微机控制的交直交变频调速系统设计.doc

微机控制的交直交变频调速系统设计 目目 录录 摘要 I Abstract II 第一章 绪论 1 1 1 交流电机变频调速概述 1 1 2 变频调速技术发展方向 2 1 3 课题研究的目的和意义 3 1 4 课题研究的内容 3 第二章 异步电动机的变频控制策略选择 5 2 1 交流调速的基本方法 5 2 2 变频调速 5 2 3 异步电机变频调速的各种控制方式分析 6 2 3 1 异步电机变频调速原理 6 2 4 SPWM 控制的基本原理 10 2 4 1 SPWM 信号的产生 12 第三章 系统硬件设计 13 3 1 系统构成 13 3 2 主电路的选定 14 微机控制的交直交变频调速系统设计 3 3 元器件的选择及其参数 15 3 3 1 三相整流桥 15 3 3 2 LC 滤波 16 3 3 3 直流侧阻容吸收电路 16 3 3 4 IPM 智能功率模块 16 3 4 控制部分设计 19 3 4 1 87C196MC 19 3 4 2 波形发生器 20 3 4 3 键盘 23 3 4 4 显示 23 3 5 保护电路 24 3 5 1 电流实际值检测 24 3 5 2 直流电压 d U检测环 25 第四章 系统软件设计 26 4 1 系统软件程序流程 26 第五章 系统仿真 29 5 1 系统仿真模型 29 5 2 仿真结果 30 毕业设计总结 33 微机控制的交直交变频调速系统设计 参考文献 34 致 谢 36 附 录 37 微机控制的交直交变频调速系统设计 I 微机控制的交直交变频调速系统 摘要 交流变频调速技术是集电力电子 自动控制 微电子 电机学等技术之大成的 一项高新技术 它以其优越的调速性能 显著的节能效果和在国民经济各个领域的 广泛的适应而被国内外认为是世界上应用最广 效率最高 最理想的电气传动方案 是电气传动的发展方向 它以提高产品的质量和产量 节能资源 降低消耗 为提高 企业的经济效益提供了重要的手段 现已有取代直流电动机的趋势 SPWM 交流变频 调速系统是一种采用 87C196MC 单片机控制器 结合专用大规模集成电路 PWM 构成的 微机控制 PWM 交流变频调速系统 87C196MC 单片机控制器主要包括算术逻辑运算部 件RALU 寄存器集 内部A D转换器 PWM发生器 事件处理阵列EPA 三 相互补SPWM 波形发生器WFG以及看门狗 时钟 中断逻辑等电路 实现了用 单片机对复杂的 PWM 变频调速系统的全面控制 并给出了系统的硬件结构及软件设 计 关键词 变频调速 87C196MC 单片机 SPWM 微机控制的交直交变频调速系统设计 II Abstract The exchanges of the frequency adjusts soon the technique is to gathers the electric power electronics Automatic control Micro electronics and The electrical engineering learns to wait the big technique of a high and new technique It with it s adjusting superiorly soon function Shows the economy energy result of the great with the extensive orientation in a realm but drive domestic and international think that is in the world applied most wide The efficiency is tallest The most ideal electricity spreads to move the project is a quantity that electricity spread the dynamic development direction it to increase product with yield Economize on energy the resources And lower the depletion For economic performance that increases the business enterprise provided the important means Aternate Machine has already contained trend that replace the direct current motive The exchanges of SPWM changes the frequency adjusts soon the system is a kind of adopting 8031 single a machine controller the tiny machine control PWM exchanges that large scale integrated circuit in appropriation in combination