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基于單片機控制的異步電動機變頻調速系統的設計.doc

'基于單片機控制的異步電動機變頻調速系統的設計.doc'
?.基于單片機控制的異步電動機變頻調速系統的設計摘要本文以三相交流調速系統為基礎,進行了三相異步電動機變頻調速的系統設計。首先,通過使用MATLAB/SIMULINK軟件進行交-直-交變頻調速系統模型的搭建與仿真,得出了異步電動機在正弦脈沖寬度調制(SPWM)技術下調速的結果。其次,根據所搭建的系統模型,在PROTUSE軟件中設計出基于51單片機控制的SPWM變頻調速系統,編制相應的軟件程序并進行調試和仿真,得出了不同頻率下SPWM的調制波形。最后,通過比較兩種不同調速系統的仿真結果,證明了基于51單片機控制的異步電機變頻調速PWM調制方法的正確性和可行性。關鍵字: 異步電動機;變頻調速;SPWM;MATLAB/SIMULINK;單片機1概述直流電氣傳動和交流電氣傳動在19世紀先后誕生,鑒于直流傳動具有優越的性能,高性能可調速傳動大都采用直流電機,交流調速系統的多種方案雖然早已問世,并已獲得實際應用,但其性能卻無法與直流調速系統相匹敵。直到20世紀70年代末,由于電力電子技術尤其是大功率晶閘管(可控硅)變流技術的發展,研制出了體積小、重量輕、功率大、效率高的靜止變流裝置,實現了采用電力電子變流器的交流傳動系統,為三相異步電動機大范圍的平滑調速調節開辟了新的技術途徑,才使三相異步電動機在鐵路牽引中的應用得到關鍵性突破,從而得到極為迅速的發展。大規模集成電路和計算機控制的出現,更使高性能的交流調速系統得到發展。中國和諧號動車組使用三相鼠籠型異步電動機作為牽引動力,它要求列車運行安全、快速、穩定,因此對牽引電動機的平滑調速和自動控制非常重要,異步電動機結合電力電子技術和微機控制技術可以實現這一要求。1.1 交流調速系統異步電動機的調速方法早已為人們所熟知,基本上可以分為變極對數調速、變頻調速、變轉差率調速三類。這從下面的異步電動機的轉速公式可以明顯看出。n=1-sns=(1-s)60f1p (1)式中 n ——電動機的實際轉速; ns——電動機的同步轉速; s ——轉差率,s=ns-nns; f1——供電頻率; p ——極對數。1.1.1變極調速在恒定的頻率下,改變電動機定子繞組的極對數,就可以改變旋轉磁場和轉子的轉速。若利用改變繞組的接法,使一套定子具備兩種極對數而得到兩個同步轉速,可得到單繞組雙速電機;也可以在定子內安放兩套獨立的繞組,從而做成三速或四速電機。為使轉子的極對數能隨定子極對數的改變而改變,變極電動機的轉子一般都是籠型。變極調速屬于有級調速,最多只能達到三、四極,而不能平滑地調速。1.1.2變頻調速改變電源頻率時,電動機的同步轉速和轉子轉速將隨之變化。如果電源頻率可以連續調節,則電動機的轉速就可以連續、平滑的調節。變頻調速時希望氣隙磁通Φm基本保持不變,這樣,磁路的飽和程度、激磁電流和電動機的功率因數均可基本保持不變。如果磁通太弱,沒有充分利用電動機的鐵心,是一種浪費。如果過分增大磁通,會使鐵心飽和,從而導致過大的勵磁電流,嚴重時會因繞組過熱而損壞電動機。根據三相異步電動機定子每相電動勢的有效值公式E1=4.44f1N1kw1Φm (2)式中 E1——氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效值; f1——供電頻率; N1——定子每相繞組串聯匝數; kw1——定子基波繞組系數; Φm——每極氣隙磁通量。故要保持Φm不變,應使定子端電壓與頻率成比例地調節,若忽略定子漏阻抗壓降,即使E1f1=U1f1=常值感應電機的變頻調速從調速范圍、平滑性、調速前后電機的性能等方面來看都很好,但需要專門的變頻電源。近年來,由于變頻技術的發展,變頻裝置的價格不斷降低,性能不斷提高。1.1.3變轉差率調速改變轉差率的調速在調速過程中均不改變異步電動機的同步轉速,而僅僅依靠改變轉差率來改變電機的速度,故其調速范圍是非常有限的,同時在低速時因轉差率太大,效率很低,因而這些方法均不能適應機車牽引中平滑、寬廣的調速要求。1.2 電力電子器件電力電子器件是對電能進行變換和控制的器件,目前所用的電力電子器件均由半導體制成,故也稱電力半導體器件。在發達國家中,大約60%的電能用于電動機,由此可知,電力電子器件在電機控制電路中最常見,若想更好的控制電動機,必須使用性能優越的電力電子器件。1.2.1門極可關斷晶閘管TGO自晶閘管問世后,相繼產生了很多派生器件,如快速晶閘管、雙向晶閘管、逆導晶閘管、光控晶閘管、門極可關斷晶閘管等。