交流异步电动机的速度闭环控制及其硬件实现 精品.doc

题 目：交流异步电动机的速度闭环控制及其硬件实现绪论随着社会的不断发展,我们面临着能源短缺,电机调速技术的不断更新等许多问题,尤其是闭环调速在交流电机上的应用以来,使得变频调速逐渐显示出很大的潜力。 现状：能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要。作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。目前，国内变频调速系统的研究非常活跃，但是在产业化方面还不是很理想，市场的大部分还是被国外公司所占据。因此，为了加快国内变频调速系统的发展，就需要对国际变频调速技术的发展趋势和国内的市场需求有一个全面的了解。PWM技术：脉宽调制技术(简称PWM技术)是交流调速系统的控制核心，以其高效率，高功率因数，输出波形好，结构简单，可组成传动等优点而得到了越来越广泛的应用，而且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子国际会议上，如PESC，IECON，EPE年会上已形成专题。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8。 研究内容：在本中主要研究的变频调速系统是以大规模专用集成电路芯片HEF4752为主要部分构成的，由HEF4752产生的三相SPWM信号经隔离、放大后，驱动由IGBT构成的三相逆变器，使之输出SPWM的波形，实现异步电动机变频调速，整个过程可由单片机来控制，用到了专门用于产生SPWM波形的芯片HEF4752，自身带有过电流，过电压，过热，短路等保护设计的IGBT的集成芯片IPM，专门用于键盘，显示电路的8279芯片，和C51，8253等芯片，使整个调速的过程变得简单了不少，由于采用了闭环控制，使得变频调速所达到的结果更加精确，转速检测部分采用了M/T测速法，即采用了光电码盘测速，提高了系统的稳态控制精度。随着全球能源的不断的紧张和变频技术的不断的成熟，这种微机控制的变频调速将得到越来越多的关注。交流调速的优点：(1)在传统的可调速电气传动系统中，直流电动机调速系统占绝对优势。但是直流电动机结构复杂，价格高，又有换向器和电刷，在运行中常出故障。与此相反，鼠笼式异步电动机具有结构简单，运行可靠，价格便宜等优点。但是交流电动机调速困难。自从上世纪80年代初交流变频技术出现以来，使用变频调速器和调节器来进行交流电动机无级调速成为可能。它具有调速范围宽，稳速精度高，动态响应快，运行可靠等技术性能，已逐步取代直流电动机调速系统。所以，研究交流调速很有意义，这也是我们立体原因所在。(2)交流调速技术的应用为工农业生产及节省电能方面带来了巨大的经济和社会效益，发展表明，现代工业生产及社会发展的需要推动了交流调速的飞速发展；现代控制理论的发展和应用，电力电子技术的发展和应用，微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用为交流调速的飞速发展创造了技术和物质条件，现在，交流调速系统正在逐步取代直流调速系统。交流调速在电气传动领域中占据了统治地位已是公认的事实。 单片机控制变频调速的优点： 随着计算机技术的发展，无论是生产还是生活当中，人民对数字化信息的依赖程度越来越高。单片机已经在交流调速系统中得到了广泛地应用。例如由Intel公司1983年开发生产的MCS-96系列是目前性能较高的单片机系列之一，适用于高速、高精度的工业控制。其高档型：8196KB、8196KC、8196MC等在通用开环交流调速系统中的应用较多。在交流调速的研究与制造过程中，速度的控制十分重要，能够达到准确无误的控制是十分关键的，这就需要对速度不断的检测和反馈，因此必须要建立闭环控制系统，让计算机对检测到的实际电动机的信号与用户所给定的信号不断的比较，最终达到以致的结果，这样控制，系统的精确性相比过去的开环调速得到很大的提高，也成为以后精确调速的一个发展的方向，有很大的发展市场。近十几年来，由于微机控制技术，特别是以单片机及数字信号处理器 DSP 为控制核心的微机控制技术的迅速发展和广泛应用以及大规模集成电路的应用，促使交流调速系统的控制回路由模拟控制转向数字控制。全数字化的交流调速系统已经得到普遍应用。