3 學(xué)校代碼 11517 學(xué) 號 200807111158 HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 畢業(yè)論文 題 目 三相交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 學(xué)生姓名 徐全縣 專業(yè)班級 電氣工程及其自動化一班 學(xué) 號 200807111158 系 部 電氣信息工程系 指導(dǎo)教師 職稱 梅楊 教授 完成時間 2012 年 5 月 29 日 河南工程學(xué)院論文版權(quán)使用授權(quán)書河南工程學(xué)院論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解河南工程學(xué)院關(guān)于收集 保存 使用學(xué)位論文的規(guī)定 同意 如下各項內(nèi)容 按照學(xué)校要求提交論文的印刷本和電子版本 學(xué)校有權(quán)保存論 文的印刷本和電子版 并采用影印 縮印 掃描 數(shù)字化或其它手段保存論文 學(xué)校有權(quán)提供目錄檢索以及提供本論文全文或者部分的閱覽服務(wù) 學(xué)校有權(quán)按 有關(guān)規(guī)定向國家有關(guān)部門或者機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版 在不以贏利為 目的的前提下 學(xué)?？梢赃m當(dāng)復(fù)制論文的部分或全部內(nèi)容用于學(xué)術(shù)活動 論文作者簽名 年 月 日 河南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計河南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 論文論文 原創(chuàng)性聲明原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的論文 是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下 進(jìn)行研究工作 所取得的成果 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 本論文的研究成果不包含任何 他人創(chuàng)作的 已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的作品的內(nèi)容 對本論文所涉及的 研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個人和集體 均已在文中以明確方式標(biāo)明 本學(xué)位論 文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān) 論文作者簽名 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計 論文 任務(wù)書畢業(yè)設(shè)計 論文 任務(wù)書 題目題目 三相交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計三相交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 專業(yè)專業(yè) 電氣工程及其自動化電氣工程及其自動化 學(xué)號學(xué)號 200807111158200807111158 姓名姓名 徐全縣徐全縣 主要內(nèi)容 基本資料 主要參考資料等主要內(nèi)容 基本資料 主要參考資料等 主要內(nèi)容 主要內(nèi)容 在設(shè)計時充分考慮變頻器輸出電壓和電流中所包含一系列的高次諧波給電 機(jī)性能帶來的不利影響 這包括對電機(jī)的額定電流 功率因數(shù) 損耗及效率的 影響 變頻器在三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速中的應(yīng)用及調(diào)速原理 其中包括轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié) 電流調(diào)節(jié)和系統(tǒng)保護(hù) 同時主要介紹單片機(jī)在三相交流異步電動機(jī)變頻 調(diào)速系統(tǒng)方面的應(yīng)用 而且用單片機(jī)設(shè)計出控制三相交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速 SPWM 波發(fā)生器的硬件電路和匯編語言軟件應(yīng)用程序 基本要求 基本要求 三相交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單 運行可靠 重量輕 價格便宜 的道理廣泛的 應(yīng)用 其主要缺點是調(diào)速空難 正由于此 通過此課程設(shè)計 實現(xiàn)三相異步電 動機(jī)的變頻調(diào)速控制與應(yīng)用 參考資料 參考資料 1 劉仲如 變頻調(diào)速三相異步電動機(jī)的設(shè)計特點 M 機(jī)電技術(shù) 2003 年 2 劉震 PLC 在三相交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速中的應(yīng)用 M 工礦自動 化 3 陳炎 變頻器在交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 J 工礦自動化 2003 完 成 期 限 指導(dǎo)教師簽名 專業(yè)負(fù)責(zé)人簽名 2012 年 2 月 22 日 目 錄 中文摘要 I 英文摘要 II 1 緒論 1 1 1 概述 1 1 2 研究目的及意義 1 2 三相交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)電路的總體設(shè)計 2 2 1 變頻調(diào)速原理 2 2 2 變頻調(diào)速系統(tǒng)電路總體設(shè)計 3 3 主電路的設(shè)計 5 3 1 主電路介紹 5 3 2 整流電路 6 3 2 1 二極管的選擇 6 3 2 2 