VVVF变频变压控制课设报告

1、南京工程学院 课程设计说明书(论文) 题 目： VVVF调速硬件系统及软件控制设计 课程名称: 运动控制系统设计与调试 专 业： 班 级： 学 号： 学生姓名： 设计地点： 指导教师： 设计起止时间：2013.6.17-2013.6.28目 录1.概述- 2 -2.设计任务和要求- 3 -2.1任务和要求- 3 -2.1.1 设计任务- 3 -2.1.2 设计要求- 3 -2.2研究路线- 3 -3.系统结构设计- 4 -3.1方案确定- 4 -3.2硬件设计- 4 -3.2.1 整流电路设计- 4 -3.2.2 逆变电路设计- 5 -3.2.3 控制电路设计- 6 -3.2.4检测电路设计-

2、 7 -3.2.5保护电路设计- 8 - 3.2.6控制电源设计.- 9 -4.系统设计- 9 -4.1速度调节器（ASR）设计- 9 -4.1.1 确定时间常数- 9 -4.1.2选择ASR结构- 9 -4.1.3计算ASR参数- 10 -5.系统仿真- 10 -5.1系统模型- 10 -5.2仿真结果- 11 -5.3仿真总结- 12 -6.总结- 12 -7.参考文献- 13 -1.概述二十世纪末以来,电力电子技术及大规模集成电路有了飞速的发展，在此技术背景下SPWM电路构成的变频调速系统以其结构简单、运行可靠、节能效果显著、性价比高等突出优点而得到广泛应用。众所周之早期的交-直-交变压

3、变频器说输出的交流波形都是矩形波或六拍阶梯波，这是因为当时逆变器只能采用半控式的晶闸管，会有较大的低次谐波，使电动机输出转矩存在脉动分量，影响其稳态工作性能。为了改善交流电动机变压变频调速系统的性能，在出现了全控式电力电子开关器件之后，科技工作者在20世纪80年代开发应用PWM技术的逆变器，由于它的优良技术性能，当今国内外生产的变压变频器都已采用这种技术。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，并通过控制电压脉冲宽度或电压脉冲周期以达到改变电压的目的，或者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（DCD

4、C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。PWM控制技术有许多种，并且还在不断发展中。但从控制思想上分，可把它们分成四类，即等脉宽PWM法、正弦波PWM法（SPWM）、磁链跟踪PWM法（SVPWM）和电流跟踪PWM法等。本课题设计主要介绍正弦波SPWM的变频调速控制系统。SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较

5、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。2.设计任务和要求2.1任务和要求2.1.1 设计任务 针对某个电机控制系统功能模块或整个控制系统进行设计与实现，了解典型的电机控制系统基本控制原理和结构，掌握基本Matlab调试方法，提高综合应用知识的能力。并了解异

6、步电机SPWM调速系统设计与仿真。2.1.2 设计要求1、总体方案的确定，画出系统组成结构图；2、主电路的确定；3、主电路功率管、整流电路整流二极管的参数计算与选择；4、功率管的过电压、过电流保护电路的设计5、设计功率管驱动电路；6、转速检测环节的设计；7、设计控制电路所用电源；8、系统的MATLAB仿真9、分析仿真结果10、绘制系统的电气原理图11、编写设计说明书2.2研究路线本课程设计的要求是完成SPWM调速系统，所以对于系统整体的设计是采用交-直-交变压变频方式，实现对电动机的SPWM调速。 主电路整流部分采用二极管整流，通过电容滤波，再通过逆变器送给电动机一定电压和频率的交流电。控制电

7、路的实现主要通过单片机来达到控制的目的。同时，在电路中还设置相应的保护电路，以确保电路的安全运行。控制电路主要环节有SPWM产生电路、电压电流检测单元、驱动电路、速度检测回路的检测，通过以装在异步电动机轴上的速度检测器TG的信号为速度信号，故障保护电路的设计、各类调节器等。3.系统结构设计3.1方案确定在三相交流电源供电的情况下，共需经过八个主要模块完成整个调速过程。首先是三相整流变压器降压，然后经二极管桥式整流，再者由电容滤波器滤波获得直流电源，最后经IGBT逆变电路逆变，得到可调交流电源。IGBT为场控输入器件，输入功率小。确定主电路模块之后，本课程设计将采用单片机AT89C51实现SPW

8、M波形产生，实现PWM波的调制。并采用转差频率控制的转速控制的单闭环调制系统，同时确定保护电路模块，检测电路模块，驱动电路模块等。本系统的整体结构图如图3-1所示： 图3-1 系统结构图3.2硬件设计3.2.1 整流电路设计主电路是交一直一交电压源型, 由三相整流桥、滤波器、三相逆变器组成。三相交流电经桥式整流后，得到脉动的直流电压经电容器滤波后供给逆变器。相电压为220V,频率为50HZ。采用不可控的二极管整流桥，大电容滤波。电路中熔断器作用是主电路短路保护。在整流器整流后的直流电压中，含有6倍频率的脉动电压，此外逆变变流器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收