数字化使得控制器对信息处理能力大幅度提高，许多难以实现的复杂控制，如矢量控制中的复杂坐标变换运算、解耦控制、滑模变结构控制、参数辨识的自适应控制等，采用微机控制器后便都解决了。高性能的矢量控制系统如果没有微机的支持是不可能真正实现的。此外，微机控制技术又给交流调速系统增加了多方面的功能，特别是故障诊断技术得到了完全的实现。微机控制技术及大规模集成电路的应用提高了交流调速系统的可靠性和操作、设置的多样性和灵活性，降低了变频调速装置的成本和体积。以微处理器为核心的数字控制已经成为现代交流调速系统的主要特征之一。 展望：由于交流电机控制理论不断发展，各种总线也扮演了相当重要的角色,STD总线、工业PC总线、现场总线以及CAN总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用。尤其是计算机在调速过程中的比较控制方面（即闭环反馈方面）综观交流调速发展过程和现状，可以看出交流调速技术今后发展趋势和动向如下： 以取代直流调速系统为目标的高性能交流调速系统的进一步研究与开发。新型拓扑结构功率变换器的研究与开发。 PWM 模式的改进和优化。中压变频装置（我国称为高压变频装置）的研究与技术开发1. 系统的组成研究 在这部分中主要从系统的硬件设计上对我们所研究的的内容加以了详细的说明,系统的各个模块,各模块的作用,以及它们的一些优点,在这章都有说明。1.1 系统的硬件框图 图1-1 系统的硬件框图本系统主要由：主电路，单片机系统，检测保护电路，键盘显示电路组成，详细见附录2系统原理图1。1.2 系统的各组成部分研究 在这一部分当中主要包括:系统主电路;单片机系统;检测保护电路。详细电路见附录原理图。1.2.1系统的主电路 主电路采用了交直交变频器，工作原理即：先将工频交流电源通过整流器变换成直流电，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流电，由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直溜环节”，所以又称间接式变频器。它又分为电压源型和电流源型两种，电压源型采用较大电容量的电容器进行滤波，直流电路电压波形平直，输出阻抗小，电压不易变化，相当于直流恒压源，它在当前中小功率变频调速系统中应用十分广泛。如下：图1-2 图1-2 交-直-交变频电源整流部分原理图如图1-3，其中A，B，C是交流电输入端，接有熔丝，当出现电流过大时熔丝会自动熔断，起到保护整个电路的作用，在整流电路入口还接有电容和电阻，能够起到抗干扰的作用，使得系统的性能更加的稳定；逆变部分采用了IPM，专用的IGBT逆变集成芯片，因为它的优点比较多，而且用起来比较方便，所以得到广泛的应用（关于IPM具体的功能见它的芯片介绍）7。 图1-3 系统整流部分原理图1.2.2单片机系统 这部分包括单片机的控制和键盘显示系统两个主要部分，以及以及中间用到的一些现在经常采用的一些比较先进的，可以代替大块的硬件电路的芯片的运用。 (1)单片机最小系统 本装置的单片机控制系统是整个变频调速系统的测控中枢，主要完成对整个变频调速系统的检测，控制，保护等工作。在启动前，单片机对系统进行启动前的检测，在保证电路电压，电流正常，且无电流冲击的情况下允许启动；正常运行时单片机控制集成触发芯片HEF4752V产生PWM信号的同时，还要完成对转速的检测，PID数字调节的运算与处理，监视系统的运行等功能。若系统出现故障，则进行保护处理，并根据检测结果显示相应的故障状态。单片机控制系统还具备了必要的人机交互功能，通过键盘设置或修改系统运行及控制参数。为了实现上述功能，选用8051芯片2作为系统主机，如下图1-4所示。 图1-4 单片机最小系统8051内部只有4K的ROM，因此利用8KB的EPROM 2764进行扩展。8051的P0口经地址锁存器74LS373与2764的A0-A7相连；P2口的低5位P2.0-P2.4接2764的A8-A12，P0口同时又接与2764的数据线D0-D7相连；EPROM的片选信号来自8051的PSEN。 6264为外部数据存储器，用于对8051的RAMA进行扩展。8051的P0口经地址锁存器74LS373与6264的A0-A7相连；P2口的低5位P2.0-P2.4接6264的A8-A12，P0口同时又直接于2764的数据线D0-D7相连；6264的片选信号来自译码器74LS138的Y12。 (2)键盘显示电路 键盘/显示电路采用了Intel8279专用键盘/显示控制芯片，它具有显示器自动扫描，识别，闭合键的键号自动识别的功能，能自动向LED显示器输出显示字符的段选码和位选码，实现动态扫描，可代替CPU完成对键盘和显示器的控制，减轻CPU的负担，而且显示稳定，不会出现误动作，其最大的键盘配置可达64个，最多可接16位显示器，完全满足系统的要求。8279与8051接口也十分方便。这样既简化了电路设计，又提高了CPU的工作效率。具体应用电路如下：图1-5所示。 图1-5 键盘显示电路本系统采用了16个按键的配置，即10个数字键和6个功能键。数字键为0-9，功能键为R-启动键，PID-PID参数设置，SPEED-电机转速设置键，ENTER-设置确认键，P/N-正反转控制键，S-停止键。SL0-SL2接译码器74LS138的输入端译码器的输出Y0，Y1作为键盘行扫描线，查询线则由反馈输入线RL0-RL7提供。 为了能够精确的显示PID 参数，电机转速等系统的运行的参数，以及能够详尽地描述系统的启动，控制等运行状态。本系统采用8位8段共阴极LED显示器，LED的位选线由扫描线SL0-SL2经3-8译码器，驱动器提供，段选线OUTB0-OUTB3，OUTA0-OUTA3通过驱动器提供。8279的中断请求信号IRQ经过反向器与8051的 相连。ALE作为8279的时钟信号直接连到其CLK端，由8279设置适当的分频数，分频至100KKz。P0口作为数据线，用于向8279写入显示字，控制字以及读回按键的键值。， 是读/写控制线， 作为8279的片选信号。3 在本文中，主要用于用户的输入和输入值，及转速的显示等，具体的见程序流程。 (3)逆变器触发单元设计逆变器触发单元以8051单片机为核心，由可编程记数/定时器825310，PWM信号发生器HEF4752V等组成。8051主要完成控制工作，并向8253送时间常数和控制字；8253的3个计数器用以产生HEF4752V所需要的4个时钟输入fVCT,fOCT,fFCT,fRCT;HEF4752V是用以产生PWM逆变器的驱动信号。单元结构如下：图1-6所示： 图1-6 逆变器触发单元设计 8253是可编程定时/计数器芯片，包含3个独立的16位计数器。8253可用6种模式进行工作（详细见8253芯片介绍），全部功能都由软件来确定，图中8253的CLK0-2接10MHz时钟，GATE0-2为3个计数器的允许/禁止端，OUT0-2为3个计数通道的输出端，分别接HEF4752V的FCT，VCT，RCT和OCT。将8253的3个通道设定为方式3及计数分频模式，改变通道的分频数，即可改变对应的时钟输出，从而控制HEF4752V产生相应的PWM信号1(其中HEF4752Z所需要的四路时钟信号fVCT,fOCT,fFCT,fRCT的具体的情况见附录1系统软件设计中关于它们的计算选择)。1.2.3 检测保护电路13 图1-7 转速检测电路本系统采用M/T测量电机的转速，脉冲发生器则采用红外线发射及接收器件TLP947，在电机的转轴上应有黑白相间条纹的铝环，当铝环随电机转动时，由TLP947作为脉冲发生器可以产生一系列脉冲，单片机则可以进行M/T法测速，测速装置属于反馈环节，本系统用光电码盘测速，每转1024个脉冲作为转速传感器，和硬件8051相连接，记录码盘脉冲个数，其中关于测速的计算为： 因为码盘上有1024个脉冲传感器，就相当于1024个小孔，由发光二极管照在上面，当经过一个小孔就有一个高电平被送到了单片机当中，假设按秒计算，如果在1秒内收到了N个信号，则证明有N个高电平已经发出，既经过了N个小孔，所以转过的圈数就是N/1024，所以每分钟就时60N/1024圈每秒，得到的也就时电动机的实际的转速，用码盘测速在较宽的调速范围内可以获得较满意的效果。转速测量电路如上图1-7所示。 在本系统中通过上图转速检测电路检测到一个个的电频信号，并送到了C8051单片机中，进行记数，计算，最终得到的就是电动机的实际转速。转速检测电路也是本系统的闭环控制部分，它首先是一个检测电路，通过M/T测速得到了电动机的实际转速，其次，它把得到的转速送回了单片机，由单片机进行比较处理，既用户输入的电动机的转速与实际的转速相比较，即让两个值做差，看哪个值大，如果实际的大就让电动机进行减速处理，如果用户输入的值大就让电动机进行减速处理，也就是我们在后面说到的PID调节，就如上面它的动态结构图所示的那样，通过闭环控制使得调速更精确，系统的性能大大的得到了改善8。2. 