基于mcs-51系列单片机的交流电机变频调速系统的设计

基于mcs-51系列单片机的交流电机变频调速系统的设计内容摘要：

谐波。 线电压控制 PWM 前面所介绍的各种 PWM 控制方法用于三相逆变电路时，都是对三相输出相电压分别进行控制的，使其输出接近正弦波，但是，对于像三相异步电动机这样的三相无中线对称负载，逆变器输出不必追求相电压接近正弦，而可着眼于使线电压趋于正弦。 因此，提出了线电压控制 PWM，主要有以下两种方法。 马鞍形波与三 角波比较法 马鞍形波与三角波比较法也就是谐波注入 PWM 方式 (HIPWM)，其原理是在正弦波中加入一定比例的三次谐波，调制信号便呈现出马鞍形，而且幅值明显降低，于是在调制信号的幅值不超过载波幅值的情况下，可以使基波幅值超过三角波幅值，提高了直流电压利用率。 在三相无中线系统中，由于三次谐波电流无通路，所以三个线电压和线电流中均不含三次谐波。 除了可以注入三次谐波以外，还可以注入其他 3 倍频于正弦波信号的其他波形，这些信号都不会影响线电压。 这是因为，经过 PWM 调制后逆变电路输出的相电压也必然包含相应的 3 倍频于正弦波信 号的谐波，但在合成线电压时，各相电压中的这些谐波将互相抵消，从而使线电压仍为正弦波。 单元脉宽调制法 因为，三相对称线电压有 Uuv+Uvw+Uwu=0 的关系，所以，某一线电压任何时刻都等于另外两个线电压负值之和。 现在把一个周期等分为 6 个区间，每区间60176。 ，对于某一线电压例如 Uuv，半个周期两边 60176。 区间用 Uuv 本身表示，中间 60176。 区间用 (Uvw+Uwu)表示，当将 Uvw和 Uwu 作同样处理时，就可以得到三相线电压波形只有半周内两边 60176。 区间的两种波形形状，并且有正有负。 把这样的电压波形作为脉宽 调制的参考信号，载波仍用三角波，并把各区间的曲线用直线近似 (实践表明，这样做引起的误差不大，完全可行 )，就可以得到线电压的脉冲波形，该波形是完全对称，且规律性很强，负半周是正半周相应脉冲列的反相，因此， 只要半个周期两边 60176。 区间的脉冲列一经确定，线电压的调制脉冲波形就唯一 的确定了。 这个脉冲并不是开关器件的驱动脉冲信号，但由于已知三相线电压的脉冲工作模式，就可以确定开关器件的驱动脉冲信号了。 该方法不仅能抑制较多的低次谐波，还可减小开关损耗和加宽线性控制区，同时还能带来用微机控制的方便，但该方法只适用于异步 电动机，应用范围较小。 电流控制 PWM 电流控制 PWM 的基本思想是把希望输出的电流波形作为指令信号，把实际的电流波形作为反馈信号，通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断，使实际输出随指令信号的改变而改变。 其实现方案主要有以下 3 种。 滞环比较法 这是一种带反馈的 PWM 控制方式，即每相电流反馈回来与电流给定值经 过滞环比较器，得出 的 相应桥臂开关器件的开关状态，使得实际电流跟踪给定电流的变化。 该方法的优点是电路简单，动态性能好，输出电压不含特定频率的谐波分量。 其缺点是开关频率不固定造 成较为严重的噪音，和其他方法相比，在同一开关频率下输出电流中所含的谐波较多。 三角波比较法 该方法与 SPWM 法中的三角波比较方式不同，这里是把指令电流与实际输出电流进行比较，求出偏差电流，通过放大器放大后再和三角波进行比较，产生PWM 波。 此时开关频率一定，因而克服了滞环比较法频率不固定的缺点。 但是，这种方式电流响应不如滞环比较法快。 预测电流控制法 预测电流控制是在每个调节周期开始时，根据实际电流误差，负载参数及其它负载变量，来预测电流误差矢量趋势，因此，下一个调节周期由 PWM 产生的电压矢量必将减小所预测的误差。 该方法的优点是，若给调节器除误差外更多的信息，则可获得比较快速、准确的响应。 目前，这类调节器的局限性是响应速度及过程模型系数参数的准确性。 空间电压矢量控制 PWM 空间电压矢量控制 PWM(SVPWM)也叫磁通正弦 PWM 法。 它以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，由它们的比较结果决定逆变器的开关，形成 PWM 波形。 此法从电动机的角度出发，把逆变器和电机看作一个整体，以内切多 边形逼近圆的方式进行控制，使电机获得幅值恒定的圆形磁场 (正弦磁通 )。 具体方法又分为磁通开环式和磁通闭环式。 磁通开环法用两个非零矢量和一个零矢量合成一个等效的电压矢量，若采样时间足够小，可合成任意电压矢量。 