畢業(yè)論文（設計）材料目：異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計學生姓名：xxx學生學號：xxxxxxxxx系另1（:電氣信息工程學院專業(yè)：自動化屆另2012屆指導教師：xxx異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計學生：xxx指導教師：xxx摘要：本文對變頻調(diào)速理論、逆變技術、SPWM產(chǎn)生原理進行了研究，在此基礎上設計了一種新型數(shù)字化三相SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)，以8051控制專用集成芯片SA4828為控制核心，采用IGBT作為主功率器件，同時采用EXB840構成IGBT的驅(qū)動電路，整流電路采用二極管，可使功率因數(shù)接近1,并且只用一級可控的功率環(huán)節(jié)，電路結構比較簡單。本文在控制上采用恒Vf控制，同時，軟件程序使得參數(shù)的輸入和變頻器運行方式的改變極為方便，新型集成元件的采用也使得它的開發(fā)周期短。此外，本文對SA4828三相SPWM波發(fā)生器的使用和編程進行了詳細介紹，完成了整個系統(tǒng)控制部分的軟硬件設計。關鍵字：變頻調(diào)速；正弦脈寬調(diào)制；V,f控制；SA4828波形發(fā)生器Inductionmotorspeed-adjustedsystemdesignThestudent：xxxTheteacher：xxxxxxElectronicinformationandengineeringinstitutefromHuainanNormalUniversityAbstract:Thisthesishasaresearchonthesetechnologies:VariableVoltageVariableFrequencymotordrive,inverter,andthecreationprincipleofSPWM,Basedontheresultsofthestudy,IdesignedasystemofanewdigitalthreephasesVVVFmotordrivesystem.ItusesASIC-SA4828controlledby8051asmaincontrollingcore,itusesIGBTaspowerdevice,andusesEXB840asdrive.Itusesdiodesasconvertingcircuitunit,whichmakespowerfactorcloseto1.BecauseIVfonlyneedtocontrolinverter,thewholecircuitisverysimple」adoptthemeansoflinearoperation.Atthesametime,itisveryconvenienttoinputparametersorchangethedrive'soperatingmodeduetothesoftwareprocedure.Moreover,owingtotheadvantagesofthenewintegratedparts,itcostslesstimetodevelopthismotordrive.ThisthesishasalsodetailintroducedthemethodoftheusageandtheprogramsofthethreephasesSPWMwavegeneratorSA4828.Thesoftwareandthehardwareofthecontrolpartinsystemhavebeencompleted.Keywords:variablefrequencyspeedcontrol;SinePulseWidthModulation(SPWM);V/operation;SA4828WaveGeneratorword文檔可自由復制編輯異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計目錄TOC\o"1-5"\h\z第一章緒論31課題的研究現(xiàn)狀和意義32變頻器的動態(tài)發(fā)展趨勢5第二章方案設計6變頻器的主電路方案6系統(tǒng)的原理框圖7電動機原始參數(shù)8異步電機的工作原理8異步電機的等效電路8異步電機的轉矩10異步電機的機械特性10異步電機變頻調(diào)速原理11變頻調(diào)速的控制方式12/f比恒定控制12第三章變頻器主電路17主電路的工作原理17主電路各部分設計18交直電路設計18直交電路設計19主電路工作原理20主電路參數(shù)計算22IGBT及驅(qū)動模塊介紹22IGBT簡介及驅(qū)動22EXB840的內(nèi)部結構23IGBT馬區(qū)7動電uTOC\o"1-5"\h\z第四章控制回路25驅(qū)動電路25SPWM調(diào)制技術25SPWM波生成芯片特點和引腳27SA4828結構及工作原理29保護電路31過、欠壓保護電路設計31過流保護設計33控制系統(tǒng)的實現(xiàn)34第五章變頻器軟件設計36流程圖36SA4828的編程37初始化寄存器編程37控制寄存器編程395.3程序設計40第六章結論49致謝50參考文獻50第一章緒論1課題的研究現(xiàn)狀和意義近年來，電動機作為主要的動力設備被廣泛的應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防科技、日常生活等各個方面，其負荷約占總發(fā)電量的60%-70%,成為用電量最多的電氣設備，根據(jù)采用的控制方式不同，電動機分為直流電動機和交流電動機兩大類。其中交流電動機形式多樣，用途各異，擁有數(shù)量最多。交流電動機又分為同步電動機和異步電動機兩大類，根據(jù)統(tǒng)計，交流電動機用電量占電機總用電量的85%左右，可見交流電動機應用的廣泛性及其在國民生產(chǎn)中的重要地位。電動機作為把電能轉換為機械能的主要設備，在實際應用中，一是要使電動機具有較高的機電能量轉換效率；二是根據(jù)生產(chǎn)機械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動機的旋轉速度。電動機的調(diào)速性能的好壞對提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)word文檔可自由復制編輯異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計省電能有著直接的決定性影響。眾所周知，直流電動機的轉速容易控制和調(diào)節(jié)，采用轉速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜動態(tài)調(diào)速特性。因此長期以來，在變速傳動領域中，直流調(diào)速一直占據(jù)主導地位。但是，由于直流電動機的機械式換向器和電刷存在著諸多弱點，因此有時直流調(diào)速也受到限制。然而，采用無換向器的交流電動機組成的交流調(diào)速系統(tǒng)代替直流調(diào)速系統(tǒng)可以突破這些限制，滿足生產(chǎn)發(fā)展對調(diào)速、傳動的各種不同的要求。20世紀60年代以后，由于生產(chǎn)發(fā)展的需要和節(jié)省電能的要求，促使世界各國重視交流調(diào)速技術的研究和開發(fā)。尤其是20世紀70年代以后，由于科學技術的迅速發(fā)展為交流調(diào)速的發(fā)展創(chuàng)造了極有利的技術條件和物質(zhì)基礎。大致體現(xiàn)在一下四個方面：1、電力電子的蓬勃發(fā)展促進了交流技術的迅速發(fā)展和交流調(diào)速系統(tǒng)裝置的現(xiàn)代化。2、脈寬調(diào)制（PWM）技術的發(fā)展與研究。3、矢量交換控制技術的誕生和發(fā)展，奠定了現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)高性能化的基礎。4、微型計算機控制技術與大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展和廣泛應用為現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)提供了技術手段和保障異步電機可以采用調(diào)壓調(diào)速、改變極對數(shù)調(diào)速、用電阻調(diào)速、變頻調(diào)速等。在交流調(diào)速諸多方式中，變頻調(diào)速是最有發(fā)展前途的一種交流調(diào)速方式，也是交流調(diào)速的基礎和主干內(nèi)容，變頻裝置有交一直一交系統(tǒng)和交一交系統(tǒng)兩大類。交一直一交系統(tǒng)在傳統(tǒng)電壓型和電流型變頻器的基礎上正向著脈寬調(diào)制PWM型變頻器和多重化技術方向發(fā)展，而交一交變頻器應用于低速大容量可逆系統(tǒng)上升趨勢現(xiàn)代電力電子、微電子技術和計算機技術的飛速發(fā)展，以及控制理論的完善、各種工具的日漸成熟，尤其是專用集成電路、DSP和FPGA近來令人矚目的發(fā)展，促進了交流調(diào)速的不斷發(fā)展。目前異步電機變頻調(diào)速控制已經(jīng)成為一門集電機、電力電子、自動化、計算機控制和數(shù)字仿真為一體的新興學科。交流調(diào)速技術的發(fā)展過程表明，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及社會發(fā)展的需要推動了交流調(diào)速的飛速發(fā)展；現(xiàn)代控制理論、電力電子技術的發(fā)展和應用，微機控制技術及大規(guī)模集成電路的發(fā)展和應用為交流調(diào)速的飛速發(fā)展創(chuàng)造了技術和物質(zhì)條件。實踐證明，交流調(diào)速系統(tǒng)的應用為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及節(jié)省電能方面帶來了巨大的經(jīng)濟和社會效益?，F(xiàn)在，交流調(diào)速系統(tǒng)正在逐步的代替直流調(diào)速系統(tǒng)，交流調(diào)速系統(tǒng)在電氣傳動領域占據(jù)統(tǒng)治地位已是不爭的事實?？傊涣麟姍C調(diào)速技術的發(fā)展，特別是變頻器傳動本身固有的優(yōu)勢，必將使之應用于社會生產(chǎn)的各個領域，以體現(xiàn)出不同的功能，達到不同的目的，收到相應的效益。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)理論的應用，有著實際的意義和一定的應用價值。本設計所設計的題目屬于間接變頻調(diào)速技術。它主要包括整流部分、逆變部分、控制部分及保護部分等。逆變環(huán)節(jié)為三相SPW迸變方式。2變頻器的動態(tài)發(fā)展趨勢隨著變頻技術的不斷的發(fā)展，通用變頻器以其優(yōu)異的控制性能現(xiàn)已在調(diào)速領域、工業(yè)領域及家電產(chǎn)品中得到迅速推廣。止匕外，變頻技術和變頻器制造己經(jīng)從傳統(tǒng)的拖動技術中分離出來，現(xiàn)已成為各國在工業(yè)自動化和機電一體化領域中爭強占先的陣地，而發(fā)達國家更是在該技術領域投入了極大的人力、物力、財力，逐步向高新技術行業(yè)發(fā)展。近年來，電力電子器件的基片已從Si(硅)變換為SiC(碳化硅)，使電力電子新元件具有耐高壓、低功耗、耐高溫的優(yōu)點；并制造出體積小、容量大的驅(qū)動裝置；永久磁鐵電動機也正在開發(fā)研制之中。隨著IT技術的迅速普及，以及人類思維理念的改變，變頻器相關技術的發(fā)展迅速，未來主要朝以下幾個方面發(fā)展：(1)網(wǎng)絡智能化智能化的變頻器可以進行故障自診斷、遙控診斷以及部件自動置換，從而保證變頻器的長壽命。利用互聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)多臺變頻器聯(lián)動等綜合管理控制系統(tǒng)。(2)專業(yè)化和一體化變頻器的制造專業(yè)化，可以使變頻器在某一領域的性能更強，如風機、水泵、電梯、起重機械和張力控制專用變頻器等。此外變頻器與電動機一體化的發(fā)展趨勢，使變頻器成為電動機的一部分，逐漸向體積小、易控制的方向發(fā)展。(3)適應新能源以太陽能和風力為能源的燃料電池以其低廉的性能已得到廣泛的應用。這些發(fā)電設備的最大特點是容量小而分散，將來的變頻器就要適應這樣的新能源，既要高效，又要低耗。隨著電力電子技術、微電子技術和現(xiàn)代控制技術的快速發(fā)展，變頻調(diào)速傳動技術也隨之取得了日新月異的進。主要表現(xiàn)在交流調(diào)速裝置的大容word文檔可自由復制編輯異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計量化、變頻器的高性能化和多功能化、結構的小型化等方面第二章方案設計變頻器的主電路方案變頻器最早是用旋轉發(fā)電機組作為可變頻率電源供給交流電動機。隨著電力半導體器件的發(fā)展，靜止式的變頻電源成為了變頻器的主要形式。靜止式變頻器從變換環(huán)節(jié)分為兩大類：交-直-交變頻器和交-交變頻器。(1)交-交型變頻器：是把一種頻率的交流電直接變換成另一種頻率可調(diào)電壓的交流電(轉換前后的相數(shù)相同)，又稱直接式變頻器。由于中間不經(jīng)過直流環(huán)節(jié)，不需換流，故效率很高。因而多用于低速大功率系統(tǒng)中，如回轉窯、軋鋼機等。但這種控制方式?jīng)Q定了最高輸出頻率只能達到電源頻率的1/3?1/2，所以不能高速運行。(2)交-直-交型變頻器：是先把工頻交流通過整流器變成直流，然后再直流變換成頻率電壓可調(diào)的交流，又稱間接變頻器，交-直-交變頻器是目前廣泛應用的通用變頻器。它根據(jù)直流部分電流、電壓的不同形式，又可分為電壓型和電流型兩種：電流型變頻器：是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感器作為儲能環(huán)節(jié)來緩沖無功功率，即扼制電流的變化，使電壓波形接近正弦波，由于該直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較大，故稱電流源型變頻器。電壓型變頻器：是中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件采用大電容器作為儲能環(huán)節(jié)來緩沖無功功率，直流環(huán)節(jié)電壓比較平穩(wěn)，直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較小，相當于電壓源，故稱電壓型變頻器。由于交-直-交型變頻器是目前廣泛應用的通用變頻器，作為電壓源向交流電動機提供交流電功率，所以其主要優(yōu)點是運行幾乎不受負載的功率因數(shù)或換流的影響，它主要適用于中、小容量的交流傳動系統(tǒng)。所以本次設計中選用此種間接變頻器，在交-直-交變頻器的設計中，雖然電流型變頻器可以彌補電壓型變頻器在再生制動時必須加入附加電阻的缺點，并有著無須附加任何設備即可以實現(xiàn)負載的四象限運行的優(yōu)點，但是考慮到電壓型變頻器的通用性及其優(yōu)點，在本次設計中采用電壓型變頻器。系統(tǒng)的原理框圖交直交變頻器由以下幾部分組成，如圖1.1所示。圖1.1系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)各組成部分簡介：供電電源：電源部分因變頻器輸出功率的大小不同而異，小功率的多用單相220V,中大功率的采用三相380V電源。因為本設計中采用中等容量的電動機，所以采用三相380V電源。整流電路：整流部分將交流電變?yōu)槊}動的直流電，必須加以濾波。在本設計中采用三相不可控整流。它可以使電網(wǎng)的功率因數(shù)接近1。濾波電路：因在本設計中采用電壓型變頻器，所以采用電容濾波，中間的電容除了起濾波作用外，還在整流電路與逆變電路間起到去耦作用，消除干擾。逆變電路：逆變部分將直流電逆變成交流電。本設計采用三相橋逆變，開關器件word文檔可自由復制編輯

