基于單片機(jī)控制的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2

1、基于單片機(jī)控制的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要本文以三相交流調(diào)速系統(tǒng)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先，通過(guò)使用MATLAB/SIMULINK軟件進(jìn)行交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)模型的搭建與仿真，得出了異步電動(dòng)機(jī)在正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM）技術(shù)下調(diào)速的結(jié)果。其次，根據(jù)所搭建的系統(tǒng)模型，在PROTUSE軟件中設(shè)計(jì)出基于51單片機(jī)控制的SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)，編制相應(yīng)的軟件程序并進(jìn)行調(diào)試和仿真，得出了不同頻率下SPWM的調(diào)制波形。最后，通過(guò)比較兩種不同調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果，證明了基于51單片機(jī)控制的異步電機(jī)變頻調(diào)速PWM調(diào)制方法的正確性和可行性。關(guān)鍵字： 異步電動(dòng)機(jī)；變頻調(diào)速；SPWM

2、；MATLAB/SIMULINK；單片機(jī)1概述直流電氣傳動(dòng)和交流電氣傳動(dòng)在19世紀(jì)先后誕生，鑒于直流傳動(dòng)具有優(yōu)越的性能，高性能可調(diào)速傳動(dòng)大都采用直流電機(jī)，交流調(diào)速系統(tǒng)的多種方案雖然早已問(wèn)世，并已獲得實(shí)際應(yīng)用，但其性能卻無(wú)法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。直到20世紀(jì)70年代末，由于電力電子技術(shù)尤其是大功率晶閘管（可控硅）變流技術(shù)的發(fā)展，研制出了體積小、重量輕、功率大、效率高的靜止變流裝置，實(shí)現(xiàn)了采用電力電子變流器的交流傳動(dòng)系統(tǒng)，為三相異步電動(dòng)機(jī)大范圍的平滑調(diào)速調(diào)節(jié)開(kāi)辟了新的技術(shù)途徑，才使三相異步電動(dòng)機(jī)在鐵路牽引中的應(yīng)用得到關(guān)鍵性突破，從而得到極為迅速的發(fā)展。大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制的出現(xiàn)，更使高性能的

3、交流調(diào)速系統(tǒng)得到發(fā)展。中國(guó)和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組使用三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)作為牽引動(dòng)力，它要求列車(chē)運(yùn)行安全、快速、穩(wěn)定，因此對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速和自動(dòng)控制非常重要，異步電動(dòng)機(jī)結(jié)合電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)這一要求。1.1 交流調(diào)速系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法早已為人們所熟知，基本上可以分為變極對(duì)數(shù)調(diào)速、變頻調(diào)速、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速三類(lèi)。這從下面的異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式可以明顯看出。n=1-sns=(1-s)60f1p (1)式中 n 電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速； ns電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速； s 轉(zhuǎn)差率，s=ns-nns； f1供電頻率； p 極對(duì)數(shù)。1.1.1變極調(diào)速在恒定的頻率下，改變電動(dòng)機(jī)定子繞組的極對(duì)數(shù)，就可以改變

4、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。若利用改變繞組的接法，使一套定子具備兩種極對(duì)數(shù)而得到兩個(gè)同步轉(zhuǎn)速，可得到單繞組雙速電機(jī)；也可以在定子內(nèi)安放兩套獨(dú)立的繞組，從而做成三速或四速電機(jī)。為使轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)能隨定子極對(duì)數(shù)的改變而改變，變極電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子一般都是籠型。變極調(diào)速屬于有級(jí)調(diào)速，最多只能達(dá)到三、四極，而不能平滑地調(diào)速。1.1.2變頻調(diào)速改變電源頻率時(shí)，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將隨之變化。如果電源頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以連續(xù)、平滑的調(diào)節(jié)。變頻調(diào)速時(shí)希望氣隙磁通m基本保持不變，這樣，磁路的飽和程度、激磁電流和電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)均可基本保持不變。如果磁通太弱，沒(méi)有充分利用電動(dòng)機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)。如果

