基于单片机控制的异步电动机变频调速系统的设计.docx

基于单片机控制异步电动机变频调速系统设计摘要本文以三相交流调速系统为基础，进行了三相异步电动机变频调速系统设计。首先，经过使用MATLAB/SIMULINK软件进行交-直-交变频调速系统模型搭建和仿真，得出了异步电动机在正弦脉冲宽度调制（SPWM）技术下调速结果。其次，依据所搭建系统模型，在PROTUSE软件中设计出基于51单片机控制SPWM变频调速系统，编制对应软件程序并进行调试和仿真，得出了不一样频率下SPWM调制波形。最终，经过比较两种不一样调速系统仿真结果，证实了基于51单片机控制异步电机变频调速PWM调制方法正确性和可行性。关键字： 异步电动机；变频调速；SPWM；MATLAB/SIMULINK；单片机1概述直流电气传动和交流电气传动在19世纪前后诞生，鉴于直流传动含有优越性能，高性能可调速传动大全部采取直流电机，交流调速系统多个方案即使早已问世，并已取得实际应用，但其性能却无法和直流调速系统相匹敌。直到20世纪70年代末，因为电力电子技术尤其是大功率晶闸管（可控硅）变流技术发展，研制出了体积小、重量轻、功率大、效率高静止变流装置，实现了采取电力电子变流器交流传动系统，为三相异步电动机大范围平滑调速调整开辟了新技术路径，才使三相异步电动机在铁路牵引中应用得到关键性突破，从而得到极为快速发展。大规模集成电路和计算机控制出现，更使高性能交流调速系统得到发展。中国友好号动车组使用三相鼠笼型异步电动机作为牵引动力，它要求列车运行安全、快速、稳定，所以对牵引电动机平滑调速和自动控制很关键，异步电动机结合电力电子技术和微机控制技术能够实现这一要求。1.1 交流调速系统异步电动机调速方法早已为大家所熟知，基础上能够分为变极对数调速、变频调速、变转差率调速三类。这从下面异步电动机转速公式能够显著看出。n=1-sns=(1-s)60f1p (1)式中 n 电动机实际转速； ns电动机同时转速； s 转差率，s=ns-nns； f1供电频率； p 极对数。1.1.1变极调速在恒定频率下，改变电动机定子绕组极对数，就能够改变旋转磁场和转子转速。若利用改变绕组接法，使一套定子含有两种极对数而得到两个同时转速，可得到单绕组双速电机；也能够在定子内安放两套独立绕组，从而做成三速或四速电机。为使转子极对数能随定子极对数改变而改变，变极电动机转子通常全部是笼型。变极调速属于有级调速，最多只能达成三、四极，而不能平滑地调速。1.1.2变频调速改变电源频率时，电动机同时转速和转子转速将随之改变。假如电源频率能够连续调整，则电动机转速就能够连续、平滑调整。变频调速时期望气隙磁通m基础保持不变，这么，磁路饱和程度、激磁电流和电动机功率因数均可基础保持不变。假如磁通太弱，没有充足利用电动机铁心，是一个浪费。假如过分增大磁通，会使铁心饱和，从而造成过大励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电动机。依据三相异步电动机定子每相电动势有效值公式E1=4.44f1N1kw1m （2）式中 E1气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值； f1供电频率； N1定子每相绕组串联匝数； kw1定子基波绕组系数； m每极气隙磁通量。故要保持m不变，应使定子端电压和频率成百分比地调整，若忽略定子漏阻抗压降，即使E1f1=U1f1=常值感应电机变频调速从调速范围、平滑性、调速前后电机性能等方面来看全部很好，但需要专门变频电源。多年来，因为变频技术发展，变频装置价格不停降低，性能不停提升。1.1.3变转差率调速改变转差率调速在调速过程中均不改变异步电动机同时转速，而仅仅依靠改变转差率来改变电机速度，故其调速范围是很有限，同时在低速时因转差率太大，效率很低，所以这些方法均不能适应机车牵引中平滑、宽广调速要求。