9、脉动电压（电流）。主电路图如图3-2所示：图3-2 整流电路图3.2.2 逆变电路设计逆变器同整流电路相反，逆变电路将直流电压变换为所要求频率的交流电压。这里选用六个IGBT和二极管构成的逆变器。经变换器逆变，可将直流电源变成稳定的或可变的交流电源。电路中二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6起续流作用。逆变电路如下图3.3所示。图3.3 逆变电路3.2.3 控制电路设计控制电路采用单片机实现，其电路如下图3.4所示。 3.4 单片机系统 SPWM波形的产生将采用单片机STC12C5A60S2实现。STC12C5A60S2内置AD采样模块，根据调节器的输出，来产生相应的SPWM波。单片机内部

10、通过查表比较载波和调制波，实现自然采样法。程序流程图3.5如下：图3.5 程序流程图 IGBT的驱动电路如下图3.6所示。 图3.6 驱动电路3.2.4检测电路设计检测电路主要检测电动机的转速。转速的检测这里采用交流测速发电机，速度检测电路是以装在异步电动机轴上的速度检测器TG的信号为速度信号，然后将转速转化相应的电压信号，一般采用低纹波的测速发电机作为速度检测元件，其电路如下图3.7所示。 图3.7 测速电路3.2.5保护电路设计 保护电路如图3.8所示，依次为防泵升电压电路、阻容保护电路、抑制关断过电压电路等 图3.8 保护电路 3.2.6 控制电路直流电源设计图3.94.系统设计4.1速

11、度调节器（ASR）设计4.1.1 确定时间常数设计转速调节器的方法与设计电流调节器一样，先要根据控制对象的传递函数以及所要校正成的系统类型选择调节器。有一点不一样，在转速环内要包括电流环，所以首先要求出电流环的等效传递函数，典型的II型速度环，其基本形式如下:这样原来的双惯性环节经等效化简后变成了一阶惯性环节。为了实现转速无静差，在调节器中应有积分环节，在扰动作用点后面已经有一个积分环节了，因此应该设计成典型II型系统，同时也满足了系统抗负载扰动的性能要求。由此可见，转速调节器也应该选PI调节器。转速调节器的作用是他是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压Un*变化，稳态时可以减小

12、转速误差，并且对负载变化起抗扰作用，其输出限副值决定电动机允许的最大电流。由于反馈输出均由波纹，在低速时尤为严重，一般都需要滤波，负责无法应用。太小，滤波效果不佳，但太大，又将影响系统性能，通常取之间，这里取。电流滤波时间常数 整流装置滞后时间Ts，根据桥式电路取，通常取0.17ms电流环小时间常数 电流环等效时间常数 即转速环小时间常数4.1.2选择ASR结构转速调节器由PI调节器和限幅电路构成。PI调节器可实现无静差调速。为了防止电路出现过饱和现象，后面是限幅电路，其电路如下图4.1所示。图4.0 ASR电路4.1.3计算ASR参数转速反馈系数 ASR超前时间常数（取h=5）即开环增益AS

13、R速度环比例5.系统仿真5.1系统模型 图4-1系统总图5.2仿真结果 图4-2产生的正弦调制波 图4-3 SPWM波形5.4仿真总结SPWM为VVVF调速，在调速过程中需保持磁通，根据公式,故须保证为一恒值。在驱动电路中由函数，产生在相位上相差120的三相对称交流电作为调制波。载波由三角波发生器产生，一般取频率为10KHZ。经过调制波和载波的比较产生一系列SPWM信号。用于驱动逆变电路中序号为1、3、5的IGBT管。，依次和，在相位上实现互补，用于驱动逆变器中序号为4,6,2的IGBT管。6.总结虽然这次的课程设计只有两周的时间，但我们获益匪浅，不光有知识和经验上的收获，更有在生活态度上的收

14、获。了解了SPWM调速利用SPWM逆变技术输出正弦波带动电机运作，属于交-直-交变频调速。整个系统采用转差频率控制的转速控制的单闭环调制系统，电路由主电路与控制电路组成，初步对电机控制系统功能模块或整个控制系统的设计与实现,了解典型的电机控制系统基本控制原理和结构，掌握基本matlab调试方法。在此次的课设中，遇到了很多问题，刚开始无从下手，通过同学之间的相互学习，请教老师，同一组同学分工合作，最终解决了这些问题。总之，通过本次课题的锻炼，让我对SPWM调速有了深入的了解，在今后学习和工作中，我会吸取实验过程中的经验教训，对各专业知识进行深入的学习。7.参考文献1王兆安等，电力电子技术，机械工业出版社，2009年2李宁等，电力拖动与运动控制系统，高等教育出版社·北京，2009年3洪乃刚等，电力电子和力拖动运动控制系统的MATLAB仿真，机械工业出版社，2006年4夏玮等，MATLAB控制系统的仿真与实例详解，人民邮电出版社，2008年5王善铭等，现代电力传动与控制，电