5、過(guò)分增大磁通，會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電動(dòng)機(jī)。根據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值公式E1=4.44f1N1kw1m （2）式中 E1氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值； f1供電頻率； N1定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； kw1定子基波繞組系數(shù)； m每極氣隙磁通量。故要保持m不變，應(yīng)使定子端電壓與頻率成比例地調(diào)節(jié)，若忽略定子漏阻抗壓降，即使E1f1=U1f1=常值感應(yīng)電機(jī)的變頻調(diào)速?gòu)恼{(diào)速范圍、平滑性、調(diào)速前后電機(jī)的性能等方面來(lái)看都很好，但需要專(zhuān)門(mén)的變頻電源。近年來(lái)，由于變頻技術(shù)的發(fā)展，變頻裝置的價(jià)格不斷降低，性能不斷提高。1.1.3變轉(zhuǎn)差率調(diào)速改變轉(zhuǎn)差率

6、的調(diào)速在調(diào)速過(guò)程中均不改變異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，而僅僅依靠改變轉(zhuǎn)差率來(lái)改變電機(jī)的速度，故其調(diào)速范圍是非常有限的，同時(shí)在低速時(shí)因轉(zhuǎn)差率太大，效率很低，因而這些方法均不能適應(yīng)機(jī)車(chē)牽引中平滑、寬廣的調(diào)速要求。1.2 電力電子器件電力電子器件是對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的器件，目前所用的電力電子器件均由半導(dǎo)體制成，故也稱(chēng)電力半導(dǎo)體器件。在發(fā)達(dá)國(guó)家中，大約60%的電能用于電動(dòng)機(jī)，由此可知，電力電子器件在電機(jī)控制電路中最常見(jiàn)，若想更好的控制電動(dòng)機(jī)，必須使用性能優(yōu)越的電力電子器件。1.2.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管TGO自晶閘管問(wèn)世后，相繼產(chǎn)生了很多派生器件，如快速晶閘管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、光控晶閘管、門(mén)極可關(guān)斷晶

7、閘管等。門(mén)極可關(guān)斷晶閘管可以通過(guò)在門(mén)極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，故屬于全控型器件。它在三相橋式全控整流電路中作為開(kāi)關(guān)器件，通過(guò)同步六脈沖發(fā)生模塊控制其通斷，改變觸發(fā)角的大小可以得到不同的電壓波形，從而實(shí)現(xiàn)整流。1.2.2絕緣柵雙極晶體管IGBT絕緣柵雙極晶體管綜合了電力晶體管GTR和電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET的特點(diǎn)，因此具有開(kāi)關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、流通能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，通常用于三相橋式逆變電路中。通過(guò)脈沖寬度調(diào)制技術(shù)控制器通斷，從而實(shí)現(xiàn)逆變。1.3 變頻器如前所述，對(duì)于異步電機(jī)的變頻調(diào)速必須具備能夠同時(shí)控制電壓幅值和頻率的交流電源，而電網(wǎng)提供的是恒壓恒頻的工頻電源，因此應(yīng)該配置變壓變頻器，他也

8、稱(chēng)變壓變頻（VVVF）裝置。從整體上看，變壓變頻器可以分為交-交和交-直-交兩大類(lèi)。1.3.1交-交變頻器交-交變頻器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它只有一個(gè)變幻環(huán)節(jié)，把恒壓恒頻（CVCF）的交流電源直接變換成VVVF輸出，因此又稱(chēng)直接式變壓變頻器?？此坪?jiǎn)單，但所用的電力電子器件數(shù)量卻很多，總體設(shè)備相當(dāng)龐大。其缺點(diǎn)是輸入功率因數(shù)較低，諧波電流含量大，頻譜復(fù)雜，因此必須配置濾波和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。由于這類(lèi)變頻器最高輸出頻率不超過(guò)電網(wǎng)頻率的1/31/2，所以一般用于大功率、低轉(zhuǎn)速的調(diào)速系統(tǒng)。1.3.2交-直-交變頻器交-直-交變壓變頻器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。它先將工頻交流電源通過(guò)整流器變換成直流電，再通過(guò)逆變器變換成