1.2 电力电子器件电力电子器件是对电能进行变换和控制器件，现在所用电力电子器件均由半导体制成，故也称电力半导体器件。在发达国家中，大约60%电能用于电动机，由此可知，电力电子器件在电机控制电路中最常见，若想愈加好控制电动机，必需使用性能优越电力电子器件。1.2.1门极可关断晶闸管TGO自晶闸管问世后，相继产生了很多派生器件，如快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管、门极可关断晶闸管等。门极可关断晶闸管能够经过在门极施加负脉冲电流使其关断，故属于全控型器件。它在三相桥式全控整流电路中作为开关器件，经过同时六脉冲发生模块控制其通断，改变触发角大小能够得到不一样电压波形，从而实现整流。1.2.2绝缘栅双极晶体管IGBT绝缘栅双极晶体管综合了电力晶体管GTR和电力场效应晶体管MOSFET特点，所以含有开关速度快、驱动电路简单、流通能力强等优点，通常见于三相桥式逆变电路中。经过脉冲宽度调制技术控制器通断，从而实现逆变。1.3 变频器如前所述，对于异步电机变频调速必需含有能够同时控制电压幅值和频率交流电源，而电网提供是恒压恒频工频电源，所以应该配置变压变频器，她也称变压变频（VVVF）装置。从整体上看，变压变频器能够分为交-交和交-直-交两大类。1.3.1交-交变频器交-交变频器结构图1所表示。它只有一个变幻步骤，把恒压恒频（CVCF）交流电源直接变换成VVVF输出，所以又称直接式变压变频器。看似简单，但所用电力电子器件数量却很多，总体设备相当庞大。其缺点是输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，所以必需配置滤波和无功赔偿设备。因为这类变频器最高输出频率不超出电网频率1/31/2，所以通常见于大功率、低转速调速系统。1.3.2交-直-交变频器交-直-交变压变频器结构图2所表示。它先将工频交流电源经过整流器变换成直流电，再经过逆变器变换成可控频率和电压交流电。因为这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流步骤”，所以又称间接式变压变频器。在早期交-直-交变压变频器中，整流器采取半控型电力电子器件晶闸管（SCR），组成可控整流器，实现整流和调压；逆变器也采取晶闸管，实现逆变调频。当全控型电力电子器件（GTO/IGBT）取得广泛应用后，出现了由开关器件组成脉宽调制（PWM）逆变器，兼顾调压和调频，而整流器只需要二极管组成不可控整流器就够了。1.4 脉冲宽度调制技术PWM脉冲宽度调制技术是伴随电力电子器件发展而产生一个开关技术，其在逆变电路中应用最广泛，现在大量应用逆变电路中，绝大部分是PWM型逆变电路，PWM控制技术正是有赖于逆变电路中应用才会发展得比较成熟。从而确定了它在电力电子技术关键地位。1.4.1 正弦脉冲宽度调制技术SPWM脉冲宽度按正弦规律改变而和正弦波等效PWM波形，称为SPWM波形，产生这种SPWM波形技术就是SPWM技术。在三相桥式全控逆变电路中，用SPWM波形控制IGBT通断，即可实现逆变。要改变等效输出正弦波幅值时，只要根据同一百分比系数改变上述脉冲宽度即可。一样，改变调制周期，就能够改变输出电压频率。1.4.2 空间矢量调制技术SVPWMPWM控制技术用于交流电动机调速中，其最终目标并非使输出电压为正弦波，而是使电动机磁链成为圆形旋转磁场，从而使电机产生恒定电磁转矩。磁链轨迹是经过交替使用不一样电压空间矢量得到，针对这种目标，产生了空间矢量调制技术。1.5 微机控制单片机是单片微型计算机简称，是把中央处理器（CPU）、随机存取存放器（RAM）、只读存放器（ROM）、输入/输出接口、定时器/计数器、中止系统等关键功效部件集成在一块半导体芯片上数字电子计算机。