基于UF控制的跑步机变频电路的设计 4Word文档格式.docx
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在全社会崇尚健身就是生活质量的今天,传统电动跑步机这种单调重复运动已难以满足人们对健身品质的要求,而具有虚拟现实功能的智能跑步机,以计算机虚拟的模拟环境代替现实世界的真实环境,给人身临其境的沉浸感,增加了健身的乐趣,已成为目前的研究热点。
变频器作为电动跑步机的主要变速执行和控制器件,在跑步机上也得到越来越广泛的应用。
跑步机专用变频器,是研发人员根据跑步机的实际需要,为跑步机量身定制的一款新型变频器。
1.2变频器研究现状
自从逆变器二十世纪六十年代问世,从主电路结构区分,可分为两类:
交交变频的AC-DC-AC变频器。
在主电路,直流中间环节的AC-DC-AC转换器AC-AC变频器。
如果逆变器主电路的工作模式,变频器可分为两种电压和电流。
交交变频一般用于低频率,大容量的电机驱动,可以实现的AC-DC-AC变频器能量回馈电网和四象限操作,主要用于中小容量电机驱动。
在20世纪80年代以后,供给电子技术迅速发展动力,与可控硅整流器和门非常可能关闭可控硅整流器,等等和姐这儿来的绝缘栅的双极类型晶体管,对高压绝缘材料门双极性可控硅整流器的抵抗的出现并且做容量变频器是越来越大和越来越小容量。
近年来和一个新的联合功率设备模块,它的诞生将IGBT激励电路芯片和它的周围,保护电路队在模块集成的整体的甚而隔离装置。
开关的力量模块加速,小的激励电流,能告诉侦察有流程的短路。
有自卫的强的能力。
简而言之,强有力IPM的模块,易使用,进一步简化了变频器的硬件结构,改变变频器综合化的表现。
将告诉从控制模式,从一开始变频器的开环恒压频比控制方法,开发目前三个主要控制方式:
U/F控制模式、矢量控制方式和直接转矩控制模式下,除了和模糊控制、自适应控制、新类型的控制模式。
三个主要的应用程序控制模式各有优势,在选择控制模式,需要根据不同的控制对象,具体的环境中工作,和需求来选择,从而达到最优的控制性能,同时尽可能使成本最低的电路。
变频器特定凸显了六个发展特点:
1.主要电路电源开关关闭组件、模块、集成、情报和开关频率的不断提高。
为了进一步减少开关损耗。
2.主要电路变频器的拓补结构:
变频器实现可再生能源电网的反馈和节约能源,网侧变换器应该是可逆的转换器,同时,电力可以双向流在双PWM整流器,对网侧变换器适当控制能使输入电流接近减少污染的正弦波电网。
3.脉冲宽度调制变量压力传感器控制方法可以使用正弦脉宽调制(SPWM)控制,消除指定数量的谐波电流跟踪控制PWM控制和电压空间矢量控制(磁链跟踪控制)。
4.交流电动机频率调整控制方法主要体现为进步【1】。
在当前市场上许多变频器,从市场需要和变频器技术的发展趋势看,变频器一般发展趋势为:
大容量和小型化。
有生产力的力量的更加进一步的发展,往不可避免的方向的大容量的变频器。
同时,变频器的大规模集成系统设计,改进冷却的技术的改善是小型化变频器的重要因素。
力量和控制组分高级综合化,聪明的力量模块,高性能控制芯片作未来交换器对小型化方向。
高性能专业。
由于传病媒介控制和扭矩控制,可靠性变频器,控制精度的介绍得到伟大改善,并且高扭矩,高性能,低泛音等等也是追求的变频器表现对一个。
变频器加强通信作用的,能提供各种各样适合通信接口,支持各种各样另外通信协议,能由计算机操作频率交换器箱子控制。
为了改善喜剧变频器到独特的物产和更好遇见的特别需求,变换器的发展越来越引起人们的注意。
现代控制方式参考能适应的技术,最优控制技术,模糊控制等等的理论的融合意在表现的通信在很大的增加的速度。
使他们的变频器,可靠性,更加简单用途的上升、绿化。
近年来,人们越来越注意环境保护,用途电磁式污染生产的变频器,噪声问题例如人认真逐渐采取得更大。