9、可控頻率和電壓的交流電。由于這類(lèi)變壓變頻器在恒頻交流電源和變頻交流輸出之間有一個(gè)“中間直流環(huán)節(jié)”，所以又稱(chēng)間接式變壓變頻器。在早期的交-直-交變壓變頻器中，整流器采用半控型電力電子器件晶閘管（SCR），組成可控整流器，實(shí)現(xiàn)整流與調(diào)壓；逆變器也采用晶閘管，實(shí)現(xiàn)逆變調(diào)頻。當(dāng)全控型電力電子器件（GTO/IGBT）獲得廣泛應(yīng)用后，出現(xiàn)了由開(kāi)關(guān)器件組成的脈寬調(diào)制（PWM）逆變器，兼顧調(diào)壓與調(diào)頻，而整流器只需要二極管組成的不可控整流器就夠了。1.4 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)是伴隨電力電子器件的發(fā)展而產(chǎn)生的一種開(kāi)關(guān)技術(shù)，其在逆變電路中應(yīng)用最廣泛，現(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中，絕大部分是PWM型逆變

10、電路，PWM控制技術(shù)正是有賴(lài)于逆變電路中的應(yīng)用才會(huì)發(fā)展得比較成熟。從而確定了它在電力電子技術(shù)的重要地位。1.4.1 正弦脈沖寬度調(diào)制技術(shù)SPWM脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，稱(chēng)為SPWM波形，產(chǎn)生這種SPWM波形的技術(shù)就是SPWM技術(shù)。在三相橋式全控逆變電路中，用SPWM波形控制IGBT的通斷，即可實(shí)現(xiàn)逆變。要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只要按照同一比例系數(shù)改變上述脈沖寬度即可。同樣，改變調(diào)制的周期，就可以改變輸出電壓的頻率。1.4.2 空間矢量調(diào)制技術(shù)SVPWMPWM控制技術(shù)用于交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速中，其最終目的并非使輸出電壓為正弦波，而是使電動(dòng)機(jī)的磁鏈成為圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從

11、而使電機(jī)產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。磁鏈的軌跡是通過(guò)交替使用不同的電壓空間矢量得到的，針對(duì)這種目的，產(chǎn)生了空間矢量調(diào)制技術(shù)。1.5 微機(jī)控制單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是把中央處理器（CPU）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、輸入/輸出接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等主要功能部件集成在一塊半導(dǎo)體芯片上的數(shù)字電子計(jì)算機(jī)。單片機(jī)的形態(tài)只是同一塊芯片，但是它已具有微型計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)和功能。單片機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了單片機(jī)主要用于控制，所以又稱(chēng)微控制器（MCU）或嵌入式控制器（ECU）。1.5.1單片機(jī)MCU單片機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了從4位、8位、16位、32位、64位五個(gè)階段， 16位、32位單片機(jī)

12、在比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)中才有應(yīng)用，最常用的是8位單片機(jī)，代表產(chǎn)品為Intel公司的MCS-51系列。單片機(jī)用于三相異步電機(jī)變頻調(diào)速通常有兩種方式，第一種是通過(guò)SPWM原理，設(shè)計(jì)出正弦波電路和三角波電路，通過(guò)兩者比較產(chǎn)生SPWM波形。第二種方案是采用SPWM集成芯片HEF4752或MA818等。1.5.2數(shù)字信號(hào)處理器DSP 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種用于電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的專(zhuān)用單片微處理器，如TI公司的TMS320芯系列，這些微處理器一般具有以下功能，有PWM波生成硬件及較寬的頻率調(diào)制范圍；為了對(duì)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)（如電壓、電流、轉(zhuǎn)速等）進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和調(diào)整與故障保護(hù)，微處理器具有很強(qiáng)的