濾波電容的選擇 7 3 3 三相逆變電路的設(shè)計 7 3 3 1 大功率開關(guān)管 9 3 3 2 壓敏電阻的選擇 10 4 單片機(jī)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng) 11 4 1 系統(tǒng)框圖 11 4 2 硬件系統(tǒng)原理圖 12 5 控制電路的設(shè)計 13 5 1 驅(qū)動模塊的設(shè)計 13 5 1 1 MC3PHAC 在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 13 5 1 2 MC3PHAC 在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的工作原理 13 5 2 單片機(jī)的選取 15 5 3 SA4828 芯片產(chǎn)生 SPWM 16 5 4 其他模塊簡介 19 5 4 1 串口通信 19 5 4 2 LED 顯示器 21 5 4 3 保護(hù)電路 22 5 4 4 A D 轉(zhuǎn)換器設(shè)計 23 5 4 5 速度反饋 24 6 系統(tǒng)軟件設(shè)計 25 7 結(jié)論 28 致 謝 30 參考文獻(xiàn) 31 三相交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 摘 要 本文介紹了一種利用專用集成電路 SA4828 設(shè)計電機(jī)變頻調(diào)速的方法 系統(tǒng) 主要包括主電路與控制電路 其中主電路通常采用交 直 交方式 先將交流電 轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?整流 濾波 再將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電 逆變 整流部分用的是三項橋式整流電路 逆變電路采用的是三項橋式逆變電路 控 制電路由 MCS 52 系列的 8052 單片機(jī)最小系統(tǒng)和 SA4828 三相 SPWM 產(chǎn)生器及少 量的擴(kuò)展外圍芯片構(gòu)成 充分發(fā)揮其控制電路簡單 控制方式靈活 輸出波形 優(yōu)點多的特點 結(jié)合相應(yīng)的軟件 實現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速要求 并且用 8 位 LED 分別 顯示給定轉(zhuǎn)速nO和實際轉(zhuǎn)速n 一目了然 驅(qū)動電路用 MC3PHAC 芯片 MC3PHAC 是摩托羅拉 Motorola 公司生產(chǎn)的 其中主要內(nèi)容包括 SA4828 的特 性介紹及變頻系統(tǒng)的主電路 驅(qū)動電路 保護(hù)電路 速度檢測 調(diào)速系統(tǒng)及軟 件編程設(shè)計方法 所設(shè)計的系統(tǒng)實現(xiàn)了變頻調(diào)速的全數(shù)字化控制 實時性好 可靠性高 關(guān)鍵詞 單片機(jī) SA4828 變頻調(diào)速 SPWM 電動機(jī) THREE PHASE AC MOTOR VARIABLE SPEED CONTROL SYSTEM DESIG ABSTRACT This article describes a method of the ASIC SA4828 design motor speed regulation System mainly consists of the main circuit and control circuit and main circuit using MC3PHAC MC3PHAC Motorola Motorola the application of advanced CMOS technology the exclusive production of three phase AC motor universal frequency conversion single chip Intelligent controller in which the main circuit usually use AC DC make way the first alternating current into direct current rectifier filter then DC into the adjustable frequency AC inverter Constitute a control circuit and a small amount of expansion of peripheral chips generated by the MCS 52 series of 8052 single chip minimum system and SA4828 three phase SPWM give full play to the control circuit is simple flexible control the advantages of the output waveform characteristics combined with the corresponding software motor speed control requirements The main contents include on SA4828 features introduced and the main circuit of the inverter system the drive circuit protection circuit speed detection speed control system and software programming design method System designed to achieve full digital control of frequency control real time high reliability Keywords SCM SA4828 frequency control SPWM motor 1 緒論 1 1 概述 隨著電力電子技術(shù) 微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展 