计算机控制关键技术及应用专业课程设计.doc

摘要
跟伴随世界经济快速发展，科学技术日益进步，充足利用能源已成为紧迫关键课题，为了愈加好利用能源，几乎每一个国家和地域全部投入了大量精力。而现在，电能是全世界消耗最多能源之一，而工业电机消耗又占其关键部分，因为技术等方面原因，造成大量电能被浪费，为了愈加好使用电能，也为了愈加好符合中国经济快速发展，中国投入了大量财力在电机能源节省这首先，由此我们在此篇论文中小小讨论一下恒压频比调速控制系统设计！
一、课题目标和要求
经过对恒压频比调速控制系统设计，综合利用所学各门专业课知识，提升学生控制技术基础训练，培养学生理论联络实际和基础动手应用能力。此课题要求对系统采取微型计算机技术进行设计方案设计，要求对方案进行论证，画出系统原理图，对元器件进行选择和相关计算。
二、设计
在设计开始我们要基础了解一下跟此次设计相关知识，首先，在电动机调速时，我们往往全部期望为了愈加好利用电机铁心通常全部期望保持每一级磁通量为一个恒定不变值。
因为，三相异步电动机定子每一项电动势有效值是：
（1）
标注：——气隙磁通和定子每相中感应电动势有效值，单位为V；
——定子频率，单位为Hz；
——定子每项绕组内线圈匝数;；
——基波绕组系数
——每级气隙磁通量，单位为Wb;
由上式（1能够知道，为了愈加好控制和，便可达成控制磁通目标，对此，需要考虑额定频率以下和额定频率以上两种情况。
2.1.1额定频率一下调速
由上式能够知道要想保持不变，当频率从额定值向下调整时候，必需要同时降低，使常值，即采取恒定电动势频率比控制方法。
可是在实际中感应电动势是难以控制，我们知道假如电动势值较高时候，我们能够忽略定子绕组所造成压降，而把定子相电压 则得：常值，这是恒压频比控制方法。
低频时，和全部较小，定子阻抗压降所占份量就比较显著，不再能忽略。这时，能够人为地把电压抬高部分，方便近似地赔偿定子压降，带定子压降赔偿恒压频比控制特征见图1。

图2.1 恒压频比控制特征

a---不带定子压降赔偿 b---带定子压降赔偿
2.1.2 额定频率以上调速
在额定频率以上调速时，我们知道此时即使频率上升，可电压改变却因为饱和原所以最大等于额定电压。由上式（1）可知，这将会使得磁通和频率反比改变。
将二者结合起来能够得到异步电动机变频调速控制基础特征，能够得到二种，一个是在基频一下，属于“恒转矩调速”性质，在基频以上，属于“恒功率调速”。

图2.2 异步电动机变频调速控制特征
2.2.1静止式装置
上面谈论能够知道，要实现恒压频比调速必需要实现同时改变电源电压和频率，才能满足变频调速要求。能够知道用是恒压恒频电源，要想实现目标，那么只能经过变频装置，才能取得这么电源。这么装置就是所说变压变频装置（VVVF）。现在使用最为广泛就是电力电子技术静止式变频装置。
从结构上我们知道，静止式变频装置能够分为间接和直接变频二类。间接就是先将交流变为直流，再将直流变为要得到频率交流。直接是直接将其变为所要可控频率交流，没有中间步骤，现在我们知道间接变频利用比较广泛。
2.2.1.1间接变频装置
下图为间接变频装置关键组成步骤。
AC
DC
AC
整 流
逆 变
恒压恒频
CVCF
中间直流步骤
变压变频
VVVF
50HZ

