1、課 程 設(shè) 計 說 明 書課程名稱 運動控制系統(tǒng)設(shè)計 題 目 SPWM變壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計專題學(xué) 院 信息工程學(xué)院 班 級 自動化 學(xué) 號 姓 名 王文帥 指導(dǎo)教師 日 期 2017年 7 月 7日 課程設(shè)計任務(wù)書課程設(shè)計名稱 運動控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生姓名 王文帥 學(xué)號 專業(yè)班級 自動化 設(shè)計題目 SPWM變壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計專題 一、 課程設(shè)計的目的掌握交-直-交電壓源型變頻器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，掌握變頻器的主電路、控制電路、驅(qū)動電路以及保護電路的設(shè)計方法，掌握變頻器主要元器件的選型方法。二、 設(shè)計內(nèi)容、技術(shù)條件和要求設(shè)計交-直-交電壓源型三相SPWM變頻器，整流部分為二極管三相不控

2、整流，并由大電容濾波，獲得恒定直流電壓，逆變器由6個電力晶體管GTR和6個續(xù)流二極管組成，并由8051和大規(guī)模集成電路HEF4752組成SPWM變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制電路?；驹O(shè)計參數(shù)：異步電動機額定功率11kW，額定電流22A，線電壓380V，允許過載倍數(shù)l=1.5，泵升電壓DUs=150V，逆變器輸出頻率范圍460Hz，額定輸出頻率50Hz，負載功率因數(shù)cosj 0.5，負載引起直流電壓脈動百分比K5%，Uin(max)=10V，設(shè)計任務(wù)： 1. 設(shè)計主電路：選擇GTR開關(guān)管和濾波電容參數(shù)； 2. 設(shè)計控制電路：采用大規(guī)模集成電路HEF4752，并設(shè)fsmax=1000Hz，計算8253分

3、頻系數(shù)； 3. 設(shè)計驅(qū)動電路：采用分立元件或集成電路模塊均可； 4. 畫出系統(tǒng)主電路圖、控制電路圖、驅(qū)動電路圖、保護電路圖（過壓保護和過流保護二選一）； 5. 寫出設(shè)計心得體會。 三、 時間進度安排在課程設(shè)計的兩周時間內(nèi)完成。四、 主要參考文獻1 阮毅, 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)（第4版）. 北京: 機械工業(yè)出版社.2 王兆安, 劉進軍. 電力電子技術(shù)（第5版）. 北京: 機械工業(yè)出版社.3 童福堯. 電力拖動自動控制系統(tǒng)習(xí)題例題集. 北京: 機械工業(yè)出版社.指導(dǎo)教師簽字： 2017年6月25日SPWM變壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計專題1、 摘要變頻調(diào)速是交流調(diào)速中的發(fā)展方向。變頻

4、調(diào)速也有多種方法，本文對目前研究領(lǐng)域相當活躍的正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)(SPWM)的變頻調(diào)速作了一定的研究，并進行了實踐。異步電動機的調(diào)速原理是研究控制算法的基石，因文首先介紹了異步電動機的調(diào)速特性，從而展開介紹SPWM變頻調(diào)速的理論基礎(chǔ).包括變頻調(diào)速控制思想的由來，控制方法的可行性。變頻調(diào)速的控制算法也有許多，本文對目前大部分通用變頻器所采用的控制算法恒壓頻比控制，給出了完整的硬件電路設(shè)計和軟件程序流程設(shè)計。本文采用了Intel8OC196MC十六位單片機作為控制電路的CPU，采用該單片機的控制系統(tǒng)是本設(shè)計的硬件核心部分。因此本文先簡單的介紹此單片機與該設(shè)計相關(guān)的特性，繼而介紹本系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟

5、件設(shè)計。2、 關(guān)鍵字：變頻器;恒壓頻比控制;正弦波脈寬調(diào)制。3、 設(shè)計目的掌握交-直-交電壓源型變頻器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，掌握變頻器的主電路、控制電路、驅(qū)動電路以及保護電路的設(shè)計方法，掌握變頻器主要元器件的選型方法。在電力拖動領(lǐng)域，解決好電動機的無級調(diào)速問題有著十分重要的意義，電機調(diào)速性能的提高可以大大提高工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的加工精度、工藝水平以及工作效率，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量;對于風(fēng)機、水泵負載，如果采用調(diào)速的方法改變其流量，節(jié)電效率可達20%-60%。眾所周知，直流調(diào)速系統(tǒng)具有較為優(yōu)良的靜、動態(tài)性能指標。在很長的一個歷史時期內(nèi)，調(diào)速傳動領(lǐng)域基本上被直流電機調(diào)速所壟斷，這是和實際中交流電機

6、的廣泛使用是一對存在的矛盾，許多應(yīng)用交流電機的設(shè)備為了達到調(diào)節(jié)被控對象的目的，只能采用物理的方法，例如采用風(fēng)門，閥門控制流量等，這樣浪費能源的問題就很突出，費用就大。而且在采用直流調(diào)速的方面由于直流電機固有的缺點換相器和電刷的存在，使得維修工作量大，事故率高，電機的大容量使用受到限制，在易燃易爆的場合無法使用，因此開發(fā)交流調(diào)速勢在必行。4、 設(shè)計說明4.1設(shè)計內(nèi)容設(shè)計交-直-交電壓源型三相SPWM變頻器，整流部分為二極管三相不控整流，并由大電容濾波，獲得恒定直流電壓，逆變器由6個電力晶體管GTR和6個續(xù)流二極管組成，并由8051和大規(guī)模集成電路HEF4752組成SPWM變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制電

7、路。4.2設(shè)計參數(shù)異步電動機額定功率11kW，額定電流22A，線電壓380V，允許過載倍數(shù)l=1.5，泵升電壓DUs=150V，逆變器輸出頻率范圍460Hz，額定輸出頻率50Hz，負載功率因數(shù)cosj 0.5，負載引起直流電壓脈動百分比K5%，Uin(max)=10V。4.3交流電動機變頻調(diào)速原理 對于籠型異步電動機來說，要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，可以通過改變同步來實現(xiàn)。而同步速與頻率有如下關(guān)系:60/fp = n其中：p-極對數(shù)f-供電頻n-同步速由上式可知，當頻率f連續(xù)可調(diào)時，電動機的同步速n也連續(xù)可調(diào)。又因為異步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1n總是比同步轉(zhuǎn)速n略低，所以，當n連續(xù)可調(diào)時，n1也連續(xù)可調(diào)。可見，改變

8、電源的供電頻率可以改變惦記的轉(zhuǎn)速。4.4設(shè)計方案概述變頻調(diào)速中，前者主要應(yīng)用于PWM斬波（DCDC變換），后者主要應(yīng)用于PWM逆變（DCAC變換）。PWM脈寬調(diào)制是利用相當于基波分量的信號波（調(diào)制波）對三角載波進行調(diào)制，以達到調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度的目的。相當于基波分量的信號波（調(diào)制波）并不一定指正弦波，在PWM優(yōu)化模式控制中可以是預(yù)畸變的信號波，正弦信號波是一種最通常的調(diào)制信號，但決不是最優(yōu)信號。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦波是等效的，而這種的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱為SPWM（Sinusoidal PWM）波形。交-直-交電壓源型三相SPWM變頻器，整流部分為二極