由變頻器組成的異步電動機(jī)變頻 調(diào)速系統(tǒng)正得以廣泛應(yīng)用 但在一些技術(shù)要求較高的場合 對于使用變頻器組 成的開環(huán)控制變頻調(diào)速系統(tǒng)難以滿足工程要求 單片機(jī)因其功能全 價格低深 受歡迎 因此開發(fā)用單片機(jī)控制變頻器來實現(xiàn)閉環(huán)交流調(diào)速系統(tǒng)的控制具有重 要意義 變頻器閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主要應(yīng)用單片機(jī)控制技術(shù) 單片機(jī)在過程控制中 直接數(shù)字控制中有著顯著優(yōu)點 它體積小可以做成體積極小的控制器用于一些 體積不大的設(shè)備和空間有限的生產(chǎn)過程 控制過程 其價格低廉是最主要的優(yōu) 勢 相比 PLC 工控機(jī)等有著比較高的性價比 控制過程應(yīng)用單片機(jī)已成為了 一種不可抗拒的趨勢 1 2 研究目的及意義 在工業(yè)發(fā)展的初級階段 人們主要使用集中傳動 作為動力的鼠籠電動機(jī) 是不需要調(diào)速的 它只需要滿足各種生產(chǎn)條件對它提出的起動和穩(wěn)速運行的要 求就可以 調(diào)速的任務(wù)是由皮帶和齒輪來完成 隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大 對 生產(chǎn)的連續(xù)性和流程化的要求愈來愈高 發(fā)展電機(jī)的調(diào)速技術(shù)已經(jīng)是勢在必行 了 直流調(diào)速系統(tǒng) 由于其良好的調(diào)速性能 很長的時期內(nèi)在調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)占據(jù) 首位 但是由于直流電動機(jī)本身有機(jī)械換向器 給直流調(diào)速系統(tǒng)造成一些固有 的 難于解決的問題 交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展 特別是變頻器傳動本身固有的優(yōu)勢 必將使之 應(yīng)用于社會生產(chǎn)的各個領(lǐng)域 以體現(xiàn)出不同的功能 達(dá)到不同的目的 收到相 應(yīng)的效益 因此 本論文通過對變頻器的研究 對于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)理論的 應(yīng)用 有著實際的意義和一定的應(yīng)用價值 2 三相交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)電路的總體設(shè)計 2 1 變頻調(diào)速原理 變頻調(diào)速是改變電動機(jī)定子電源的頻率 從而改變它的同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速 方法 變頻可以調(diào)速這個概念 可以說是交流電動機(jī) 與生俱來 的 同步電 動機(jī)和異步電動機(jī) 它們的轉(zhuǎn)速都是取決于同步轉(zhuǎn)速 即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 的 1 0 snn 2 1 式中 n 電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 m min no 電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 r min s 電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率 s n1 n n n1 同步轉(zhuǎn)速則主要取決頻率 p f n 60 0 2 2 式中 f 輸入頻率 Hz p 電動機(jī)的磁極對數(shù) 由式 2 1 和式 2 2 可以知道變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn) 速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系 p sf n 1 60 2 3 由式 2 3 可知 在電動機(jī)磁極對數(shù)不變的情況下 從而可以通過改 變電動機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的 在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時 通常需要考慮到的一個重要因素是 希望保持電機(jī) 中每極磁通量為額定值 并且保持其不變 如果磁通太弱的話 則電機(jī)就會 出現(xiàn)欠勵磁的想象 從而將會影響電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 由 22 COSIKT MTM 2 4 式中 Tm 電磁轉(zhuǎn)矩 Kt 比例系數(shù) M 主磁通 I2 轉(zhuǎn)子電流 2 COS 轉(zhuǎn)子回路功率因素 可知 電機(jī)磁通的減小 勢必會使電動機(jī)的轉(zhuǎn) 矩減小 由于在電動機(jī)設(shè)計時 電動機(jī)的磁通常處于接近飽和值 如果進(jìn)一步增 大磁通 將使電動機(jī)鐵心出現(xiàn)飽和 從而導(dǎo)致電動機(jī)中流過很大的勵磁電流 增加電動機(jī)的鐵損耗和銅損耗 嚴(yán)重時會因繞組過熱而損壞電動機(jī) 因此 在改變電動機(jī)的頻率時 應(yīng)對電動機(jī)的電壓進(jìn)行協(xié)調(diào)控制 以維持電動機(jī)磁 通的恒定 而在本設(shè)計中我用到的用來改變電動機(jī)電壓的是SPWM 它輸出 的波形很接近與正弦波 在下文中我將會對其進(jìn)行比較詳細(xì)的說明 2 2 變頻調(diào)速系統(tǒng)電路總體設(shè)計 三相交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)電路由整流 濾波 逆變 控制和驅(qū)動 5 部分 組成 如圖 2 2 1 所示 整流部分采用二極管整流 輸入電流和輸出電壓相位比 沒有滯后 一般認(rèn)為功率因數(shù)為 1 而實際上由于諧波的存在 輸入回路的總 功率因數(shù)小于 1 三相交流電壓經(jīng)整流濾波后變?yōu)橹绷麟妷簛砉┠孀儾糠质褂?