門極可關斷晶閘管可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷,故屬于全控型器件。它在三相橋式全控整流電路中作為開關器件,通過同步六脈沖發生模塊控制其通斷,改變觸發角的大小可以得到不同的電壓波形,從而實現整流。1.2.2絕緣柵雙極晶體管IGBT絕緣柵雙極晶體管綜合了電力晶體管GTR和電力場效應晶體管MOSFET的特點,因此具有開關速度快、驅動電路簡單、流通能力強等優點,通常用于三相橋式逆變電路中。通過脈沖寬度調制技術控制器通斷,從而實現逆變。1.3 變頻器如前所述,對于異步電機的變頻調速必須具備能夠同時控制電壓幅值和頻率的交流電源,而電網提供的是恒壓恒頻的工頻電源,因此應該配置變壓變頻器,他也稱變壓變頻(VVVF)裝置。從整體上看,變壓變頻器可以分為交-交和交-直-交兩大類。1.3.1交-交變頻器交-交變頻器的結構如圖1所示。它只有一個變幻環節,把恒壓恒頻(CVCF)的交流電源直接變換成VVVF輸出,因此又稱直接式變壓變頻器??此坪唵?,但所用的電力電子器件數量卻很多,總體設備相當龐大。其缺點是輸入功率因數較低,諧波電流含量大,頻譜復雜,因此必須配置濾波和無功補償設備。由于這類變頻器最高輸出頻率不超過電網頻率的1/3~1/2,所以一般用于大功率、低轉速的調速系統。1.3.2交-直-交變頻器交-直-交變壓變頻器的結構如圖2所示。它先將工頻交流電源通過整流器變換成直流電,再通過逆變器變換成可控頻率和電壓的交流電。由于這類變壓變頻器在恒頻交流電源和變頻交流輸出之間有一個“中間直流環節”,所以又稱間接式變壓變頻器。在早期的交-直-交變壓變頻器中,整流器采用半控型電力電子器件——晶閘管(SCR),組成可控整流器,實現整流與調壓;逆變器也采用晶閘管,實現逆變調頻。當全控型電力電子器件(GTO/IGBT)獲得廣泛應用后,出現了由開關器件組成的脈寬調制(PWM)逆變器,兼顧調壓與調頻,而整流器只需要二極管組成的不可控整流器就夠了。1.4 脈沖寬度調制技術PWM脈沖寬度調制技術是伴隨電力電子器件的發展而產生的一種開關技術,其在逆變電路中應用最廣泛,現在大量應用的逆變電路中,絕大部分是PWM型逆變電路,PWM控制技術正是有賴于逆變電路中的應用才會發展得比較成熟。從而確定了它在電力電子技術的重要地位。1.4.1 正弦脈沖寬度調制技術SPWM脈沖寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PW。省略部分。。電機空載到過載過程中電機的定子電流波形如圖10b所示,在啟動過程中隨轉速上升電流減小,0.5s加負載后電流迅速增大,定子電流為50Hz的方波。圖10c是電機轉矩響應波形,在起動中電機的轉矩有較大波動這與磁場從零開始建立有關,在0.3s時,電機的空載轉矩進本為零,0.5s加負載后,電機轉矩上升,0.6s后電機轉矩穩定在70N?m,與負載轉矩相平衡。4單片機控制系統的PROTEUS仿真Proteus ISIS是英國Labcenter公司開發的電路分析與實物仿真軟件??梢苑抡?、分析各種模擬器件和集成電路,且該軟件支持第三方的軟件編譯和調試環境,如Keil C51 μVision3軟件。Keil C51軟件是由Keil Software公司推出的單片機應用開發軟件,它支持不同公司MCS-51架構的芯片,同時集編輯、編譯和仿真等功能為一體,支持匯編、C語言的程序設計。4.1設計要求在Proteus軟件中,以MCS-51單片機為核心控制芯片,使用其他相關元器件搭建出頻率可變的三相正弦波發生電路及高頻三角波發生電路,最后將兩者比較以產生SPWM波形。系統可通過按鍵實現變頻調速,同時能夠測速、監視電動機的繞組溫度以實現對電動機的保護,并由液晶顯示器顯示出相關信息。在Keil C51軟件中編制相應的軟件程序進行調試,得出仿真結果。該系統調制方式采用分段同步調制,調制度為0.8,分段同步調制的輸出頻段和載波比由表1給出,為簡單起見,在每個頻段中選擇一個值作為調制波的頻率,調制波與載波頻率的關系曲線如圖11所示。表1 分段同步調制的技術要求輸出頻段fo/Hz載波比N調制頻率fr/Hz載波頻率fc/Hz07~102018160811~1414712176415~209916158421~296925172530~444535157545~6033501650圖11 分段同步調制時輸出頻率與開關頻率的開關曲線系統各模塊的原理圖使用Altium Designer軟件進行設計。4.2系統硬件設計4.2.1原理框圖基于單片機控制的變頻調速系統原理框圖如圖12所示。