此法输出电压比正弦波调制时提高 15%，谐波电流有效值之和接近最小。 磁通闭环式引入磁通反馈，控制磁通的大小和变化的速度。 在比较估算磁通和给定磁通后，根据误差决定产生下一个电压矢量，形成 PWM 波形。 这种方法克服了磁通开环法的不足，解决了电机低速时，定子电阻影响大的问题，减小了电机的脉动和噪音。 但由于未引入转 矩的调节，系统性能没有得到根本性的改善。 矢量控制 PWM 矢量控制也称磁场定向控制，其原理是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流 Ia， Ib 及 Ic，通过三相 /二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流 Ia1及 Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1 及 It1(Im1 相当于直流电动机的励磁电流； It1 相当于与转矩成正比的电枢电流 )，然后模仿对直流电动机的控制方法，实现对交流电动机的控制。 其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场两个分量进行独立控制。 通过 控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。 但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的不足。 此外 ，它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统中需要配置转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。 直接转矩控制 PWM 直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制 ，它也不需要解耦电机模型，而是在静止的坐标系中计算电机磁通和转矩的实际值，然后，经磁链和转矩的 BandBand控制产生 PWM 信号对逆变器的开关状态进行最佳控制，从而在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，能方便地实现无速度传感器化，有很快的转矩响应速度和很高的速度及转矩控制精度，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。 但直接转矩控制也存在缺点，如逆变器开关频率的提高有限制。 非线性控制 PWM 单周控制法又称积分复位控制 (Integration Reset Control， 简称 IRC)，是一种新型非线性控制技术，其基本思想是控制开关占空比，在每个周期使开关变量的平均值与控制参考电压相等或成一定比例。 该技术同时具有调制和控制的双重性，通过复位开关、积分器、触发电路、比较器达到跟踪指令信号的目的。 单周控制器由控制器、比较器、积分器及时钟组成，其中控制器可以是 RS 触发器。 单周控制在控制电路中不需要误差综合 ,它能在一个周期内自动消除稳态、瞬态误差，使前一周期的误差不会带到下一周期。 虽然硬件电路较复杂，但其克服了传统的 PWM 控制方法的不足，适用于各种脉宽调制软开关逆变器，具有反 应快、开关频率恒定、鲁棒性强等优点。 第 四 章 系统的硬件设计 变频调速技术是近 20年内发展起来的一门新技术。 随着电力电子技术的日益发展和 PWM控制技术的成熟 , 利用电机的转速和输入电源的频率是线性关系这一原理 , 将 50Hz 的交流电通过整流和逆变转换为频率可调的电源 , 供给异步电动机 ,实现调速的目的。 利用单片机组成的变频调速控制器可以实现从低频 (1～2Hz) 起动到 50Hz ,可以消除以往工频 50Hz 直接起动对电机的冲击 , 延长电机的使用寿命 ,同时由于变频器的输出电压可以自适应调节 , 使负 载电机可以工作在额定电压以下 ,不仅节能且可延长电机的使用寿命。 系统工作原理 交流变频调速系统原理框图如图 所示，从结构上主要分为控制部分和执行部分。 单片机、时钟电路、通讯接口、键盘与显示电路、光电耦合、 IPM 逆变器、整流模块、转速检测和故障检测、报警电路等组成。 执行部分为三相异步交流电动机。 