為了避免制動過程中母線過壓 直流側(cè)電容并聯(lián)一個 IGBT 和能耗電阻 R1 MC3PHAC 對制動過程進(jìn)行監(jiān)控 當(dāng)直流母線電壓超過一定值時 由于系 統(tǒng)對調(diào)速制動時間有一定的要求 所以在負(fù)載電動機(jī)由電動狀態(tài)變?yōu)橹苿訝顟B(tài) 時 IGBT 導(dǎo)通 電動機(jī)反饋的能量消耗在 R1 上 另外 MC3PHAC 可以控制電 機(jī)減速時間 進(jìn)行自動減速控制 DC BUS 引腳電壓超過一定值時 MC3PHAC 自行調(diào)整降速過程 避免降速過程中由于再生能量對器件造成的損 壞 系統(tǒng)驅(qū)動模塊采用 International Rectifier 公司生產(chǎn)的 6 輸出高壓柵極驅(qū)動器 IR2133 該電路基于自舉驅(qū)動方法 采用動態(tài)溝道技術(shù) 最大偏置電壓為 1200V IR2133 具有 6 路輸入信號和 6 路輸出信號 其中 6 路輸出信號中的 3 路具有電平轉(zhuǎn)換功能 可直接驅(qū)動高壓側(cè)的功率器件 該驅(qū)動器可與主電路共 地運行 且只需要一路控制電源 克服了常規(guī)驅(qū)動器需要多路隔離電源的缺點 大大簡化了硬件設(shè)計 高邊自舉電路是基于正常 PWM 操作時高 低側(cè)功率開關(guān)管輪流導(dǎo)通 截止的 工作 當(dāng)?shù)蛪簜?cè)功率開關(guān)管導(dǎo)通時 固定電源通過一個二極管對自舉電容 C 充 電 當(dāng)?shù)蛪簜?cè)功率開關(guān)管關(guān)斷時 自舉電容 C 所充電壓成為一個懸浮電源 作為 高壓側(cè)功率開關(guān)管的驅(qū)動電源 當(dāng)電機(jī)停了一段時間后 高邊自舉電容充的電 已經(jīng)耗盡 必須重新充滿電 才能進(jìn)行 PWM 的操作 為了適應(yīng)這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) MC3PHAC 在每次電機(jī)開啟時將提供 100ms 的脈沖到低邊晶體管 由于高邊的晶 體管此時處于關(guān)閉狀態(tài) 電機(jī)電壓仍為 0V 過了這段時間后 PWM 驅(qū)動正常工 作 逆變部分采用相匹配的晶體管 由于此系統(tǒng)應(yīng)用于小功率三相交流電機(jī)控 制 晶體管可以采用 MOSFET 或者 IGBT 作為逆變元件 MOSFET 驅(qū)動電路簡單 需要的驅(qū)動功率小 開關(guān)速度快 工作頻率高 工作可靠 無二次擊穿 但是 電流容量小 耐壓低 另外 系統(tǒng)采用的 IR2133 驅(qū)動電路為單電壓驅(qū)動 MOSFET 可以在零偏壓有效關(guān)斷 無需負(fù)偏壓關(guān)斷 IGBT 耐壓高 電流容量大 在實際應(yīng)用中 為了使 IGBT 有效關(guān)斷 通常要加 5V 的關(guān)柵電壓 防止關(guān)斷時 的誤動作 這樣會增加驅(qū)動電路的復(fù)雜性 最近 IR 公司開發(fā)出了新型的 NPTIGBT 能夠有效解決此系統(tǒng)存在的問題 它無需負(fù)偏壓就可有效關(guān)斷 且和 IR2133 能夠有效兼容 簡化了系統(tǒng)電路復(fù)雜性 因此 在小功率調(diào)速系統(tǒng)中 MOSFET 和 NPTIGBT 都可以作為逆變橋的開關(guān)管 3 主電路的設(shè)計 3 1 主電路介紹 變頻調(diào)速實際上是向交流異步電動機(jī)提供一個頻率可控的電源 能實現(xiàn)這 個功能的裝置稱為變頻器 變頻器由兩部分組成 主電路和控制電路 其中主 電路通常采用交 直 交方式 先將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?整流 濾波 再將直流 電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電 逆變 在本設(shè)計中采用圖 3 1 的主電路 這也是變頻器常用的格式 圖 3 1 電壓型交直交變頻調(diào)速主電路 三相橋式整流電路把 380V 的三相交流電整流成直流電 圖 3 1 中的繼電器 和電阻 Ra 是上電緩沖電路 主要用主電源剛上電時來抑制尖峰電壓 當(dāng)電源 上電時 繼電器斷開 電源則經(jīng)過電阻 Ra 向電容充電 這樣就能達(dá)到限制上 電電流的作用 一旦電壓上升到 80 以后 繼電器才閉合 這時 R 短路 電 容則用來消除直流電源的紋波 電阻 Rb 和指示燈是用于指示電源是否上電以 及在放電時電路是否已經(jīng)完成放電 放電電路由晶體管 V0 和電阻 Rc 組成 當(dāng) 主電路電源斷開后 晶體管 V0 打開 電容 C 存貯的電量經(jīng)電阻 Rb 放電 目 前用于變頻調(diào)速的功率管有晶闡管 GTO 大功率場效應(yīng)管 Mos r 電力晶體 管 BJT IGI 玎和智能 If BT 模塊 IPM 等 IGBT 結(jié)合了 BJT 和 MOSFET 的特 性所混合以后發(fā)展出來的一種新元件 特性也就介于其 2 種元件之間 輸入特 性有 MOSFET 的特點 驅(qū)動容易而輸出特性具有電力晶體管的特性 具有耐高 壓及放大電流的特性 并且同時具有低導(dǎo)通電壓降 其切換的速度又大大地提 升 在承受短路的能力方面 更加超越了 MOSFET IGBT 功率應(yīng)用的范圍從 幾千瓦 kw 到數(shù)百萬千瓦 MW 3 2 整流電路 整流電路是把交流電變換為直流電的電路 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 三相橋式全控整流電路每個時刻均需 2 個 二極管導(dǎo)通 而且這兩個二極管一個是共陰極組 一個是共陽極組 只有它們 能同時導(dǎo)通 才能形成導(dǎo)電回路 由于整流電路原理比較簡單 設(shè)計中不再做 詳細(xì)的介紹 其原理如圖 3 2 所示 圖 3 2 三相橋式全控整流電路 3 2 1 二極管的選擇 1 輸出電流的計算 選擇功率模塊時 