異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計選用全控型開關管IGBTo電流電壓檢測：采集直流端信號，作為過壓、欠壓、過流保護信號?？刂齐娐罚翰捎?051單片機和SPWM波生成芯片SA4828,控制電路的主要功能是接受各種設定信息和指令，根據(jù)這些指令和設定信息形成驅(qū)動逆變器工作的信號。這些信號經(jīng)過光電隔離后去驅(qū)動開關管的關斷。電動機原始參數(shù)本設計采用中等容量的電動機，具體數(shù)據(jù)如下:額定功率：凡=7.5KW；額定電壓：Un=380V；額定電流：心15.6%額定轉速：nN=1450r/min；效率："=86%；功率因數(shù)：cos小=0.85;過載系數(shù)：入=2.2;電壓波動：±10%極對數(shù)：P=2異步電機的工作原理異步電機的等效電路異步電動機的轉子能量是通過電磁感應而得來的。定子和轉子之間在電路上沒有任何聯(lián)系，其電路如圖2.1圖2.1圖2.1異步電動機的定、轉子圖圖2.1中參數(shù)：錯誤！未找到引用源。一一定子的相電壓；錯誤！未找到引用源——定子的相電流；錯誤！未找到引用源。一一定子每相繞組的電阻和漏抗；E2s、/、X2S分別是轉子電路產(chǎn)生的電動勢、電流、漏電抗；錯誤！未找到引用源每相定子繞組反電動勢，它是定子繞組切割

