单相电动机及单片机变频调速控制

英文名称： Homefurnishingslidingwindowandcurtainintelligentcontrolsystemdesign课题名称：单相异步电动机及单片机变频调速系统控制一、选题的根据：1）本选题的理论、实际意义2）综述国内外有关本选题的研究动态和自己的见解1）本选题的理论、实际意义目前全球正面临能源危机，节能降耗成为不可避免的重大问题，而这些能源中绝大部分是被电机消耗掉，所以研究电机的变频调速得到了大家密切关注。 相比普通的三相电机，单相异步电机由于具有结构简单，制造成本较低等优点，以及单相电机在诸多领域尤其家用电器中的广泛应用，使得它在工业控制特别是家用电器行业中的应用越来越广泛。本文首先论述了单相电动机多种控制方法，采用了电压空间矢量PWME频调速控制方法进行单相电机变频调速控制。并设计了基于LPC2148单片机的单相变频调速系统的硬件电路.在系统硬件电路设计过程中，采用了NXP公司的生产的LPC2148芯片，不仅满足了单相电动机变频调速控制的实时性要求，而且使系统的硬件电路变得更加简单。2）综述国内外有关本选题的研究动态和自己的见解近30年来，由于电力电子技术的迅速发展，使电气传动系统经历了一场重大的变革，交流调速传动系统取得了巨大的进步，它在各个方面的指标都有了很大的提高，交流电机固有的优良特性得到了充分的发挥，电气传动的交流化的新时代已经到来。单相电动机输出功率有限，在冶金，石油等重工业等领域应用较少，但在日常生活中应却用非常广泛，特别在家电类，如电冰箱，空调，风扇等等。虽然单相电机功率较小，但是由于全国总体使用数量非常大，在目前用电紧张的我国大部分地区，使用变频调速技术节省下来的电资源就相当可观。 所以，对单相电机的变频调速的研究就有着很好科学价值和经济价值。 在国内。单相电机变频调速的研究的开展还比较少，仅有少数高校和实验室在做一些理论上的研究工作。而见诸于各类科学期刊、会议的论文以及能供参考的文献也非常少。 到目前为止，国内对单相电机变频控制研究的比较少，西北工业大学的马瑞卿和上海交大的周顺荣曾提出不改变单相电容电机接线而采用H¥逆变器直接驱动电容电机[5-6],它可以使电机在某一频率上对称运行，但由于电容容抗随着输出频率变化而变化，两相绕组L的电流变得不对称了，使得正常正常工作范围受到限制。西南交通大学的孙君武根据单相电机的结构特点，用i相逆变桥为电机提供电源，利用磁通窄间矢量构成的多边形磁链来代替单相电机对称运行时所需圆形磁链，从而实现了单相电机的变频调速[4]o但此种方法算法比较复杂。此外沈阳工业大学的王宝刚和干凤翔对三相逆变桥下单相电机进行了线电压分析， 推导出满足两相绕组电压矢量垂直时三相逆变桥的相电压关系，适合于对称和不对称的单相电机变频控制。从国外的文献来看，单电机变频调速技术的研究在上个世纪90年代开始就见诸于一些工程技术刊物。最近几年来，关于单相电机变频调速技术的学术论文在IEEE等国际权威刊物上发表的数量呈逐年上升的趋势，研究的内容也在不断的扩展。这说明单相电机变频调速技术正在受到科研技术人员的重视， 变频调速的实质技术是控制电机内部旋转磁场的特性，到目前为止，对单相电机变频调速的研究主要集中于SPWM宽调制控制。文献口提出了一种针对两相不对称异步电机的变频系统，系统由交流供电，经半波整流后给逆变器供电，实用性强，但由于电机两相不对称，限制了变频的范围。文献［8-10］中逆变器结构与文献［7］相同，但其供电电源为直流。文献［8］提出的一种用于航空的两相逆变器一异步电机系统，但其工作频率在885Hz,与实际相差较大。文献［9］提出了适用于驱动电机水泵类负载的两相电动机系统。文献［10］研究了逆变器供电下转矩的脉动。文献［11］提出了使用三相逆变器对单相电容电机变频调速，利用三相逆变的成熟技术，可方便的实现控制。总的来看，单相电机变频调速技术在国内外虽然已经在不断的研究中， 但是许多问题还没有得到解决，且研究的领域也非常有限。单相电机变频调速到现在还停留在理论研究和样机开发阶段，还未形成实用化的成熟产品。而目前常用的控制方法是采用PWM术，所谓的PWM术是指利用半导体器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，以实现变压变频并有效的控制和消除谐波的一门技术。