需要考慮到電機(jī)的過載要求 其中 設(shè)定 m 2 5 IN 89 則功率器件的電流定額為 3 1 式中 1 2 2 表示安全裕量 2 輸出電壓的計算 如我們所知 空載時 輸出電壓平均值最大 為 Ud 2 45U2 隨著負(fù)載加重 輸出電壓平均值減小 至 Irc 1 732 進(jìn)入 Id 連 續(xù)情況后 輸出電壓波形成為線電壓的包絡(luò)線 其平均值 Ud 2 34U2 可見 Ud 在 2 34U2 2 45U2 之間變化 而我所設(shè)計的整流電路中 所給定輸入 電壓是國家電網(wǎng)電壓 220v 頻率固定為 50Hz 所以輸出的電壓 Ud 2 34U2 2 45U2 2 34 2 45 380 889 2 931V 3 二極管承受的電壓 二極管承受的最大反向電壓為線電壓的峰值 為 2 45U2 2 45 380 931V 根據(jù) 根據(jù)上述計算 選取二極管元件 KP600 10 計 6 只 3 2 2 濾波電容的選擇 取FC 4400 0 其耐壓 VU9316 2 綜合考慮濾波電容的體積 價格 和濾波效果 結(jié)合經(jīng)驗 在變頻器的濾波環(huán)節(jié)處采用了兩個濾波電容 2 只 2200F 耐壓在 500V 以上的電容器并聯(lián)使用 我這個設(shè)計中是用的上海威斯 康電氣有限公司的產(chǎn)品 3 3 三相逆變電路的設(shè)計 在三相逆變電路中 應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路 采用 IGBT 作為開光 器件的電壓型三相橋式逆變電路如下圖 3 3 1 所示 圖 3 3 1 三相電壓型橋式逆變電路 三相電壓型 PWM 逆變電路只要實現(xiàn)功能就是將直流電壓變換成交流電壓 圖 1 中 U V M 三相的 PWM 控制通常公用一個三角波載波 c u 三相調(diào)制信號 rU u rV u rW u一次相差 0 120 U V W 各相功率開關(guān)器件的控制規(guī)律相同 現(xiàn) 以 U 相為例 當(dāng) rU u c u時 給上橋臂 1 V以導(dǎo)通信號 給下橋臂 4 V以關(guān)斷信號 則 U 相相對于直流電源假想中點輸出電壓2 1 d UN Uu 當(dāng) rU u c u時 給 4 V以導(dǎo)通信號 給 1 V以關(guān)斷信號 則2 1 d UN Uu 但 1 V與 4 V的驅(qū)動信號始終是互補(bǔ)的 當(dāng)給 1 V 4 V 加以導(dǎo)通信號時 可能 1 V 4 V 導(dǎo)通 也可能是二極管 41 VDVD續(xù)流導(dǎo)通 這是有阻感負(fù)載中電流方向決 定 這就是三相橋式電路的雙極型調(diào)制特性 由上分析 1 UN u的波形是幅值為 2 d U的矩形波 V M 兩相情況跟 U 相類似 所以負(fù)載線電壓 UV u UW u WU u為 負(fù)載相電壓 UV u UW u WU u為 負(fù)載中點和電源中點間電壓為 3 1 3 1 1111 WNVNUN WNVNUNNN uuuuuuu 負(fù)載三相對稱時有0 WNVNUN uuu 于是 3 1 1111 WNVNUNNN uuuu 所以 1 NN u也是矩形波 其頻率為 1 UN u的 3 倍 幅值為其3 1 即6 d U 三相逆變輸出的電壓與電流分析類似 負(fù)載參數(shù)已知 以 U 相為例 負(fù) 載的阻抗角 不一樣 U i 的波形形狀和相位都有所不同 在阻感負(fù)載下 3 時 1 V從通態(tài)轉(zhuǎn)換到斷態(tài)時 因負(fù)載電感中電流不能突變 4 VD先導(dǎo)通 續(xù)流 待負(fù)載電流降為零 4 V才開始導(dǎo)通 負(fù)載阻抗角 越大 4 VD導(dǎo)通時間 越長 在 1 NN u0 時 0 U i時為 1 VD導(dǎo)通 0 U i時為 1 V導(dǎo)通 在0 1 NN u時 0 U i時 4 VD導(dǎo)通 0 U i時為 4 V導(dǎo)通 v i w i 的波形與 U i 形狀相同 相位一次相差 0 120 將三個橋臂電流相加 可得到直流側(cè)電流 d i 在上述 0 180導(dǎo)電方式逆變器中 我們采用 先斷后通 的方法來防止同一 相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時導(dǎo)通而引起直流側(cè)電壓短路 使得在通斷信號之 間留有一個短暫的死區(qū)時間 主要參數(shù)計算及其器件的選擇 3 3 1 大功率開關(guān)管 由于 SPWM 正弦脈寬調(diào)制方法的直流利用率為 0 866 即 U1 Ud 0 866 為了使逆變器輸出 380V 的線電壓 要求直流側(cè)的電源電壓 考慮到大功 率的晶體管的管壓降等 取 則大功率晶體管的參數(shù)為 選擇晶體管模塊 QCA50A 100A 三 塊 作 為大功率開關(guān)管 QCA50A 100A 為兩單元組件 c e 極帶反向續(xù)流二極管 絕緣式結(jié)構(gòu) 它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 3 3 2 所示 圖 3 3 2 QCA50A 100 模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu) 3 3 2 壓敏電阻的選擇 壓敏電阻的額定電壓 3 2 選擇 MY31 560 1 型壓敏電阻 3 個 其額定電壓為 560V 通流容量 1Ka 4 單片機(jī)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng) 4 1 系統(tǒng)框圖 圖 4 1 電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖 4 2 硬件系統(tǒng)原理圖 該硬件系統(tǒng)主要包括主電路與控制電路兩個部分 其中主電路包括交 直 交變頻電路 本設(shè)計采用 MC3PHAC 與電動機(jī) 控制電路包括 AT89C52 主控 制模塊 SA4825 產(chǎn)生 SPWM 波模塊 驅(qū)動模塊以及外圍設(shè)備模塊 如鍵盤輸入 液晶顯示 A D 模數(shù)轉(zhuǎn)換以及串口等 以 CPU 為核心 配以鍵盤 