錯誤！未找到引用源每相定子繞組反電動勢，它是定子繞組切割旋轉磁場而產(chǎn)生的。其有效值可計算如下：Ei=4.44fNKN曲m(2-1)式中：El——氣隙磁通在定子每相中感應電動勢有效值；fl——定子頻率；N1——定子每相繞組中串聯(lián)匝數(shù)；Kn1——基波繞組系數(shù)；'；'m——極氣隙磁通。由電動機的基礎知識可知：轉子回路的頻率f2=Sf1,與轉差率成正比，所以轉子回路中的各電量也都與轉差率成正比。為了方便定量分析定、轉子之間的各種數(shù)量關系，將定子、轉子放在同一個電路。根據(jù)電機學原理，在下列假定條件下：a.忽略空間和時間諧波，各繞組的自感和互感都是線性的；b.忽略磁飽和；c,忽略鐵損?？梢缘玫诫妱訖C的T形等效電路圖，由于交流異步電動機三相對稱，所以現(xiàn)只取A相進行計算分析。A相的T形等效電路如圖2,2所示。圖2.2圖2.2電動機的T形等效電路圖圖2,1中參數(shù)：rm——勵磁電阻，是表征異步電動機鐵心損耗的等效電阻;xm——勵磁電抗，是表征鐵心磁化能力的一個參數(shù);I。勵磁電流;RL——機械負載的等效電阻，在1—RL——機械負載的等效電阻，在RL=——「2在Rl上消耗的功率就相當于異S步電動機輸出的機械功率；I步電動機輸出的機械功率；I2、e2、r：X；等參數(shù)一一經(jīng)過折算后的轉子參數(shù)。word文檔可自由復制編輯異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第10頁2.4.2異步電機的轉矩(1)電磁轉矩的表達式?m9550?m1==''Jn(2-2)異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第10頁2.4.2異步電機的轉矩(1)電磁轉矩的表達式?m9550?m1==''Jn(2-2)式中Pm的單位為KW;n的單位是以冶；T的單位是N?m。(2)電磁轉矩的物理表達式-e=Ctq，M^2c0s2式中Ct——轉矩常數(shù);中m_—主磁通。(3)電磁轉矩的參數(shù)表達式2psU12r2-e=2二f1[(sr「2)2S2(XiX2)2](2-3)(2-4)式中p——磁極對數(shù)；U1——電源的相電壓；f1——電源頻率。2.4.3異步電機的機械特性機械特性是指電動機在運行時，其轉速與電磁轉矩之間的關系，即n=f(T),它可由(2-3)所決定的T=f(s)曲線變換而來。異步電動機工作在額定電壓、額定頻率下，由電動機本身固有的參數(shù)所決定的n=f(T)曲線，叫做電動機的自然機械特性。?丁N%7T圖2.3異步電動機機械特性曲線只要確定曲線上的幾個特殊點，就能畫出電動機的機械特性。⑴理想空載點圖2.3中的E點，電動機以同步轉速n。運行(s=o),其電磁轉矩T=0,⑵起動點圖2.3中的S點，在起動點電動機已接通電源，但尚未起動。對應這一點的轉速n=0(s=1),電磁轉矩稱起動轉矩Tst,起動是帶負載的能力一般用起動K二丁日倍數(shù)來表示，即st/Tn。式中，Tn為額定轉矩。⑶臨界點臨界點K是一個非常重要的點，它是機械特性穩(wěn)定運行區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)的分界點。電動機運行在K點時，電磁轉矩為臨界轉矩限，它表示了電動機所有能產(chǎn)生的最大轉矩，此時的轉差率叫臨界轉差率，用也表示。Tk、&根據(jù)式(2—3)用求極值的辦法求出，即：由dT1ds=o,可得：TOC\o"1-5"\h\zc「2.「2SK-cc7?ri+(Xi+x2)x1x2(2-4)_2-23pU13pU1Tk:-1―;―-4叫［ri十Jr；十(Xi+x2)14叫(玉+x2)(2—5)電動機正常運行時，需要有一定的過載能力，一般用心表示，即Tk(2—6)普通電動機的0m=2.0?2.2之間，而對某些特殊用電動機，具過負載能力可以更高一些上述分析說明：Tk的大小影響著電動機的過載能力，Tk越小，為了保證過載能力不變，電動機所帶的負載就越小。由nK=no(1-Sk)知：SK越小，nK越大,機械特性就越硬。因此在調(diào)速過程中，Tk、SK的變化規(guī)律常常是關注的重點。2.4.4異步電機變頻調(diào)速原理交流調(diào)速是通過改變電定子繞組的供電的頻率來達到調(diào)速的目的的，但定子word文檔可自由復制編輯

異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第12頁繞組上接入三相交流電時，定子與轉子之間的空氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個旋轉的磁場，它與轉子繞組產(chǎn)生感應電動勢，出現(xiàn)感應電流，此電流與旋轉磁場相互作用，產(chǎn)生電磁轉矩。使電動機轉起來。電機磁場轉速稱為同步轉速，用「。表示：60fn。=p（2-7）式中：,為三相交流電源頻率，一般是50Hz;p為磁極對數(shù)。當p=1是,n°=3000r/min；p=2時，n0=1500r/min。由上式可知磁極對數(shù)p越多，轉速n0就越慢，轉子的實際轉速門比磁場的同步轉速n0要慢一點，所以稱為異步電動機，這個差別用轉差率s表示：錯誤！未找到引用源。（2-8）錯誤！未找到引用源。（2-8）n0-n

s0100%n0在加上電源轉子尚未轉動瞬間，n=0,這時s=1；啟動后的極端情況n=n°,則s=0,即s在0?1之間變化，一般異步電動機在額定負載下的s=1%?6%。綜合（2-7）和（2-8）式可以得出：=n0(1-s)=n0(1-s)60f(1-s)

p(2-9)由式（2-9）可以看出，對于成品電機，其極對數(shù)p已經(jīng)確定，轉差率s的變化不大，則電機的轉速n與電源頻率,成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機的同步轉速，進而達到異步電機調(diào)速的目的。2.5變頻調(diào)速的控制方式2.5.1V/f比恒定控制Vf比恒定控制是異步電動機變頻調(diào)速中最基本的控制方式。它是在改變

變頻器輸出電壓頻率的同時改變輸出電壓的幅值，以維護電機磁通基本恒定，從而在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，使電動機的效率、功率因數(shù)不下降。!不控制是目前通用變頻器中廣泛采用的控制方式。三相交流異步電動機在工作過程中鐵心磁通接近飽和狀態(tài)，從而使鐵心材料得到充分的利用。在變頻調(diào)速的過程中，當電動機電源的頻率發(fā)生變化時，電動機的阻抗將隨之變化，從而引起勵磁電流的變化，使電動機出現(xiàn)勵磁不足或勵磁過強。在勵磁不足時電動機的輸出轉矩將降低，而勵磁過強時又會使鐵心中的磁通處于飽和狀態(tài)，是電動機中流過很大的勵磁電流，增加電動機的功率損耗，降低電動機的效率和功率因數(shù)。因此在改變頻率進行調(diào)速時，必須采取措施保持磁通恒定為額定值。由電機理論知道，電機定子的感應電勢有效值是：Ei=4.44fNKQm:—E―中一巨m///一/一m"則4.44MKnN即f1(2-10)另外，電機的電磁轉矩為：(2-11)-e=Ct'Jm?2COSl’2(2-11)其中Ct一與電動機有關的常數(shù)；Cos62一轉子每相電路功率因數(shù);62—轉子電壓與電流的相位差；丁，一電機的電磁轉矩。由式(2-10)推斷，若El不變，當定子電源頻率fl增加，將引起氣隙磁通3減小；而由式(2-11)可知，①m減小又引起電動機電磁轉矩Te減小，這就出現(xiàn)了頻率增加，而負載能力下降的情況。在E1不變時，而定子電源頻率f1減小，又將引起6m增加，①m增加將導致磁路飽和，勵磁電流升高，從而導致電動機發(fā)熱，嚴重時會因繞組過熱而損壞電動機。由以上情況可知：變頻調(diào)速時，必須使氣隙磁通不變。因此，在調(diào)節(jié)頻率的同時，必須對定子電壓進行協(xié)調(diào)控制，但控制方式隨運行頻率在基頻以下和基頻以上而不同。(1)基頻以下調(diào)速由式(2-10)可知，要保持6m不變，當頻率f1從額定值fN向下調(diào)節(jié)時，必須E1E1同時降低巳，使/f1=常值。只要保持/f1為常數(shù)，就可以達到維持磁通恒定的目的。因此這種控制又稱為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉矩調(diào)速方式。根據(jù)電機端電壓和感應電勢的關系式：word文檔可自由復制編輯

異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第14頁(2-12)Ui=Ei(rijxi)Ii(2-12)式中：Ui-定子相電壓；ri-定子電阻；Xi-定子阻抗；、-定子電流。當電機在額定運行情況下，電機定子電阻和漏阻抗的壓降較小，Ui和Ei可以看成近似相等，所以保持%=常數(shù)即可。由于%比恒定調(diào)速是從基頻向下調(diào)速，所以當頻率較低時，Ui與Ei都變小，定子漏阻抗壓降（主要是定子電阻壓降）不能再忽略。這種情況下，可以人為地適當提高定子電壓以補償電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。變頻后的機械特性如圖2.4所示。圖2.4圖2.4電動機低于額定轉速方向調(diào)速時的機械特性從圖2.4中可以看出，當電動機向低于額定轉速no方向調(diào)速時，曲線近似乎行地下降，減速后的電動機仍然保持原來較硬的機械特性；但是臨界轉矩卻隨著電動機轉速的下降而逐漸減小，這就是造成了電動機負載能力的下降。臨界轉矩下降的原因可以如下解釋：為了使電動機定子的磁通量①m保持包定，調(diào)速時就要求感應電動勢Ei與電源頻率fi的比值不變，為了使控制容易實現(xiàn)，采用電源電壓U=Ei來近似代替，這是以忽略定子阻抗壓降作為代價，當然存在一定的誤差。顯然，被忽略的定子阻抗壓降在電壓U中所占的比例大小決定了它的影響。當fi的數(shù)值相對較高時，定子阻抗壓降在電壓U中所占的比例相對較小，U=E1所產(chǎn)生的誤差較少；當fl的數(shù)值較低時，定子阻抗壓降在電壓U中所占的比例下降，而定子阻抗的壓降并不按同比例下井，使得定子阻抗壓降在電壓U中的比例增大，已經(jīng)不能再滿足U-E1O此時如果仍以U代替E\將帶來很大的誤差。因為定子阻抗壓降所占的比例增大，使得實際上產(chǎn)生的感應Ei電動勢E1減小，/f1的比值減小，造成磁通量6m減小，因而導致電動機的臨界轉矩的下降。變頻后機械特性的降低將是電動機帶負載能力減弱，影響交流電動機變頻調(diào)速的使用。一種簡單的解決方法就是所示的%轉矩補償法。%轉矩補償法的原理是：針對頻率f降低時，電源電壓U成比例地降低引起的U的下降過低，采用適當?shù)奶岣唠妷篣的方法來保持磁通量①m恒定，使電動機轉矩回升，因此，有些變頻器說明書又稱它為轉矩提升(TorqueBoost)。帶定子壓降補償?shù)膲侯l比控制特性示于圖2.5中的b線，無補償?shù)目刂铺匦詣t為a線c定子降壓補償只能補償于額定轉速方向調(diào)速時的機械特性，而對向高于額定轉速方向調(diào)速時的機械特性不能補償。圖2.5壓頻比控制特性曲線補償后的機械特性曲線如圖2.6所示。word文檔可自由復制編輯