系统的工作原理介绍 本章主要介绍了电机调速的工作原理，以及交流调速的脉宽调制（PWM），祥见各节介绍。2.1调速的工作原理介绍 由异步电动机的转速公式n = 60 f1(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5。 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 = 4.44 f1N1KNm 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 = 4.44 f1N1KN m 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)基频以下调速 由式Eg = 4.44 f1N1KN m 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 Eg = 4.44 f1N1KNm 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U1 Eg,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2-1所示。 1-不带定子压降补偿； 2-带定子压降补偿 图2-1 恒压频比控制特性 (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Eg = 4.44 f1N1KN m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下图所示的异步电动机变压变频调速控制特性。 图2-2 异步电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。根据电力拖动原理，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。 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2-3所示： 图2-3 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； Er 转子全磁通的感应电动势（折合到定子边）。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 (2-1)当 s 很小时，可忽略上式分母中含 s 的各项，则： (2-2) 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2-4 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(2-1)分母中的R2，则 (2-3) 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2-4。 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；通过改变IGBT的1，2；1，6；3，4；3，2；5，4；5，6；各组成交替导通的时间来改变逆变器输出波形的频率；在每组IGBT控制的周期内，改变他们通断的时间比，即通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压幅值的大小。如果使每组开关元件在其控制周期内反复通断，多次，并使每个输出矩形脉冲波形波电压下的面积接近于对应的正玄波。此时的三相正玄波就可以作为异步电动机的供电电源，从而实现电机的平滑启动，停车和宽范围调速7。2.2 交流调速的脉宽调制(PWM)控制技 脉宽调制技术（Pulse Width ModulationPWM）是指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、变频控制并且消除谐波的技术，简称 PWM 技术。变频调速系统采用 PWM 技术不仅能够及时、准确地实现变压变频控制要求，而且更重要的是抑制逆变器输出电压或电流中的谐波分量，从而降低或消除了变频调速时电机的转矩脉动，提高了电机的工作效率和调速系统性能。目前，实际工程中主要采用的 PWM 技术是正弦 PWM(SPWM)，使变频器输出电压或电流波形更接近于正弦波形。