图2.3 间接变频装置
根据不一样控制又能够分为一下三种。
1.用可控整流器变压，用逆变器变频交-直-交变频装置。
调压和调频分别在两个步骤上进行，二者要在控制回路上协调配合。这种装置结构简单.控制方便。不过，因为输入步骤采取可控整流器，当电压和频率调得较低时，电网端功率因数较小；输出步骤多用由晶闸管组成三相六拍逆变器(每七天换流六次)，输出谐波较大。这就是这类变频装置关键缺点。
2.用不控整流器整流，斩波器变压，逆变器变频交-直-交变频装置。
整流步骤采取二极管不控整流器，再增设斩波器，用脉宽调压。这么即使多了—个步骤。但输入功率因数高。克服了用可控整流器变压，用逆变器变频交-直-交变频装置第一个缺点。输出逆变步骤不变，仍有谐波较大问题。
3.用不控整流器整流，SPWM逆变器同时变压变频交-直-交变频装置。
用不控整流，则功率因数高；用SPWM逆变，则谐波能够降低。这么，用可控整流器变压.用逆变器变频交-直-交变频装置两个缺点全部处理了。谐波能够降低程度取决于开关频率，而开关频率则受器件开关时间限制。假如仍采取一般晶闸管，开关频率比六拍逆变器也高不了多少，只有采取可控关断全控式器件以后，开关频率才得以大大提升，输出波形几乎能够得到很逼真正弦波，所以又称正弦波脉宽调制(SPWM)逆变器。成为目前最有发展前途一个结构形式。
2.2.2 正弦波脉宽调制逆变器（SPWM）
在通常交—直—交变频器供电变压变频调速系统中，为了取得变频调速所要求电压频率协调控制，整流器必需是可控，调速时须同时控制整流器UR和逆变器UI，这么就带来了一系列问题。关键是：(1)主电路有两个可控功率步骤。相对来说比较复杂；(2)因为中间直流步骤有滤波电容或电抗器等大惯性元件存在，使系统动态响应缓慢；(3)因为整流器是可控，使供电电源功率因数随变频装置输出频率降低而变差，并产生高次谐波电流；(4)逆变器输出为六拍阶梯波交变电压(电流)。在拖动电动机小形成较多各次谐波，从而产生较大脉动转矩。影响电机稳定工作，低速时尤为严重。所以，由第一代电力电子器件所组成变频器已不能令人满意地适应近代交流调速系统对变频电源需要。伴随第二代电力电子器件(如GTO，GTR，P—MOSFET)出现和微电子技米发展，出现了处理这个问题良好条件。

图2.4 常规交—直—交变频器原理图

图2.5 SPWM交—直—交变频器原理图
2.2.2.1 SPWM逆变器工作原理
名为SPWM逆变器，就是期望其输出电压是纯粹正弦波形，那么，能够把一个正弦半波分作N等分，然后把每一等分正弦曲线和横轴所包围面积全部用一个和此面积相等等高矩形脉冲来替换，矩形脉冲中点和正弦波每一等分中点重合。这么，由N个等幅而不等宽矩形脉冲所组成波形就和正弦半周等效。一样，正弦波负半周也可用相同方法来等效。这么就能够得到所期望逆变器输出SPWM波形一系列脉冲波形就是所期望逆变器输出SPWM波形。能够看到，因为各脉冲幅值相等，所以逆变器可由恒定直流电源供电，也就是说，这种交—直—交变频器中整流器采取不可控二极管整流器就能够了。逆变器输出脉冲幅值就是整流器输出电压。当逆变器各开关器件全部是在理想状态下工作时，驱动对应开关器件信号也应为相同一系列脉冲波形，这是很轻易推断出来。
从理论上讲，这一系列脉冲波形宽度能够严格地用计算方法求得，作为控制逆变器中各开关器件通断依据。但较为使用措施是引用通讯技术中“调制”这一概念，以所期望波形(在这里是正弦波)作为调制波，而受它调制信号称为载波。在SPWM中常J用等腰三角波作为载波.因为等腰三角波上下宽度线性对称改变波形当它和任何一个光滑曲线相交时，在交点时刻控制开关器件通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值矩形脉冲，这正是SPWM所需要结果。
2.2.2.2.工作原理
图2.6 SPWM变频器电路原理框图
图6是SPWM变频用主电路，图中是逆变器六个功率开关器件，各又一个续流二极管反并联接，整个逆变器由三相整流器提供恒值直流电压供电。它控制电路，是由一组三相对称正弦参考电压信号由参考信号发生器提供，共频率决定逆变器输出基波频率，应在所要求援输出频率范围内可调。参考信号幅值也在一定范围内改变，以决定输出电压大小。三角波载波信号是共用，分别和每相参考电压比较后，给出“正”或“零”饱和输出，产生SPWM脉冲序列波，作为逆变器功率开关器件驱动控制信号。控制方法能够是单极式，也能够是双极式。采取单极式控制时在正弦波半个周期内每相只有一开关器件开通或关断，比如A相反复通断，三相SPWM逆变器工作在双极式控制方法制方法和单级式相同，输出基波电压大小和频率也是经过改变正弦参考信号幅值和频率而改变，只是功率开关器件通断情况不一样。双极式控制时逆变器同一桥臂上下两个开关器件交替同断，处于互补工作方法。
2.2.3恒压频比控制下机械特征
异步电动机带载稳态运行时，有
（2）
此式表明，对于同一负载要求，即以一定转速 在一定负载转矩 下运行时，电压和频率能够有多个组合，其中恒压频比（恒值）最轻易实现。它变频机械特征基础上是平行下移，硬度也很好，能满足通常调速要求。不过低速带载能力还较差，需对定子压降实施赔偿
为了近似保持气隙磁通不便，方便充足利用电机铁心，发挥电机产生转矩能力，在基频以下采取恒压频比控制，实施恒压频比控制时，同时转速自然也伴随频率改变
（3） 所以带负载时转速降落为

