BH LJMP JA1 START SETB IT0 脉冲下降沿触发外中断 MOV TMOD 10H T0 工作在定时 方式 1 SETB EX0 开外中断 SETB ET0 开定时中断 SETB EA 开总控制中断 下面计算SA4828初始化参数字 载波频率设定字 由式 5 1 可得 69 4 512105 1012 512 2 3 6 1 Hz Hz f f CARR CLKn 取 4 所以 3 载波频率设定字为001 1 2 n n 反算载波频率为 KHz Hzf f n CLK CARR 86 5 2512 1012 2512 2 6 1 调制波频率范围设定字 由式 5 2 可得 28 3 5860 50384384 2 Hz Hz f f CARR RANGEm 取 所以m 2 调制波频率范围设定字为010 42 m 反算调制波频率范围为 RANGE fHz Hzf m CARR 61 384 25860 384 2 2 所以寄存器R0的值应为010XXO11B 即43H 最小删除脉宽设定字 最小删除脉宽等于实际最小删除脉宽加上延迟时间 所 ususustPDT18612 由式 5 3 得 127 512 PDT tHHzsft CARRPDT 497358601018512127 6 所以最小删除脉冲设定字为49H R1寄存器的值为49H 脉冲延迟时间的设定字 由式 5 4 得 DHHzsftn CARRPDYPDY 24558601065126351263 6 所以 脉冲延迟时间设定字为2DH 即寄存器R2中的值是2DH 波形选择字和AC设定 选用高效波形 选择字是10 红相控制幅值 AC 0 所以 寄存器R3中的值为 02H 看门狗设定 不用看门狗 所以寄存器R4 R5的值均为00H SA4828初始化子程序 MOV A 43H R0 43H MOV DPTR 0000H 指向R0的地址 MOVX DPTR A 43H装入R0 INC DPTR 指向R1的地址 MOV A 49H MOVX DPTR A 49H装入R1 INC DPTR 指向R2的地址 MOV A 2DH MOVX DPTR A 2DH装入R2 INC DPTR 指向R2的地址 MOV A 02H MOVX DPTR A 02H装入R3 INC DPTR 指向R4的地址 MOV A 00H MOVX DPTR A 00H装入R4 INC DPTR 指向R5的地址 MOVX DPTR A 00H装入R5 MOV DPTR 000EH 指向R14的地址 MOVX DPTR A 将六个寄存器的值写入 SA4828 初始化寄存器 2 调速子程序计算 假定用户由键盘输入的电动机转速 通过键处理程序进行转换 变成调制波频率 值 并将它存入内部 RAM30H 通过查 U F 曲线表 可以得到与调制波频率比 f POWER 相对应的调压比 并将它存入 31H 中 其他控制参数如 正反转 输出锁存 APOWER 看门狗 相计数器复位 软复位 这些变量存入位操作区 20H 以便通过位操作来改 变它们的值 调制波频率字计算可由 5 6 式得 1074 PES n f f RANGE POWER 65536 61 65536 POWER f POWER f 式中和的点位相同 因此 是无因次量 1074 可以看成 POWER f RANGE f PPS n POWER f 一个双字节的无符号数于一个单字节无符号数的相乘 其积是一个双字节的无符号数 调制波幅值控制字计算可由 5 7 式得 A n 100 255 APOWER 这是 2 个单字节数相乘 再除以一个单字节的数 其结果是一个单字节数 调速子程序就是要计算出和字 并将它送入 SA4828 的控制寄存器 A n PFS n SPEED MOV R2 04H 做乘法准备 求字 PFS n MOV R3 32H 将 1074 0432H 作为被乘数 MOV R6 00H MOV R7 30H 乘数为 POWER f LCALL QMUL 调用乘法子程序 MOV A R7 积的低 8 位送入 SA4828 寄存器 R0 MOV DPTR 0000H 指向 R0 MOVX DPTR A MOV A R6 积的次低 8 位送入 SA4828 寄存器 R1 INC DPTR 指向 R1 MOVX DPTR A INC DPTR 指向 R2 MOV A 20H 将 20H 中存放的位控制参数送寄存器 R2 MOVX DPTR A MOV A 0FFH 求调制波幅值控制字 A n MOV B 31H 送 B POWER A MUL AB 255 POWER A MOV R2 00H 准备做除法 MOV R3 00H MOV R4 B 将积作为被除数 MOV R5 A MOV R6 64H MOV R7 64H 除以 100 LCALL NDIV 调除法子程序 MOV A R5 商送入 SA4628 的寄存器 R3 INC DPTR 指向 R3 MOVX DPTR A MOV DPTR 000FH 指向 R15 MOVX DOTR A 将寄存器中的值写入 SA4828 控制寄存器 SETB TR0 开始定时 RET 3 中断子程序设计 本例中选用的中断源有 2 个 T0 中断和中断 中断的功能是计算 ZPPR0INT0INT 输出的调制波频率 由于调制波频率可能比较低 因此用 T0 溢出中断来记录一个 ZPPR 周期中 T0 溢出的次数 这个溢出次数保存到 10H 中 这样 在一个中断间0INT 隔里 所有的时间 即 ZPPR 周期 是 3 个字节的数 1 个字节的 T0 溢出 2 个字节的 T0 值 因为 8051 使用 12MHz 的时钟频率 一个机器周期是 1us 所以调制波频率的计算 公式为 ZPPR POWER T f 6 10 0F4240H 也是一个 3 字节的数 因此 上式是一个 