通用變頻器的設計(已修改)

　

【正文】 ****大學畢業設計說明書摘 要使異步電動機實現性能好的調速一直是人們的理想,過去如變極調速、繞線轉子異步電動機轉子回路串電阻調速均屬于有級調速；而調壓調速雖能平滑調速,但調速范圍不大,耗能多,僅限于小功率,無法和直流調速系統相比。隨著新技術、新理論的不斷發展,變頻調速技術應運而生,其控制方式完全可以和直流調速系統相媲美。因此變頻器的應用日益廣泛，變頻器性能的優劣直接影響著電機的運行特性，所以如何提高變頻器的優化控制成為變頻技術的關鍵。在變頻調速中關鍵的一項就是控制端SPWM波的產生,它不僅要求電壓和頻率變化呈線性關系,而且要求輸出波形盡可能接近于正弦波,特別是對于一些性能指標要求較高的全控型開關器件如IGBT等,其開關頻率很高,因此就要求SPWM波發生器要達到一定的開關頻率,基波頻率也要求相對較高。為了解決這個問題,可以利用SLE4520這塊集成芯片,來生成滿足要求的SPWM波。本設計就是利用AT89C51單片機作為控制主機，與三相PWM集成芯片SLE4520配合工作，設置一種SPWM波生成的算法，通過單片機的定時模塊產生脈沖，并將其送入SLE4520中，最后將SPWM脈沖送至逆變橋臂上下的IGBT中來控制逆變電路。本設計的優勢在于可以通過鍵盤/顯示來進行變頻器的智能控制。在不同的工作狀態下，可以顯示不同的數據，再配合上各種故障保護電路，可以使得變頻器安全的工作。關鍵詞：SLE4520 單片機 SPWM脈沖ABSTRACTTo achieve good performance asynchronous motor speed is ideal, such as speed regulating pole change motor rotor asynchronous and winding speed rotor circuit resistance of all belong to have stepless speed regulation, And although speed regulating speed can be smooth, but not more than energyconsuming, speed limits, only small power, pared with dc speed control system. With the new technology, the new theory of frequency conversion technology unceasing development, the control mode, and can pletely Dc speed control system. But in the frequency conversion control is one of the key is the wave of SPWM not only requires the voltage and frequency variation, and the requirements of a linear relationship between output waveform in sine as close as possible, especially for some performance index to demand higher allcontrolling switching device IGBT etc, such as the high frequency switching, so requires SPWM wave generator to reach a certain switching frequency wave frequency also require relatively high. In order to solve this problem, you can use SLE4520 this integration chip, to meet the requirements of SPWM wave design is to use AT89C51 as host, and threephase PWM control SLE4520 integrated chips, setting an SPWM wave generated by MCU timing algorithms, and will produce pulses module to