9、管三相不控整流，并由大電容濾波，獲得恒定直流電壓，逆變器由6個電力晶體管GTR和6個續(xù)流二極管組成，并由8051和大規(guī)模集成電路HEF4752組成SPWM變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制電路。在三相交流電源供電的情況下，共需經(jīng)過八個主要模塊完成整個調(diào)速過程。首先是三相整流變壓器降壓，然后經(jīng)二極管橋式整流，再者由電容濾波器濾波獲得直流電源，最后經(jīng)IGBT逆變電路逆變，得到可調(diào)交流電源。IGBT為場控輸入器件，輸入功率小。確定主電路模塊之后，本課程設(shè)計將采用HEF4752芯片構(gòu)成SPWM波形生成電路，實現(xiàn)PWM波的調(diào)制。并采用電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)制系統(tǒng)，同時確定保護電路模塊，檢測電路模塊，驅(qū)動電路模塊等。系統(tǒng)總

10、流程圖如圖2.1所示。基于課題的實現(xiàn)，主要從主回路設(shè)計及參數(shù)的計算，控制回路芯片的選擇及其實現(xiàn)方法，保護回路的保護對象及其實現(xiàn)方式，系統(tǒng)的實現(xiàn)方案等方面進行研究，研究的思路主要是理論的提出，電路模型的建立，各種實現(xiàn)方式的對比，最終方案的確定。研究的方法主要以整體考慮，分塊研究的方式，整體考慮系統(tǒng)的容量及其各個元件參數(shù)的選擇，然后從每個模塊著手，具體模塊具體設(shè)計研究，逐步求精，最后將各個分立的模塊整合實現(xiàn)三相交流電機SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計。圖1 SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)總流程圖4.5主電路設(shè)計主電路為AC/DC/AC逆變電路，由三相整流橋、濾波器、三相逆變器組成。三相交流電經(jīng)橋式整流后，得到

11、脈動的直流電壓經(jīng)電容器濾波后供給逆變器。又稱間接變頻器，交-直-交變頻器是目前廣泛應(yīng)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：（1）電流型變頻器電流型變頻器的特點是中間直流環(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。（2）電壓型變頻器電壓型變頻器的特點是中間直流環(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。由于電壓型變頻器是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

12、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)。與之相比，電流型變頻器施加于負載上的電流值穩(wěn)定不變，其特性類似于電流源，它主要應(yīng)用在大容量的電機傳動系統(tǒng)以及大容量風(fēng)機、泵類節(jié)能調(diào)速中。由于交-直-交型變頻器是目前廣泛應(yīng)用的通用變頻器，所以本次設(shè)計中選用此種間接變頻器，在交-直-交變頻器的設(shè)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(shè)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(shè)計中采用電壓型變頻器。1. 電壓額定值的計算UVT=(1.52) (2.34220KA+DU)K電網(wǎng)電壓升高系數(shù)，一

13、般取K=1.1A電容濾波時電壓升高系數(shù)，一般取A=1.04DU(可能的)泵升電壓(根據(jù)設(shè)計要求取150V)2. 電流額定值的計算F沖擊電流系數(shù)，一般取F=1.4l電流過載倍數(shù)Ie額定電流3. 濾波電容的計算A與負載阻抗角j有關(guān)的系數(shù)I逆變器輸出相電流(A)K由負載引起的直流電壓脈動百分比逆變器輸出最低角頻率(s-1)Ud直流側(cè)電壓(V)010153045607590A0.02550.03890.05350.0970.1350.1640.1830.189表1 在各個角度下A的值4. 主電路圖圖2 系統(tǒng)主電路圖4.6驅(qū)動電路設(shè)計驅(qū)動電路，位于主電路和控制電路之間，用來對控制電路的信號進行放大的中間

14、電路（即放大控制電路的信號使其能夠驅(qū)動功率晶體管），稱為驅(qū)動電路。驅(qū)動電路的基本任務(wù)，就是將信息電子電路傳來的信號按照其控制目標的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號。對半控型器件只需提供開通控制信號，對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關(guān)斷控制信號，以保證器件按要求可靠導(dǎo)通或關(guān)斷。驅(qū)動電路總體由六個驅(qū)動電路組成，可分離，可集成AM1,BM1,CM1。AM2，BM2，CM2分別來自HEF4752V的PWM主激勵輸出端。AM1，BM1，CM1組成上橋臂組驅(qū)動，AM2，BM2，CM2則為下橋臂組驅(qū)動電路。圖3 驅(qū)動電路圖數(shù)字控制是SPWM目前常用的控制方