13、中斷功能與較多的中斷通道，；具有將外部的模擬量控制信號(hào)及通過(guò)各種傳感器送來(lái)的反饋。檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換的接口，且一般為8位轉(zhuǎn)換器；具有較高的運(yùn)算速度，能完成復(fù)雜運(yùn)算的指令、內(nèi)存容量較大；有用于外文通信的同步、異步串行接口的硬件或軟件單元。由于這些功能的支持，所以這種微處理器能方便地用于開(kāi)發(fā)基于PWM控制技術(shù)的電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，微處理器除能產(chǎn)生可調(diào)頻率的PWM控制信號(hào)外，還能完成必要的保護(hù)、控制等功能。現(xiàn)代SPWM變壓變頻器的控制電路大多數(shù)是以微處理器為核心的數(shù)字控制電路。2交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理及方法2.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理三相異步電動(dòng)機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、氣隙三部分組成，通過(guò)定子繞組的三

14、相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，再利用電磁感應(yīng)原理，在轉(zhuǎn)子內(nèi)感生電流，由氣隙磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，以進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。正常情況下，感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是略低或略高于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速ns）。異步電機(jī)按照繞組類(lèi)型分為籠型異步電動(dòng)機(jī)和繞線(xiàn)型異步電動(dòng)機(jī)。2.1.1等效電路 通過(guò)電機(jī)學(xué)的知識(shí)，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)電路進(jìn)行了頻率歸算和繞組歸算，得到異步電動(dòng)機(jī)的T型等效電路，如圖3所示。圖3 異步電動(dòng)機(jī)的T型等效電路根據(jù)該等效電路可以寫(xiě)出以下電壓方程式U1=-E1+I1(r1+jx1) （3）E2'=I2'(r2's+jx2') （4）式中 U1電源向電壓； I1定子電流；

15、I2'歸算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電流； s 轉(zhuǎn)差率； r1x1定子繞組電阻及漏阻抗； r2'x2'歸算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻及漏阻抗； rmxm激磁電阻及電抗。2.1.2轉(zhuǎn)矩計(jì)算 根據(jù)電機(jī)原理和等值電路可知，通過(guò)空氣氣隙傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率為Pe=mE2'I2'cos2 （5）式中 cos2=r2'sr2's2+x2'2 轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)。電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為T(mén)e=Pes=mE2'I2'cos22ns60=mp2f1E2'I2'cos2 （6）式中 ns電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速； s電動(dòng)機(jī)的同步角速度。2.1.2機(jī)械特性2.

16、1.3調(diào)速原理2.2正弦脈沖寬度調(diào)制技術(shù)SPWM2.2.1 SPWM原理早期的交直交變壓變頻器輸出的交流電壓波形都是六拍階梯波或矩形波，這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的變頻器只能采用晶閘管，其關(guān)斷的不可控性和較低的開(kāi)關(guān)頻率導(dǎo)致逆變器的輸出波形含有較大的低次諧波，使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩存在脈沖分量，影響其穩(wěn)態(tài)工作性能，在低速運(yùn)行時(shí)更為明顯。為了改善交流電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能，在出現(xiàn)全控型電力電子開(kāi)關(guān)器件之后，出現(xiàn)了正弦脈沖寬度調(diào)制技術(shù)控制的逆變器，正弦脈沖寬度調(diào)制波形就是與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，如圖3所示。等效的原則是矩形脈沖波的面積與該時(shí)間段內(nèi)正弦波的面積相等。圖3 SPWM原理a)正弦調(diào)

17、制波與載波 b)輸出的SPWM波在SPWM方法中，以正弦波作為調(diào)制波，以三角波作為載波，當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，其腳墊決定了逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻。例如，當(dāng)調(diào)制波電壓高于載波電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通，輸出正的脈沖電壓，當(dāng)調(diào)制電壓低于載波電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷，無(wú)脈沖電壓輸出。若改變調(diào)制波的頻率，輸出電壓的基波頻率也會(huì)改變；改變調(diào)制波的幅值時(shí)，各段脈沖的寬度將改變，輸出電壓基波的幅值也隨之改變。上述為單極性SPWM波的產(chǎn)生原理，雙極性SPWM波的產(chǎn)生原理與之相同。2.2.2調(diào)制方式 調(diào)制方式有異步調(diào)制、同步調(diào)制、分段同步調(diào)制，在實(shí)行SPWM時(shí)，視載波比N的變化與否，有同步調(diào)制和異步調(diào)制之分，在同步調(diào)制