圖12 單片機控制異步電動機變頻調速系統原理圖4.2.2最小系統51系列單片機內部都有一個振蕩器,可通過引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器和微調電容,為單片機產生時鐘脈沖序列,本系統中使用的晶振頻率為11.0592MHz。在進行電路板設計時,需將晶振盡可能靠近單片機的引腳XTAL1和XTAL2。具體電路如圖13所示。圖13 單片機最小系統4.2.3穩壓電源由于本系統中會用到一些特殊的芯片,它們的供電電壓不盡相同,有±15V、±12V及+5V,為了提供這幾種不同電平的電壓,設計了一個穩壓電源電路,具體電路如圖14所示。該電路首先使用變壓器將交流220V電源降壓至22V,然后通過整流橋進行整流,最后通過78系列穩壓芯片進行穩壓,達到輸出對應電平的目的。圖14 穩壓電源電路4.2.4正弦波電路正弦波電路由數字計數器芯片4040、電可擦除只讀存儲器EPROM2732(4KB)、數模轉換芯片DAC0832、及運算放大器芯片MAX232組成。首先取出正弦函數一個周期內的1024個點,將它們按相位互差120°固化在EPROM2732中,然后計數器4040對單片機所產生的方波脈沖進行計數,所得的計數值作為地址對EPROM2732中存放的數據進行掃描輸出,這些數據通過DAC0832進行數模轉換,最后通過兩級放大器MAX232放大后輸出單相雙極性正弦波,改變單片機輸出方波的頻率即可實現輸出正弦波頻率的改變。具體電路如圖15所示。同理,三個與之相同的電路即可實現三相雙極性正弦波。輸出波形的幅值通過DAC0832芯片的參考電壓引腳控制。本系統中芯片的供電電壓為+5V。圖15 正弦波電路4.2.5三角波電路三角波電路是以單片集成函數發生芯片ICL8038為核心組成的,該芯片僅需要很少的外部元件就可以正常工作,可產生正弦波、三角波、方波,在本系統中該芯片只用于產生高頻三角波。其產生的三角波頻率可通過改變接入電容的大小來實現改變,具體計算方法為f=1RAC0.66?[1+RB(2RA-RB)] (7)若RA=RB=R,則有f=0.33RC (8)ICL8038系統所輸出三角波的幅值為芯片電源電壓的1/3,本系統中芯片的供電電壓為±15V,故輸出雙極性三角波,其幅值為±5V。本設計中可通過按鍵控制繼電器的通斷來改變接入電容的大小,六只繼電器所接的不同電容可滿足表1中分段同步調制對三角波頻率的要求。從而實現三角波變頻,具體電路如圖16所示。圖16 三角波電路4.2.6 SPWM發生電路該電路采用電壓比較器芯片MAX942來實現,同類型的芯片還有LM324。其產生SPWM波的接線方法為:三角波信號接芯片的負極,正弦波信號接芯片的正極,若正弦波幅值大于三角波幅值,則電壓比較器輸出高電平,反之亦然。由于本設計中逆變器為180°導通型,故同一橋臂上下兩只IGBT需要兩路相反的SPWM波,為得到相反的SPWM波,可通過非門芯片74LS04實現,具體電路如圖17所示。圖17 SPWM發生電路4.2.6溫度傳感器電路保護電路4.2.7光電編碼電路4.2.8聲光報警電路4.3系統軟件設計本系統的程序通過C語言編寫,并在Keil C51軟件中編譯通過。程序的設計包括單片機程序設計和EPROM程序設計,其中單片機所加載的文件為HEX文件,EPROM所加載的文件為BIN文件。4.3.1主程序設計根據所設計的硬件電路進行軟件設計,主要包括對按鍵進行掃描、液晶電路的顯示、輸出不同頻率的方波、控制繼電器的通斷、判斷電機的運行情況以決定是否報警。主程序流程圖如圖20所示。圖20 主程序流程圖4.3.2定時器程序設計在本系統中,通過使用定時器來實現方波的輸出。定時器有三種工作方式,具體情況見表2,為得到高頻三角波,本系統設置定時器0的工作方式為方式1,定時器的初值是通過查表程序裝載的。當單片機檢測到按鍵按下時,系統會根據按鍵被按下的次數自動裝載初值表中相應的數值。該初值表中的數據可使輸出正弦波的頻率滿足分段同步調制表中所設定的頻率。程序流程圖如圖21所示。圖21 定時器程序流程圖4.3.3 EPROM程序設計編譯環境為win-tc1.91,運行后在C盤下產生a.bin、b.bin、c.bin波形文件。程序中設置一個變量DOTS,改變DOTS的值,即可改變正弦波在一個周期內采集的點數,從而控制正弦波形的精度。本程序產生的是1024點的波形,其精度滿足要求。程序流程圖如圖22所示。4.4仿真結果5結論致謝參考文獻附錄1程序附錄2 總體電路圖附錄3 印刷電路板附錄3 元件清單.
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