图 基于 8051 的变频调速系统原理方框图 系统的工作原理为 ： 电机的转速由转速传感器转换成矩形脉冲信号，经光电隔 离后进入单片机计数器，由计数器值获得电机的实际转速，与设定转速比较，人机接口电路 光电隔离 相电流检测测 转速检测 计算机 8051 整流电路 检测电路 滤 波 电 路 逆变及驱动电路 M 经 FuzzyPID 控制 器调节后，单片机产生的 PWM 波经 6N137 线性光耦进行电气隔离后作用于逆变模块 IPM（ intelligent power module），实现电机的闭环变频调速。 霍尔电流、电压传感器将检测到的逆变模块的三相输出电流、电压信号，经采样保持后进入单片机，完成 A/D 转换后，由 CPU 进行处理。 逆变模块工作时所需要 的直流电压信号由整流电路对 380V 电源进行全桥整流得到。 基于 8051 的变频调速系统的总体设计方案方框图如图 所示。 本系统采用 TI 公司的 TMS320LF2407A 为控制核心，逆变驱动电路芯片采用美国国际整流公司的 IR2I32。 主要由主电路（整流电路、逆变和逆变驱动电路、检测电路、滤波电路）、光电隔离电路、过压保护电路、 8051 控制电路和人机接口电路组成。 SPWM 技术原理 SPWM 技术的基本原理是利用一个三角波载波和一个正弦波进行比较，得到一个宽度按正弦规律变化的脉冲序列，用它们来驱动逆变 器开关管的开关转换。 由微控制器来实现 SPWM 波形的方法有表格法、随时计算法和实时计算法，但前两种无实时处理能力。 采用实时计算法要有数学模型，其中一种较为常用的是采样型 SPWM 法，它分为自然采样法、对称规则采样法和不对称规则采样法。 典型的单 极性对称规则采样法， 在三角波的峰值时刻采样正弦调制 波并将采样值保持，分别取保持值和三角波交点作为脉冲宽度时间。 若 Ts 为三角波的周期，同时也是采样周期； Ur 为三角波的高，正弦波为 Ucsinωt。 根据三角形相似关系，得到rcT U wtUtSsin2on  所以 ， wtMTt son  ， 其中 ， M=Uc/Ur 为调制比 ， t 为采样点（这里为顶点采样）的时刻。 则脉冲宽度为 wtMTT SPM sin ， 采样点时刻 t只与载波比 N 有关。 在对称规则采样情况下，只要知道采样点时刻 t 就可以确定这个采样周期内的脉冲宽度 TPM和时间间隔 Toff，从而可以计算出 SPWM 波形高、低脉冲的宽度。 C8051 实现 SPWM 波形的原理及算法 (1) C8051F 系列单片机 PCA 简介 C8051F 系列单片机都具有一个可编程计数器阵列 PCA，以 C8051F040 为例，PCA 包含 1 个专用的 16 位计数器 /定时器和 6 个 16 位捕捉 /比较模块，可以输出 6 路 PWM 波形。 如图 2 所示， 16 位 PCA 专用计数器 /定时器的时基信号可有多种选择，可通过配置相关的系统控制器的特殊功能寄存器 （ SFR） 来实现。 每个捕捉 /比较模块有自己的 I/O 线 CEXn，可通过配制交叉开关寄存器 （ XBR0） 将每个模块的 I/O 线连接到端口 I/O；每个模块都可配制为独立工作，有四种工作方式：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出或脉宽调制器。 本文中，产生频率可变的 SPWM 波形是使用了捕捉 /比较模块的高速输出工作方式 ，其原理如下： 当 PCA 的 16 位计数器 /定时器 PCA0H（高 8 位）和 PCA0L（低 8 位）与16 位捕捉 /比较模块寄存器 PCA0CPHn（高 8 位）和 PCA0CPLn（低 8 位）发生匹配时，模块的 CEXn 引脚上的逻辑电平将发生跳变，并产生一个中断请求，即将控制寄存器 PCA0CN 中相应的 CCFn 位置位，当 CCF 中断被允许时， CPU 将转向 CCF 中断服务程序。 如果将相应模块的 I/O 线 CEXn 连接到端口 I/O，单片机相应端口输出电平即发生变化，这就可实现 PWM 脉冲的高、低电平输出。 置位 PCA0CPMn 寄存器中的 TOGn、 MATn、 ECOMn 和 ECCFn 位，将允许高速输出方式，同时允许 CCF 中断。 (2) SPWM 波形生成方法 利用 C8051 的 PCA 计数器产生 SPWM 波形的基本原理是：在高速输出并且允许 CCF 中断方式下，不断在 CCF 中断服务程序中将事先计算好的 SPWM 波形的脉冲宽度累加到捕捉 /比较模块寄存器 PCA0CPn（高 8 位 PCA0CPHn 和低 8位 PCA0CPLn）中，这样在捕捉 /比较模块寄存器和计数器 /定时器相匹配时就得到相应的 SPWM 波形不断交替的高低电平。 如果选用捕捉 /比较模块 0 输出此路 SPWM，则首先将 l0 装入。