SLE4520 constitute changes the frequency adjusts soon system Keyword SPWM Frequency 87C196MC SCM 微机控制的交直交变频调速系统设计 1 第一章第一章 绪论绪论 1 1 交流电机变频调速概述 在调速传动系统中使用交流电动机具有更大的吸引力 这是因为交流电动机与 直流电机相比具有一系列显著的优点 1 交流电机不存在换向器圆周速度的限制 也不存在电枢元件中电抗电势数 值的限制 2 其转速可以设计得比相同功率直流电机的转速更高 因而单位功率重量指 标更低 3 交流电机的电枢电压和电流的数值都不受换向器的限制 因而 其单机功 率可比直流电的单机功率更大 由于以上两点 在要求增大电机单机功率 减轻重 量并且安装位置受到严格限制的场合 4 由于交流电机的结构简单 没有换向墨那种复杂 精密 耗费制造工时的 部件又由于成单位功率重量指标较低 因而其制造成本低廉 5 直流电机在高速范围运行时 由于电抗电势数值的限制 一般不能发挥其 额定功率 即使是有补偿绕组的直流电动机 就是在最高速时的输出功率也仅能达 到额定功率的80 对于无补偿绕组的直流电机就更低 而交流电动机没有这种限 制 高速时仍可发挥较大的功率 甚至能以额定功率作恒功率运行 6 交流电机没有换向器之类需要经常保养 维护的部件 在安装场地受限制 不易接近的场合也能使用 在环境恶劣的条件下 在不允许有火花的情况下也能可 靠的工作 维修费用低廉 电动机作为把电能转换为机械能的主要设备 在实际应用中 一是要使电动机 具有较高的机电能量转换效率 二是根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的 旋转速度 电动机的调速性能好坏对提高产品质量 提高劳动生产率和节省电能有 着直接的决定性影响 电动机和控制装置一起合成电力传动自动控制系统 以直流 电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称之为直流调速系统 以交流电动机 作为控制对象的电力传动自动控制系统称之为交流调速系统 根据交流电机的类型 相应有同步电动机调速系统和异步电动机调速系统 异步电动机调速系统种类很多 常见的有 降电压调速 电磁转差离合器 微机控制的交直交变频调速系统设计 2 调速 绕线转子异步电机转子串电阻调速 绕线转子异步电机串级调速 变 极对数调速 变频调速等等 按照交流异步电动机的基本原理 从定子传入转子的电磁功率 可分为两部 m P 分 一部分 是拖动负载的有效部分 另一部分是转差功率 m PsP 1 1 m sPP 2 与转差率成正比 从能量转换的角度来看 转差功率是否增大 是消耗掉还是回收 显然是评价调速系统效率高低的一种标志 从这点出发 可以把异步电动机调速系 统分为三大类 1 转差功率消耗型调速系统 全部转差功率都转换成热能的形式消耗掉 上述的 三种调速方法都属于这一类 在三类之中 第一类调速系统的效率最 低 而且它是以增加转差率的消耗来换取转速的降低 恒转矩负载时 越向下调速 效率越低 2 转差功率回馈型调速系统 转差功率的一部分消耗掉 大部分则通过变 流装置回馈电网或者转化为机械能予以利用 转速越低时回收的功率越多 上述第 四种调速方法串级调速属于这一类 这类调速系统的效率显然比第一类高 但增设 的变流装置总要多消耗一部分功率 因此还不是很理想 3 转差功率不变型调速系统 转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避免 的 但在这类系统中无论转速高低 转差功率的消耗基本不变 因此效率最高 上 述的第 两种调速方法属于此类 变极对数调速是有级调速 应用场合有限 只 有变频调速应用最广 可以构成高动态性能的交流调速系统 取代直流调速 最有 发展前途 1 2 变频调速技术发展方向 交流变频调速技术是强弱电混合 机电一体的综合性技术 既要处理巨大电能 的转换 整流 逆变 又要处理信息的收集 变换和传输 因此它的共性技术必定 分成功率和控制两大部分 前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电 子器件的应用技术问题 后者要解决 基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略 的 硬 软件开发问题 在目前状况下主要全数字控制技术 其发展的趋势大致为 1 主控一体化 将功率芯片和控制电路集成在一块芯片上使逆变功率器件和 控制电路达到一体化 智能化和高性能化的HVIC 高耐压IC SOC System on Chip 的概念已被用户接受 随着功率做大 此产品在市场上极具竟争力 2 小型化 紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度 功率器件发 微机控制的交直交变频调速系统设计 3 热的改善和冷却技术的发展已成为重要原因 ABB公司将小型变频器定型为 Comp A CTM 他向全球发布的全新概念是 小功率变频器应当象接触器 软起动器等电器 元件一样使用简单 安装方便 安全可靠 3 低电磁噪音设计 