SPWM 方案多种多样，归纳起来可以分为电压正弦 PWM、电流正弦 PWM 和磁通正弦 PWM 等三种基本类型，其中电压正弦 PWM 和电流正弦 PWM是从电源角度出发的 SPWM，磁通正弦 PWM(也称为电压空间矢量 PWM)是从电机角度出发的 SPWM。正弦波 PWM 调制原理为：调制信号为正弦波的脉宽调制叫做正弦波脉宽调制(SPWM)，产生的脉宽调制波是等幅而不等宽的脉冲列，脉宽调制的方法很多，从脉宽调制的极性上看，有单极性和双极性之分；从载波和调制波的频率之间的关系来看，又有同步调制、异步调制和分段同步调制。图2-512为 PWM 逆变器的主电路6。 图2-5 PWM逆变器的主电路图2-6所示为双极性脉宽调制波形，图中三角波UC 为载波，正弦波UM 为调制波，当载波与调制波曲线相交时，在交点的时刻产生控制信号，用来控制功率开关器件的通断，就可以得到一组等幅而脉冲宽度正比于对应区间正弦波曲线函数值的矩形脉冲Ud 。 图2-6 双极性脉宽调制波形SPWM 逆变器输出基波电压的大小和频率均由调制电压来控制。当改变调制电压的幅值时，脉宽随之改变，即可改变输出电压的大小；当改变调制电压的频率时，输出电压频率随之改变。但正弦调制波最大幅值必须小于三角波的幅值，否则输出电压的大小和频率就将失去所要求的配合关系。在实行 SPWM 脉宽调制时，同步调制和异步调制优缺点如下： (1)同步调制 在同步调制方式中，载波比 N 等于常数，变频时三角载波的频率与正弦调制波的频率同步改变，因而逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数是固定不变的。如果取 N 为 3 的倍数，则同步调制能保证输出波形的正、负半波始终保持对称，并能严格保证三相输出波形间具有互差120o的对称关系。当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使电机产生较大的脉动转矩和较强的噪声。 (2)异步调制 异步调制是逆变器的整个变频范围内，载波比 N 不等于常数。一般在改变调制信号频率时保持三角载波频率不变，因而提高了低频时的载波比。这样输出电压半波内的矩形脉冲可随输出频率的降低而增加，相应的可减少电机的转矩脉动与噪声，改善了系统的低频工作性能。 异步调制方式的缺点是当载波比 N 随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是 3 的倍数，势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电机工作不平稳。 (3)混合调制 混合调制综合了上面两种方法的优点，把整个变频范围划分为若干频段，在每个频段内都维持载波比 N 恒定，而对不同的频段取不同的 N 值，频率低时，N 取大些，一般大致按等比级数安排。产生 SPWM 调制信号主要有三种方法： (1)采用分立元件的模拟电路法，缺点是精度低、稳定性差、实现过程复杂以及调节不方便等，该方法目前基本不用。 (2)采用专用集成电路芯片产生 SPWM 信号，如常用的 HE4752 芯片等 这些芯片的应用使变流器的控制系统得以简化，但由于这些芯片本身的功能存在不足之处，致使它们的应用受到限制4。 (3)单片机数字编程法，其中高档单片机将 SPWM 信号发生器集成在单片机内，使单片机和 SPWM 信号发生器容为一体，从而较好地解决了波形精度低、稳定性差、电路复杂、不易控制等问题，并且可以产生多种 SPWM 波形，实现各种控制算法和波形优化, Intel 公司推出的 16 位单片机 8XC196MC 就是这样一种具有高性能的特别适用于 PWM 控制技术的单片机。 其中SPWM 的数字控制有自然采样法和规则采样法两种，其中自然采样法计算比较复杂，不适合用计算机进行控制，一般采用规则采样法，具体的原理如下所述： 图2-7所示为规则采样 I 法。它是在三角波每一周期的正峰值时找到正弦调制波上的对应点，即图中 D 点，求得电压值ucd 。用此电压值对三角波进行采样，得 A、B 两点。就认为他们是 SPWM 波形中脉冲的生成时刻，A、B 之间就是脉宽时间t2。规则采样 I 法的计算显然比自然采样法简单，但从图中可以看出，所得的脉冲宽度将明显的偏小，从而造成较大的控制误差。这是由于采样电压水平线与三角载波的交点都处于正弦调制波的同一侧造成的。 为了减小误差，可对采样时刻作另外的选择，这就是图2-7所示的规则采样 II法。