異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第16異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第16頁(2時，頻率可以從額定頻率fN向上增高，但是電壓卻不能超出額定電壓Un,由式()基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速2-10)可知，這將迫使磁通與頻率成反比例降低。這種調(diào)速方式下，轉子升高時轉矩降低，屬于恒功率調(diào)速方式。變頻后的機械特性如圖2.7所示。圖2.7圖2.7電動機高于額定轉速方向調(diào)速時的機械特性當電動機向高于額定轉速n°方向調(diào)速時，曲線不僅臨界轉矩下降，而且曲線工作段的斜率開始增大，使得機械特性變軟。造成這種現(xiàn)象的原因是：當頻率f1升高時，電源電壓不可能相應升高。這是因為電動機繞組的絕緣強度限制了電源電壓不能超過電動機的額定電壓，所以，磁通量6m將隨著頻率fi的升高反比例下降。磁通量的下將使電動機的轉矩下降，造成電動機的機械特性變軟。以上調(diào)速方式相應的特性曲線如圖2.8所示恒轉矩調(diào)速I恒功率調(diào)速圖2.8整個頻率調(diào)速的特性曲線注：圖中曲線1——在低頻時沒有定子降壓補償?shù)膲侯l曲線和主磁通曲線圖中曲線2——在低頻時有定子降壓補償?shù)膲侯l曲線和主磁通曲線Vf比恒定控制存在的主要問題是低速性能差。其原因一方面是低速時定子的電壓和電勢近似相等條件已不能滿足，所以仍按Vf比恒定控制就不能保持電機磁通恒定，而電機磁通的減小勢必會造成電機的電磁轉矩減小。另一方面原因是低速時逆變器橋臂上、下開關元件的導通時間相對較短，電壓下降，而且它們的互鎖時間也造成了電壓降低，從而引起轉矩脈動，在一定條件下這將會引起轉速、電流的振蕩，嚴重時會導致變頻器不能運行。第三章變頻器主電路主電路的工作原理111111本設計中采用圖3.1的主電路。!!!!!word文檔可自由復制編輯異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第18異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第18頁圖3.1電壓型交直交變頻調(diào)速主電路主電路各部分設計交直電路設計選用整流管VDl-VD6組成三相整流橋，對三相交流電進行全波整流。整流后的電壓為Ud=1.35Ul=1.35X380V=513V濾波電容Cf濾除整流后的電壓波紋，并在負載變化時保持電壓平穩(wěn)。當變頻器通電時，濾波電容Cf的充電電流很大，過大的沖擊電流可能會損壞三相整流橋中的二極管，為了保護二極管，在電路中用入限流電阻RJ從而使電容Cf的充電電流限制在允許的范圍內(nèi)。當Cf充電到一定程度，使“閉合，將限流電阻短路。在許多下新型的變頻器中，Sl已有晶閘管替代。電源指示燈HL除了指示電源通電外，還作為濾波電容放電通路和指示。由于濾波電容的容量較大，放電時間比較長（數(shù)分鐘），幾百伏的電壓會威脅人員安全。因此維修時，要等指示燈熄滅后進行。Rb為制動電阻，在變頻器的交流調(diào)速中，電動機的減速是通過降低變頻器的輸出頻率而實現(xiàn)的，在電動機減速過程中，當變頻器的輸出頻率下降過快時,電動機將處于發(fā)電制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的動能要回饋到直流電路中，使直流電路電壓（稱泵開電壓）不斷上升，導致變頻器本省過電壓保護動作，切斷變頻器的輸出。為了避免出現(xiàn)這一現(xiàn)象，必須將再生到直流電路的能量消耗掉，Rb和VB的作用就是消耗掉這部分能量。如圖3,1所示，當直流中間電路上電壓上升到一定值，制動三極管VB導通，將回饋到直流電路的能量消耗在制動電阻上。直交電路設計選用逆變開關管Vl一乂組成三相逆變橋，將直流電逆變成頻率可調(diào)的交流電，逆變管在這里選用IGBTo續(xù)流二極管VD7-VD12的作用是：當逆變開關管由導通變?yōu)榻刂箷r，雖然電壓突然變?yōu)榱?，但是由于電動機線圈的電感作用，儲存在線圈中的電能開始釋放，續(xù)流二極管提供通道，維持電流在線圈中流動。另外，當電動機制動時，續(xù)流二極管為再生電流提供通道，使其回流到直流電源。電阻%1-R06,電容Co1-C06,二極管VD。1-VD。6組成緩沖電路，來保護逆變管。由于開關管在開通和關斷時，要受集電極電流1c和集電極與發(fā)射極問的電壓Vce的沖擊，因此要通過緩沖電路進行緩解。當逆變管關斷時，Vce迅速上升，1c迅速降低，過高增長的電壓對逆變管造成危害，所以通過在逆變管兩端并聯(lián)電容（Co1—C。6）來減小電壓增長率。當逆變管開通時，Vce迅速下降，1c迅速升高，并聯(lián)在逆變管兩端的電容由于電壓降低，將通過逆變管放電，這將加速電流1c的增長率，造成IGBT的損壞。所以增加電阻R01-R06,限制電容的放電電流。可是當逆變管關斷時，該電阻又會阻止電容的充電，為了解決這個矛盾，在電阻兩端并聯(lián)二極管（VDo1-VDo6）,使電容充電時避開電阻，通過二極管充電。放電時，通過電阻放電，實現(xiàn)緩沖功能。這種緩沖電路的缺點是增加了損耗，所以適用于中小功率變頻器。word文檔可自由復制編輯

異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第20頁3.2.3主電路工作原理1、整流電路：把交流電變換為直流電的電路。本設計中采用了三相橋式不控整流電路，主要優(yōu)點是電路簡單，功率因數(shù)接近于1。2、逆變的基本工作原理：將直流電轉換為交流電的過程稱為逆變。完成逆變功能的裝置叫做逆變器，它是變頻器的主要組成部分，電壓性逆變器的工作原理如下：(1)單相逆變電路在圖3.2的單相逆變電路的原理圖中：當S1、&同時閉合時，U"電壓為正;S2、S3同時閉合時，U"電壓為負。由于開關S1?S4的輪番通斷，從而將直流電壓UD逆變成了交流電壓Uab。可以看到在交流電變化的一個周期中，一個臂中的兩個開關如：6、8交替導通，每個開關導通n電角度。因此交流電的周期(頻率)可以通過改變開關通斷的速度來調(diào)節(jié)，交流電壓的幅值為直流電壓幅值UD。圖3.2單相逆變器原理圖圖3.2單相逆變器原理圖(2)三相逆變電路三相逆變電路的原理圖見圖3.3所示。圖3-3中，&?S6組成了橋式逆變電路，這6個開關交替地接通、關斷就

可以在輸出端得到一個相位互相差2%的三相交流電壓。當S1、S4閉合時，UU）為正；S3、S2閉合時，UUj為負。用同樣的方法得：當S3、S6同時閉合和7、S4同時閉合，得到5,S5,S2同時閉合和S1、S6同時閉合，得到UW^。為了使三相交流電UU?、U3、UW-U在相位上依次相差2%；各開關的接通、關斷需符合一定的規(guī)律，其規(guī)律在圖3.3b中已標明。根據(jù)該規(guī)律可得Uu'、Uv〃、Uw-U波形如圖3.3c所示。況&SfON]況&SfON]（a）結構圖（b）開關的通斷規(guī)律（c）波形圖圖3.3三相逆變器原理圖觀察6個開關的位置及波形圖可以發(fā)現(xiàn)以下兩點:①各橋臂上的開關始終處于交替打開、關斷的狀態(tài)如S1、S2o②各相的開關順序以各相的“首端”為準，立差2%電角度。如S3比S1,滯后2%,Ss比S3滯后2%。上述分析說明，通過6個開關的交替工作可以得到一個三相交流電，只要調(diào)節(jié)開關的通斷速度就可調(diào)節(jié)交流電頻率，當然交流電的幅值可通過UD的大小word文檔可自由復制編輯