SLE4520, finally will SPWM inverter pulse to bridge the arm upperandlower IGBT inverter circuits to control. The design of the keyboard/strengths can display for converter intelligent control. In different working conditions, can show the different data, bined with the various fault protection circuit, can make the job security. Keywords：SCM（Single Chip Microputer） SLE4520 SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)目 錄摘 要 IABSTRACT II1 緒論 1 交流電動機調速發展現狀 1 SPWM控制技術介紹 3 本系統設計的主要內容及意義 42 變頻器應用電路 5 變頻器的發展動向及技術指標 5 變頻器的發展情況 5 變頻器技術的發展趨勢 7 變頻器的技術指標 8 變頻器結構與功能 9 變頻器主電路結構及功能 9 變頻器控制電路結構及功能 15 SPWM脈沖生成原理 173 變頻器V/F控制技術 20 V/F控制的原理 20 V/F曲線的選擇 20 轉速開環的V/F控制方式 21 轉速閉環的V/F控制方式 234 變頻器硬件電路設計部分 25 變頻器主電路設計 25 變頻器控制電路設計 26 AT89C51單片機 26 SLE4520集成芯片 27 通用鍵盤顯示電路 32 ADC0809模/數轉換芯片與AT89C51的接口 36 存儲器EPROM2764和EEPROM2864的擴展技術 39 以速度為控制對象的變頻器 405 變頻器系統軟件框架的構建 43 主程序流程圖 43 單片機與SLE4520相結合形成SPWM脈沖 44 8279通用鍵盤和顯示電路軟件設計 49 變頻器運行過程中參數調整模塊設計 56 變頻器采樣及故障檢測模塊設計 57 定時器中斷模塊設計 58總 結 59致 謝 60參考文獻 611 緒論 交流電動機調速發展現狀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；二是根據生產機械的工藝要求控制和調節電動機的旋轉速度。電動機的調速性能好壞對提高產品質量、提高勞動生產率和節省電能有著直接的決定性影響。電動機和控制裝置一起合成電力傳動自動控制系統。以直流電動機作為控制對象的電力傳動自動控制系統稱之為直流調速系統。以交流電動機作為控制對象的電力傳動自動控制系統稱之為交流調速系統。根據交流電機的類型，相應有同步電動機調速系統和異步電動機調速系統。由于直流電動機的轉速容易控制和調節，采用轉速、電流雙閉環直流調速系統可獲得優良的靜、動態調速特性。因此，長期以來在變速傳動領域中，直流調速一直占據主導地位。但是，由于直流電動機的機械式換向器和電刷存在以下弱點，這給直流調速系統帶來了不足。① 機械式換向器表面線速度及換向電流、電壓有極限容許值，這就限制了電機的轉速和功率。如果要超過極限容許值，則會極大的增加電機制造難度和成本，并使得調速系統趨于復雜。② 機械式換向器必須經常檢查和維修，電刷必須定期更換，使得直流調速系統維修工作量大，維修費用高，也直接影響設備正常的生產。③ 在易燃 、易爆、多粉塵、多腐蝕性氣體的生產場合更不宜使用直流電動機。由此可見，這將使得直流調速系統的應用受到限制。然而，采用無換向器的交流電動機組成的交流調速系統代替直流調速系統可以突破這些限制，滿足生產發展對調速傳動的各種不同的要求。交流電動機，特別是鼠籠型異步電動機，具有結構簡單、制造容易、堅固耐用、轉動慣量小、運行可靠、很少維修、使用環境及結構發展不受限制等優點。但是長期以來由于受科技發展的限制，把交流電動機作為調速電機所存在的問題未能得到較好的解決，只有一些調速性能差、低效耗能的調速方法，如:① 繞線式異步電動機轉子外串電阻及機組式串級調速方法。② 鼠籠式異步電動機定子調壓調速方法(自禍變壓器、飽和電抗器)及后來的電磁(滑差離合器)調速方法。20世紀60年代以后，由于生產發展的需要和節省電能的要求，促使世界各國重視交流調速技術的研究與開發。尤其是20世紀70年代以后，由于科學技術的迅速發展為交流調速的發展創造了極為有利的技術條件和物質基礎。