图中仍在三角载波的固定时刻找到正弦调制波上的采样电压值，但所取的不是三角载波的正峰值，而是其负峰值，得图中 E 点，采样电压为uce。在三角载波上由uce水平线截得 A、B 两点，从而确定了脉宽时间。由于 A、B 两点坐落在正弦调制波的两侧，因此，减少了脉宽生成误差，所得的 SPWM 波形也就更准确了。 由图可以看出，规则采样法的实质是用阶梯波代替正弦波，从而简化了算法。只要载波比足够大，不同的阶梯波都很逼近正弦波，所造成的误差就可以忽略不计了。在规则采样法中，三角载波每个周期的采样时刻都是确定的，都在正峰值或负峰值处，不必作图就可计算出相应时刻的正弦波值，因而脉宽时间和间歇时间可以很容易计算出来。由图可得规则采样法 II 的计算公式： (2-4) (2-5)若变频调速系统用于三相异步电动机调速还应形成三相的 SPWM 波形。即使三相正弦调制波在时间上互差2 /3，而三角载波是共用的，这样就可在同一个三角载波周期内获得图5 中所示的三相 SPWM 脉冲波形。在图2-8 中，每相的脉宽时间ta 、tb 和tc 都可用公式计算： 图2-7 生成SPWM波形的规则采样法 图2-8 三相SPWM波形即： (2-6) 三相脉宽时间的总和为： (2-7)三相间歇时间总和为： (2-8)在数字控制中用计算机实时产生 SPWM 波形就是基于上述的采样原理和计算公式。3. 闭环调速的实现 3.1 系统的动态结构图 图3-1 系统动态结构图 注释：系统的动态结构图所示的就示系统的闭环控制部分，这部分通过转速检测电路把实际的转速反馈回计算机，然后通过进行PID调节，再通过执行机构的执行，使得输出速度与用户输入速度相一致，完成速度闭环控制的目的。通过这部分可以使电动机的转速得到更精确的控制，在这部分当中具体涉及到的转速检测部分见第1章的介绍，转速反馈见后面介绍3。 3.2 工作原理的介绍 闭环控制就是反馈控制，它是自动控制系统最基本的控制方式，也是应用最广泛的一种控制方式，它是按偏差进行控制的，其特点是不论什么原因使被控量离期望值出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致，在本文中这个反馈量就是速度，闭环控制中的差值就是e(k)=e(用户)-e(实际)，即进行反馈调节的就是这个偏差，使它尽量减小到0，即用户输入速度与实际速度相一致，在本文中实现这一部分功能的就是PID调节。 3.2.1 PID应用的介绍 PID控制算法介绍：在数字计算机中，PID控制规律的实现，也必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化，将描述连续-时间PID算法的微分方程，变为描述离散-时间PID算法的差分方程。 (1)PID算法分为：位置式PID控制算法；增量式PID控制算法；速度式PID控制算法三种，这三种算法的选择，一方面要考虑执行器件的形式，另一方面要分析应用时的方便性。位置算法的输出除非用数字式控制阀可直接连接外，一般须经过D/A转换为模拟量，并通过保持电路，把输出信号保持到下一个采样周期的输出信号到来时为止；增量算法的输出可通过步进电机等累积机构化为模拟量，而速度算法的输出须采用积分式执行机构。 (2)本系统采用了增量式PID控制算法，当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是控制量的增量（例如去驱动步进电动机）时，需要用PID的“增量算法”。简化示意图和控制算法如下： 图3-2 增量式PID控制算法的简化示意图由位置算法求出 (3-1)再求出 (3-2)两式相减，得出控制量的增量算法 (3-3)式(3-3)称为增量式PID算法。对增量式PID算法（3-1）归并后，得： (34)其中： 从(3-4)已看不出是PID的表达式了，也看不出P、I、D作用的直接关系，只表示了各次误差量对控制作用的影响。从式(3-4)看出，数字增量式PID算法，只要贮存最近的三个误差采样值e(k)、e(k-1)、e(k-2)就足够了。 所以: u(k)u(k-1); e(k-1)e(k-2); e(k)e(k-1) 最后输出u(k)由计算机来加载PWM,进行调速。（具体的见3.2.2 调速闭环控制介绍。） 