单片机形态只是同一块芯片，不过它已含有微型计算机组成结构和功效。单片机结构特点决定了单片机关键用于控制，所以又称微控制器（MCU）或嵌入式控制器（ECU）。1.5.1单片机MCU单片机发展经历了从4位、8位、16位、32位、64位五个阶段， 16位、32位单片机在比较复杂控制系统中才有应用，最常见是8位单片机，代表产品为Intel企业MCS-51系列。单片机用于三相异步电机变频调速通常有两种方法，第一个是经过SPWM原理，设计出正弦波电路和三角波电路，经过二者比较产生SPWM波形。第二种方案是采取SPWM集成芯片HEF4752或MA818等。1.5.2数字信号处理器DSP 伴随微电子技术发展，出现了多个用于电动机调速控制专用单片微处理器，如TI企业TMS320芯系列，这些微处理器通常含有以下功效，有PWM波生成硬件及较宽频率调制范围；为了对变压变频调速系统运行参数（如电压、电流、转速等）进行实时检测和调整和故障保护，微处理器含有很强中止功效和较多中止通道，；含有将外部模拟量控制信号及经过多种传感器送来反馈。检测信号进行AD转换接口，且通常为8位转换器；含有较高运算速度，能完成复杂运算指令、内存容量较大；有用于外文通信同时、异步串行接口硬件或软件单元。因为这些功效支持，所以这种微处理器能方便地用于开发基于PWM控制技术电动机调速系统，微处理器除能产生可调频率PWM控制信号外，还能完成必需保护、控制等功效。现代SPWM变压变频器控制电路大多数是以微处理器为关键数字控制电路。2交流异步电动机变频调速原理及方法2.1 三相异步电动机工作原理三相异步电动机由定子、转子、气隙三部分组成，经过定子绕组三相电流产生旋转磁场，再利用电磁感应原理，在转子内感生电流，由气隙磁场和转子感应电流相互作用产生电磁转矩，以进行能量转换。正常情况下，感应电机转子转速总是略低或略高于旋转磁场转速（同时转速ns）。异步电机根据绕组类型分为笼型异步电动机和绕线型异步电动机。2.1.1等效电路 经过电机学知识，对异步电动机电路进行了频率归算和绕组归算，得到异步电动机T型等效电路，图3所表示。图3 异步电动机T型等效电路依据该等效电路能够写出以下电压方程式U1=-E1+I1(r1+jx1) （3）E2=I2(r2s+jx2) （4）式中 U1电源向电压； I1定子电流； I2归算到定子侧转子电流； s 转差率； r1x1定子绕组电阻及漏阻抗； r2x2归算到定子侧转子电阻及漏阻抗； rmxm激磁电阻及电抗。2.1.2转矩计算 依据电机原理和等值电路可知，经过空气气隙传入转子电磁功率为Pe=mE2I2cos2 （5）式中 cos2=r2sr2s2+x22 转子功率因数。电动机电磁转矩为Te=Pes=mE2I2cos22ns60=mp2f1E2I2cos2 （6）式中 ns电动机同时转速； s电动机同时角速度。2.1.2机械特征2.1.3调速原理2.2正弦脉冲宽度调制技术SPWM2.2.1 SPWM原理早期交直交变压变频器输出交流电压波形全部是六拍阶梯波或矩形波，这是因为当初变频器只能采取晶闸管，其关断不可控性和较低开关频率造成逆变器输出波形含有较大低次谐波，使电机输出转矩存在脉冲分量，影响其稳态工作性能，在低速运行时更为显著。为了改善交流电动机变压变频调速系统性能，在出现全控型电力电子开关器件以后，出现了正弦脉冲宽度调制技术控制逆变器，正弦脉冲宽度调制波形就是和正弦波等效一系列等幅不等宽矩形脉冲波形，图3所表示。等效标准是矩形脉冲波面积和该时间段内正弦波面积相等。图3 SPWM原理a)正弦调制波和载波 b)输出SPWM波在SPWM方法中，以正弦波作为调制波，以三角波作为载波，当调制波和载波相交时，其脚垫决定了逆变器开关器件通断时刻。