18、方式式中，N=常數(shù)，變頻時(shí)三角波的頻率和正弦波的頻率同步改變，因而輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)是不變的，如果取N等于3的倍數(shù)，則同步調(diào)制不僅能保證輸出波形的正、負(fù)半波始終保持對(duì)稱(chēng)，并能?chē)?yán)格保證三相輸出波形間具有120°的對(duì)稱(chēng)關(guān)系。但當(dāng)輸出頻率很低時(shí)，由于相鄰兩脈沖間的間距增大，諧波會(huì)顯著增加，使負(fù)載電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較大脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較強(qiáng)的噪聲，這是同步調(diào)制的主要缺點(diǎn)。為了消除上述同步調(diào)制的缺點(diǎn)，可以采用異步調(diào)制方式。異步調(diào)制時(shí)，在變壓變頻器的整個(gè)變頻范圍內(nèi)，載波比N不等于常數(shù)，一般在改變調(diào)制波頻率時(shí)，保持三角波頻率不變，因而提高了低頻時(shí)的載波比。這樣，輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)可以隨輸出頻率的降

19、低而增加，相應(yīng)的可以減少負(fù)載電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與噪聲，改善了系統(tǒng)低頻時(shí)的工作性能。然而，當(dāng)載波比N隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時(shí)，它不可能總是3的倍數(shù)，勢(shì)必使輸出電壓波形及相位都發(fā)生變化，難以保證三相輸出的對(duì)成性，這會(huì)引起電動(dòng)機(jī)工作不平穩(wěn)。分段同步調(diào)制是將同步調(diào)制和異步調(diào)制結(jié)合起來(lái)，實(shí)用的SPWM變壓變頻器器多采用這種方式。在一定頻率范圍內(nèi)采用同步調(diào)制，可保持輸出波形對(duì)稱(chēng)的優(yōu)點(diǎn)，在頻率降低較多時(shí)，可使載波比分段有地加大。這就是分段同步調(diào)制方式。具體地說(shuō)，把整個(gè)頻段劃分為若干頻段，在每個(gè)頻段內(nèi)都維持載波比恒定，對(duì)不同的頻段采用不同的載波比，頻率低時(shí)N值取大些，一般大致按等比級(jí)數(shù)安排。3交-直-交變

20、頻調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真MATLAB是“矩陣實(shí)驗(yàn)室的縮寫(xiě)”，由美國(guó)Mathworks公司于1984年開(kāi)始推出，其版本不斷升級(jí)，子模塊庫(kù)歷經(jīng)更新，現(xiàn)其系統(tǒng)非常強(qiáng)大，其中在Simulink環(huán)境下，系統(tǒng)的函數(shù)、電路元器件等模型用方框形式的模塊表示，即形象又直觀。本設(shè)計(jì)中用到了Simulink環(huán)境下的SimPowerSystem（電力系統(tǒng)）模塊庫(kù)。3.1設(shè)計(jì)要求采用基于轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)的恒壓頻比控制的調(diào)速系統(tǒng)；三相異步電動(dòng)機(jī)在0.5s時(shí)刻加負(fù)載，轉(zhuǎn)矩為70Nm；采用SPWM調(diào)技術(shù)進(jìn)行調(diào)制，SPWM波形由三相正弦波和三角波通過(guò)比較產(chǎn)生；調(diào)制度為0.8，即調(diào)制波幅值為0.8V，載波幅值為1V；調(diào)制方式選擇分段

21、同步調(diào)制，載波比可調(diào)；整流模塊為三相橋式全控整流，逆變模塊為三相電壓型橋式逆變；在對(duì)整流模塊和逆變模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不使用MATLAB/SIMULINK提供的通用橋式集成電路模塊，而是采用庫(kù)中最原始的GTO、IGBT等電力電子器件進(jìn)行搭建。3.2交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)3.2.1 原理框圖交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如圖4所示，圖中整流器、中間直流環(huán)節(jié)和逆變器構(gòu)成變頻器的主電路。整流器由六只可控晶閘管GTO組成三相橋式整流電路，逆變器由六只IGBT和六只反向并聯(lián)的續(xù)流二極管組成三相橋式逆變電路。有規(guī)律地控制主開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，就可以得到任意頻率的三相交流電壓輸出。中間直流環(huán)節(jié)采用串聯(lián)的大電