異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第22頁來調(diào)節(jié)3.2.4主電路參數(shù)計算根據(jù)前面所給出的原始參數(shù)，主電路各部分的計算如下：1、整流二極管的參數(shù)計算1m(峰值電流)=應1N=&X15.6=22.06A1d(有效值)=1m/我=15.6A二極管額定電流值Ie=(1.5?2)Id/1.57=14.91A?19.88A額定電壓值Ue=(2?3)Um=(2-3)X、歷X380=1074.64V?1611.96V2、濾波電容系統(tǒng)采用三相不控整流，經(jīng)濾波后Ud=1.1X<2X380=591.05VO3、制動部分.々、上的*Rb=2UdIUI制動電阻粗略計算為/In?UdIN=18.94建?37.89建Vb擊穿電壓：當線電壓為380V時，根據(jù)經(jīng)驗值選1000MVB集電極最大電流1cm：按照正常電壓流經(jīng)RB電流的兩倍來計算:Icm-2Icm-2=2X591.05/18.94=62.41A4、IGBT的選用峰值電壓=(2-2.5)X1.1X&X380=1182.1V?1477.63V集電極電流Ic=(1.2?2)1m=(1.2?2)XInX入X6=58.23~97.06A集電極-發(fā)射極額定電壓方1.2倍最高峰值電壓=1.2X1477.63V=1773.16V3.3IGBT及驅(qū)動模塊介紹IGBT簡介及驅(qū)動絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)是80年代初功率半導體器件技術與MOS工藝技術相結合研制出的一種復合型器件。由IGBT構成的MOSFET和BJT各有其優(yōu)缺點。MOSFET屬于單極型器件，具有開關頻率高、無二次擊穿現(xiàn)象、易并聯(lián)運行、控制功率小的優(yōu)點，缺點是導通電阻大，耐壓水平不易提高。BJT屬于雙極型器件，具有耐壓水平高、電流大、導通電壓低的優(yōu)點，缺點是開關時間長，有二次擊穿現(xiàn)象以及控制功率大。因此，兼具MOSFET和BJT優(yōu)點的新型復合器件IGBT應運而生，IGBT具有耐壓高、電流大、開關頻率高、導通電阻小、控制功率小等優(yōu)點。并且，隨著IGBT技術的發(fā)展，其性能不斷得到改善和提高，使得IGBT在大功率開關電源設備中的地位越來越重要，如UPS、電焊機、電機驅(qū)動、特種工業(yè)電源等都使用IGBT模塊。由于IGBT在設備中所占成本比例較高，所以掌握好IGBT的特性和正確的使用方法，盡量減少IGBT模塊的損壞以降低開發(fā)成本和提高整機可靠性。IGBT是壓控器件，柵極輸入阻抗高，所需要驅(qū)動功率小，驅(qū)動較為容易。但必須注意，IGBT的特性與柵極驅(qū)動條件密切相關，隨驅(qū)動條件的變化而變化。(1)隨著柵極正向電壓Uge的增加，通態(tài)壓降減小，開通損耗也減小.若*Uge固定不變時，通態(tài)壓降隨集電極電流增大而增大，開通損耗隨結溫升高而增大。(2)隨著柵極反向電壓一Uge的增加，集電極浪涌電流減小，而關斷損耗變化不大，IGBT的運行可靠性提高。(3)隨著柵極串聯(lián)電阻Rg增加，將使IGBT的開通和關斷時間增加，從而使IGBT開關損耗增加；而RG減小，則又將使%t增大，從而使IGBT在開關過程中產(chǎn)生較大的電壓或電流尖峰，降低IGBT運行的安全性和可靠性。EXB840的內(nèi)部結構本設計采用EXB840,它是一種高速驅(qū)動集成電路，最高使用頻率為40KHz驅(qū)動150A/600V或者75A/1200V的IGBT,驅(qū)動電路信號延遲小于1.5%,采用單電源20V供電。EXB840的功能框圖如圖3.4所示。word文檔可自由復制編輯

異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第24頁(+)驅(qū)動信號輸入(-)過電流保護信號外接電容(防止輸出(低電平)過流信號誤驅(qū)動)電源(+20V)③驅(qū)動輸出4光電耦合器I集電極異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第24頁(+)驅(qū)動信號輸入(-)過電流保護信號外接電容(防止輸出(低電平)過流信號誤驅(qū)動)電源(+20V)③驅(qū)動輸出4光電耦合器I集電極6電壓采集帑》容ZiVST'圖3.4EXB840的弓|腳圖過電流

保護環(huán)節(jié)?電源(0V)它主要由輸入隔離電路，驅(qū)動放大電路，過流檢測急保護電路以及電源電路組成。其中輸入隔離電路由高速光電耦合器組成，可隔離交流2500V的信號。過流檢測及保護電路根據(jù)IGBT柵極驅(qū)動電平和集電極電壓之間的關系，檢測是否有過電流現(xiàn)象存在，如果有過電流，保護電路將迅速關斷IGBT,防止過快的關斷時而引起因電路中電感產(chǎn)生的感應電動勢升高，使IGBT集電極電壓過高而損壞IGBT,電源電路將20V外部供電電源變成15V的開柵電壓和-5V的關柵電壓。EXB840引腳定義如下：引腳1用于連接反偏置電源的濾波電容，引腳2和9分別是電源和地，引腳3為驅(qū)動輸出，引腳4用于連接外部電容器，防止過流保護誤動作，引腳5為過流保護輸出，引腳6為集電極電壓監(jiān)視端，引腳14和15為驅(qū)動信號輸入端，其余引腳不用。IGBT驅(qū)動電路采用EXB840集成電路驅(qū)動的IGBT的典型應用電路如圖3.5所示。其中ERA34-10是快速恢復二極管。IGBT的柵極驅(qū)動連線應該用雙絞線，長度應該小于1m,以防止干擾，如果IGBT的集電極產(chǎn)生大的電壓脈沖，可增加IGBT的柵極電阻Rg極電阻ERA34-13IG3T圖ERA34-13IG3T圖3.5EXB840組成的驅(qū)動電路第四章控制回路控制回路是為變頻器的主電路提供通斷信號的電路，其主要任務是完成對逆變器開關元件的開關控制。控制方式有模擬控制和數(shù)字控制兩種，本設計中采用的是以微處理器為核心的全數(shù)字控制，優(yōu)點是它采用簡單的硬件電路，主要依靠軟件來完成各種控制功能，以充分發(fā)揮微處理器計算能力和軟件控制靈活性高的特點來完成許多模擬量難以實現(xiàn)的功能。設計控制電路如下：驅(qū)動電路驅(qū)動電路的作用是逆變器中的逆變電路換流器件提供驅(qū)動信號。主電路逆變電路設計中采用的電力電子器件是IGBT,故稱為門極驅(qū)動電路。SPWM調(diào)制技術脈寬調(diào)制（PWM）技術是利用全控型電力電子器件的導通和關斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，實現(xiàn)變壓、變頻控制并消除諧波的技術。脈寬調(diào)制技術在逆變器中的應用，對現(xiàn)代電力電子技術、現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)word文檔可自由復制編輯