比如，当调制波电压高于载波电压时，开关器件导通，输出正脉冲电压，当调制电压低于载波电压时，开关器件关断，无脉冲电压输出。若改变调制波频率，输出电压基波频率也会改变；改变调制波幅值时，各段脉冲宽度将改变，输出电压基波幅值也随之改变。上述为单极性SPWM波产生原理，双极性SPWM波产生原理和之相同。2.2.2调制方法 调制方法有异步调制、同时调制、分段同时调制，在实施SPWM时，视载波比N改变是否，有同时调制和异步调制之分，在同时调制方法式中，N=常数，变频时三角波频率和正弦波频率同时改变，所以输出电压半波内矩形脉冲数是不变，假如取N等于3倍数，则同时调制不仅能确保输出波形正、负半波一直保持对称，并能严格确保三相输出波形间含有120对称关系。但当输出频率很低时，因为相邻两脉冲间间距增大，谐波会显著增加，使负载电动机产生较大脉动转矩和较强噪声，这是同时调制关键缺点。为了消除上述同时调制缺点，能够采取异步调制方法。异步调制时，在变压变频器整个变频范围内，载波比N不等于常数，通常在改变调制波频率时，保持三角波频率不变，所以提升了低频时载波比。这么，输出电压半波内矩形脉冲数能够随输出频率降低而增加，对应能够降低负载电动机转矩脉动和噪声，改善了系统低频时工作性能。然而，当载波比N伴随输出频率降低而连续改变时，它不可能总是3倍数，势必使输出电压波形及相位全部发生改变，难以确保三相输出对成性，这会引发电动机工作不平稳。分段同时调制是将同时调制和异步调制结合起来，实用SPWM变压变频器器多采取这种方法。在一定频率范围内采取同时调制，可保持输出波形对称优点，在频率降低较多时，可使载波比分段有地加大。这就是分段同时调制方法。具体地说，把整个频段划分为若干频段，在每个频段内全部维持载波比恒定，对不一样频段采取不一样载波比，频率低时N值取大些，通常大致按等比级数安排。3交-直-交变频调速系统MATLAB仿真MATLAB是“矩阵试验室缩写”，由美国Mathworks企业于1984年开始推出，其版本不停升级，子模块库历经更新，现其系统很强大，其中在Simulink环境下，系统函数、电路元器件等模型用方框形式模块表示，即形象又直观。本设计中用到了Simulink环境下SimPowerSystem（电力系统）模块库。3.1设计要求采取基于转速开环恒压频比控制调速系统；三相异步电动机在0.5s时刻加负载，转矩为70Nm；采取SPWM调技术进行调制，SPWM波形由三相正弦波和三角波经过比较产生；调制度为0.8，即调制波幅值为0.8V，载波幅值为1V；调制方法选择分段同时调制，载波比可调；整流模块为三相桥式全控整流，逆变模块为三相电压型桥式逆变；在对整流模块和逆变模块进行设计时，不使用MATLAB/SIMULINK提供通用桥式集成电路模块，而是采取库中最原始GTO、IGBT等电力电子器件进行搭建。3.2交-直-交变频调速系统3.2.1 原理框图交-直-交变频调速系统原理框图图4所表示，图中整流器、中间直流步骤和逆变器组成变频器主电路。整流器由六只可控晶闸管GTO组成三相桥式整流电路，逆变器由六只IGBT和六只反向并联续流二极管组成三相桥式逆变电路。有规律地控制主开关器件导通和关断，就能够得到任意频率三相交流电压输出。中间直流步骤采取串联大电感滤波，输出电流比较平直，靠近于直流电流源。逆变器输出电流是矩形波或阶梯波，输出电压靠近于正弦波。图4 交-直-交变频调速系统原理图3.2.2三相桥式全控整流模型现在在多种整流电路中，应用最广泛是三相桥式全控整流电路，其模型图7所表示。其中上桥臂晶闸管VT1、VT3、VT5为共阴极组，下桥臂晶闸管VT2、VT6、VT4为共阳极组。经过六同时脉冲发生器控制其通断，采取双脉冲触发，脉冲宽度为20，设置不一样触发角即可得到相对应波形。 