在式（3）中所表示机械特征近似直线段上。能够导出
（4）
由此可见，当为恒值时，对同一转矩，是基础不变，所以也是基础不变，也就是说，在恒压频比条件下改变频率时，机械特征基础上是平行下移，它们和直流她激电机调速时特征改变情况近似，所不一样是，当转矩达成最大值以后，转速再降低，特征就折回来了。而且频率越低时候转矩越小。对前式整理可得出为恒值时最大转矩随角频率改变关系 （5）
可见，是伴随降低而减小，频率很低时，太小将限制调速系统带载能力，采取定子压降赔偿，合适提升电压 能够增强带载能力。

图2.7 恒压频比异步电动机机械特征

图2.8恒压频比变频调速系统原理图
恒压频比变频调速系统基础原理结构图2.8所表示，系统由升降速时间设定，u/f曲线，SPWM调制和驱动等步骤组成。其中升降速时间设定用来限制电动机升频速度，避免转速上升过快而造成电流和转矩冲击，起软开启控制作用。u/f曲线用于依据频率确定对应电压，以保持压频比不变，并在低频时进行合适电压赔偿。SPWM和驱动步骤将依据频率和电压要求产生按正弦脉宽调制驱动信号，控制控制逆变器以实现电动机变压变频调速。

图2.9恒压频比变频调速系统仿真模型
由图2.9，依次从simulink库中找出各个模块，其中给定积分器GI中Gain设置参数为1e4，Saturation设置为-10——+10，取整模块设为round，仿真算法用Ode23tb，逆变器直流侧电压为514V，PWM发生器中载波频率为1500Hz，仿真精度为1e-3。
放大器放大倍数设为1e4；saturation为-10到+10；取整模块设为round；变器直流侧电压为514V，用IGBT；交流异步电机为鼠笼式；PWM发生器中载波频率为1500Hz；仿真精度为1e-3，仿真算法用Ode23tb。依据三相调制信号，由PWM发生器产生逆变驱动脉冲，经逆变器得到频率和幅值可调三相电压，使交流电机按给定要求开启和运行。
恒压频比结果图：
1.

图2.10 定子电流
2.

图2.11转速波形
3.

图2.12转矩波形
由波形可知，系统稳定，而且能够经过电压频率协调控制调整转速，符合设计要求。
三 异步电动机调频硬件电路
异步电动机调速系统关键有主电路、控制电路、系统保护电路等几部分组成，下图为恒压频比控制异步电动机调速系统硬件结构图。

图3.1 异步电动机调速硬件结构图

3.1 主电路设计
在主电路选择上，我们采取了交直交电源变压变频电路，主电路原理图以下所表示。

图3.2 主电路原理图
主电路有二极管整流器、逆变电路、滤波电路和IPM吸收电路组成，输入功率采取是单项桥式不可控整流电路，整流输出经过大电容，获取平滑直流电压。逆变部分经过IGBT导通和关断，输出交变脉冲电压序列。而为了吸收有开关频率过高而产生电压尖脉冲，而加了电容和电阻组成RC型吸收电路。发光二极管用来显示电容二端电量。
3.2 微机控制电路设计
本系统采取是高性能DSP为控制中心，和频率输入电路、光耦隔离电路组成控制系统。
3.2.1 DSP最小系统电路
DSP目标板能给设计者依据自己实际情况而提供不一样目标板，其最小系统框图以下所表示。

图3.3 DSP最小系统框图
四、设计总结
在变频调速过程中，恒压频比控制是最轻易实现，她变频机械特征基础是平行下移，硬度比很好，能实现通常调速目标，可因为其低速带载能力差，所以需要定子降压实施赔偿。
在此次设计关键是使用交直交变频而实现恒压变频控制系统，这种系统需要采取恒压频比带低频电压赔偿协调控制。
五、参考文件
[1]陈伯时．电力拖动自动控制系统 ．上海：机械工业出版社 ，
[2]黄俊 ，王兆安． 电力电子变流技术． 西安： 电力出版社 ，1999
[3]李友善．自动控制原理．北京：国防工业出版社 ，1998
[4]顾绳谷 ．电机及拖动基础． 北京： 机械工业出版社， 1999.10
[5]黄忠霖编著.控制系统MATLAB计算及仿真.北京：国防工业出版社，