毕业设计-单片机控制的电机交流调速系统设计-文库吧

【正文】 单的接口电路 ，核心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品的体积变小了，成 本也降 毕业设计 用单片机控制的电机交流调速系统 3 低了，长期使用也不会担心精度达不到了 。因 此，单片机的学习、开发与应用将造就一 批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师 。所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的人来接受它、使用它。 交流调速系统的现状 近 20 年来随着电力电子技术，计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流电机变频调速已得到了越来越广泛的应用，并已开始逐步替代直流调速，因其许多优点而被公认为最有发展前途的调速方式。同时，变频调速的控制技术也在不断进步和完善。在变频调速系统出现的初期，其控制技术是采用电压频率协调控制（即 V/F 比为常数）。此种控制技术有开环和闭环两种形式。采用开环时用于一般生产机械，但静 态和动态性能都不太理想，采用闭环则可改善系统性能。 后来，一些研究人员提出了转差频率控制方法。采用这种控制技术使得变频调速系统在一定的程度上改善了静态和动态性能，使之接近于直流双闭环调速系统，但是，还是不能满足高性能调速系统的要求。 改善调速系统动态性能的关键在于如何实现转矩控制。 70 年代初德国的 提出的矢量控制理论解决了交流电机矢转矩控制问题。这种理论的核心是将一台交流电机等效为直流电机来控制，因而获得了与直流调速系统同样优良的动态性能。经过各国科技工作者努力，矢量变换控制的变频调速方法 已广泛地应用于电气传动系统中。 80 年代的中期，德国的 DEPENBROCK 又提出了直接转矩控制的理论，其思路是把交流电机与逆变器看作一个整体对待。采用空间电压矢量分析方法进行计算，直接控制转矩，免去了矢量变换的复杂计算。控制系统结构简单，便于实现全数字化，已有实际产品用于实际中。 近 10 多年来，各国学者和研究部门致力于无速度传感器控制系统的研究， 利用检测定子电压、电流等容易测量的物理量进行速度估算，以取代速度传感器，提高控制系统的可靠性，降低成本，目前已研究出无速度传感器矢量控制系统的实用产品。 近几年来， 人工智能技术 —— 如专家系统、模糊逻辑和人工神经网络等，正在显示出其实现变频调速的智能化自适应控制的巨大希望所在，有研究结果表明，智能控制技术有效利用，可使变频调速系统做到高效、自适应、自诊断、自保护、动态性能优良 。 毕业设计 用单片机控制的电机交流调速系统 4 第 2 章 硬 件 设 计 系统总体方案设计 为了使系统具有较好的动静态性能，满足设计要求，可将整个系统设计为转速开环控制系统，采用转差频率调节方式，对转速进行动态调节。由于电动机功率不大，整流器采用不可控电路，电容器滤波；逆变器采用电力晶体管三相逆变器。系统的总体结构主要由主回路 ：整流电路，滤波电路，三相逆变电路； AT 89C51单片机， 8279 通用键盘 /显示器， I/O 接口芯片等组成。 主回路设计 整流滤波电路的设计 图 1 系统总体框图 毕业设计 用单片机控制的电机交流调速系统 5 整流电路 意义 总结 电源电路中的整流电路主要有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流三种。 这三种整流电路输出的单向脉动性直流电特性有所不同，半波整流电路输出的电压只有半周，所以这种单向脉动性直流电主要成分仍然是 50Hz 的，因为输入交流市电的频率是 50Hz，半波整流电路去掉了交流电的半周，没有改变单向脉动性直流电中交流 成分的频率；全波和桥式整流电路相同，用到了输入交流电压的正、负半周，使频率扩大在倍为 100Hz，所以这种单向脉动性直流电的交流成分主要成分是 100Hz 的，这是因为整流电路将输入交流电压的一个半周转换了极性，使输出的直流脉动性电压的频 率比输入交流电压提高了一倍，这一频率的提高有利于滤波电路的滤波。 在半波整流电路中，当整流二极管截止时，交流电压峰值全部加到二极管两端。对于全波整流电路而言也是这样，当一只二极管导通时，另一只二极管截止，承受全部交流峰值电压。所以对这两种整流电路，要求电路的整流二极管其承 受反向峰值电压的能力较高；对于桥式整流电路而言，两只二极管导通，另两只二极管截止，它们串联起来承受反向峰值 图 2 整流滤波电路 毕业设计 用单片机控制的电机交流调速系统 6 电压，在每只二极管两端只有反向峰值电压的一半，所以对这一电路中整流二极管承受反向峰值电压的能力要求较低。 在全波和桥式整流电路中，都将输入交流电压的负半周转到正半周或将正半周转到负半周，这一点与半波整流电路不同，在半波整流电路中，将输入交流电压一个半周切除。 在整流电路中，输入交流电压的幅值远大于二极管导通的管压降，所以可将整流二极管的管压降忽略不计。 整流电路分类 按组 成器件 可分为不可控电路、半控电路、全控电路三种 1）不可控整流电路完全由不可控二极管组成，电路结构一定之后其直流整流电压和交流电源电压值的比是固定不变的。 2）半控整流电路由可控元件和二极管混合组成，在这种电路中，负载电源极性不能改变，但 平均值 可以调节 。 3）在全控整流电路中，所有的整流元件都是可控的（ SCR、 GTR、 GTO 等），其输出直流电压的平均值及极性可以通过控制元 件的导通状况而得到调节，在这种电路中，功率既可以由电源向负载传送，也可以由负载反馈给电源，即所谓的有源逆变。 