SPWM变压变频调速控制系统设计

课程设计说明书课程名称运动控制系统设计题目SPWM变压变频调速控制系统设计专题学院信息工程学院班级自动化学号姓名王文帅指导教师日期2017年7月7日课程设计任务书课程设计名称运动控制系统设计学生姓名王文帅学号专业班级自动化设计题目SPWM变压变频调速控制系统设计专题一、课程设计的目的掌握交-直-交电压源型变频器的结构组成和工作原理，掌握变频器的主电路、控制电路、驱动电路以及保护电路的设计方法，掌握变频器主要元器件的选型方法。二、设计内容、技术条件和要求设计交-直-交电压源型三相SPWM变频器，整流部分为二极管三相不控整流，并由大电容滤波，获得恒定直流电压，逆变器由6个电力晶体管GTR和6个续流二极管组成，并由8051和大规模集成电路HEF4752组成SPWM变压变频调速系统的控制电路。基本设计参数：异步电动机额定功率11kW，额定电流22A，线电压380V，允许过载倍数=1.5，泵Us=150V，逆变器输出频率范围4~60Hz，额定输出频率50Hz，负载功率因数cos≥0.5，负载引起直流电压脉动百分比K≤5%，Uin(max)=10V，设计任务：1.设计主电路：选择GTR开关管和滤波电容参数；2.设计控制电路：采用大规模集成电路HEF4752，并设fsmax=1000Hz，计算8253分频系数；3.设计驱动电路：采用分立元件或集成电路模块均可；4.画出系统主电路图、控制电路图、驱动电路图、保护电路图（过压保护和过流保护二选一）；5.写出设计心得体会。三、时间进度安排在课程设计的两周时间内完成。四、主要参考文献[1]阮毅,陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统（第4版）.北京:机械工业出版社.[2]王兆安,刘进军.电力电子技术（第5版）.北京:机械工业出版社.[3]童福尧.电力拖动自动控制系统习题例题集.北京:机械工业出版社.指导教师签字：2017年6月25日运动控制系统设计第1页SPWM变压变频调速控制系统设计专题一、摘要变频调速是交流调速中的发展方向。变频调速也有多种方法，本文对目前研究领域相当活跃的正弦波脉宽调制技术(SPWM)的变频调速作了一定的研究，并进行了实践。异步电动机的调速原理是研究控制算法的基石，因文首先介绍了异步电动机的调速特性，从而展开介绍SPWM变频调速的理论基础.包括变频调速控制思想的由来，控制方法的可行性。变频调速的控制算法也有许多，本文对目前大部分通用变频器所采用的控制算法——恒压频比控制，给出了完整的硬件电路设计和软件程序流程设计。本文采用了Intel8OC196MC十六位单片机作为控制电路的CPU，采用该单片机的控制系统是本设计的硬件核心部分。因此本文先简单的介绍此单片机与该设计相关的特性，继而介绍本系统的硬件设计和软件设计。二、关键字：变频器;恒压频比控制;正弦波脉宽调制。三、设计目的掌握交-直-交电压源型变频器的结构组成和工作原理，掌握变频器的主电路、控制电路、驱动电路以及保护电路的设计方法，掌握变频器主要元器件的选型方法。在电力拖动领域，解决好电动机的无级调速问题有着十分重要的意义，电机调速性能的提高可以大大提高工农业生产设备的加工精度、工艺水平以及工作效率，从而提高产品的质量和数量;对于风机、水泵负载，如果采用调速的方法改变其流量，节电效率可达20%-60%。众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电机调速所垄断，这是和实际中交流电机的广泛使用是一对存在的矛盾，许多应用交流电机的设备为了达到调节被控对象的目的，只能采用物理的方法，例如采用风门，阀门控制流量等，这样浪费能源的问题就很突出，费用就大。而且在采用直流调速的方面由于直流电机固有的缺点—换相器和电刷的存在，使得维修工作量大，事故率高，电机的大容量使用受到限制，在易燃易爆的场合无法使用，因此开发交流调速势在必行。运动控制系统设计第2页四、设计说明4.1设计内容设计交-直-交电压源型三相SPWM变频器，整流部分为二极管三相不控整流，并由大电容滤波，获得恒定直流电压，逆变器由6个电力晶体管GTR和6个续流二极管组成，并由8051和大规模集成电路HEF4752组成SPWM变压变频调速系统的控制电路。