3.2.2 调速闭环控制介绍 本文中关于PID控制调速部分实际上就是上面介绍的用u(k)来加载PWM的过程，它的动态结构图如图3-3所示： 图3-3 调速闭环控制动态结构图在本系统中闭环控制起到了使系统调速达到更快速，更精确的目的，具体的调速原理如下： 当用户由键盘输入想要达到的速度后，经计算机处理送到主芯片C8051，然后控制8253给HEF4752送控制字，达到调速目的，其中在不断的转速检测闭环反馈的过程中进行着不断的PID比较调节和加载PWM，在经过PID调节后会输出一个u(k)，它的范围为(-5V，+5V)，这个u(k)就对应一个实际的频率，即用户可以进行识别调制的频率，我们可以考虑到精确度把它对应着实际频率等份的越多越精确，在这里考虑到计算问题，我们把它们对应着分成了100等份，但是这个频率却不是计算机所直接控制的频率，计算机主要控制PWM的专用芯片HEF4752的FCT，VCT，RCT，OCT，来驱动IPM中的IGBT导通时间的长短，这样就可达到改变加在电机定子上的实际电压的多少，达到调速的目的，所以再K斜率选中后我们剩下的就是来调频率了，即主要由计算机来查表调用fFCT和fVCT就可以了，所以根据原理我们把u(k)分成了100等份，对应100份频率，列表，这样输出的u(k)是多少对应着查表就可以知道现在的实际频率了，或输入实际的频率就可以知道输出的u(k)的大小了，再列表对应加在电机上的实际电压U实，送入HEF4752的四个输入信号FCT，VCT，RCT，OCT，其中主要为FCT，VCT，用计算机调用表中的值就可以进行闭环调速的控制了，其中各个对应关系为：u(k)f实际；f实际U实；fFCTf实际；fVCTf实际但由于计算复杂，在实际列表中我们只列出了一些，并且表3-1如下所示：表3-1 调速对应表Uk(V)-5-4.9-4.8-4.7-4.6.0. 5电机实际频率f（Hz）01234.50. 100加在电机上的实际电压U(v)512.52027.535.380. 380对应fFCT（kHz）0.842.97365.10727.24089.3744.107.52. 214.2fFCT对应的8253的16进制2E8AD237A656542B.21. . 2F对应的fVCT（kHz）3Hz2.835.668.4911.32.141.3 . 283fVCT对应的16进制32DCD5DCE6E749A2C4.47.23 注释：在调速的过程中主要是来设定HEF4752的四路时钟，所以根据实际情况需要在这里我们进行一设计些说明，其中有些在HEF4752芯片介绍时已经做了说明。(1)fFCT的设置 设定输出频率fout与变换次数D有关系，fout=0.25HzD取D为1-255之间的整数，则fout的范围为0.25Hz,63.75Hz，由式fFCT=3360fout得 fFCT的范围为0.84KHz,214.2KHz,所以在计算中，我们对应不同的频率来设置不同fFCT，把它分成了100份。(2)fVCT的设置 在一般情况下，电动机的额定电压Un=380V,额定频率fn=50Hz则fVCT的标称值fVCT（nom）可接下式计算，即： fout(m)=fn0.624Ud/Un=500.6241.35380/380=42.1(Hz) fvct(nom)=6720fout(m)=672042.1=283(KHz)式中的Ud为逆变器直流侧的电压，fout(m)为临界输出频率，电动机低频或高频工作时，fvct取小于fvct(nom)的适当值，以补偿Uout,维持电机工作在恒磁通状态。而中间频率对应的fvct(nom)。该控制器的低频补偿范围为0.25-6Hz,而在本文中我们取3Hz作为低频补偿。(3)fRCT的设置 实例表明，IGBT的开关频率，以取1KHz左右比较合适，若取frct=400kHz,则由fRCT=280fc.max得fc.max=1.43KHz，fc.max=0.6fc.max0.86KHz，逆变器得实际开关频率，被限制在0.86KHz-1.43KHz范围内。(4)fOCT的设置 为了防止逆变器同一桥臂上下开关元件在开关转换过程中产生直通现象，须设置延迟时间Td，通常在fout=10Hz的时候，取Td=4s,因该控制器K接高电平，故fout=16/Td,得fout=10Hz时，foct=4MHz. 关于系统的软件设计见附录流程图和控制程序，主芯片C8051控制8253，再由8253控制HEF4752产生PWM，由PWM去驱动IPM，最后控制加在电机上的U的通断的时间长短，完成调速的整个过程。 3.3 闭环控制的优势 闭环控制系统是按反馈控制方式组成的反馈控制系统，具有抑制任何内，外扰动对被控制量产生影响的能力，有较高的控制精度，是一种重要的并被广泛应用的控制方式。 