其中电压型SPWMsvpWM比较容易实现的两种调制方式。本文拟对SVPWM行单相异步电机调速进行研究。二、研究内容课题研究的主要内容近年来随着电力电子技术、数字控制技术、控制理论的发展，特别是一些先进控制技术的发明，使交流调速得到越来越广泛的应用。本文就是以svpwM(压空间矢量PWM)；依据，使用NX公司推出的LPC21485片为控制核心，构建了异步电动机的变频调速控制电路。本报告研究的内容主要包括 SVPWM(问电压矢量PWM)：基本原理和实现方法、控制系统硬件设计、软件设计、样机实验调试四个部分；本文研究的具体内容如下：分析推导单相电动机SVPWM制方法及其实现方法；以控制芯片LPC214的核心，设计整个系统的硬件电路；利用C®言相结合编程，实现了SPWMSVPWM制；样机实验调试。异步电机，特别是笼型电机，结构简单，价格便宣，运行可靠，无须维护，在交流传动中得到极为广泛的应用。异步电机采用变频调速技术，调速范围广，调速时因转差率不变而无附加能量损耗，是一种优良的高效调速方式，是交流电机调速转动发展的主要方向。单相异步电机变频调速的基本原理要想实现单相异步电动机高效率的变速运行，即在一定的调速范围内，电机内部磁场保持圆形旋转，传统的调压或变极调速方法是无法胜任的， 必须运用新的调速方法来实现。单相异步电机的转速可表示为：N=N1(1-S)=60f1/P*(1-S)(1-1)式中N1为同步转速(r/rain)F1——定子电源频率(Hz)P——电机极对数S——电机转差率式(1.1)表明，改变电源频率可对单相异步电动机进行调速，这是变频调速I为了充分利用铁心材料，在设计电机时，一般将额定工作点选在磁化曲线开始弯曲处，因此调速时希望保持每极磁通为额定值，。因为磁通增加将引起铁心过分饱和，励磁电流急剧增加，导致绕组过分发热，功率因数降低，而磁通减少将使电机输出转矩下降，故希望保持磁通恒定，即实现恒磁通变频调速。根据异步电动机定子每相绕组感应电动势：耳=4*44/MA%电 2-(9)式中乂一定子绕组每相串联匝数kN]—基波绕组系数久——每极气隙磁通为了保持磁通量的不变，在改变电源频率的同时，必须按比例改变感应电动势E1。亦即保持：工二常数 2-(10)这就是电动势频率比为恒值的控制方式，它要求对感应电动势和频率进行协调控制。显然，这是一种理想的保持磁通恒定的控制方法。根据电机学理论，保持磁通恒定，也意味着电机在调速的过程中输出转矩保持不变。 实际上，由于感应电动势E1难以直接控制，保持E1/f1恒定只是一种理想的控制方法。当电动势较高时可以忽略定子电阻和漏抗压降，近似认为定子相电压：因此，保持现电'/=常数可以近似地维持久恒定，从而实现近似的恒磁通调速，这可通过对定子相电压和频率进行协调控制来实现，这就是恒压频比控制方式。采用这种方式使控制易于实现，但也带来误差。由电机的等效电路可知，Usf口除定子电阻和漏抗压降之后的部分即由感应电动势E1来平衡。显然，被忽略掉的定子电阻和漏抗压降在Us中所占比例的大小决定了它的影响。当频率f的数值相对较高时，定子电阻和漏抗压降在Us中所占比例较小，认为Us=E1,不致引起太大误差。但当频率f的数值相对较小，即电机低速旋转时，这部分压降将不能被忽略，导致Us=E1,电机磁通不能保持恒定，从而致使电机无法正常运行，这时需要采取措施进行补偿。基频以下调速在低频时，U1和E1都很小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能再忽略。这时可以人为的把电压U1抬高一点，以便近似的补偿定子阻抗压降。所以，为了使电机在低频时仍能近似的保持恒磁通变频调速， 一般在控制回路罩加入一个函数发生器环节，以补偿低频时定子电阻所引起的压降影响。基频以上调速在额定频率以上调速时，因为电机绕组是按额定电压等级设计的，超过额定电

