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基于80C51单片机控制的交流变频调速系统设计.doc
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基于 80C51 单片机控制的交流变频调速系统设计
目 录
第 1 章 概述 ...........................................2
1.1 三相异步电动机变频调速的发展 .......................2
1.2 SPWM 变频调速系统概述 ............................3
第 2 章 SPWM 变频调速系统基本原理 ......................4
2.1 SPWM 变频调速系统基本原理 ........................4
2.2 系统设计总方案的确定.............................5
第 3 章 主电路设计 ...................................6
3.1 主电路功能说明...................................6
3.2 主电路设计 ......................................7
3.3 主电路电路图 ....................................7
第 4 章 控制电路设计 .................................9
4.1 控制电路设计总思路 ..............................9
4.2 SPWM 波形产生电路 ................................9
第 5 章 系统软件设计 ................................19
结论 .................................................22
致谢语 ...............................................22
参考文献 .............................................23
基于单片机控制的交流变频调速系统
1
引 言
随着电力电子技术、微机控制技术以及大规模集成电路的发展,基于集成
PWM 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。本文介绍的 GTR�SPWM 变频调速系统是以大
规模专用集成电路 HEF4752 和单片机(80C51)为核心构成的控制电路,由
HEF4752 产生的三相 PWM 信号经隔离、放大后,驱动由 GTR 构成的三相桥式逆
变器,使之输出三相 SPWM 的波形,实现异步电机变频调速。
第1章 概述
1.1 三相异步电动机变频调速的发展
随着变频调速异步电动机在国内外市场上日益扩大应用。自 90 年代中期以
来,我国有众多电动机生产企业设计、研制和生产适用于不同应用的各种系列变
频调速三相异步电动机,例如:通用变频调速电动机系列、起重冶金变频调速电
动机系列、隔爆变频调速电动机系列、电梯变频调速电动机系列、辊道变频调速
电动机系列、牵引变频调速电动机系列等。从目前情况看,这些系列电动机能基
本满足国内市场的需求。
据资料显示,我国对于变频凋速三相异步电动机的品种不断扩大,产品设计
也不断改进。为 了适应不同用途、不同工作条件和使用环境、不同工况等各种
要求,专用系列和改型系列变频调速电动机产品不论现在和将来,都在迅速发展。
变频器供电电源会存电动机端子和各相绕组的前几匝线圈上产生高频瞬间
脉冲峰值电,因此,如果不对绝缘系统采用增强措施.将会使绕组存高电压应力
作用下过早失效,从而引起绝缘击穿故障。
在电气传动领域中,随着自关断器件技术水平的不断提高,脉宽调制技术
(简称 PWM 技术)也日趋成熟。PMW 交流变频调速以其高效率、高功率因数、
输出波形好、结构简单等优点,在井下风机、水泵、造纸机等设备中得到了广泛
的应用。将单片机应用于交流变频调速系统,可有效地避免传统调速方案中的一
基于单片机控制的交流变频调速系统
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些缺点,达到了提高控制精度的目的,其特点:
(1)采用单片机可以使绝大多数控制逻辑通过软件实现,简化了电路。
(2)单片机具有更强的逻辑功能,运算速度快,精度高,有大容量的存储
单元,可以实现较为复杂的控制。
(3)无零点漂移,控制精度高。
(4)可以提供人机界面,多机连网工作。
1.2 SPWM 变频调速系统概述
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。
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。
基于单片机控制的交流变频调速系统
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第2章 SPWM 变频调速系统基本原理
2.1 SPWM 变频调速系统基本原理
变频调速中,前者主要应用于 PWM 斩波(DC-DC 变换),后者主要应用
于 PWM 逆变(DC-AC 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。根
据面积等效原理,PWM 波形和正弦波是等效的,而这种的宽度按正弦规律变化而
和正弦波等效的 PWM 波形,也称为 SPWM(Sinusoidal PWM)波形。
当前逆变电源的控制技术中,滞环控制技术和 SPWM 控制技术是变频电源中
比较常用的两种控制方法。滞环控制技术开关频率不固定,滤波器较难设计,且
控制复杂,难以实现;SPWM 控制技术开关频率固定,滤波器设计简单,易于实
现控制。当二者采用电压电流瞬时值双闭环反馈的控制策略时,均能够输出高质
量的正弦波,且系统拥有良好的动态性能.
异步电动机的同步转速,即旋转磁场的转速为
其中 为同步转速(r/min)
为 定 子 频率,也就是电源频率(Hz);
为 磁 极 对数。
异步电机的轴转速为
其中 s 为异步电机的转差率,
由上面的公式可以看出,改变电源的供电频率可以改变电机的转速。
在对异步电机调速时,希望电机的主磁通保持额定值不变。任何电动机的电磁转
矩都是磁通和电流相互作用的结果,主磁通小了,铁心利用不充分,同样的转子
电流下,电磁转矩小,电动机的负载能力下降;主磁通大了,会使电动机的磁路
饱和,并导致励磁电流畸变,励磁电流过大,严重时会使绕组过热损坏电机。主
磁通是由励磁电流产生的,两者之间的关系是由磁化特性决定的。
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基于单片机控制的交流变频调速系统
4
由电机理论知道,三相异步电机定子每相电动势的有效值为
.其中 E1 为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值(V),
为定子频率(Hz), 为定子每相绕组匝数, 为极磁通里(Wb)。由上式可见主磁
通中.是由 E1 和 。共同决定的,如果保持 E1 和 之比不变,就可以保持主磁
通不变。
2.2 系统设计总方案的确定
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 HEF4752 芯片
构成 SPWM 波形生成电路,实现 PWM 波的调制。并采用电流转速双闭环调制
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。系统总流程图
如图 1 所示。
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1
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1
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1
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1
f
平波回路
隔离保护
电流转速双闭
环调制电路
检测电路
保
护
电
路
整流电路
逆变电路
驱动电路
M
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