從此，交流調速理論及應用技術得到了較快的發展，大致體現在以下幾個方面。1. 電力電子器件的蓬勃發展促進了交流技術的迅速發展和交流調速裝置的現代化電力電子器件是現代交流調速裝置的支柱，其發展直接決定和影響交流調速的發展。20世紀80年代以前，變頻裝置功率回路主要采用晶閘管元件。裝置的效率、可靠性、成本、體積均無法與同容量的直流調速裝置相比。80年代中期以后用第二代電力電子器件GTR,GTO,VDMOSIGBT等制造的變頻裝置在性能與價格比上可以與直流調速裝置相媲美。隨著電力電子器件向大電流、高電壓、高頻化、集成化、模塊化方向的繼續發展，第三代電力電子器件是20世紀90年代制造變頻器的主流產品，中、小功率的變頻調速裝置(I1000KW)主要是采用IGBT，中、大功率的變頻調速裝置(1000IOO OOKW)采用GTO器件。20世紀90年代末至今，電力電子器件的發展進入了第四代。如:高壓IGBT、IGCT、IEGT、SGCT等。2. 脈寬調制(PWM)技術脈寬調制(PWM)技術的發展和應用優化了變頻裝置的性能，為交流調速技術的普及發揮了重大作用。脈寬調制技術種類很多，并且正在不斷發展之中。基本可分四類，即等寬PWM法、正弦PWM法、磁鏈追蹤型PWM法及電流跟蹤型PWM法。近年來，新型全數字化專用PWM生成芯片HEF4752,SLE4520,MA818等達到實用化，并己經實際應用。3. 微型計算機控制技術與大規模集成電路的迅速發展和廣泛應用為現代交流調速系統提供了重要的技術手段和保證早期的交流調速系統的控制器〔或系統的控制回路)多為由模擬電子電路組成。近十幾年來，由于微機控制技術，特別是以單片機及數字信號處理器DSP為控制核心的微機控制技術的迅速發展和廣泛應用以及大規模集成電路的應用，促使交流調速系統的控制回路由模擬控制轉向數字控制。當今模擬控制器己被淘汰，全數字化的交流調速系統已經得到普遍應用。微機控制技術及大規模集成電路的應用提高了交流調速系統的可靠性和操作、設置的多樣性和靈活性，降低了變頻調速裝置的成本和體積。以微處理器為核心的數字控制已經成為現代交流調速系統的主要特征之一。用于交流調速系統的微處理器發展情況如下:(1)單片機就組成而言，一片單片機芯片就是一臺計算機，大大縮小了控制器的體積，降低了成本，增強了功能。隨著單片機性能的不斷提高，單片機具有了豐富的硬件資源和軟件資源。然而，單片機對大量數據處理或浮點運算能力有限，因此有待于進一步提高運算速度。(2)數字信號處理器(DSP)為了提高運算速度，在20世紀80年代初期出現了數字信號處理器，其中采取了一系列措施，包括集成硬件乘法器、提高時鐘頻率、支持浮點運算等，以提高運算速度。近幾年來，將DSP作成磁芯，把PWM生成、A/D變換器等集成于一個芯片上，使其功能更加強大，應用更為廣泛。 SPWM控制技術介紹正弦波脈寬調制（SPWM）技術在變頻器中得到廣泛的應用。SPWM變頻器調壓調頻一次完成，整流器無需控制，簡化了電路結構，而且由于以全波整流代替了相控整流，因而提高了輸入端的功率因數，減小了高次諧波對電網的影響。此外，由于輸出波形由方波改進為PWM波，減少了低次諧波，從而解決了電動機在低頻區的轉矩脈動問題，也降低了電動機的諧波損耗和噪聲。PWM技術的應用是變頻器的發展主流。SPWM的調制原理是使變頻器的輸出脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區間內面積相等，改變調制波的頻率和幅值即可調節逆變器輸出電壓的頻率和幅值。SPWM變頻器的輸出電壓雖然接近于正弦波，但感應電動機本身因為氣隙磁通、轉速與轉子電流是強藕合的，所以調速性能不如直流電動機，采用矢量控制技術可提高其調速性能。矢量控制的原理是采用坐標變換的方法，以產生相同的旋轉磁勢和變換后功率不變為準則，建立三相交流繞組，兩相交流繞組和直流繞組三者之間的等效關系，從而求出與交流電機等效的直流電機模型，即實現交流電動機的解耦，以便按照對直流電動機的控制方法對交流電動機進行控制，矢量控制要求由磁通觀測器測出實際轉子磁鏈幅值及相位，因此如何利用先進理論和技術實現轉子磁鏈位置的精確觀測是矢量控制技術的重要課題。 本系統設計的主要內容及意義畢業設計的主要內容：設計一種較為通用的變頻器，在變頻調速控制系統的設計中，控制器采用AT89C51單片機，對變頻的控制算法進行分析設計，利用恒壓頻比方式控制變頻器工作，得出程序算法的流程圖和硬件電路設計圖。論文主要結構安排：第一章，概論，敘述調速技術與變頻的新思想；第二章，介紹變頻器發展態勢及變頻器應用電路的結構等內容；第三章，講述V/f控制原理及其實現方案；第四章，對設計中用到的芯