4.2设计参数异步电动机额定功率11kW，额定电流22A，线电压380V，允许过载倍数=1.5，泵Us=150V，逆变器输出频率范围4~60Hz，额定输出频率50Hz，负载功率因数cos≥0.5，负载引起直流电压脉动百分比K≤5%，Uin(max)=10V。4.3交流电动机变频调速原理对于笼型异步电动机来说，要调节转速，可以通过改变同步来实现。而同步速与频率有如下关系:60/fp=n其中：p-极对数f-供电频n-同步速由上式可知，当频率f连续可调时，电动机的同步速n也连续可调。又因为异步电动机的转子转速1n总是比同步转速n略低，所以，当n连续可调时，n1也连续可调。可见，改变电源的供电频率可以改变惦记的转速。4.4设计方案概述变频调速中，前者主要应用于PWM斩波（DC－DC变换），后者主要应用于PWM逆变（DC－AC变换）。PWM脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波（调制波）对三角载波进行调制，以达到调节输出脉冲宽度的目的。相当于基波分量的信号波（调制波）并不一定指正弦波，在PWM优化模式控制中可以是预畸变的信号波，正弦信号波是一种最通常的调制信号，但决不是最优信号。根据面积等效原理，PWM波形和正弦波是等效的，而这种的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM（SinusoidalPWM）波形。运动控制系统设计第3页交-直-交电压源型三相SPWM变频器，整流部分为二极管三相不控整流，并由大电容滤波，获得恒定直流电压，逆变器由6个电力晶体管GTR和6个续流二极管组成，并由8051和大规模集成电路HEF4752组成SPWM变压变频调速系统的控制电路。在三相交流电源供电的情况下，共需经过八个主要模块完成整个调速过程。首先是三相整流变压器降压，然后经二极管桥式整流，再者由电容滤波器滤波获得直流电源，最后经IGBT逆变电路逆变，得到可调交流电源。IGBT为场控输入器件，输入功率小。确定主电路模块之后，本课程设计将采用HEF4752芯片构成SPWM波形生成电路，实现PWM波的调制。并采用电流转速双闭环调制系统，同时确定保护电路模块，检测电路模块，驱动电路模块等。系统总流程图如图2.1所示。基于课题的实现，主要从主回路设计及参数的计算，控制回路芯片的选择及其实现方法，保护回路的保护对象及其实现方式，系统的实现方案等方面进行研究，研究的思路主要是理论的提出，电路模型的建立，各种实现方式的对比，最终方案的确定。研究的方法主要以整体考虑，分块研究的方式，整体考虑系统的容量及其各个元件参数的选择，然后从每个模块着手，具体模块具体设计研究，逐步求精，最后将各个分立的模块整合实现三相交流电机SPWM变频调速系统的总体设计。图1SPWM变频调速系统总流程图4.5主电路设计主电路为AC/DC/AC逆变电路，由三相整流桥、滤波器、三相逆变器组成。三相交流电经桥式整流后，得到脉动的直流电压经电容器滤波后供给逆变器。又称间接变频器，运动控制系统设计第4页交-直-交变频器是目前广泛应用的通用变频器。它根据直流部分电流、电压的不同形式，又可分为电压型和电流型两种：（1）电流型变频器电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感器作为储能环节来缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压波形接近正弦波，由于该直流环节内阻较大，故称电流源型变频器。（2）电压型变频器电压型变频器的特点是中间直流环节的储能元件采用大电容器作为储能环节来缓冲无功功率，直流环节电压比较平稳，直流环节内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器。