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基于单片机的交流电机变频调速系统的设计【摘要】本课题主要是研究电压型三相交流SPWM变频技术的基本原理、实现方法及软硬件设计，完成系统的软硬件设计。要求完成内容主要有：1、变频调速技术基本原理2、变频调速基本原理3、控制方案确定4、软件与硬件设计。涉及的主要相关知识：电力电子及运动控制、微机控制。在通常情况下交流异步电动机用作调速机时，它的控制电路复杂，系统的效率较低。采用单片机微机控制的交流异步电动机变频调速系统使起控制电路大为简化，使用正弦脉宽调制（SPWM）驱动，系统效率也有所提高。交流异步电动机的变频调速，实际中多采用脉冲宽度调制（PWM），完成调频和调压两种功能。用单片机实现（PWM）来控制可使调节灵活，电路简化。本设计采用的MCS51系列的单片微机控制PWM。传统的交流变频调速系统由正弦波和锯齿波相交产生所需的脉宽调制波实现恒压额比的变频调速控制。这种系统由于采用模拟控制，设备复杂、调整困难，且控制精度低，可靠性差，因而限制了这种系统的应用。与上述传统的系统相比，本系统具有如下特点：采用新型大规模专用集成电路产生脉宽调制波，使波形稳定，精度和可靠性显著增加。以单片机8031CPU为核心的全数字控制．电路简单，调整迅速，进一步提高了控制精度。【关键词】电压型三相PWM整流器；变频调速；单片机；交流电机【ABSTRACT】FocusisStudyingSPWMthree-phasevoltage-typeACinverterwiththefundamentalprinciplesinthispaper,anddesigningthemethodsandsoftwareandhardware,andcompletesystemsoftwareandhardware.Themaincompletionon:1.thebasicprinciplesofVVVFtechnology2.thebasicprinciplesofFrequencyControl,3.thecontrolschemeforthe4.softwareandhardwaredesign.Themainrelevantknowledge:powerelectronicsandmotioncontrol,computercontrol.Undernormalcircumstancesinexchangeformotorasynchronousspeedmachine,it'scomplicatedcontrolcircuits,thesystem'sefficiencyislow.SCMusingcomputercontroltheexchangeofasynchronousmotorFrequencyControlSystemthathasgreatlysimplifiedcontrolcircuit,theuseofSPWM(SPWM)drive,thesystemhasimprovedefficiency.InductionMotorFrequencyControl,intheactualuseofpulsewidthmodulation(PWM),andcompletedFMSurgetwofunctions.Toachievesingle-chipmicroprocessor(PWM)tocontrolcanadjustflexibly,tosimplifycircuit.ThisdesignbytheMCS51seriesofsingle-chipmicroprocessorachivesPWMcontrol。ThetraditionalexchangeofFrequencyControlSystemfromtheintersectionofasinewaveandthesawtoothPWMwaveofconstantpressuretoachievethanthefrequencyforarrestcontrol.Asaresultofthisanalogcontrolsystem,equipmentcomplexanddifficultadjustment,andlow-precisioncontrol,reliabilitypoor,thuslimitingtheapplicationofsuchasystem.Withthetraditionalsystems,thissystemhasthefollowingcharacteristics:anewtypeoflarge-scaleASICPWMwave,thewavestability,accuracyandreliabilityofasignificantincreaseinSCM(8031CPUasthecoreofdigitalcontrol.Circuitsimpletoadjustquicklytofurtherenhancethecontrolaccuracy.【Keywords】Three-PhasePWMvoltagerectifier,FrequencyControl,SCM,ACmotor,computercontrol目录摘要…………………………………………………………………………………………..1ABSTRACT…………………………………………………………………………………..2第一章绪论………………………………………………………………………………..41.1当前变频调速的发展状况及其趋势…………………………………………………...41.2设计本课题的总思路…………………………………………………………………...81.3设计任务及要求………………………………………………………………………...8第二章异步电动机变频调速……………………………………………………………..92.1变频器…………………………………………………………………………………...92.2变频调速基本原理……………………………………………………………………..10第三章脉宽调制技术…………………………………………………………………….123.1相电压控制PWM…………………………………………………………………........123.2线电压控制PWM………………………………………………………………………143.3电流控制PWM…………………………………………………………………………153.4空间电压矢量控制PWM………………………………………………………………163.5矢量控制PWM………………………………………………………………………...163.6直接转矩控制PWM…………………………………………………………………...173.7非线性控制PWM………………………………………………………………………17第四章系统的硬件设计…………………………………………………………………..184.1系统工作原理…………………………………………………………………………...184.2主电路的设计…………………………………………………………………………...224.3光电隔离电路…………………………………………………………………………...264.4过电压保护电路………………………………………………………………………...274.58051控制电路…………………………………………………………………………...28第五章系统的软件设计…………………………………………………………………..305.1单片机程序设计………………………………………………………………………...305.2控制电路………………………………………………………………………………...355.3最小脉冲问题分析……………………………………………………………………...35总结…………………………………………………………………………………………..36参考文献...…………………………………………………………………………………...37第一章绪论1.1当前变频调速的发展状况及趋势在交流调速中，交流电动机的调速方法有三种:变极调速、改变转差率调速和变频调速。其中变频调速具有绝对的优势，并且他的调速性能和可靠性不断完善，价格不断降低。变频调速是以变频器向交流电动机供电，并可以构成开环或闭环系统。变频器可以将原先固定的电压和频率的交流电源转换为可调电压和可调频率的交流源，所以变频器已经成为当今交流调速的核心部件。交流变频调速的优异特性：(1)调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。(2)调速范围较大，精度高。(3)起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。(4)变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。(5)易于实现过程自动化。(6)必须有专用的变频电源，目前造价较高。(7)在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。我国是一个发展中国家，变频调速产品大体只相当于国际上20世纪80年代水平。随着改革开放，经济高速发展，变频调速产品形成了一个巨大的市场，它既对国内企业，也对外国公司敞开。很多先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了国内生产和生活需要。国内许多合资公司生产当今国际上最先进的变频调速产品，国内的成套部分在自行设计制造成套装置中采用外国进口公司和合资企业的先进设备，自己开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。在变频调速领域，我国虽然取得了很大成绩，但应看到由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性仍较严重。在我们现在日常生活中，高速电力机车、汽车、电梯、音乐喷泉、冰箱、洗衣机、印刷设备、空调等，接近我们生活的一些用具以及生活用品对变频控制的采用也是越来越多了。近10年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术正发生着交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术的革命。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节间效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式，成为当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速是一种经典的交流电动机调速方法，交流电动机采用变频调速技术不仅能够实现无级调速，而且可以根据负载的不同，通过适当调节电压和频率的关系，使电机始终在高效率区运行，并且保证良好的动态性能，因而被广泛使用。国内外技术现状对比国外现状在大功率交-交变频（循环变流器）调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达3万kW的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司提供了单机容量为6万kW的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司SimovertA电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10~2600kVA和SimovertPGTOPWM变频调速设备单机容量为100~900kVA，其控制系统已实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动。在小功率交流变频调速技术方面，日本富士BJT变频器最大单机容量可达700kVA，IGBT变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。国外交流变频调速技术高速发展有以下特点：(1)市场的大量需求。(2)功率器件的发展。(3)控制理论和微电子技术的发展。(4)基础工业和各种制造业的高速发展，变频器相关配套件社会化、专业化生产。国内现状从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距10~15年。在大功率交-交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。而