顯示 通訊 等設(shè)備 完成對交流電動機(jī)的速度控制 這里選用了 Atmel 公司的 AT89C52 單片機(jī) 它與 Intel52 系列單片機(jī)完全兼容 其內(nèi)部配置了 8KB 的 Flash Memory 無須擴(kuò)展 外部存貯器 同時這種 8 位單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)與 SA4828 完全兼容 可以直接相連 給定轉(zhuǎn)速 nO可以用三種方式設(shè)定 鍵盤 電位器和上位機(jī) 用 8 位 LED 分別顯示 給定轉(zhuǎn)速 nO和實際轉(zhuǎn)速 n 一目了然 系統(tǒng)對電動機(jī)運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)監(jiān)測 調(diào)速效 果 動態(tài)響應(yīng)的跟蹤情況都可以傳送到上位機(jī) 以表格或曲線的形式輸出 以便于 觀察分析 5 控制電路的設(shè)計 5 1 驅(qū)動模塊的設(shè)計 MC3PHAC 是摩托羅拉 Motorola 公司應(yīng)用先進(jìn)的 CMOS 技術(shù)獨家生產(chǎn)的 三相交流電機(jī)通用變頻單片智能控制器 單機(jī)模式下 MC3PHAC 配置見圖 5 1 圖 5 1 單機(jī)模式下 MC3PHAC 配置圖 5 1 1 MC3PHAC 在三相交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 MC3PHAC 主要應(yīng)用于低成本 小功率三相交流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 它可以在 惡劣的環(huán)境中穩(wěn)定的運行 特別是在家用電器 商用洗衣機(jī) 洗碗機(jī) 過程控 制以及泵和風(fēng)機(jī)驅(qū)動 具有廣泛的應(yīng)用前景 5 1 2 MC3PHAC 在三相交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 三相交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)工作原理如圖 5 2 所示 采用交 直 交電壓 型逆變調(diào)速方式 主電路中 380V 交流電壓經(jīng)過由 D1 D6 和電解電容 C1 組成 的橋式整流和電容濾波電路后成為給電力晶體管供電的直流電壓 6 個開關(guān)管 按照一定規(guī)律通斷 逆變器的交流輸出電壓被鉗位為矩形波 和負(fù)載性質(zhì)無關(guān) 交流輸出電流的波形和相位由負(fù)載的性質(zhì)決定 圖中電解電容同時又作為緩沖 負(fù)載無功功率的儲能元件 三相逆變電路由 6 只具有單向?qū)щ娦缘墓β书_關(guān)管 組成 每只開關(guān)管反并聯(lián) 1 只續(xù)流二極管 為負(fù)載滯后電流提供一條反饋通路 6 只開關(guān)管每隔 60 電角度觸發(fā)導(dǎo)通一次 相鄰兩相的功率開關(guān)管觸發(fā)導(dǎo)通時 間互差 120 一個周期換相 6 次 對應(yīng) 6 個不同的工作狀態(tài) 控制器提供可 調(diào)的 PWM 調(diào)制波 控制開關(guān)管的通斷 為異步電機(jī)提供可調(diào)的交流電源 同 時監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生的故障 保持系統(tǒng)安全可靠運行 圖 5 2 三相交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖 5 2 單片機(jī)的選取 AT89C52 是美國 Intel 公司生產(chǎn)的低電壓 高性能 CMOS 8 位單片機(jī) 片 內(nèi)含 8KB 的可反復(fù)擦寫的程序存儲器和 12B 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器 RAM 器件采用 Atmel 公司的可高密度 非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn) 兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS 52 指令系統(tǒng) 片內(nèi)配置通用 8 位中央處理器 CPU 和 Flash 存儲單元 功能強(qiáng) 大的 AT89C52 單片機(jī)可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域 AT89C52 單片機(jī)屬于 AT89C52 單片機(jī)的增強(qiáng)型 與 Intel 公司的 80C52 在引腳排列 硬件組成 工 作特點和指令系統(tǒng)方面兼容 其主要工作特性是 1 與 MCS 52 系列產(chǎn)品指令和引腳完全兼容 2 片內(nèi)程序存儲器內(nèi)含 8KB 的 Flash 程序存儲器 可擦寫壽命為 1000 次 3 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)涵 256 字節(jié)的 RAM 4 具有 32 根可編程 I O 口線 5 具有 3 個可編程定時器 6 中斷系統(tǒng)是具有 8 個中斷源 6 個中斷矢量 2 個級優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié) 構(gòu) 7 串行系統(tǒng)是具有一個全雙工的可編程串行通信口 8 具有一個數(shù)據(jù)指針 DPTR 9 低功耗工作模式有空閑模式和掉電模式 10 具有可編程的 3 級程序鎖定位 11 AT89C52 工作電源電壓為 5 1 0 2 V 且典型值為 5V 12 AT89C52 最高工作頻率為 24MHz 單片機(jī)正常工作時 最需要有一個個時鐘電路和一個復(fù)位電路 本設(shè)計中 選擇了內(nèi)部時鐘方式和按鍵電平復(fù)位電路 來構(gòu)成單片機(jī)的最小電路 AT89C52 單片機(jī)芯片作為主控核心 包括晶振電路部分 中斷 復(fù)位按鈕 如圖 圖 5 3 