图7 三相桥式全控整流模型3.2.3三相电压型桥式逆变模型现在在多种逆变电路中，应用最广泛是三相电压型桥式逆变电路，其模型图8所表示。该模型采取IGBT作为开关器件，工作方法为180导电方法，即同一相（同二分之一桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电角度依次相差120，这么，在任一瞬间将有三个桥臂同时导通。该电路中以三相阻感负载替换三相异步电机。图8 三相电压型桥式逆变模型3.2.4 SPWM发生器模型SPWM波形是经过三相正弦波和三角波比较产生，产生六路SPWM波分别控制六支IGBT，其模型图9所表示。改变SPWM波输出频率即可改变逆变器输出电压频率。图9 SPWM发生器模型3.2.5总体模型及仿真结果分析交-直-交变频调速系统总体模型图9所表示。图9 交-直-交变频调速系统总体模型如其仿真结果图10所表示。图10a为电机转速响应波形，从图中能够看到，起动时电机转速快速上升，在0.2s后达成空载转速1500r/min，在0.5s给电机施加负载70Nm，电机转速下降，转差变大，稳定后转速为1300r/min左右。电机空载到过载过程中电机定子电流波形图10b所表示，在开启过程中随转速上升电流减小，0.5s加负载后电流快速增大，定子电流为50Hz方波。图10c是电机转矩响应波形，在起动中电机转矩有较大波动这和磁场从零开始建立相关，在0.3s时，电机空载转矩进本为零，0.5s加负载后，电机转矩上升，0.6s后电机转矩稳定在70Nm，和负载转矩相平衡。4单片机控制系统PROTEUS仿真Proteus ISIS是英国Labcenter企业开发电路分析和实物仿真软件。能够仿真、分析多种模拟器件和集成电路，且该软件支持第三方软件编译和调试环境，如Keil C51 Vision3软件。Keil C51软件是由Keil Software企业推出单片机应用开发软件，它支持不一样企业MCS-51架构芯片，同时集编辑、编译和仿真等功效为一体，支持汇编、C语言程序设计。4.1设计要求在Proteus软件中，以MCS-51单片机为关键控制芯片，使用其它相关元器件搭建出频率可变三相正弦波发生电路及高频三角波发生电路，最终将二者比较以产生SPWM波形。系统可经过按键实现变频调速，同时能够测速、监视电动机绕组温度以实现对电动机保护，并由液晶显示器显示出相关信息。在Keil C51软件中编制对应软件程序进行调试，得出仿真结果。该系统调制方法采取分段同时调制，调制度为0.8，分段同时调制输出频段和载波比由表1给出，为简单起见，在每个频段中选择一个值作为调制波频率，调制波和载波频率关系曲线图11所表示。表1 分段同时调制技术要求输出频段fo/Hz载波比N调制频率fr/Hz载波频率fc/Hz0710201816081114147121764152099161584212969251725304445351575456033501650图11 分段同时调制时输出频率和开关频率开关曲线系统各模块原理图使用Altium Designer软件进行设计。4.2系统硬件设计4.2.1原理框图基于单片机控制变频调速系统原理框图图12所表示。图12 单片机控制异步电动机变频调速系统原理图4.2.2最小系统51系列单片机内部全部有一个振荡器，可经过引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器和微调电容，为单片机产生时钟脉冲序列，本系统中使用晶振频率为11.0592MHz。在进行电路板设计时，需将晶振尽可能靠近单片机引脚XTAL1和XTAL2。具体电路图13所表示。图13 单片机最小系统4.2.3稳压电源因为本系统中会用到部分特殊芯片，它们供电电压不尽相同，有15V、12V及5V，为了提供这多个不一样电平电压，设计了一个稳压电源电路，具体电路图14所表示。