变频器要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC国际标 准 主要做法是在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正电路 改善输入 电流波形降低电网谐波以及逆变桥采取电流过零的开关技术 而控制电源用的开关 电源将推崇半谐振方式 这种开关控制方式在30 50MHz时的噪声可降低 15 20dB 4 基于电动机和机械模型的控制策略 有矢量控制 磁场控制 直接传矩控 制和机械扭振补偿等 基于现代理论的控制策略 有滑模变结构技术 模型参考自 适应技术 采用微分几何理论的非线性解耦 鲁棒观察器 在某种指标意义下的最 优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等 基于智能控制思想的控制策略 有模糊 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 5 数字控制 以高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各控 制算法 1 3 课题研究的目的和意义 交流调速在国民生产中占有举足轻重的地位 甚至于直接影响我国的经济发展 变频技术作为高新技术 基础技术和节能技术 已经渗透到经济领域的大多数技术 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 变频调速已具备相应的理论与实际基础 因此研究本课题可以对交流变频调速有一个更全面深刻的理解 通过本课题的研究 可以更好的掌握变频调速技术 变频调速正在逐步地成为电气传动的中枢 它取代 着变极调速 滑差调速 整流子电机调速 液力耦合器调速 串级调速及直流调速 交流变频调速的优异特性 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 调速范围较大 精度高 起动电流低 对系统及电网无冲击 节电效果明显 变频器体积小 便于安装 调试 维修简便 易于实现过程自 动化 正是因为交流变频调速有着如此突出的优异性 使得变频调速在当今有着强 劲的发展势头 因此本课题的研究也有重要的实际意义和社会意义 微机控制的交直交变频调速系统设计 4 1 4 课题研究的内容 PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通和截止 把直流电压变成电压脉 冲系列 控制电压脉冲的宽度和周期以达到变压目的 或者控制电压脉冲的宽度和 脉冲列的周期数以达到变压变频目的的一种控制技术 本论文研究利用PWM控制技术 通过控制电压脉冲的宽度和脉冲列的周期数 而变压变频 采用Intel公司的一款专门为变频调速设计的16位的单片微机 87C196MC对三相交流异步电动机进行调速 本设计主要研究的内容是 完成系 统的整体设计 完成主电路的设计并进行元器件的选择 完成控制电路设计即 87C196MC单片机及其外围控制设备 软件设计 系统的仿真调速并对结果进行 分析 微机控制的交直交变频调速系统设计 5 第二章 异步电动机的变频控制策略选择 2 1 交流调速的基本方法 交流调速的基本方法有很多种 但它们都是来源于交流电机的转速公式 异步电机的转速公式为 2 1 Psfsnn 1 60 1 11 式中 同步转速 1 nPfn 11 60 电机的极对数 P 转差率 s 定子供电频率 1 f 因此 异步电机的调速方法可分为变极对数调速 变转差率调速和变频调速三 种 其中变转差率的方法又可以通过调节定子电压 转子电阻 转差电压等方法实 现 2 2 变频调速 变频调速是一种典型的交流电动机调速方法 它既适用于异步电动机 也适用 于同步电动机 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 在异步电动机的调速系统中 变压变频调速系统是控制性 能最好 效率最高的系统 在变压变频调速系统中 当改变电动机的转速时 必须 同时调节定子电源的电压和频率 在这种情况下 机械特性基本上是平行移动的 而转差功率不变 它是当前交流调速的主要发展方向 最早的变压变频技术采用旋 转变流机组作为电源 现在随着电力电子开关器件的迅速发展 各种静止式的变压 变频装置的应用占据了绝对主导地位 变频调速的原理框图如图 2 1 所示 微机控制的交直交变频调速系统设计 6 控制器逆变器 电压 电流 检测 转速 位置 检测 M 给定信号 直 流 电 源 图2 1 变频调速的原理框图 控制器根据转速的给定值和反馈量 开环控制和无速度传感器控制时可无转速传 感器 运用相应的控制算法控制逆变器中功率器件的关断时序 恒压恒频的二相交流 电通过逆变器产生电压和频率均可变的三相交流电 供给交流电机的定子 以实现 平滑的交流电机调速 多数情况下把控制器与逆变器合二为一称为变频器 2 3 异步电机变频调速的各种控制方式分析 2 3 1 异步电机变频调速原理 在电动机调速时 一个重要的因素是希望保持每极磁通量为额定值不变 磁 1 通太弱没有充分利用电机的铁心 是一种浪费 若要增大磁通 又会使铁心饱和 从而导致过大的励磁电流 严重时因绕阻过热而损坏电机 对于直流电机 