3 字节的除法运算 如 6 10 果对精度要求较高 上式的分子和分母可以舍掉最低字节来简化计算 这样就成为双 字节除法运算 所以 当中断时 只取 TH0 将七寸放到 11H 中 除法运算的整0INT 数商存在 12H 小数商存放到 13H 中 各中断程序如下 T0 中断子程序 JA1 INC 10H T0 溢出次数加一 RET1 中断子程序0INT WDZ MOV TL0 00H TL0 清 0 MOV 11H TH0 取 TH0 MOV TH0 00H TH0 清 0 PUSH ACC 保持现场 PUSH B PUSH PSW SETB PSW 3 使用第一工作寄存器区 MOV A 11H 检查除数是否为 0 ORL A 10H JZ ABC 除数为 0 则退出 MOV R2 00H MOV R3 00H MOV R4 0FH MOV R5 42H MOV R6 10H 输入除数 MOV R7 11H LCALL NDIV 调用双字节除法子程序 MOV 12H R5 调制波频率整数部分存入 12H MOV R6 00H 对余数 R2R3 乘 100 MOV R7 64H LCALL QMUL 双字节乘法 乘 100 MOV R2 0CH 将积作为被除数 R4 R2 MOV R3 0DH R5 R3 MOV R4 0EH R6 R4 MOV R5 0FH R7 R5 MOV R6 10H 除数 MOV R7 11H LCALL NDIV 调用双字节除法子程序 MOV 13H R5 将调制波频率小数部分 小于 100 存入 13H MOV 10H 00H 10H 清 0 ABC POP PSW 恢复现场 POP B POP ACC RET1 4 双字节乘除法子程序 双字节乘除法子程序采用标准的 MCS 51 子程序库中的程序 20 双字节无符号数乘法子程序 R2R3 R6R7 R4R5R6R7 QMUL MOV A R3 MOV B R7 MUL AB XCH A R7 MOV R5 B MOV B R2 MUL AB ADD A R5 MOV R4 A CLR A ADDC A B MOV R5 A MOV A R6 MOV B R3 MUL AB ADD A R4 XCH A R6 XCH A B ADDC A R5 MOV R5 A MOV F0 C MOV A R2 MUL AB ADD A R5 MOV R5 A CLR A MOV ACC 0 C MOV C F0 ADDC A B MOV R4 A RET 双字节无符号数除法子程序 当满足 R2R3 R6R7 时 R2R3R4R5 R6R7 R4R5 余数在 R2R3 NDIV MOV B 16 NDIVL1 CLK C MOV A R5 RLC A MOV R5 A MOV A R4 RLC A MOV R4 A MOV A R3 RLC A MOV R3 A XCH A R2 RLC A XCH A R2 MOV F0 C CLR C SUBB A R7 MOV R1 A MOV A R2 SUBB A R6 JB F0 NDVM1 JC NDVD1 NDVM1 MOV R2 A MOV A R1 MOV R3 A INC R5 NDVD1 DJNZ B NDVL1 CLR F0 RET 结论 本文以 SPWM 方法为理论基础 以 8051 SA4828 为核心器件 在分别讨论了它们的 原理和特点后 设计了一种电压型交直交变频器 本设计有以下特点 1 选用的变频调速控制方式是比恒定控制 从而实现了恒磁通变频调速即恒 V f 转矩调速 2 选用了芯片生成 SPWM 方法 此法不仅思想先进 实现方法简便易行 而且减 轻了单片机的负担 直流电压利用率高 输出电流谐波成分小 4 主回路采用交 直 交电压型结构 非常适用于中 小容量的交流调速系统 5 选用 6 只 IGBT 构成三相桥式逆变器 IGBT 开关速度快 耐压高 承受电流大 驱动简单 6 采用 SA4828 作为 IGBT 的驱动芯片 它不仅可以产生可靠的驱动信号 而且可 以在发生故障时对被驱动的 IGBT 进行快速有效的保护 7 变频器可以控制电机时启动和正反转并显示其运行状态 8 变频器具有过流保护 泵升电压保护和过压保护三种保护功能 本文对以上电路进行了全面的设计 实现了变频器的基本功能 但是真正使本设 计产品化是不可能通过一次的研究就能够完成的 因此本次研究仅仅是交直交变频器 的基本原理 还有许多向题有待进一步研究 如 进一步完善变频器的控制功能和保护 功能 提高整个系统的工作稳定性 采用 IPM 智能功率模块等 参考文献 1 王晓明 电动机的单片机控制 第二版 北京 北京航空航天出版社 2007 157 182 2 杜金城 电气变频调速设计技术 北京 中国电力出版社 2001 195 205 3 李敬梅 电力拖动控制与技术训练 第三版 北京 中国劳动社会保障出版社 2001 401 428 4 何超 交流变频调速技术 北京 北京航空航天出版社 2006 1 65 5 张毅刚 单片机原理和应用 北京 高等教育出版社 2007 10 115 6 童诗白 华成英 模拟电子技术基础 北京 高等教育出版社 2001 171 201 7 阎石 数字电子技术基础 北京 高等教育出版社 1998 8 王占奎 交流电机变频调速的应用 J 电工技术杂志 2004 12 125 9 陈伯时 陈敏逊 交流调速系统 北京 机械工业出版社 1998 5 35 袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈 羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇 袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