異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第26頁展起到了極大的促進作用。實際工程主要采用的PWM技術是正弦PWM（SPWM）,這是因為變頻器輸出的電壓或電流波形更接近于正弦波形。為減小輸出信號中的諧波分量，一種有效的途徑是將等脈寬的矩形波變成信號寬度按正弦規(guī)律變化的正弦脈寬調(diào)制波，即SPWM調(diào)制波。脈寬調(diào)制指的是通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形（含形狀和幅值）o在進行脈寬調(diào)制時，使脈沖系列的占空比按照正弦規(guī)律變化。當正弦值為最大值時，脈沖的寬度最大，而脈沖間的間隔最小；當正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，那么這樣的電壓脈沖系列就可以使負載電流中的高次諧波成分大為減小，這種調(diào)制方式稱為正弦波脈寬調(diào)制。產(chǎn)生SPWM信號的方法是用一組等腰三角波（稱為載波）與一個正弦波（稱為調(diào)制波）進行比較，如圖4.1所示，兩波形的交點作為逆變開關管的開通與關斷時間。當調(diào)制波的幅值大于載波的幅值時，開關器件導通，當調(diào)制波的幅值小于載波的幅值時，開關器件關斷。雖然正弦脈寬調(diào)制波與等脈寬PWM信號相比，諧波成份大大減小，但它畢竟不是正弦波。提高載波（三角波）的頻率，是減小SPWM調(diào)制波中諧波分量的有效方法。而載波頻率的提高，受到逆變開關管最高工作頻率的限制。第三代絕緣柵雙極型晶體管IGBT的工作頻率可達30KHz,用IGBT作為逆變開關管，載波頻率可以大幅度提高，從而使正弦脈寬調(diào)制波更接近正弦波?？捎赡M電路分別產(chǎn)生等腰三角波與正弦波，并送入電壓比較器，輸出即為SPWMI制波。圖4.1為SPWM波生成方法：圖4.1SPWM波生成方法采用模擬電路的優(yōu)點是完成三角波與正弦波的比較并確定輸出脈沖寬度的時間很短，幾乎瞬間完成。缺點是電路所用硬件較多，改變參數(shù)和調(diào)試比較困難。若用單片機直接產(chǎn)生SPWM信號，由于需要通過計算確定正弦脈寬調(diào)制波的寬度，使SPWM1號的頻率及系統(tǒng)的動態(tài)響應都較慢。對于調(diào)速精度、調(diào)速方式要求較高的交流異步電動機，可以采用各項性能指標都非常完善，但價格也比較昂貴的通用變頻器；對一般交流電動機的變頻調(diào)速，可以直接采用三相SPWM調(diào)制信號專用芯片構成調(diào)速系統(tǒng)。在本設計中選用SA4828。SA4828是MITEL公司推出的一種專用于三相SPWMT號發(fā)生和控制的集成芯片，可以和單片機接口,完成對交流電動機的變頻調(diào)速。SPWM波生成芯片特點和引腳1.SA4828的特點全數(shù)字控制，兼容Intel等多系列單片機，輸入調(diào)制波頻率范圍0?4kHz,16位調(diào)速分辯率，載波頻率最高可達24kHz,內(nèi)部ROM固化3種可選波形，最小脈寬和延時時間可調(diào)，可單獨調(diào)整各相輸出以適應不平衡負載，具備看門狗定時器功能等。2.SA4828引腳功能word文檔可自由復制編輯

異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第28頁SA4828采用28腳封裝。下圖給出了其引腳排列示意圖和原理框圖1AD3AD2AD4ADIAD5ADQAD6VDDAD?MUXWRRSRDEPPRALEWSSRESETRPHTCLKSETTRIPKYPHTTRIPBPHTRPHBVmYPHBBPHB28227326425524623722321320101911181217131￡1415圖4.2SA4828引腳排列示意圖各引腳的功能說明如下：（1）輸入類管腳說明AD0?AD7:8位地址與數(shù)據(jù)復用總線。SETTRIP:通過引腳，可以快速關斷全部SPWM信號輸出，高電平有效。RESET:復位端，低電平有效。CLK:時鐘信號輸入端。MUX:總線選擇端。當MUX為高電平時，使用地址和數(shù)據(jù)共用的總線，這時，地址/數(shù)據(jù)管腳RS不用；當MUX為低電平時，使用地址和數(shù)據(jù)分開的總線，這時，地址鎖存器ALE接低電平，RS引腳要與一條地址線相連，來區(qū)分輸入的字節(jié)是地址（低電平），還是數(shù)據(jù)（高電平），通常先地址后數(shù)據(jù)。CS:片選輸入，該控制線可使SA8282與其他外圍接口芯片共享同一組總線，低電平有效。WR、RD：Intel（Motorola）總線控制write、read信號。ALE:地址鎖存允許。VDD:供電電源正端（+5V）。Vss：供電電源負端（0V）。（2）輸出類管腳說明RPHB、YPHB、BPHB:這些引腳通過驅(qū)動電路控制逆變橋的R、Y、B相的下臂開關管。RPHT、YPHT、BPHT:這些引腳通過驅(qū)動電路控制逆變橋的R、Y、B相的上臂開關管。以上引腳都是標準TTL輸出，每一個輸出都有12mA的驅(qū)動能力，可以直接驅(qū)動光耦。TRIP:輸出封鎖狀態(tài)指示，低電平表示禁止輸出。ZPPR零相位脈沖輸出端。Wss波形采樣同步端口。RS寄存器選擇端。4.1.3SA4828結構及工作原理SA4828為28引腳的DIP或SOIC封裝的控制芯片，內(nèi)部具有總線控制及譯碼電路，有多種寄存器和相控邏輯電路。外部時鐘輸入經(jīng)分頻器分成設定的頻率，并生成三角形載波，三角載波與所選定的片內(nèi)三種調(diào)制波形進行比較，自動生成SPWMJ出脈沖，然后通過脈沖刪除電路刪除窄脈沖（如圖4.3）圖4.3脈沖序列中的窄脈寬因為這種脈沖不起任何作用，只會增加開關管的損耗。通過脈沖延遲電路生成死區(qū)，從而保證橋上的管子不會在狀態(tài)轉換期間導通短路?？撮T狗定時器用來防止程序跑飛，當條件滿足時快速封鎖輸出。SA4828內(nèi)部結構原理框圖如圖4.4所示。word文檔可自由復制編輯

第30頁第30頁異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計SA4828的設置是通過單片機接口將數(shù)據(jù)送入SA4828芯片內(nèi)的兩個寄存器（初始化寄存器和控制寄存器）來實現(xiàn)的。初始化寄存器用于設定與交流電動機有關的基本參數(shù)，這些參數(shù)要在PWM輸出端允許輸出前設定，系統(tǒng)工作以后不允許改變?？刂萍拇嫫魇窃诠ぷ鬟^程中控制輸出脈寬調(diào)制波的狀態(tài)，從而進一步控制交流電動機的運行狀態(tài)，通常在工作時，該寄存器的內(nèi)容常被改寫，以實現(xiàn)實時對交流電動機的速度進行控制。參數(shù)的設定是通過8個暫存器R0、Rl、R2、R3、R4、R5、R14、R15來傳送的。其中&和R15是兩個虛擬的寄存器，實際上并不存在。初始化參數(shù)要先寫入R?R5,然后通過對R14的寫操作將參數(shù)送入初始化寄存器，再將控制參數(shù)寫入R0?R5,并通過對《的寫操作將參數(shù)送入控制寄存器。SA4828各控制寄存器的地址見表4.1所列。表4.1各寄存器地址寄存器AD3AD2AD1AD0地址R0000000HR1000101HR2001002HR3001103HR4010004HR5010105H

R1411100EHR1511110FH保護電路保護電路的主要功能是對檢測電路得到的各種信號進行運算處理，以判斷變頻器本身或系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常。當檢測到異常時，進行各種必要的處理。過、欠壓保護電路設計過壓、欠壓保護是針對電源異常、主回路電壓超過或低于一定數(shù)值時考慮的。通用變頻器輸入電源電壓允許波動的范圍一般是額定輸入電壓的士10%。通常情況下，主回路直流環(huán)節(jié)的電壓與輸入電壓保持固定關系。當輸入電源電壓過高，將使直流側電壓過高。過高的直流電壓對IGBT的安全構成威脅，很可能超過IGBT的最大耐壓值而將其擊穿，造成永久性損壞。當輸入電壓過低時，雖不會對主回路元件構成直接威脅，但太低的輸入電壓很可能使控制回路工作不正常，而使系統(tǒng)紊亂，導致SA4828輸出錯誤的觸發(fā)脈沖，造成主回路直通短路而燒壞IGBTo而且較低的輸入電壓也使系統(tǒng)的抗干擾能力下降。因此有必要對系統(tǒng)的電壓進行保護。圖4.5為本文介紹的變頻器過壓保護電路。圖4.5過電壓保護電路圖4.5過電壓保護電路它直接對直流側電壓進行檢測。其中電壓信號的取樣是通過電阻R1和"分壓得到的，電容Cl起濾波抗干擾作用，防止電路誤動作。過壓設定值從電位器W1上取出。運放Ui：A接成比較器的形式。當取樣電壓高于設定值時（異常情況下），比較器輸出高電平，光耦器件導通，輸出低電平保護信號。其中電阻R5是正反word文檔可自由復制編輯