AT89C52 單片機(jī)芯片圖 我做的設(shè)計單片機(jī)主要起著一個控制的作用 通過與其相連的鍵盤給定一 個轉(zhuǎn)速 可在屏幕中顯示出來 與已經(jīng)變頻調(diào)速后的轉(zhuǎn)速相比 從而再進(jìn)行調(diào) 節(jié) 5 3 SA4828 芯片產(chǎn)生 SPWM SA4828 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由圖 5 4 所示 來自單片機(jī)的數(shù)據(jù)通過總線控制和譯碼 進(jìn)入初始化寄存器或控制器 他們對相控邏輯電路進(jìn)行控制 外部時鐘輸入經(jīng) 分頻器分成設(shè)定的頻率 并生成三角形載波 三角載波與所選定的片內(nèi) ROM 中的調(diào)制波形進(jìn)行比較 自動生成 SPWM 輸出脈沖 通過脈沖刪除電路 刪去 比較窄的脈沖 如圖 5 5 所示 因為這樣的脈沖不起任何作用 只會增加開 關(guān)管的損耗 通過脈沖延遲電路生成死區(qū) 保證任何橋臂上的兩個開關(guān)管不會 在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間短路 看門狗定時器用來防止程序跑飛 當(dāng)時間條件滿足時快 速封鎖輸出 片內(nèi) ROM 存有 3 種可供選擇的波形 它們是純正弦波形 增強(qiáng)型波形和 高效型波形 每種波形各有 1536 個采樣值 增強(qiáng)型波形又稱三次諧波 它可以 使輸出功率提高 20 三相諧波互相抵消 防止電動機(jī)發(fā)熱 高效型波形又稱 帶死區(qū)的三次諧波 它是進(jìn)一步優(yōu)化的三次諧波 可以減小逆變開關(guān)管的損耗 提高功率利用率 寄存器 AD3AD2AD1AD0 地址 R0000000H R1000101H R2001002H R3001103H R4010004H R5010105H R1411100EH R1511110FH 寄存器列陣包含 8 個 8 位寄存器 R0 R5 和 R14 R15 其中 R0 R5 用來 暫存來自單片機(jī)的數(shù)據(jù) 這些可能是初始化數(shù)據(jù)或者控制數(shù)據(jù) 而 R14 R15 是兩個虛擬的寄存器 物理上不存在 當(dāng) R14 寫操作時 實際是將 R0 R5 中 存放的 48 位數(shù)據(jù)送入初始化寄存器 而向 R15 寫操作時 是將 R0 R5 中存放 的 48 位數(shù)據(jù)送入控制寄存器 5 4 其他模塊簡介 通過單片機(jī)與外圍設(shè)備的連接與通信 使得電動機(jī)變頻控制系統(tǒng)更加完善 其中外圍設(shè)備包括串口 與 PC 機(jī)等進(jìn)行通信 鍵盤輸入以及液晶顯示等 5 4 1 串口通信 單片機(jī)與 PC 機(jī)的通信能夠讓控制系統(tǒng)實現(xiàn)實時監(jiān)測并 進(jìn)行相應(yīng)的控制 使控制系統(tǒng)更加智能化 自動化 目前 大部分計算機(jī)的串口都采用 RS 232C 通信接口的 DB9 連接器 如右圖所示 RS 232C 規(guī)定的邏輯電平與一般微處理器 單片機(jī)的邏輯電平是不同的 RS 232 的邏輯 1 是以 3 15V 來表示的 而單片機(jī)的邏輯 1 是以 5V 來表 示的 兩者完全不同 因此 單片機(jī)系統(tǒng)要和電腦的 RS 232 接口進(jìn)行通信 就 必須把單片機(jī)的信號電平 TTL 電平 轉(zhuǎn)換成計算機(jī)的 RS 232C 電平 或者把 計算機(jī)的 RS 232C 電平轉(zhuǎn)換成單片機(jī)的 TTL 電平 實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的方法可以使 用分立元件 也可以使用專用 RS 232 電平轉(zhuǎn)換芯片 目前較為廣泛地使用專用 電平轉(zhuǎn)換芯片 如 MC1488 MC1489 MAX232 等電平轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn) EIA 到 TTL 電平的轉(zhuǎn)換 下面介紹的是 MAXIM 公司的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX232 及接口電路 圖 5 8MAX232 串口電平轉(zhuǎn)換圖 圖 5 9MAX232 管腳圖 如圖 5 8 所示 MAX232 是單電源雙 RS 232 發(fā)送 接收芯片 采用單 5V 電源供電 外接只需 4 個電容 便可以構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的 RS 232 通信接口 硬件接口 簡單 所以被廣泛采用 其主要特性如下 a 符合所有的 RS 232C 技術(shù)規(guī)范 b 只要單一 5V 電源供電片載電荷泵 具有升壓 電壓極性反轉(zhuǎn)能力 能夠產(chǎn) 生 10V 和 10V 電壓 V V c 低功耗 典型供電電流 5mA d 內(nèi)部集成 2 個 RS 232C 驅(qū)動器 e 內(nèi)部集成 2 個 RS 232C 接收器 為了驅(qū)動主電路逆變橋的三個上橋臂的 IGBT 必須給每一路提供一個隔 離的 25V 電源而三個下橋臂可以共用一個電源 此外 SA4828及單片機(jī)系統(tǒng) 還需要 5V 電源以及異步通訊所需的 12V 電源 一共需要 7 路電源 如圖 5 10 所示 該電源可以采用線性電源 也可采用開關(guān)電源 前者體積大 笨重 但電路簡 單 各路電源完全獨立 調(diào)試容易 后者則輕便 小巧 電路相對較 復(fù)雜 采用單片開關(guān)電源芯片可大大 簡化電路 死區(qū)時間的大小主要由以下幾方面決定 驅(qū)動電路在開通和關(guān)斷兩種模式 工作時 信號傳遞延遲時間有差異 逆變器橋臂上下兩功率開關(guān)器件的驅(qū)動不 可能達(dá)到完全一致 功率器件不是理想開關(guān) 其開通和關(guān)斷都有延時且不等 因此 要綜合這幾個因素來確定死區(qū)時間的長短 并給予一定的余量 總 之要充分估計導(dǎo)通時控制信號到功率管開通的最小延遲時間 tonmin 和關(guān)斷時控 