15、法。可以采用微機存儲預(yù)先計算好的SPWM數(shù)據(jù)表格，控制時根據(jù)指令調(diào)出;或者通過軟件實時生成SPWM波形;也可以采用大規(guī)模集成電專用芯片產(chǎn)生SPWM信號。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)出一些專門用于發(fā)生控制信號的集成電路芯片，配合微處理器進行控件生成SPWM信號方便得多。國內(nèi)制的電動機微機控制系統(tǒng)，大多采用8031,8098等。由于這些芯片并非為電機控制設(shè)計的，為了實現(xiàn)電動機控制的某些功能，不得不增加較多的外器件必須以多片集成電路方能構(gòu)成完整的控制系統(tǒng)。圖4 M57215BL驅(qū)動電路原理圖4.7控制電路設(shè)計1、控制器的選擇 8XC196MC單片機是Intel公司專門為電機高速控制設(shè)計的一種16位微控

16、制器，其后綴MC正是電機控制(Motor Controller)的縮寫，它己被廣泛的應(yīng)用。 8OC196MC的基本結(jié)構(gòu)主要包括算術(shù)、邏輯運算部件RALU，寄存器集，內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器，PWM發(fā)生器，事件處理陣列EPA，三相互補5PWM輸出發(fā)生器以及看門狗、時鐘、中斷控制邏輯等.2、80C196MC單片機的波形發(fā)生器片內(nèi)波形發(fā)生器WFG(WaveForm Generator)是80C196MC獨具的特點之一。這一外設(shè)裝置大大簡化了用于產(chǎn)生SPWM波形的控制軟件和外部硬件，特別適應(yīng)于控制三相交流感應(yīng)電機。圖5 波形發(fā)生器框圖三相SPWM波形是由U，V ,W 三個單相SPWM波形生成器構(gòu)成的，其中一相

17、電路的原理圖如圖3-7所示，它由脈寬發(fā)生，死區(qū)脈寬發(fā)生，脈沖合成及保護電路等單元電路構(gòu)成。WFG可以產(chǎn)生獨立的三對PWM波形，但它們有共同的載波頻率、無信號時間和操作方式一旦啟動之后，WFG只要求CPU在改變PWM的占空比時加以干預(yù)。從功能上看波形發(fā)生器可以分為三個部分，時基發(fā)生器、相位驅(qū)動通道和控制電路。4.8 HEF475的介紹HEF4752是采用LOCMOS工藝制造的大規(guī)模集成電路，專門用來產(chǎn)生三相SPWM信號。它的驅(qū)動輸出經(jīng)隔離放大后，可驅(qū)動GTO和GTR逆變器，在交流變頻調(diào)速中作控制器件。HEF4752為28腳雙列直插式標準封裝DIP芯片，它有7個控制輸入，4個時鐘輸入，12個驅(qū)動信

18、號輸出，3個控制輸出。圖6 HEF4752的引腳圖(1) 主激勵輸出所用引腳是，引腳2, 引腳3, 引腳8, 引腳9 引腳22, 引腳21。接到三相逆變器6個開關(guān)器件的驅(qū)動輸入端。第一個字母表示相序。數(shù)字1、2分別表示上、下橋臂開關(guān)元件的PWM激勵信號。(2) 輔助激勵輸出（換向開關(guān)驅(qū)動輸出）：引腳1、10、11、19、20、27。當逆變器由晶閘管作開關(guān)器件時，提供強迫換流信號。第二個字母C表示輔助輸出。(3) 4個時鐘輸入。引腳12(FCT)、引腳17(VCT)、引腳4(RCT)、引腳6(OCT)。(4) 7個控制輸入。引腳13(A)、引腳15(B)、引腳16(C)、引腳25(I)、引腳7(