異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第32頁饋電阻，它的接入使正反饋有一定回差，防止取樣信號在給定點附近波動時比較器抖動，這里將過壓保護的動作值整定為額定輸入電壓的110%。欠壓產(chǎn)生的原因有兩種：一是輸入的交流電壓長時間低于標準規(guī)定的數(shù)值。另一種是瞬時停電或瞬時電壓降低。欠電壓導致逆變器開關器件驅(qū)動功率不足而燒壞開關器件。一般欠壓信號從直流端取樣，這樣既能在欠電壓，過電壓時檢測出信號進行保護，又不會因為短時間因為在欠電壓，過電壓并未構成危險時而保護誤動作。欠壓保護電路的原理與過壓保護電路類似。其電壓取樣與過壓取樣相同，欠壓設定值由W2上取出。運放Ui：B接成比較器的形式。當取樣電壓高于設定值時（正常情況下），比較器輸出高電平，光耦器件不導通，輸出高電平。當取樣電壓低于設定值時（欠壓情況下），比較器輸出低電平，光耦器件導通，輸出低電平保護信號。其電路下圖所示。動作值整定為輸入電壓的85%R12圖4.6欠壓保護電路R12圖4.6欠壓保護電路本系統(tǒng)的故障自診斷是指在系統(tǒng)運行前，變頻器本身可以對過載、過壓、欠壓保護電路進行診斷，檢測其保護電路是否正常。因此故障自診斷功能就是由單片機控制發(fā)出各種等效故障信號，檢測對應的保護電路是否動作，若動作則說明保護電路正常，反之說明保護電路本身有故障，應停機對保護電路進行檢查，直到顯示器顯示正常為止。故障自診斷電路工作過程：單片機控制HSO.2口發(fā)出一高電平，經(jīng)非門整形后輸出低電平，光耦器件導通，有電流流過三極管的基極，三極管導通輸出低電平，輸出的低電平自診斷信號分別送至過壓、欠壓保護電路。因SA4828的SETTRIP端為高電平有效，所以應加上一個反相器，使其反相后輸出高電平。以下的過流信號也是如此.故障自診斷電路如圖4.7所示:過流保護設計變頻器在諸如直流短路、橋臂短路、輸出短路、對地短路等情況下，電流變化非常迅速，元件將承受極大的電壓和電流，而IGBT器件的內(nèi)部結構決定了它在足夠大的電流下會出現(xiàn)鎖定現(xiàn)象，造成管子失控無法關斷，以至燒壞，所以過流之前必須使IGBT關斷以切斷電流，雖然在IGBT的驅(qū)動模塊EXB840中已經(jīng)有過流保護，但考慮到d^^過大時IGBT還未來得及關斷已經(jīng)發(fā)生鎖定現(xiàn)象的可能性，必須采取輔助斷流措施。這里采用瑞士LEM公司生產(chǎn)的霍爾效應磁場補償式電流傳感器來進行電流的檢測。在此傳感器的輸出端用電阻R,則R上的壓降反應了被測的電流。過流發(fā)生時，R上的壓降大于過流保護動作整定值，比較器LEM324輸出低電平去封鎖IGBT的驅(qū)動電路的輸入信號，即可使橋臂上的所有IGBT處于截止狀態(tài)實現(xiàn)過流保護的功能。過流保護的電路示意圖如4.8圖所示：word文檔可自由復制編輯

異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第34頁控制系統(tǒng)的實現(xiàn)單片機在整個控制系統(tǒng)中起著核心作用，從電流電壓的檢測到參數(shù)的計算、存儲和傳送，再到人機接口的實現(xiàn)，都是單片機在其中穿針引線，控制、協(xié)調(diào)各部分的工作。它的性能的好壞及工作的正常與否對整個控制系統(tǒng)有著重要的影響。在本設計中選用單片機課程學習到的Intel公司的8051單片機。8051是高性能的單片機，因受到引腳數(shù)目的限制，它屬于地址與數(shù)據(jù)復用的單片機，可以與SA4828直接接口。其內(nèi)部有4KB的ROM,以下是它的引腳圖。1,P10P00,P11P01,P12P02，P13P03,P14P04392383374365356?P15P05,P16P06.P17P07INT1P20347338321321二2二INT0P218051P22.T1P23.T0P24P25,EA/VPP2622152324142531262719P27,X1,X2,RESETrxd2810189174TXDRD'ALE/P「Wr-psen113016上□29圖4.98051引腳圖模擬量的頻率給定通過ADC0809模數(shù)轉換器讀入8051,轉化為SA4828的控制字，以控制觸發(fā)信號的波形。ADC0809是一種8路模擬輸入的8位逐次逼近型A/D轉換器件，電位器的輸出接其輸入IN0（當51單片機沒有當5l單片機沒有外擴RAM和I/O口時，ADC0809就可以在概念上作為一個特殊的唯一的外擴RAM單元。因為它是唯一的，就沒有地址編號，也就不需要任何地址線或者地址譯碼線。只要單片機往外部RAM寫入，就是寫到ADC0809的地址寄存器中。只要單片機從外部RAM讀取數(shù)據(jù)，就是讀取ADC0809的轉換結果。）EOC轉換結束信號經(jīng)一非門接8031外部中斷1（P3⑶。8051通過地址線P2.0和讀寫信號來控制轉換器的模擬量輸入通道地址鎖存，啟動允許輸出

91圖4.10單片機系統(tǒng)圖因8051的復用總線結構，SA4828的MUX引腳應該接高電平或懸空不接。8051的P0口與SA4828的AD口連接，提供8位數(shù)據(jù)和低8位地址，SA4828芯片中的地址鎖存器可以鎖存來自8051的低八位地址，從而將AD口輸入的地址和數(shù)據(jù)分開，SA4828的地址鎖存器由8051的ALE引腳控制，同時連接的控制信號還有讀，寫信號rd,wr.SA4828的片選信號CS用8051的P2.7引腳來控制，這樣SA4828的8個寄存器的地址為：寄存器R0?R5的地址：0000H?0005H;虛擬寄存器R14,R15的地址：000EH,000FHSA4828的STTRIP引腳接8051的P1.0,使單片機能在異常情況下封鎖SA4828的輸出，ZPPR引腳接8051的P3.2(INT0)，測量調(diào)試波的頻率，用于顯示。因8051的復位端為高電平有效，而SA4828為低電平有效，所以在兩者中間需要加上反相器。word文檔可自由復制編輯

異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第36頁SA4828的TRIP引腳接一個發(fā)光二極管，當SA4828的輸出被封鎖時，發(fā)光二極管亮，用于指示封鎖狀態(tài)。SA4828的六個輸出引腳分別通過各自的驅(qū)動電路來驅(qū)動逆變橋的六只開關管。第五章變頻器軟件設計流程圖

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圖5.1程序設計流程圖SA4828的編程初始化寄存器編程初始化是用來設定與電動機有關的參數(shù)。包括載波頻率設定，調(diào)制波頻率范圍設定，脈沖延時時間設定，最小刪除脈寬設定，調(diào)制波形選擇，幅值控制，看門狗時間常數(shù)設定等。下表為初始化編程時，R0?R5各寄存器的內(nèi)容。表5.1初始化編程時R0-R5各寄存器內(nèi)容76543210R0FRS2FRS1FRS0xxCFS2CFS1CFS0R1xPDT6PDT5PDT4PDT3PDT2PDT1PDT0R2xxPDY5PDY4PDY3PDY2PDY1PDY0R3XxAC00xWS1WS0R4WD15WD14WD13WD12WD11WD10WD9WD8R5WD7WD6WD5WD4WD3WD2WD1WD0(1)載波頻率設定。載波頻率(三角波頻率)設定字由CFS0-CFS2這3位組成理論上，載波頻率越高越好，但頻率越高損耗會越大，另外，還受開關管最高頻率的限制，因此要合理設定。載波頻率fCARR的計算式為:(5-1)fCLK

fCARR-l/c-n/

5122(5-1)式中：fCLK為時鐘頻率，n的二進制數(shù)即為載波頻率設定字。FRS3FRS2這三位組(2)FRS3FRS2這三位組成。調(diào)制波頻率決定了電動機的轉速,因此應先根據(jù)電動機的調(diào)速范圍，計算調(diào)成。調(diào)制波頻率決定了電動機的轉速,因此應先根據(jù)電動機的調(diào)速范圍，計算調(diào)制波頻率范圍。調(diào)制波頻率范圍為:fRANGEffRANGEfCARR2m384(5-2)式中：m值的二進制數(shù)即為調(diào)制波頻率范圍設定字。word文檔可自由復制編輯