励磁系 统是独立的 只要对电枢反应的补偿合适 保持中 不变是很容易做到的 在交流 异步电机中 磁通是定子和转子磁势合成产生的 怎样才能保持磁通恒定是需要认 真研究的 三相异步电机定子每相电动势的有效值是 2 2 111111 44 4 N KNfEU 式中 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值 单位为V 1 E 定子频率 单位为Hz 1 f 定子每相绕组串联匝数 1 N 基波绕组系数 1N K 每极气隙磁通量 单位为 Wb 1 由上述公式可知 只要控制好和 便可达到控制的目的 对此 需要 1 E 1 f 1 微机控制的交直交变频调速系统设计 7 考虑基频 额定频率 以上和以下两种情况 11 1 从基频向下变频调速 保持常数 11 fE 降低频率调速 保持 则 常数 是恒磁通控制方式 1 f常数 11 fE 1 在这种变频调速过程中 电动机的电磁转矩为 2 3 2 2 22 2 1 111 1 2 R Xs s Rf Epfm T 式中式保持气隙每极磁通为常数变频调速时的机械特性方程 根据该方程可以分析 其最大转矩及相应的转差率 m T m s 最大转矩处 对应的转差率为 即0 sT dd m s 2 4 0 2 2 2 2 22 2 2 2 2 2 2 1 111 R Xs s R R X s R f Epfm d d s T 2 5 2 2 2 2 2 R X s R 可推算出 2 6 2 2 X R sm 把式 2 6 带入式 2 3 得 2 7 2 2 1 11 2 1 22 1 Lf Epm Tm 其值为常数 式中为转子静止时转子一相绕组漏电感系数折合值 2 L 212 2LfX 最大转矩处的转速降落为 2 8 pL R p f X R nsn mm 60 2 60 2 21 2 2 1 其值为常数从中可以看出 当改变频率时 若 最大转矩 常数 1 f常数 11 fE m T 与频率无关 并且最大转矩对应的转速降落相等 也就是不同的频率的各条机械特 性是平行的 硬度相同 根据式 2 3 画出保持恒磁通变频调速的机械特性 这种调速方法与他励直流电 动机降低电源电压调速相似 机械特性较硬 恒磁通调速属于恒转矩调速 在一定 微机控制的交直交变频调速系统设计 8 的静差率要求下 调速范围宽 而且稳定性好 由于频率可以连续调节 因此变频 调速也为无级调速 平滑性好 另外 电动机在正常负载运行时 转差率较小 因 此转差功率较小 效率较高 1211 ffff 1 f 1 f 2 f 1 f 1 n 1 n 1 n 1 n n N T m TT 0 图2 2 保持常数时 变频调速的机械特性 11 fE 保持常数 11 fU 当降低电源频率时 保持 则气隙每极磁通 这时电 1 f常数 11 fU常数 1 动机的最大电磁转矩为 2 9 2 21 2 11 12 1 11 22 1 XXRR f f Upm Tm 由上式可看出 保持 当减少时 最大转矩不等于常数 已知常数 11 fU 1 f m T 与成正比 与无关 因此 在接近额定频率时 21 XX 1 f 1 R 1 f 1 f 随着的减小 减少得不多 但是 当较低时 较小 211 XXR 1 f m T 1 f 21 XX 相对变大了 随着的降低 减少了 1 R 1 f m T 画出保持 降低频率调速时的机械特性 如图2 3所示 常数 11 fU 微机控制的交直交变频调速系统设计 9 1 f 2 f 1 f 1 f1211 ffff n 1 n 1 n 1 n 1 n m TT 0 图2 3 保持常数时 变频调速的机械特性 11 fU 2 从基频向上变频调速 升高电源电压是不允许的 因此升高频率向上调速时 只能保持电压为不变 N U 频率越高 磁通越低 是一种降低磁通升速的方法 1 保持不变升高频率时 电动机电磁转矩为 N U 2 10 2 2 21 22 11 22 11 XX s R Rf s R pUm T 由于较高 比 及都很小 所以最大转矩及分别为 1 f 1 R 1 X 2 X sR2 m T m s 2 11 2 1211 2 11 1 22 1 fXXf pUm Tm 2 12 1211 2 1 2fLLf R sm 因此 频率升高时 减小 也减小 最大转矩对应的转速降落为 m T m s 2 13 常数 p f LLf R nsn m 1 211 2 1 60 2 根据电磁转矩方程式画出升高电源频率的机械特性 其运行段近乎平行 如图2 4 所示 当频率提高时 转速也随之提高 最大转矩减小 机械特性上移而形状基本 不变 这种调试方式近似为恒功率调速方式 微机控制的交直交变频调速系统设计 10 1 n 1 n 1 n 1 n 1 f 1 f 2 f 1 f 1211 ffff m T T n 0 图2 4 保持不变升频调速的机械特性 N U 根据以上三种控制策略 这种方式比较容易实现 电压和频率是异 11 fU 1 U 1 f 步电动机调速系统的两个独立的控制变量 在变频控制时须同时对这两个变量进行 协调控制 在设计中 在5 15Hz间进行低频补偿 实验结果表明 开环系统中 恒压频比且在低频进行适当补偿就能达到比较好的控制效果 因此本系统采用恒压 频比控制策略 2 