制信號到功率管關(guān)斷的最大延遲時間 toffmax 則死區(qū)時間可以定為 toffmax tonmin 實際中則取死區(qū)時間略大于 toffmax 本文采用 IGBT 作逆變器的功率開關(guān)管和 MC3PHAC 驅(qū)動模塊 MC3PHAC 最大延遲時間為 1 5 s IGBT 一般不超過期 3 s 因此本文死區(qū)時間定為 5 s 5 4 2 LED 顯示器 常用的 LED 顯示器為 8 段 或 7 段 8 段比 7 段多了一個小數(shù)點 DP 段 每一段對應(yīng)一個發(fā)光二極管 這種顯示器有共陽極和共陰極 2 種 共陰極 LED 顯示器的發(fā)光二極管的陰極連接在一起 通常此公共陰極接地 當(dāng)某個發(fā)光二 極管的陽極為高電平時 發(fā)光二極管點亮 相應(yīng)的段被顯示 同樣 共陽極 LED 顯示器的發(fā)光二極管的陽極連接在一起 通常此公共陽極接正電壓 當(dāng)某個發(fā) 光二極管的陰極接低電平時 發(fā)光二極管被點亮 相應(yīng)的段被顯示 為了使 LED 顯示器顯示不同的符號或數(shù)字 就是呆板不同段的發(fā)光二極管 點亮 這樣就是為 LED 顯示器提供代碼 因此這些代碼可使 LED 相應(yīng)的段發(fā) 光 從而顯示不同字型 因此該代碼稱之為段碼 或稱為字型碼 圖 5 11 LED 顯示器共陽極和共陰極的外形圖和引腳圖 7 段發(fā)光二極管 再加上一個小數(shù)點位 共計 8 段 因此提供給 LED 顯示 器的段碼 或字型碼 正好是 1 個字節(jié) LED 顯示器的外形如圖 4 6 所示 5 4 3 保護(hù)電路 逆變器中的 IGBT 模塊是變頻器的主要部件 也是最昂貴的部件 由于它 工作在高頻 高壓 大電流的狀態(tài) 所以也是最容易損壞的部件 因此 IGBT 模塊的保護(hù)工作顯得十分重要 為此應(yīng)做到以下幾點 1 選用智能型 IGBT 模塊 IPM 中一般都有過流 過熱 短路 欠壓保 護(hù)電路 當(dāng)任一情況發(fā)生時它能迅速給出報警信號 把該信號接到 SA4828 的 SETTRIP 端 可立即切斷 SA4828 的 6 路控制信號 關(guān)閉所有的 IGBT 2 對 SA4828 編程時 設(shè)置合理的 死區(qū) 時間和欲刪除的 窄脈沖 的寬度 前者可有效防止同一橋臂上 下開關(guān)元件的共態(tài)導(dǎo)通 后者可降低開 關(guān)損耗 減少發(fā)熱 3 在單片機(jī)的調(diào)速過程中始終監(jiān)視變頻器輸出端的電壓和電流 一旦超 限將停止 SA4828 的工作并發(fā)出報警指示 在 IPM 應(yīng)用中 由于高頻開關(guān)過程和功率回路寄生電感等疊加產(chǎn)生的 di dt dv dt 和瞬時功耗會對器件產(chǎn)生較大的沖擊 易損壞器件 因此需設(shè)置 緩沖電路 即吸收電路 目的是改變器件的開關(guān)軌跡 控制各種瞬態(tài)過壓 降 低器件開關(guān)損耗 保護(hù)器件安全運行 5 4 4 A D 轉(zhuǎn)換器設(shè)計 本設(shè)計選用 TLV2548A D 轉(zhuǎn)換器 TLV2548 是美國 Tl 公司生產(chǎn)的多通道 12 位數(shù)據(jù)采集芯片 ADC 芯片為單電源 2 7 5 5V 供電 轉(zhuǎn)換時間為 3 96us 是一款高性能 低功耗 CMOS 工藝 串行接口的 A D 轉(zhuǎn)換器 特性如下 1 12 位分辨率 微分 積分非線性誤差 1LSB 2 單電源 2 7 5 5V 范圍供電電源 內(nèi)置參考源 3 內(nèi)置轉(zhuǎn)換時鐘源及 8FIFO 4 8 路模擬輸入 模擬輸入范圍為 0 到電源電壓 500KHz 帶寬 5 200kHzSPS 采樣速率 3 86us 轉(zhuǎn)換時間 6 SPI CPOL 0 CPHA 0 DSP 兼串行接口 SCLK 可高達(dá) 20MHz 7 低工作電流 5 13 TLV2548 與 ATB9C52 從單片機(jī)接口圖 5 4 5 速度反饋 采用轉(zhuǎn)速編碼器對電動機(jī)進(jìn)行測速 可以構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速編碼器 的主要有兩種 一種是增量型 另一種是絕對型 增量型的特征是只有在旋轉(zhuǎn) 期間會輸出對應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度脈沖 停止是不會輸出 它是利用計數(shù)來測量旋轉(zhuǎn)的 方式 價格比較便宜 絕對型的的特征是不論是否旋轉(zhuǎn) 可以將對應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度 進(jìn)行平行輸出的類型 不需要計數(shù)器可確認(rèn)旋轉(zhuǎn)位置 它還有不受機(jī)械的晃動 或震動以及開關(guān)等電器干擾的功能 價格貴 在選擇使用時 可參考以下幾點 包括成本 分辨率 外形尺寸 軸負(fù)荷及機(jī)械壽命 輸出頻率 環(huán)境 軸旋轉(zhuǎn) 力矩 輸出回路等等 6 系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件設(shè)計是整個逆變控制的核心 它決定著逆變器的輸出特性 該系統(tǒng)軟 件設(shè)計由三部分組成 主程序 初始化程序和中斷服務(wù)子程序 主程序是整個 控制系統(tǒng)的核心和靈魂 只有通過主程序才能有機(jī)地調(diào)用系統(tǒng)中各個子程序 使它們形成一個聯(lián)系緊密的整體 有條不紊的完成各種各樣的操作命令 主程序 圖 6 1 給出了本系統(tǒng)的主程序流程圖 單片機(jī)首先初始 SA4828 打開中斷系統(tǒng) 傳送控制參數(shù)后 判斷 SA4828 有沒有保護(hù)動作 允許輸出 則開始輸出 SPWM 控制信號 逆變器開始工作 工作過程中 單片機(jī)不斷的處 理檢測反饋回來的信號 控制 SA4828 調(diào)整輸出的 SPWM 控制信號 控制系統(tǒng) 的輸出狀態(tài) 以滿足系統(tǒng)的性能要求 在系統(tǒng)正常工作過程中 不斷更新看門 狗定時器