电压运行将受到绕组绝缘强度的限制，所以定子电压不可能与频率成正比地升高，只能保持在额定电压，即S= 此时气隙磁通也将随着频率fi的升高而反比例的下降。单相逆变器一一异步电动机系统结构本系统的整体方案是用IGBTt构成的逆变电源驱动两相对称感应电动机。系统采用由交流电压源供电，利用微处理器产生触发信号，经功率驱动芯片供给逆变器主电路。系统原理图如图2.4所示：图j图j单相斑£黯「鼻步至动机系境结构留单相svpwM制技术的原理当电流流过单相电机的绕组时将产生磁场， 设绕组有N匝，流过电流后产生的磁通为卡，假设无漏磁，如图2—7所示，则产生的磁链为：(2-12)该磁链与流过绕组的电流i有正比关系：(2-13)L为N匝绕组线圈的电感，由式(2-12)和(2-13)得：/N(2-14)磁链》在绕组中感生电动势为：dtdl(2-15)dtdl(2-15)u,根u=-eu,根u=-e(2-16)忽略绕组线圈的电阻，设绕组为纯电感器件，设加在绕组上的端电压为据电路理论有：从而绕组端电压u和所产生磁通中有如下关系:u=N-dt(2-17)式(2-17)说明，电压矢量u的大小代表了磁通矢量。的运动速率，而电压矢量的方向就是磁通矢量增长的方向，以上各量的相位关系在图 2-8中标出—M图基8统组中磁通，电压和电流的相■图单相异步电动机绕组(忽略其电阻)在施加正弦变化的电压时，能够产生随时间余弦变化的磁通。从式(2—17)中我们还可得知，假如在某一时间段里给电机绕组施加的电压u是常量，那么在该段时间内产生的磁通。将只与常量电压u作用的时问有关，即：。二二idt(2-18)单相异步电动机的控制方法有多种，这里我们采用三相逆变桥实现单相电机的变频调速。将单相异步电动机的副绕组的电容等分相元件去掉， 并将主副绕组的公共点与其中一个桥臂相连，如图2-9所示：图基9采用三相逆变桥实现单相电机的变频调速结构图对于此种电路，根据同一桥臂.卜下开关互补导通的原则，三个桥臂共产生8种开关组合模式，可以在电机绕组1--.得到8支空间电压矢量，它们以V(A,N,B)来表示。其中A=1时，表示片目上桥臂导通，仰目下桥臂关断；A=0M,表示餐目上桥臂关断，用目上桥臂导通，其余类推。8支矢量如表1所列。*1空间电压矢量关系蛆合V非零矢量零矢量A1001010N0010110B011°010本部分主要完成以下二个工作：(1)完成对单相异步电动机的变频调速原理的分析，建立了单相逆变器一一异步电动机系统结构。(2)分析了单相电机SVPW/M理，为软件编程奠定了理论基础。本报告研究的重点在于在不使用电容的情况下如何实现单相异步电动机的启动、逆变电路的设计，其难点是如何设计电路和编写程序使异步电动机的旋转磁场是圆形的。三、研究方法本文的研究方法是在理论探讨的基础上进行实证分析，通过进行充分的理论研究后，再进行定量研究、实证分析，在实证分析的过程中可以拿普通的家用电风扇来模拟空调自然风的智能控制，PWMJ输出可以用LPC2148空制芯片的引脚来提供。四、进程安排和采取的主要措施进程的安排如下：刚开始主要是资料的查询，阅读大量的相关文献，相关控制芯片(LPC2148技术手册的阅读，在大量阅读了相关理论后，开始进行电路设计和程序的编写、调试，最终完成论文和实验调试。五、主要参考文献（不少于10篇，3篇以上英文参考文献）TOC\o"1-5"\h\z[11胡崇岳.现代交流调速技术北京：机械工业出版社， 1998.[21陈伯时，陈敏逊.交流调速系统.北京：机械工业出版社， 1984【3】黄俊，王兆安.电力电子变流技术.北京：机械工业出版社， 1993[4]谭娃，金如麟，李川.展望21世纪的电机控制与电子技术.2001[51李永东.脉宽调制（PWM技术回顾、现状及展望.电气传动，1996,26（3）:2.12熊健，康勇，张凯等.电压空间矢量调制与常规 SPWM比较研究.电力电子技术，1999,33（1）:25—28C.MYong,C.Liu.Newinverter—drivendesignandcontrolmethodfortwo-phaseinductionmotordrives.1EEProc.-Electr.PowerAppl.V01.143.NO6.November1996458-466L.MC,MhangoAnalysisandsimulationofahigh-speedtwo-phaseACdriverforaerospaceapplication.1EEProc.-Electr.PowerAppl.V01.144.NO2,March1997LiZhongiie,ZhaoYin-Tang.AnalysisandApplicationofatwo-phaseinverter-fedinductionm