该电路首先使用变压器将交流220V电源降压至22V，然后经过整流桥进行整流，最终经过78系列稳压芯片进行稳压，达成输出对应电平目标。图14 稳压电源电路4.2.4正弦波电路正弦波电路由数字计数器芯片4040、电可擦除只读存放器EPROM2732（4KB）、数模转换芯片DAC0832、及运算放大器芯片MAX232组成。首先取出正弦函数一个周期内1024个点，将它们按相位互差120固化在EPROM2732中，然后计数器4040对单片机所产生方波脉冲进行计数，所得计数值作为地址对EPROM2732中存放数据进行扫描输出，这些数据经过DAC0832进行数模转换，最终经过两级放大器MAX232放大后输出单相双极性正弦波，改变单片机输出方波频率即可实现输出正弦波频率改变。具体电路图15所表示。同理，三个和之相同电路即可实现三相双极性正弦波。输出波形幅值经过DAC0832芯片参考电压引脚控制。本系统中芯片供电电压为5V。图15 正弦波电路4.2.5三角波电路三角波电路是以单片集成函数发生芯片ICL8038为关键组成，该芯片仅需要极少外部元件就能够正常工作，可产生正弦波、三角波、方波，在本系统中该芯片只用于产生高频三角波。其产生三角波频率可经过改变接入电容大小来实现改变，具体计算方法为f=1RAC0.661+RB(2RA-RB) （7）若RA=RB=R，则有f=0.33RC （8）ICL8038系统所输出三角波幅值为芯片电源电压1/3，本系统中芯片供电电压为15V，故输出双极性三角波，其幅值为5V。本设计中可经过按键控制继电器通断来改变接入电容大小，六只继电器所接不一样电容可满足表1中分段同时调制对三角波频率要求。从而实现三角波变频，具体电路图16所表示。图16 三角波电路4.2.6 SPWM发生电路该电路采取电压比较器芯片MAX942来实现，同类型芯片还有LM324。其产生SPWM波接线方法为：三角波信号接芯片负极，正弦波信号接芯片正极，若正弦波幅值大于三角波幅值，则电压比较器输出高电平，反之亦然。因为本设计中逆变器为180导通型，故同一桥臂上下两只IGBT需要两路相反SPWM波，为得到相反SPWM波，可经过非门芯片74LS04实现，具体电路图17所表示。图17 SPWM发生电路4.2.6温度传感器电路保护电路4.2.7光电编码电路4.2.8声光报警电路4.3系统软件设计本系统程序经过C语言编写，并在Keil C51软件中编译经过。程序设计包含单片机程序设计和EPROM程序设计，其中单片机所加载文件为HEX文件，EPROM所加载文件为BIN文件。4.3.1主程序设计依据所设计硬件电路进行软件设计，关键包含对按键进行扫描、液晶电路显示、输出不一样频率方波、控制继电器通断、判定电机运行情况以决定是否报警。主程序步骤图图20所表示。图20 主程序步骤图4.3.2定时器程序设计在本系统中，经过使用定时器来实现方波输出。定时器有三种工作方法，具体情况见表2，为得到高频三角波，本系统设置定时器0工作方法为方法1，定时器初值是经过查表程序装载。当单片机检测到按键按下时，系统会依据按键被按下次数自动装载初值表中对应数值。该初值表中数据可使输出正弦波频率满足分段同时调制表中所设定频率。程序步骤图图21所表示。图21 定时器程序步骤图4.3.3 EPROM程序设计编译环境为win-tc1.91，运行后在C盘下产生a.bin、b.bin、c.bin波形文件。程序中设置一个变量DOTS，改变DOTS值，即可改变正弦波在一个周期内采集点数，从而控制正弦波形精度。本程序产生是1024点波形，其精度满足要求。程序步骤图图22所表示。4.4仿真结果5结论致谢参考文件附录1程序附录2 总体电路图附录3 印刷电路板附录3 元件清单