22、感濾波，輸出的電流比較平直，接近于直流電流源。逆變器的輸出電流是矩形波或階梯波，輸出電壓接近于正弦波。圖4 交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖3.2.2三相橋式全控整流模型目前在各種整流電路中，應(yīng)用最廣泛的是三相橋式全控整流電路，其模型如圖7所示。其中上橋臂晶閘管VT1、VT3、VT5為共陰極組，下橋臂晶閘管VT2、VT6、VT4為共陽(yáng)極組。通過(guò)六同步脈沖發(fā)生器控制其通斷，采用雙脈沖觸發(fā)，脈沖寬度為20°，設(shè)置不同的觸發(fā)角即可得到相對(duì)應(yīng)的波形。 圖7 三相橋式全控整流模型3.2.3三相電壓型橋式逆變模型目前在各種逆變電路中，應(yīng)用最廣泛的是三相電壓型橋式逆變電路，其模型如圖8所示。該模型采用

23、IGBT作為開(kāi)關(guān)器件，工作方式為180°導(dǎo)電方式，即同一相（同一半橋）上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電，各相開(kāi)始導(dǎo)電的角度依次相差120°，這樣，在任一瞬間將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。該電路中以三相阻感負(fù)載代替三相異步電機(jī)。圖8 三相電壓型橋式逆變模型3.2.4 SPWM發(fā)生器模型SPWM波形是通過(guò)三相正弦波和三角波比較產(chǎn)生，產(chǎn)生的六路SPWM波分別控制六支IGBT，其模型如圖9所示。改變SPWM波的輸出頻率即可改變逆變器的輸出電壓頻率。圖9 SPWM發(fā)生器模型3.2.5總體模型及仿真結(jié)果分析交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)總體模型如圖9所示。圖9 交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)總體模型如其仿真結(jié)果如圖10所示

24、。圖10a為電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形，從圖中可以看到，起動(dòng)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升，在0.2s后達(dá)到空載轉(zhuǎn)速1500r/min，在0.5s給電機(jī)施加負(fù)載70Nm，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)差變大，穩(wěn)定后轉(zhuǎn)速為1300r/min左右。電機(jī)空載到過(guò)載過(guò)程中電機(jī)的定子電流波形如圖10b所示，在啟動(dòng)過(guò)程中隨轉(zhuǎn)速上升電流減小，0.5s加負(fù)載后電流迅速增大，定子電流為50Hz的方波。圖10c是電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形，在起動(dòng)中電機(jī)的轉(zhuǎn)矩有較大波動(dòng)這與磁場(chǎng)從零開(kāi)始建立有關(guān)，在0.3s時(shí)，電機(jī)的空載轉(zhuǎn)矩進(jìn)本為零，0.5s加負(fù)載后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩上升，0.6s后電機(jī)轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在70Nm，與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡。4單片機(jī)控制系統(tǒng)的PROTEUS仿真Prote

25、us ISIS是英國(guó)Labcenter公司開(kāi)發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件。可以仿真、分析各種模擬器件和集成電路，且該軟件支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如Keil C51 Vision3軟件。Keil C51軟件是由Keil Software公司推出的單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件，它支持不同公司MCS-51架構(gòu)的芯片，同時(shí)集編輯、編譯和仿真等功能為一體，支持匯編、C語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)。4.1設(shè)計(jì)要求在Proteus軟件中，以MCS-51單片機(jī)為核心控制芯片，使用其他相關(guān)元器件搭建出頻率可變的三相正弦波發(fā)生電路及高頻三角波發(fā)生電路，最后將兩者比較以產(chǎn)生SPWM波形。系統(tǒng)可通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，同時(shí)能夠測(cè)速、監(jiān)視

