通用變頻器的設計-wenkub

　

【正文】 方式），其優點是控制結構簡單，成本較低，缺點是系統性能不高，職能應用于調速精度要求不高的場合，如風機、水泵的控制等。正是變頻器應用范圍的不斷擴大，其產品正向三個方面發展變化：其一，向無需調整便能得到最佳運行的多功能與高性能型變頻器方向發展；其二，向通過簡單控制就能運行的小型及操作方便的變頻器方向發展；其三，向大容量、高起動轉矩及具有環境保護功能的變頻器方向發展。功率小到數百瓦大至數千瓦，功能簡易或復雜，精度低或高，響應慢或快等。變頻器的產生，使得交流調速取代直流調速成為可能。 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。PWM技術的應用是變頻器的發展主流。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。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。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。脈寬調制技術種類很多，并且正在不斷發展之中。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。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。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。由此可見，這將使得直流調速系統的應用受到限制。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。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。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。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。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。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。電動機和控制裝置一起合成電力傳動自動控制系統。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。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。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。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。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。20世紀90年代末至今，電力電子器件的發展進入了第四代。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。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。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。 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。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，對設計中用到的芯片及器件進行介紹，并簡單敘述一下硬件部分電路原理圖；第五章，進行SPWM控制算法及軟件編程算法的分析與設計。這也是目前發展最為迅速的技術之一。 變頻器的發展情況自20世紀80年代初變頻器問世以來，變頻器在不斷發展完善，現在已大量應用于各行各業。變頻器的主電路使用的都是高電壓（在交流220V以上）、大電流的電力電子器件作為開關器件，因此電力電子器件是變頻器發展的基礎。具體來說，其控制曲線隨著負載變化而變化；轉矩響應慢，電動機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而使性能下降，穩定性變差。 第三階段：1985年德國魯爾大學狄普布洛克（Depenbrock）教授和日本塔卡哈什（Takahashi）等人先后提出直接轉矩控制理論（Direct Torque Control，簡稱DTC）。 控制技術的發展完全得益于微處理器技術的發展。從最初采用模擬電路完成三角調制波和參考正弦波比較，產生正弦脈寬調制SPWM信號以控制功率器件的開關開始，到目前采用全數字化方案，完成優化的實時在線的PWM信號輸出，PWM在各種應用場合仍占主導地位，并一直是人們研究的熱點。這就是說，變頻器的小型化除了出自支撐部件的安裝技術和系統設計的大規模集成化外，功率器件發熱的改善和冷卻技術的發展已成為小型化的重要因素。如用于恒壓供水、機械主軸傳動、電源再生，紡織、機車牽引等的專用系列。一般變頻器輸入側的額定值有以下幾種：(1) 380V/50Hz/三相(2) 230V/50Hz或60Hz/三相(3) 200230V/50Hz/單相（1）輸出電壓UN（V）（2）輸出電流IN（A）（3）輸出容量SN（KV（2）頻率精度 變頻器實際輸出頻率與設定頻率之間的最大誤差與最高工作頻率之比的百分數來表示。（3）直接轉矩控制方式，是目前最新的控制方式。（3） 開關量輸入（DI）用作變頻器的起停、正反轉、多種速度選擇功能。主電路所使用的器件都是高電壓（一般工作在AC220V以上）大電流，屬于強電部分。通用變頻器基本結構如圖2—1所示。帶有阻容吸收電路和二極管續流的晶體管VT1—VT6組成逆變電路，將整流、濾波后的直流電通過PWM調制技術轉換為頻率、電壓可調的交流電。要改變等效輸出正弦波的頻率和幅值，可以采用正弦波和三角波比較的方法。控制波形如圖2—5所示，如果在正弦調制波半個周期內，三角載波在正負極性之間連續變化，則SPWM波也是在正負之間變化，叫做雙極性控制方式，控制波形如圖2—6所示。如圖2—7所示，為不可控橋式整流電路，大部分通用變頻器屬于此種類型。因此，必須對整流電路的輸出進行濾波，以減少電壓或電流的波動。采用大電容濾波后再送給逆變器，這樣可以使加于負載上的電壓值不受負載變動的影響，基本保持恒定。