由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以其主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响，它主要适用于中、小容量的交流传动系统。与之相比，电流型变频器施加于负载上的电流值稳定不变，其特性类似于电流源，它主要应用在大容量的电机传动系统以及大容量风机、泵类节能调速中。由于交-直-交型变频器是目前广泛应用的通用变频器，所以本次设计中选用此种间接变频器，在交-直-交变频器的设计中，虽然电流型变频器可以弥补电压型变频器在再生制动时必须加入附加电阻的缺点，并有着无须附加任何设备即可以实现负载的四象限运行的优点，但是考虑到电压型变频器的通用性及其优点，在本次设计中采用电压型变频器。1.电压额定值的计算UVT=(1.5~2)×(2.34×220×K×A+DU)K——电网电压升高系数，一般取K=1.1A——电容滤波时电压升高系数，一般取A=1.04DU——(可能的)泵升电压(根据设计要求取150V)2.电流额定值的计算eIFI2F——冲击电流系数，一般取F=1.4l——电流过载倍数Ie——额定电流运动控制系统设计第5页3.滤波电容的计算FUKAICd610A——与负载阻抗角j有关的系数I——逆变器输出相电流(A)K——由负载引起的直流电压脉动百分比φ——逆变器输出最低角频率(s-1)Ud——直流侧电压(V)φ0°10°15°30°45°60°75°90°A0.02550.03890.05350.0970.1350.1640.1830.189表1φ在各个角度下A的值4.主电路图M3~AC~C1x3R1K1CT1R2R3+P-NUPNVT7R4D7C3VT1VT2VT6VT4VT5VT3图2系统主电路图4.6驱动电路设计驱动电路，位于主电路和控制电路之间，用来对控制电路的信号进行放大的中间电路（即放大控制电路的信号使其能够驱动功率晶体管），称为驱动电路。驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号，对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号，以保证器件按要求可靠导通或关断。驱动电路总体由六个驱动电路组成，可分离，可集成AM1,BM1,CM1。AM2，BM2，CM2分别来自HEF4752V的PWM主激励输出端。AM1，BM1，CM1组成上桥臂组驱动，运动控制系统设计第6页AM2，BM2，CM2则为下桥臂组驱动电路。+15VAVT1GD211kR11kR682kR8.63154RVT2VD1VT3pFC5701VT4VT5VT6VD2VD3VD4VD5VST+Us305RFC4702+图3驱动电路图数字控制是SPWM目前常用的控制方法。可以采用微机存储预先计算好的SPWM数据表格，控制时根据指令调出;或者通过软件实时生成SPWM波形;也可以采用大规模集成电专用芯片产生SPWM信号。随着微电子技术的发展，开发出一些专门用于发生控制信号的集成电路芯片，配合微处理器进行控件生成SPWM信号方便得多。国内制的电动机微机控制系统，大多采用8031,8098等。由于这些芯片并非为电机控制设计的，为了实现电动机控制的某些功能，不得不增加较多的外器件必须以多片集成电路方能构成完整的控制系统。IcIb76548321+5V~220V8V8VM57215BLC1C2++RextR2R1VSTCext+UinUEEUCCUoA图4M57215BL驱动电路原理图4.7控制电路设计1、控制器的选择8XC196MC单片机是Intel公司专门为电机高速控制设计的一种16位微控制器，其后缀运动控制系统设计第7页MC正是电机控制(MotorController)的缩写，它己被广泛的应用。8OC196MC的基本结构主要包括算术、逻辑运算部件RALU，寄存器集，内部A/D转换器，PWM发生器，事件处理阵列EPA，三相互补5PWM输出发生器以及看门狗、时钟、中断控制逻辑等.2、80C196MC单片机的波形发生器片内波形发生器WFG(WaveFormGenerator)是80C196MC独具的特点之一。这一外设装置大大简化了用于产生SPWM波形的控制软件和外部硬件