4 SPWM 控制的基本原理 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 5所示为双极性脉宽调制波形 图中三角波为载波 正弦波为调制波 c u m u 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 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 d u 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 微机控制的交直交变频调速系统设计 11 d u u t C u M u 图2 5双极性脉宽调制波形 在实行SPWM脉宽调制时 同步调制 异步调制和分段同步调制优缺点如下 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120 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 分段同步调制 分段同步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 2 4 1 SPWM 信号的产生 产生SPWM调制信号主要有三种方法 微机控制的交直交变频调速系统设计 12 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 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87C196MC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 第三章 系统硬件设计 交流变频调速系统主要由单片机系统 整流电路 逆变电路 检测保护电路等 微机控制的交直交变频调速系统设计 13 环节组成 分为主电路的选定 元器件的选择 控制部分及保护电路的设计 组成 的整个系统是一个SPWM变频的交 直 交调速系统 它的工作原理是 采用三相 二极管整流电路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 流电经滤波电容的滤波后变为电压恒定的直流电 通过改变IPM模块内IGBT管 各组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 改变它们通断的时间比 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电压 下的面积接近于对应的正弦波电压下的面积 则逆变器输出电压将很接近三相正弦 波 此时的三相正弦波就可作为异步电动机的供电电源 从而实现电机的调速 3 1 系统构成 给定 频率 显示驱动 光耦 电流检测 保护电路 电压检测 键盘 给定启动 时间 数码 管 光耦 IPM 74LS373 2864A 87C196MC M 3 3 图3 1 系统硬件框图 变频调速系统主要由以下几个环节构成 1 主电路 本设计的SPWM变频调速系统是一种交 直 交结构 主电路由不可控三相桥 式整流器 智能功率模块IPM和中间直流环节等三部分组成 其中三相桥式不可 控整流电路完成从交流到直流的整流 IPM则是完成从直流到交流的逆变 对于电 微机控制的交直交变频调速系统设计 14 压源型变频器而言 其中间直流环节采用大电容C进行滤波和中间储能 由IPM 送出的可变频率的交流电供给电动机以达到调速的目的 2 控制电路 控制电路主要由87C196MC及其一些外围设备如 显示 键盘等构成 它主 要用来接受外来信号 发出控制命令和正弦波形 3 IGBT智能功率模块 IPM 它是把驱动电路 保护电路 功率开关电路集成于一体的大规模集成模块 4 保护电路 本系统采用比较完备的检测 保护措施 为了保护动作的快速性和实时监测性 采用了硬件电路加软件子程序的监控方式 故障发生时硬件电路将立即产生信号关 闭波形发生器并在中断子程序中进行保护设置 并使程序回到初始状态 3 2 主电路的选定 系统的主电路由不可控三相桥式整流器 智能功率模块IPM和中间直流环节 等三部分组成 系统采用交 直 交结构 即三相电源经不可控整流桥整流成直流电 再经IPM逆变模块进行逆变成三相交流电供电动机使用 对于电压源型变频器而 言 其中间直流环节采用大电容C进行滤波和中间储能 二极管整流虽然是全波整流电路 但由于整流桥输出端接滤波电容 只有当交 流电压超过电容电压时 整流电路才进行充电 往往在交流电压的峰值处才进行充 电 交流电压小于电容电压时 电流为零 这将导致在电网产生谐波 为了抑制谐 波 通常在电网和变频器之间加一个进线电抗器 m L 由于电容量很大 合闸突加电压时 电容器相当于短路 将产生很大的充电电 流 损坏整流二极管 为了限制充电电流 采用电感和延时二极管组成的预充电电 路对电容C进行充电 由于二极管整流的电压源型SPWM变频调速系统不能再生制动 对于小容量 的通用变频器一般都用电阻吸收制动能量 制动时 变频器整流桥处于整流状态 逆变器也处于整流状态 此时异步电动机进入发电状态 整流桥和逆变器都向电容 充电 当中间直流电压 泵升电压 升高到一定值时 