按 电网 交流输入相数分为单相电路、三相 电路 1）对于小功率整流器常采用单相供电。 2）三相整流电路是交流测由三相电源供电，负载容量较大 ,或要求直流电压脉动较小，容易滤波。三相可控整流电路有三相半波可控整流电路，三相半控桥式整流电路，三相全控桥式整流电路。因为三相整流装置三相是平衡的﹐输出的直流电压和电流脉动小，对电网影响小，且控制滞后时间短，采用三相全控桥式整流电路时， 输出电压 交变分量的最低频率是电网频率的 6 倍，交流分量与直流分量之比也较小，因此滤波器的电感量比同容量的单相或三相半波电路小得多。另外，晶闸管的额定电压值也较低。因此，这种电路适用于大功率变流装置。 经过整流电路后的输出电压已经是单相的直流电压，但是其中含有直流和交 毕业设计 用单片机控制的电机交流调速系统 7 流的成分，电压的大小仍有变化，这种直流电称为脉动直流电。对于某些工作 (如蓄电池充电 )，脉动电流已经可以满足要求，但是对于大多数电子设备，需要平滑的直流电，故整流电路后面都要接滤波电路，尽量减小交流成分，以减小整流电压的脉动程度，适合稳压电路 的需要，这就是滤波。由此组成的电路称为滤波电路。下面介绍两类主要的滤波电路。 RC平滑滤波电路的结构 在 负载上并联一个电容器，利用电容器充放电时端电压不能跃变的特性使直流输出电压保持稳定。图 二 整流滤波电路 中 ，二极管 VD 起整流作用，与负载并联的电容 C 起滤波作用，这个电容器就是一个最简单的滤波器 RC平滑滤波电路的工作原理 RC 平滑滤波电路是利用电容器的端电压在电路状态改变时不能跃变的原理实现滤波的 电容和电感都是基本的滤波元件，当通过电感线圈的电流发生变化时，线圈中会产生自感电动势 阻碍电流变化，因此通过电感的电流不能突变，流过负载的电流也就不能突变，从而使负载电流和负载电压的脉动大为减小，电流平滑，输出电压的波形也就平稳了，达到了滤波目的。 图 3 三相逆变电路 逆变器是将直流变为定频定压或调频调压交流电的变换器，传统方法是利用晶 毕业设计 用单片机控制的电机交流调速系统 8 闸管组成的方波逆变电路实现，但由于其含有较大成分低次谐波等缺点，近十余年来，由于电力电子技术的迅速发展，全控型快速半导体器件 BJT， IGBT， GTO 等的发展和 PWM 的控制技术的日趋完善，使 SPWM 逆变器得以迅速发展并广泛 使用。PWM 控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度和周期以达到变压目的或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术， SPWM 控制技术又有许多种，并且还在不断发展中，但从控制思想上可分为四类，即等脉宽 PWM 法，正弦波 PWM 法（ SPWM 法），磁链追踪型 PWM 法和电流跟踪型 PWM 法，其中利用 SPWM 控制技术做成的SPWM 逆变器具有以下主要特点： （ 1）逆变器同时实现调频调压，系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响。 （ 2）可获得比常规六拍阶梯波更接近正弦波的输出电压波形，低次谐波减少，在电气传动中，可使传动系统转矩脉冲的大大减少，扩大调速范围，提高系统性能。 （ 3）组成变频器时，主电路只有一组可控的功率环节，简化了结构，由于采用不可控整流器，使电网功率因数接近于 1，且与输出电压大小无关。 SPWM 逆变器原理 1 SPWM 波形 所谓的 SPWM 波形就是与正弦波形等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，等效的原则是每一区间的面积相等。把一个正弦波分作几等分然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此 面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合，这样由几个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波等效，称作 SPWM 波形。同样，正弦波的负半周也用同样的方法与一系列负脉冲波等效。 2 SPWM 调制及逆变桥工作原理 以 SPWM 三相逆变桥为例进行说明， SPWM 三相逆变器主电路由六个全控式功率开关器件构成三相逆变桥，它们各有一个继流二极管反并联结，整个逆变器由三相不可控整流器提供电压为 Us 的直流电压。调制波和载波的交点决定了 SPWM 脉冲序列的宽度和脉冲间 的间隔宽度。 当 A 相的 Ura＞ Ut 时， VT1 导通，输出正 毕业设计 用单片机控制的电机交流调速系统 9 弦脉冲电压 Us/2，当 Ura＜ Ut 时， VT1 关断 Uda=0,在 Ura 负半周，用同样方法控制 VT4，输出负的脉冲电压序列，改变调制波频率时，输出电压基波频率随之改变，降低调制波幅值时如 Ura，各段脉冲的宽度变窄，输出电压基波幅值减少。这种 SPWM 每相只有一个开关器件反复通断，称单极性 SPWM 波形 。 若有同一桥臂上下两个开关交替地导通与关断，则输出脉冲在“ +”和“－”之间变化，这样得到双极式的 SPWM 波形，其调制方法与单极式相似，只是输出脉冲电压的极性不同，当 Ura＞ Ut 时， VT1 导通 VT4 关断， Uao=+Us/2；当 Urs＜ Ut 时 VT1 关断， VT4 导通，输出相电压 Uao=Us/2,同理 VT3 和 VT6， VT3 和 VT5 交替导通得到 UAO， UCO 毕业设计 用单片机控制的电机交流调速系统