異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第38頁(3)最小刪除脈寬設定。該設定字由PDT3PDT6這7位組成。最小刪除脈寬為：tPDT127tPDT127—npDTfCARR512(5-3)式中：nPDT的二進制數(shù)即是最小刪除脈寬設定字?？紤]到延遲(死區(qū))的因素，在延遲時，通常的做法是在保持原頻率不變的基礎上，使開關管延遲導通，如圖5.2所示，圖5.2圖5.2延遲前后的脈寬關系實際輸出的脈寬=延遲前的脈寬-延遲時間。SA4828的工作順序是先刪除最窄脈沖，然后在延遲，Sdt應是延遲前的最小刪除脈寬。它等于實際輸出的最小脈寬加上延遲時間，即："DT=實際輸出的最小脈寬+tPDY0脈沖延遲時間設定。該設定字由PDY0?PDY5這6位組成。脈沖延時為:_63-＞口丫tPDY一二fCARR父512式中：nPDY的二進制數(shù)即是脈沖延遲時間設定字調(diào)制波形選擇。調(diào)制波形選擇是通過波形選擇字WS0、WS1這2位來完成的。根據(jù)WS0、WS1可選擇純正弦波、增強型波、高效波三種調(diào)制波形。其波形的選擇如表5.2所示：表5.2波形選擇對應波形WS1WS2波形00純正弦波「01增強型

1|0高效型幅值控制。幅值控制通過對AC位的設定來選擇控制寄存器中的幅值，以適應平衡負載或不平衡負載看門狗時間常數(shù)設定。時間常數(shù)由WD0WD1這16位組成，根據(jù)下式:+Htim1024+Htim1024t二fCLK(5-5)計算出nTIM值，它的二進制數(shù)即為時間常數(shù)。當每次向控制寄存器寫入數(shù)據(jù)時，自動用這個常數(shù)重置看門狗，即叫醒一次。如果單片機失去了控制，在指定時間內(nèi)沒有叫醒看門狗，則看門狗會立即封鎖輸出。5.2.2控制寄存器編程控制寄存器的作用主要是對調(diào)制波頻率(調(diào)速)、調(diào)制波幅值選擇(調(diào)壓)、正反轉選擇、輸出禁止位控制等進行控制。具方法是通過對R0?R5寄存器輸入并暫存，當向R15虛擬寄存器進行寫操作時，才將這些數(shù)據(jù)送人控制寄存器。R0?R5各寄存器的內(nèi)容見下表。表5.3控制寄存器編程時R0-R5各寄存器內(nèi)容76543210R0PFS7PFS6]PFS5rPFS4PFS3PFS2PFS1PFS0R1PFS15PFS14PFS13PFS12PFS11PFS10PFS9PFS8R2RSTxxxWTECRINT0F/RR3Ramp7Ramp6Ramp5Ramp4Ramp3Ramp2Ramp1Ramp0R4Bamp7Bamp6Bamp5Bamp4Bamp3Bamp2Bamp1Bamp0R5Yamp7Yamp6Yamp5Yamp4Yamp3Yamp2Yamp1Yamp0(1)調(diào)制波頻率選擇調(diào)制波頻率選擇由PFS0?PFS15這16位組成，通過下式求得fPOWER(5-6)fRANGEHpfsfPOWER(5-6)式中，nPFS值的二進制數(shù)即為調(diào)制波頻率選擇字。(2)調(diào)制波幅值選擇改變調(diào)制波幅值是用來改變輸出電壓，以達到變頻同時變壓的目的。調(diào)制波幅值是借助于8位幅值選擇字(Ramp、Yamp、Bamp)來實現(xiàn)的，其每一相都可以word文檔可自由復制編輯

異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第40異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第40頁通過下式來計算:nA100APOWER---(5-7)255(5-7)式中I值的二進制數(shù)即為調(diào)制波幅值選擇字。(3)正反轉選擇正反轉選擇位F/R控制三相PW瞬出的相序。F/R=0時正轉，相序是R-Y-B;F/R=1時反轉，相序是B-Y-R。正反轉期間輸出波形連續(xù)。(4)輸出禁止位控制。輸出禁止位而。當而=0時，關斷所有的SPWMF號輸出。(5)計數(shù)器復位控制計數(shù)器復位CR。當CR=0時，使內(nèi)部的相計數(shù)器置為00(R相)。(6)看門狗選擇看門狗選擇位WTE當WTE=1寸，使用看門狗功能。(7)軟復位控制RST是軟復位位，它與硬復位RESET有相同的功能,高電平有效。5.3程序設計60f(1—s)由p可算出調(diào)制波頻率范圍為0?50Hz,時鐘頻率為12MHz,設計載波頻率為5kHz,實際脈沖刪除時間為125死區(qū)延遲時間為6^s,系統(tǒng)采用高效波形，不使用看門狗功能。我們采用Intel公司的8051單片機，對SA4828進行設置，進而實現(xiàn)對三相交流電動機進行調(diào)速控制。將程序分成三部分，分別介紹如下(1)初始化程序設計：根據(jù)上面介紹的公式，計算出SA4828各個初始化參數(shù)字。為了顯示調(diào)試波頻率，必須測量ZPPR引腳的輸出脈沖周期，其周期的倒數(shù)就是調(diào)制波頻率。測量ZPPR輸出脈沖周期的方法是：利用ZPPR輸出脈沖的下降沿觸發(fā)INT0中斷，這時計算兩個ZPPR輸出脈沖下降沿的時間問隔。時間問

隔可用定時器T0求得（初始值為00H）o但是因為調(diào)制波的頻率較低，周期比較長?？赡軙霈F(xiàn)周期大于16位的T0所能定時的最長時間。因此，還要利用定時器T0的溢出中斷。在T0每次中斷時，給一個指示器加1,力口1的結果存入RAM某個單元中，所以，本程序要用兩個中斷，程序如下：ORG0000HLJMPSTARTORG0003HLJMPWZDORG000BHLJMPJA1START:…SETBIT0;脈沖下降沿觸發(fā)外中斷MOVTMOD,#10H;T0工作在定時。方式1SETBEX0;開外中斷SETBET0;開定時中斷SETBEA;開總控制中斷卜面計算SA4828初始化參數(shù)字載波頻率設定字由式（5-1）可得:=4.69fCLK_12106Hz=4.693fCARR512510Hz512取2取2n」=4,所以n=3載波頻率設定字為001。反算載波頻率為:fCARRfCLKfCARRfCLK5122n412106Hz51222=5.86KHz②調(diào)制波頻率范圍設定字由式（5-2）可得:38^^:38^0^:3.28

fCARR5860Hz取2取2m=4,所以m=2調(diào)制波頻率范圍設定字為010。word文檔可自由復制編輯異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第異步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計第42頁反算調(diào)制波頻率范圍為：mfcARR25860Hz2261HzfRANGE二384384所以寄存器R0的值應為010XXO11B即43Ho③最小刪除脈寬設定字最小刪除脈寬等于實際最小刪除脈寬加上延遲時間，所以tpDT二12us6us=18uso由式（5-3）得：tPDT=127-512MtpdtmfCARR=127—512父18父10年s父5860Hz=73=49H所以最小刪除月^沖設定字為49H,R1寄存器的值為49H。④脈沖延遲時間的設定字由式（5-4）得：nPDY=63-512tPDYfCARR-63-512610‘s5860Hz-45-2DH所以，脈沖延遲時間設定字為2DH,即寄存器R2中的值是2DH。⑤波形選擇字和AC設定選用高效波形，選擇字是10;紅相控制幅值，AC=0o所以，寄存器R3中的值為02H。⑥看門狗設定不用看門狗，所以寄存器R4,R5的值均為00H。SA4828初始化子程序：MOVA,#43H;R0=43HMOVDPTR,#0000H;指向R0的地址MOVX@DPTR,A;43H裝入R0INCDPTR;指向R1的地址MOVA,#49HMOVX@DPTR,A;49H裝入R1INCDPTR;指向R2的地址MOVA,#2DHMOVX@DPTR,A;2DH裝入R2

INCDPTR;指向R2的地址MOVA,#02HMOVX@DPTR,A;02H裝入R3INCDPTR;指向R4的地址MOVA,#00HMOVX@DPTR,A;00H裝入R4INCDPTR;指向R5的地址MOVX@DPTR,A;00H裝入R5MOVDPTR,#000EH;指向R14的地址MOVX@DPTR,A;將六個寄存器的值寫入SA4828初始化寄存器（2）調(diào)速子程序計算：假定用戶由鍵盤輸入的電動機轉速，通過鍵處理程序進行轉換，變成調(diào)制波頻率值fpower,并將它存入內(nèi)部RAM30H;通過查U/F曲線表，可以得到與調(diào)制波頻率比相對應的調(diào)壓比Apower,并將它存入31H中；其他控制參數(shù)如：正反轉，輸出鎖存，看門狗，相計數(shù)器復位，軟復位，這些變量存入位操作區(qū)20H,以便通過位操作來改變它們的值。調(diào)制波頻率字計算可由（5-6）式得：nPES_65536fnPES_65536fPOWERff65536fPOWERfRANGE61=1074fPOWER式中fPoWER和fRANGE的點位相同，因此，npps是無因次量。1074fpower可以看成一個雙字節(jié)的無符號數(shù)于一個單字節(jié)無符號數(shù)的相乘，其積是一