通过开关器件接通 0 C b VT 2 R 将电动机的动能消耗于电阻上 存储系统设定控制参数 故障信息等 选用I2C 2 R 串行总线2864A的E2PROM 微机控制的交直交变频调速系统设计 15 R2 RP 20 C0 C2 IPM M 3 U V W D0 L1L2 R1 1M CD7 VD1VD3VD5 VD4VD6VD2 图3 2 系统主电路 可以看出采用IPM模块后 电路设计变的简单 因为IPM结构紧凑 集驱动 器 保护电路主电路于一体封装在一个小模块内 安装十分方便 而且有多种保护 功能 如过流保护 短路保护 过热保护 控制电压欠压保护 使模块可靠性大大 提高 因此本设计采用IPM模块来完成逆变 3 3 元器件的选择及其参数 本设计规定的电动机参数 Y 接kWPN45 VUN380 AIN86 90 0 85 0 cos 5 2 m 法 变频范围 0 50 控制精度 S 0 01 因此在此基础上选 2 4 2mkg 惯量Hz 定元器件 3 3 1 三相整流桥 整流桥输入侧相电压为 直流侧电压值可估算如下 电动VUU d 19234 2 2 机效率为 则电动机的输入功率 取逆变器效率90 0 kWP5090 0 1045 3 1 为0 95 那么直流侧的功率为 那么可以推算出直流侧电流kWPPd6 5295 0 1 取3倍裕量 则整流器输出电流应达到350 87A A 117450 6 52 dd UPI 整流二极管最高反压为 取2倍裕量 则二极管耐压值应达VUURM4706 2 到940V 基于上述数据 选用整流模块ZP400作为整流器 其最大输出电流为400A 反向重复峰值电压为100 2000V 微机控制的交直交变频调速系统设计 16 3 3 2 LC 滤波 取 其耐压应大于470V 选择两只2200 耐压在500V以FC 4400 0 F 上的电容器并联使用 滤波电感在这里主要用来限制电流脉动 PWM变频调速系 统不存在电流不连续问题 和短路电流上升率 按照晶闸管三相桥式整流电路限制 电流脉动的电感量算式 3 1 did dm m IS U f UU L 2 3 2 2 10 3 0 8 10 2 3 14 300 192 10 116 96 7mHmH 取Si 10 基于上述数据 选择一台电感量为7mH的电抗器 3 3 3 直流侧阻容吸收电路 按照晶闸管三相桥式整流电路直流侧阻容吸收电路参数算式进行估算 3 2 l cd fU I I KC 2 2 02 2 100 2 02 2 2 100 i I U KR l Rd 三相桥式整流 370000 cd K31 0 Rd K5 6 02 I d II816 0 2 所以 3 3 FFC 234 45 192350 96 116816 0 100 5 6 370000 2 3 4 3 9 96 116816 0 100 5 6 1923 31 0 2 R 的额定功率取为2W 选择200 210CZJ系列纸介电容 选择RJ系 2 R 2 CF 2 R 列金属模电阻 选用2CP1G 2 VD 3 3 4 IPM 智能功率模块 智能功率模块IPM Intelligent Power Modules 已经被广泛应用在变频器 数控机库 工业机器人等电能转换设备中 带有IGBT驱动电路和自诊断 保护功 能完善的IPM的使用 使得电能转换设备体积更小 更可靠 更具智能化 本系 微机控制的交直交变频调速系统设计 17 统所选用的功率器件为PM600JSA120 它内部含有组成1个三相H桥 逆变桥 和1个制动单元的6个IGBT和6个快速功率二极管 并且含有相应的驱动电路 另外它的保护功能相当完善 内含过电流保护 OC 短路保护 SC 驱动电源 欠电压保护 UV 过热保护 OH 报警输出 ALM 等 PM600JSA120 是三菱推出的第4代智能功率模块IPM 采用了新的软反向恢复特征的二极管 并 且噪音更小 驱动器 驱动器 短路保护 过流保护 欠压保护 过流保护 短路保护 欠压保护 过热保护 控制输入 控制输入 故障输出 IGBT 逆变桥 3 图3 3 IPM内部框图 在设计时选用了IGBT智能功率模块 IPM 它是一种大规模集成模块 驱动 电路 保护电路 功率开关电路集成于一体的大规模集成模块 具有如下优点 1 结构紧凑 集驱动器 保护电路主电路于一体封装在一个小模块内 安装 十分方便 2 驱动器的设计布局优化 功耗低 并且可省去负栅压偏置 3 有多种保护功能 如过流保护 短路保护 过热保护 控制电压欠压保护 使模块可靠性大大提高 从其内部结构图可看出 其保护电路直接控制驱动器 一旦出现故障 就能迅 速关断IGBT 使模块得到保护 微机控制的交直交变频调速系统设计 18 1 35 4 7 621012 9 8 1119 1416 17 18 1513 NVPWU 图3 4 引脚图 图3 4为IPM模块的引脚 图中的1 3 4 5 7 8 9 11 12脚分别为 U V W三相逆变器上臂三个管的控制输入端 13 14 15 16 17为 U V W三相逆变器下臂的控制输入端 2 6 10 19为故障输出端 P N 为直流电源输入端 U V W为三相逆变器输出端 上臂三个单管分别使用三个 独立的电源进行控制 三个下管则共用一个电源 当PWM波形为高电平时 