19、K)、引腳24 (K)、引腳5(CW)。(5) 3個控制輸出。引腳18(CSP)、引腳23(RSYN)、引腳26(Vav)。(6) 2個電源線。分別是引腳14(Uss)、引腳28(Udd)。HEF4752的調(diào)制方式為不同于三角波-正弦波調(diào)制法的雙邊緣正弦調(diào)制。采用從載波脈沖兩端改變脈沖寬度的雙邊緣正弦調(diào)制。具有在于可獲得兩倍載波頻率的輸出線電壓脈沖，從而可減小低速時的脈動轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點。圖7 4752調(diào)制方式時序圖參數(shù)設(shè)計：調(diào)制比：其中U為逆變器輸出線電壓有效值，為電動機額定線電壓有效值，改變調(diào)制比，就可以改變逆變器輸出電壓U。V與時鐘FCT和VCT的“頻率比”成正比。如滿足：，則有，則 。有圖5

20、.3可見：當固定時，調(diào)制比與成正比關(guān)系，而又與逆變器輸出頻率成正比關(guān)系。所以：調(diào)節(jié)可調(diào)電機轉(zhuǎn)速，并實現(xiàn) =常值的“恒磁通控制”。圖 8 fvct與Ffct4.9 保護電路設(shè)計1、過電流保護 IGBT的過流保護電路可分為2類：一類是低倍數(shù)的（1.21.5倍）的過載保護；一類是高倍數(shù)（可達810倍）的短路保護。 對于過載保護不必快速響應(yīng)，在檢測輸入端或直流環(huán)節(jié)的總電流時，當此電流超過設(shè)定值后比較器翻轉(zhuǎn)，封鎖所有IGBT驅(qū)動器的輸入脈沖，使輸出電流降為零。這種過載電流保護，一旦動作后，要通過復(fù)位才能恢復(fù)正常工作。IGBT能承受很短時間的短路電流，能承受短路電流的時間與該IGBT的導(dǎo)通飽和壓降有關(guān)，隨

21、著飽和導(dǎo)通壓降的增加而延長。如飽和壓降小于2V的IGBT允許承受的短路時間小于5s，而飽和壓降3V的IGBT允許承受的短路時間可達15s，45V時可達30s以上。存在以上關(guān)系是由于隨著飽和導(dǎo)通壓降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路電流同時增大，短路時的功耗隨著電流的平方加大，造成承受短路的時間迅速減小。過電流保護的電路圖如圖4所示。 圖9 過流保護電路2、IGBT開關(guān)過程中的過電壓保護 關(guān)斷IGBT時，它的集電極電流的下降率較高，尤其是在短路故障的情況下，如不采取軟關(guān)斷措施，它的臨界電流下降率將達到數(shù)kA/s。極高的電流下降率將會在主電路的分布電感上感應(yīng)出較高的過電壓，導(dǎo)致IGBT關(guān)斷時將會使其電流電壓的運行軌跡超出它的安全工作區(qū)而損壞。所以從關(guān)斷的角度考慮，希望主電路的電感和電流下降率越小越好。但對于IGBT的開通來說，集電極電路的電感有利于抑制續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和電容器充放電造成的峰值電流，能減小開通損耗，承受較高的開通電流上升率。一般情況下IGBT開關(guān)電路的集電極不需要串聯(lián)電感，其開通損耗可以通過改善柵極驅(qū)動條件來加以控制。 3、啟動限流保護啟動電機時，產(chǎn)生的大電流會對電力電子器件和控制回路造成巨大的沖擊，為避免啟動大電流對系統(tǒng)的破壞，啟動限流保護電路設(shè)計如圖4.6.3所示。圖10 啟動