圖2—10為電流型變頻器的電路框圖。一般RB通過變頻器接線端外接。（3）逆變電路使用的開關器件 對電動機來說，所提供的電壓越接近正弦越好，否則會有諧波干擾和機械振動。 變頻器控制電路結構及功能由圖2—1可見，常用變頻器控制電路包括：信號輸入輸出部分、中心控制單元、驅動電路、檢測保護電路、通信接口、控制電源等6部分。3）模擬量輸入接口接收外部參數，如頻率設定、速度反饋信號燈。各種信號接口電路都在系統板上，系統板上的微處理器的控制程序存儲在存儲器中，用戶設置參數可以改變程序的計算參數和結構。5. 控制電源變頻器的控制電源為所有的控制電路提供電源。驅動電路設計時應注意以下幾點：①能將主電路和控制電路完全電氣隔離，實現高低壓分離；②能夠提供足夠的電壓或電流，可靠的開關功率器件； ③能傳遞幾十KHz的脈沖信號；④電路盡可能簡單，工作可靠，有較強的抗干擾能力。如圖2—12所示。從圖中可得于是通過這樣的采樣方式和計算公式，便可以用計算機實現SPWM控制方式。根據載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM調制方式分為異步調制和同步調制。2)同步調制：載波比N等于常數，并在變頻時使載波和信號波保持同步。變頻調速是以變頻器向交流電動機供電，并構成開環或閉環系統，對于異步電動機，其轉速表達式為： （3—1）：電動機實際轉速 ：定子供電頻率 ：極對數 ：同步轉速：轉差率，改變就可以改變電機的同步轉速，從而達到改變的目的。基本U/f線給出了與額定電壓對應的基本頻率的大小，是對U/f的比值進行調整時的基準線。適用于對動態性能要求不高的單片機或多電機的驅動。圖3—3 使用PWM電壓型逆變器的異步電機轉速開環V/f控制在上圖中，為逆變器的頻率指令，為使磁通保持一定，電壓指令要與頻率成正比變化，圖中電壓指令由頻率指令經過增益G產生。電機減速過程與加速過程相仿，可以降低來減速。圖示的電流型逆變器就是電壓控制模式，加有輸出電壓控制閉環，同時保持了電流型逆變器容易實現再生制動和四象限運行以及上下橋臂發生貫穿短路時開關元件不易損壞的特點。轉速閉環控制的靜態特性優于轉速開環控制，可以使整個調速范圍的調速性能一致，改善系統的穩定性。當速度指令突然增加時，電機電流迅速上升到電流限制值，由于電流限制信號的作用使逆變器的電壓和頻率指令能逐步增長，讓電機轉速跟上頻率的增長，不至于使轉差頻率超過最大轉矩對應的轉差頻率。中間電路一般采用電容進行濾波，以提高整流效果。圖中，SLE4520為PWM專用集成電路，輸出三相SPWM波，然后通過光耦驅動接入逆變電路，驅動電機工作。具體硬件電路圖見附錄。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收、輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。因此，適用于IGBT變頻器或其他中頻電源變頻器。 ②P7～PO（4腳～11腳）為8位數據輸入端，與8位CPU的數據總線相接。 ④ALE（25腳），為來自微機的地址鎖存允許脈沖信號輸入端，與微機的ALE相連。(2) 5個控制端 ①CLEAR STATUS(21腳)及SET STATUS(22腳)，為通斷狀態觸發器的兩個輸入端，即清零端與置位端，可接保護電路的輸出或接微機的輸出。 ③CS（26腳），為SLE4520的片選信號輸入端，可與微機系統的譯碼電路輸出端相連。(3) 8個輸出端 ①PHl/1 (18腳)、PHl/2（17腳）、PH2/1（16腳）、PH2/2（14腳）、PH3/1（13腳）、PH3/2（12腳），分別為變頻器U、V、W三相上、下橋臂開關器件的控制信號輸入端，接三相變頻器驅動電路的輸入端，提供驅動三相變頻器的SPWM信號。 ②Uss（15腳），為電源負端，接地。然后，根據地址譯碼，由微機輸出的SPWM脈寬數據分別寫入3個8位數據鎖存器。 (3)開關頻率的選擇 減1計數器的減法速度由4位預分頻器及可編程分頻器控制。位移寄存器的時鐘，即延遲時鐘的頻率是由在可編程分頻器的分頻控制寄存器中設置的數值來決定的。輸出級電流可達20mA，可直接驅動TTL電路或者隔離用的光耦。在開始工作時，封鎖輸出是很重要的。 　封鎖輸出的另一方法是將狀態觸發器的置位端SET STATUS（22腳）加一高電平。 通用鍵盤顯示電路圖4—5 8279芯片管腳圖通用鍵盤顯示電路采用Intel公司生產的通用可編程鍵盤和顯示器的接口電路芯片8279。 1. 8279芯片的信號引腳及功能8279采用40腳雙列直插式封裝，引腳封裝形式如上圖4—5所示其中：DB0～DB7：雙向數據總線。：芯片選擇信號，低電平有效。=0，8279會送數據至外部總線。在鍵盤工作方式中，當FIFO傳感器RAM中有數據時為“1”，CPU每讀一次就變為0，如果RAM中仍有數據則IRQ又變為“1”。SHIFT：移位信號輸入線，高電平有效。通常用來擴充鍵開關的控制功能，作為控制功能鍵用。：消隱輸出線,低電平有效，當顯示器切換或使用顯示消隱命令時，將顯示器消隱。當有鍵閉合時，IRQ變為高電平，可以通過中斷或查詢方式讀取鍵值。LED顯示器是由發光二極管組成的顯示器件，其外形、引腳及結構如下圖4—7所示圖4—6 單片機與8279通用鍵盤顯示接口電路 圖4—7 LED顯示器的結構8段LED顯示器由8個發光二極管組成，其中，7個條形發光二極管排列成“日”字形，另一個圓點形的發光二極管位于顯示器的右下角，用作顯示小數點。如圖4—2—6 (b)所示。時對應的“數據”為00111111（3FH），這里的數據“3FH”常被稱為字形碼，有的書上稱之為“段碼”，顯然，將共陽極LED的段碼按位取反即可得到共陽極LED的段碼。 ADC0809模/數轉換芯片與AT89C51的接口1. ADC0809芯片說明ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A／D轉換器，它由8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關樹型D／A轉換器、逐次逼近寄存器、三態輸出鎖存器等其它一些電路組成。 　　START： A／D轉換啟動信號，輸入，高電平有效。　　CLK：時鐘脈沖輸入端。通道選擇如表3所示。 （4）在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。如果單片機時鐘頻率采用6MHz，則ALE腳的輸出頻率為1MHz ，二分頻后為500K