26、電動(dòng)機(jī)的繞組溫度以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)，并由液晶顯示器顯示出相關(guān)信息。在Keil C51軟件中編制相應(yīng)的軟件程序進(jìn)行調(diào)試，得出仿真結(jié)果。該系統(tǒng)調(diào)制方式采用分段同步調(diào)制，調(diào)制度為0.8，分段同步調(diào)制的輸出頻段和載波比由表1給出，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，在每個(gè)頻段中選擇一個(gè)值作為調(diào)制波的頻率，調(diào)制波與載波頻率的關(guān)系曲線(xiàn)如圖11所示。表1 分段同步調(diào)制的技術(shù)要求輸出頻段fo/Hz載波比N調(diào)制頻率fr/Hz載波頻率fc/Hz0710201816081114147121764152099161584212969251725304445351575456033501650圖11 分段同步調(diào)制時(shí)輸出頻率與開(kāi)關(guān)頻率的開(kāi)關(guān)曲

27、線(xiàn)系統(tǒng)各模塊的原理圖使用Altium Designer軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。4.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.2.1原理框圖基于單片機(jī)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如圖12所示。圖12 單片機(jī)控制異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖4.2.2最小系統(tǒng)51系列單片機(jī)內(nèi)部都有一個(gè)振蕩器，可通過(guò)引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器和微調(diào)電容，為單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖序列，本系統(tǒng)中使用的晶振頻率為11.0592MHz。在進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)時(shí)，需將晶振盡可能靠近單片機(jī)的引腳XTAL1和XTAL2。具體電路如圖13所示。圖13 單片機(jī)最小系統(tǒng)4.2.3穩(wěn)壓電源由于本系統(tǒng)中會(huì)用到一些特殊的芯片，它們的供電電壓不盡相同，有±15V、&

28、#177;12V及5V，為了提供這幾種不同電平的電壓，設(shè)計(jì)了一個(gè)穩(wěn)壓電源電路，具體電路如圖14所示。該電路首先使用變壓器將交流220V電源降壓至22V，然后通過(guò)整流橋進(jìn)行整流，最后通過(guò)78系列穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓，達(dá)到輸出對(duì)應(yīng)電平的目的。圖14 穩(wěn)壓電源電路4.2.4正弦波電路正弦波電路由數(shù)字計(jì)數(shù)器芯片4040、電可擦除只讀存儲(chǔ)器EPROM2732（4KB）、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832、及運(yùn)算放大器芯片MAX232組成。首先取出正弦函數(shù)一個(gè)周期內(nèi)的1024個(gè)點(diǎn)，將它們按相位互差120°固化在EPROM2732中，然后計(jì)數(shù)器4040對(duì)單片機(jī)所產(chǎn)生的方波脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，所得的計(jì)數(shù)值作為地址對(duì)E

29、PROM2732中存放的數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描輸出，這些數(shù)據(jù)通過(guò)DAC0832進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，最后通過(guò)兩級(jí)放大器MAX232放大后輸出單相雙極性正弦波，改變單片機(jī)輸出方波的頻率即可實(shí)現(xiàn)輸出正弦波頻率的改變。具體電路如圖15所示。同理，三個(gè)與之相同的電路即可實(shí)現(xiàn)三相雙極性正弦波。輸出波形的幅值通過(guò)DAC0832芯片的參考電壓引腳控制。本系統(tǒng)中芯片的供電電壓為5V。圖15 正弦波電路4.2.5三角波電路三角波電路是以單片集成函數(shù)發(fā)生芯片ICL8038為核心組成的，該芯片僅需要很少的外部元件就可以正常工作，可產(chǎn)生正弦波、三角波、方波，在本系統(tǒng)中該芯片只用于產(chǎn)生高頻三角波。其產(chǎn)生的三角波頻率可通過(guò)改變接入電容的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)改變，具體計(jì)算方法為f=1RAC0.661+RB(2RA-RB) （7）若RA=RB=R，則有f=0.33RC （8）ICL8038系統(tǒng)所輸出三角波的幅值為芯片電源電壓的1/3，本系統(tǒng)中芯片的供電電壓為±15