光电 隔离器导通 这时IPM控制输入为低电平 其控制的IGBT导通 当PWM波形 为低电平时 光电隔离器不导通 IPM控制信号输入为高电平 其控制的IGBT 不导通 1 IPM的选择 选择IPM时 需要考虑到电机的过载要求和余量 功率器件的电流定额为 3 5 式中 1 2 2 表示安全裕量 2 7 表示电机的过载倍数 正弦脉宽调制方法的直流利用率为0 866 为使逆变器输出为380V的线电压 要求电源电压 考虑到大功率晶体管的管压降等 取VUd 8 438866 0 380 则大功率晶体的参数为 选择的VUd450 VUU dceoBR 1350 900 3 2 IMP为 三菱电机的PM600JSA120型IPM 该型号的IMP额定电流为 600A 额定电压为1200V 2 IPM驱动电源 因为IPM必须在驱动电源下才能工作 且微机输出的电平信号必须通过高速光 耦隔离才可以加到功率器件的输入端 所以IPM的驱动电源和外围接口电路设计 也是非常关键的 1 2 2 1 2 2 286 2 7 394 657 Nm II A 微机控制的交直交变频调速系统设计 19 变频驱动器的电源是整个系统的心脏 提供稳定 可靠 纯净 足够的电能给 系统工作 其中若有丝毫的差错可能会直接影响到元器件的好坏以及周边电路的稳 定 JS158是专为设计逆变装置而又使用IPM的嵌入式系统级开关电源 具有9 路输出 8路隔离输出 电流强劲 输入电压范围宽 保护全等优点 JS158是一 个反激式的DC DC开关电源 提供9组输出电压 适合直流电压为 170 700V 输出输入有严格的绝缘隔离 本调速系统中IPM将采用JS158专用 电源与IPM接入 变频器的信号接口是算法完美的实现以及功率器件安全的关键 那么其中扮演 最重要的脚色当然是高速光耦 事实上信号接口故障问题大多集中在光耦的优劣 本设计采用安捷伦的HCPL4504高速光耦作为IPM与系统的光电隔离接口芯片 该款光耦是美国安捷伦公司专为IPM等功率器件设计的光电隔离接口芯片 内部 集成高灵敏度光传感器 极短的寄生延时为IPM应用中的高速开关的死区时间确 保了安全 3 4 控制部分设计 包括键盘 进行控制命令的输入 显示 对运行状态以及故障的表示 模拟量 控制输入 I O口扩展及87C196MC中央处理器等等控制部分 3 4 1 87C196MC 87C196MC与Intel公司的8096 8XC196KC 8XC196KB等16位单片 机均属 MCS296系列它主要包括算术逻辑运算部件RALU 寄存器集 内部 A D转换器 PWM发生器 事件处理阵列EPA 三相互补SPWM 波形发生器 WFG以及看门狗 时钟 中断逻辑等电路 87C196MC含有512个字节的寄存 器集 其中的低24位专为特殊功能寄存器SFR保留 不能用作通常目的的 RAM RALU拥有256个累加器 能直接对寄存器集中的低256位进行操作 从而避免了其它单片机常有的因只使用一个累加器而造成的 瓶颈 效应 寄存器 集的高256字节用作寄存器RAM 直接访问这些高端寄存器使得编程容易 执行 速度快 标准SFR位于存储空间1F00H 1FFFH 在使用SFR时 通常采用视窗 技术切换到寄存器区 可以加快操作进度 87C196MC内部自带13路的10 位 8 位的高速A D转换器 转换时间可编程设置在1 39 40 2之间 A D也可作为s 可编程的比较器 在输入跨过一个门槛电平时产生中断 微机控制的交直交变频调速系统设计 20 87C196MC采用CHMOS工艺 有三种封装方式分别为 PLCC 84 2L SDIP 64 2L EIAJ QFP 80 2L 工作温度 40 85 它支持16kb的 EPROM 晶振频率为16MHz 完成16位乘以16位的乘法只要1 75 32位除s 以16位除法只要3 0 非常适合于控制系统的快速性要求 87C196MC有七个 s I O口 每个端口管脚都是多功能的 可用作标I O口或用来传送特殊信号 时钟 PWM SPWM发 生器 A DEPA 16K ROM 中断控制 512字节 寄存器 RALU 定时器 总线 控制 逻辑 P1口P2口 P5 P4 P3 P0口P6口 EXINT NMI XTAL 8根 8 7根 8根 8 7根8根5 4根6根2根 图3 5 87C196MC基本结构框图 3 4 2 波形发生器 片内波形发生器WFG Wave Form Generator 是87C196MC独具的特点之 一 这一内设装置大大简化了用于产生同步脉宽调制 PWM 波形的控制软件和外 部结构 特别适合于控制三相异步电动机 也可用于控制直流无刷电机和其它需要 多个PWM输出的装置 波形发生器有3个同步的PWM模块 每个模块有一个相位比较寄存器 一个 无信号时间 dead time 发生器和一对可编程的输出 WFG可以产生独立的3对 PWM波形 但它们有共同的载波频率 无信号时间和操作方式 一旦起动之后 WFG只要求CPU在改变PWM的占空比时加以干预 采用16MHz晶振时 中心对准的PWM的载波周期为0 15 16ms 增量s 为0 25 无信号时间的调整范围为0 125 125 s s 1 波形发生器控制寄存器介绍 微机控制的交直交变频调速系统设计 21 双向计数寄存器WG