在本系统中由于采用了闭环控制，使得变频调速的响应速度更快，更精确，效率高，功率因数可达到0.98，而且实现了电机从0r/min软启动，无启动冲击电流，从而延长了电机的使用寿命，又采用了PID算法，使得整个系统的误差小，真正的按照用户的需求成功的完成了调速过程，而且又采用了计算机控制，整个系统的性能得到了很大的提高3。4. 系统所用到的芯片介绍 在整个系统的设计中用到了一些芯片，它们使得整个系统简单了不少，关于它们的具体介绍如下： 4.1 C8051芯片引脚图（如图4-1）引脚功能介绍 MCS-51是标准的40引脚双列直插式集 图4-1 8051芯片成电路芯片，引脚分布如上图： P0.0P0.7 P0口8位双向口线（在引脚 的3932号端子）。 P1.0P1.7 P1口8位双向口线(在引脚的18号端子)。 P2.0P2.7 P2口8位 双向口线(在引脚的2128号端子)。 P3.0P3.7 P2口8位双向口线(在引脚的1017号端子)。 P0口有三个功能: (1)外部扩展存储器时，当做数据总线（如图1中的D0D7为数据总线接口） (2)外部扩展存储器时，当作地址总线（如图1中的A0A7为地址总线接口） (3)不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。 P1口只做I/O口使用：其内部有上拉电阻。 P2口有两个功能: (1)扩展外部存储器时，当作地址总线使用 (2)做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻；P3口有两个功能 : 有内部EPROM的单片机芯片(例如8751)，为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的， 即：编程脉冲：30脚（ALE/PROG），编程电压(25V)：31脚(EA/Vpp) 接触过工业设备的兄弟可能会看到有些印刷线路板上会有一个电池，这个电池是干什么用的呢？这就是单片机的备用电源，当外接电源下降到下限值时，备用电源就会经第二功能的方式由第9脚(即RST/VPD)引入，以保护内部RAM中的信息不会丢失2。 ALE/PROG 地址锁存控制信号: 在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。PORG为编程脉冲的输入端，在8051单片机内部有一个4KB或8KB的程序存储器(ROM)，ROM的作用就是用来存放用户需要执行的程序的，通过编程脉冲输入才能写进去。PSEN 外部程序存储器读选通信号:在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。 (1)内部ROM读取时，PSEN不动作； (2)外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次； (3)外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过不会输出； (4)外接ROM时，与ROM的OE脚相接。 EA/VPP 访问和序存储器控制信号 : (1)接高电平时： 扩展外部ROM：当读取内部程序存储器超过0FFFH(8051)1FFFH(8052)时自动读取外部ROM。 (2)接低电平时：CPU读取外部程序存储器(ROM)。 在前面的学习中我们已知道，8031单片机内部是没有ROM的，那么在应用8031单片机时，这个脚是一直接低电平的。 (3)8751烧写内部EPROM时，利用此脚输入21V的烧写电压。RST 复位信号XTAL1和XTAL2 :外接晶振引脚。当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。VCC：电源+5V输入 VSS：GND接地。 在本文中C8051是单片机控制系统的核心，由C8051来完成所有的信号处理，并以它为中心进行内存扩展，扩展了8K的内部存储器EPROM和外部数据存储器RAM。 4.2 PWM的专用芯片HEF4752 HEF4752是采用LOCMOS工艺制造的大规模集成电路，专门用来产生三相SPWM信号。它的驱动输出经隔离放大后，可驱动GTO,GTR和IGBT逆变器，在交流变频调速中作控制器件8。 引脚图如下图4-2所示 图4-2 HEF4752引脚图主要特点如下：(1)能产生三对相