COUNT 该寄存器是一个16位的双向计数器 是3对输出信号的时基发生器 它的时 钟频率是振荡频率的一半 此寄存器只能读不能写 用户可以对WG RELOAD寄 存器进行写操作 它的值周期性性的装载到计数器中 重装载寄存器WG RELOAD 该寄存器实际包括一对16位寄存器 当读或写该寄存器时 访问的是WG RELOAD寄存器 写到WG RELOAD的值 被周期性地装到第2个寄存器中 这后一个寄存器叫计数比较寄存器 它是WG RELOAD实际与之比较的寄存器 相比较缓冲寄存器WG COMPx 共有三个 x 1 2 3 可读写的16位相比较缓冲器 每一个相比较缓冲寄存器 有一个关联的比较寄存器 它的值与每次计数后的WG COUNT相比较 控制寄存器WG CON 表3 1 WG CON寄存器的位定义 1514131211109 0 00M1M2CSECD9 D0 M0 M1方式控制位 CS计数器状态位CS 0 向上计数 CS 1 向下计数 EC计数器允许位EC 1 允许计数 EC 0禁止计数 D9 D0无信号时间 dead time 发生器的重装载寄存器 所产生的无信号时间由D9 D0的值确定 其单位为 状态周期 利用此寄存器可随意改变无信号时间 输出控制缓冲寄存器WG OUT 表3 2 WG OUT寄存器的位定义 76543210 P7P6PH3 1PH3 2PH2 1PH2 0PH1 1PH1 0 15141312111098 OP1OP0SYPE1PE0PH3 2PH2 2PH1 2 OP1正相极性输出控制 OP1 1 时 输出脉宽为高电平有效 1 WG 2 WG 3 WG OP1 0 时 输出脉宽为低电平有效 OP0反相极性输出控制 1 WG 2 WG 3 WG OP0 1 时 输出脉宽为高电平有效 OP0 0 时 1 WG 2 WG 3 WG 1 WG 2 WG 输出脉宽为低电平有效 SY装载输出控制寄存器的同步控制 SY 1输出与 3 WG 微机控制的交直交变频调速系统设计 22 再装入触发同步 SY 0输出与再装入触发不同步 PE1 PE0为P7和P6的功 能选择位 等于 1时 P7和P6作PWM输出 等于 0时 P7和P6作普通 I O口输出用 其值由P1和P2位决定 PHnx n 1 2 3 x 0 1 2 决定WG脚输 出值的控制位 其中 PHn2 n 1 2 用来控制引脚的输出功能 PHn2 0时引脚与 波形发生器相连 PHn2 1时引脚与普通输入输出口相连 同时 PH1 2 PH1 1 PH1 0用于控制 PH2 2 PH2 1 PH2 0用于控 1 WG 1 WG 制 PH1 2 PH1 1 PH1 0用于控制 2 WG 2 WG 3 WG 3 WG 保护控制寄存器WG PROTECT 表3 3 WG PROTECT寄存器位定义 76543210 0000ESITDPE0 ES选通采样电路位 ES 1靠电平采样触发 中断 ES 0靠边沿采样触发 中断 IT中断形式控制位 IT 1上升沿或高电平触发 IT 0下降沿或低电平触发 DP 禁止 允许保护电路位 DP 1禁止保护电路 DP 0允许保护电路 E0允许 禁 止波形输出位 E0 1允许波形输出 E0 0禁止波形输出 表3 4 寄存器重装载条件 方 式 方式 位 M1 M0 PWM 形式 计算 器操 作 重装载条件 对WG RELOAD 对WG COMP 对WG OUT 00 0中心对 准 向上 向 下 WG COUNT WG RELOAD WG COUNT WG RELOAD WG COUNT WG RELOAD 10 1中心对 准 向上 向 下 WG COUNT WG RELOAD WG COUNT WG RELOAD 或 WG COUNT 1 WG COUNT WG RELOAD 或 WG COUNT 1 21 0边沿对 准 向上WG COUNT WG RELOAD WG COUNT WG RELOAD WG COUNT WG RELOAD 31 1边沿对 准 向上WG COUNT WG RELOAD 或EPA 事件 WG COUNT WG RELOAD 或EPA 事件 EPA事件 由表3 4可知 在工作方式0和1中 计数器工作于向上 向下计数方式 产 生的PWM波形则为中心对准的 微机控制的交直交变频调速系统设计 23 3 4 3 键盘 在数字电机控制系统中 变频器参数的设定及操作非常复杂 如设定电机的运 行效率 电机的运转方向 U F类型 加减速时间等等 87C196MC的 P2 0 P2 3接4个常开按钮作为系统键盘 给定值由键盘输入 起停及正反向运 行由键盘设定 4个键分别为 起停RUN STOP 正反FRD REV 升UP 降 DOWN 同时按下UP DOWN则单片机复位 3 4 4 显示 显示屏用来对运行状态及故障的显示 例如 系统运行频率 负载反馈电流的 大小 负载反馈电压的大小 电流保护值设定 电压保护值设定 闭环时系统速度 反馈 闭环时系统速度设定等等 本系统采用系统的5个LED数码管作为显示 它的驱动采用INTEL公司的 ICM7218A专用驱动芯片 此芯片具有硬件译码功能又具有软件译码功能 且可 以同时驱动8位数码管 在MODE为高电平期间 通过数据总线接受控制命令 决定工作方式 在低电平后