与控制方式的发展一起,载波频率的改善,供给电子技术开发动力,这些问题在不久的将来逐步将解决,变换器绿化浮出水面。
总之,未来变频器的产品将朝着高性能,多功能,数字化,高可靠,易使用,绿色化和智能化的方向发展。
1.3研究内容
在学习单片机和交流电机原理的基础上,能够达到运用的程度,设计一个跑步机变频电路,控制对象为750W,220VAC的小功率交流电机,要求实现电机的平滑调速,有良好的人机接口,操作简单,使用方便,具有安全开关、速度/频率表等功能。
本课题的主要设计内容包括:
1.系统主电路设计,主要是强电部分,交-直-交变换部分的设计。
2.控制电路的设计,控制电路时系统的弱电部分,主要产生各种控制信号,驱动信号以及保护信号。
3.软件的设计,在控制电路的基础上,利用单片机实现各种控制功能。
2系统方案设计及工作原理
因为直流电击器有各种问题在应用程序,例如维护困难、生命短暂,使用困难的极端条件较低,随着电力技术的发展,交流电机调速的应用越来越广泛。
实现了对变频器的交流电机器的调速控制,它通过控制电力半导体器件的打火方式电压、频率某些交流电转换为电压,频率可调的交流电。
2.1变频器的基本调速原理
异步电动机定子磁场的转速即为异步电动机的同步转速。
而异步电动机的转速总是小于其同步转速。
异步电动机的同步转速大小是由其磁极个数以及电源的频率来决定的。
如果用ns表示电机的同步转速(r/min),则有:
ns=120f/P
其中,p为磁极个数,f为电源频率(Hz)。
而异步电机的转差率定义为:
s=(ns-n)/ns
其中n为电动机的转速(r/min),s为转差率。
则电机的实际转速可表示为:
n=12Of(1-s)/P
可知,调节参数f、s、p中的任意一个,即可以调节电动机的转速,实现对异步电动机调速控制。
根据不同的控制对象,有不同的控制方法和调速方式实现异步电机的控制【2】。
2.2变频器的基本控制方式
虽然只要通过改变电源频率即可以实现异步电动机的调速控制,但在实际的交流调速系统中,只简单的改变电源频率并不能得到理想的电机控制效果。
按照不同的工作原理,变频器的基本控制方式可以分为U/F控制、矢量控制和直接转矩控制等几类。
2.2.1U/F控制方式
当电机的电源频率改变时,电机的内阻也随之改变,使电机的励磁电流发生变化,从而对电机的输出转矩造成影响,调速系统的性能也随之受到影响。
U/F控制方式的目的就是为了得到理想的转矩一速度特性。
为了使励磁电流不发生变化,只需要磁通在调速过程中保持不变,为了实现这一目的,就要在改变电源频率f的同时改变感应电动势E,使频率和电压的比值为一个常数。
又由于因电动机定子阻抗而消耗的压降远小于定子上的电压,所以感应电动势可以用电源电压来代替。
U/F控制方式的主要特点是:
控制电路结构简单,成本低廉,机械特性较好,可以满足一般调速系统的平滑调速要求。
但是U/F控制方式为开环控制,精度和动态特性不是十分理想,难以得到较大的调速范围。
于是在U/F控制的基础上,又提出了转差频率控制【3】。
转差频率就是加在电动机的交流电源频率与电动机速度所对应频率的差值。
当转差频率较小时,若U/F为常数,则电动机转矩与转差频率基本成正比。
根据这个特性,在进行U/F控制的基础上,只要再对转差频率进行控制,就可以达到控制电动机输出转矩的目的。
这种控制方式需要检测出电动机的转速,构成速度闭环控制,特点是控制的稳定性好,对负载及速度变化有良好的动态响应特性。
但是采用这种控制方式需要在异步电机上安装速度传感器、编码器等,并且需要根据异步电动机的特性调节转差率,控制成本较大,电路较为复杂。
2.2.2矢量控制
矢量控制的实质是将异步电动机等效为直流电动机,认为异步电机与直流电机一样具有相同的转矩产生机理:
即电动机的转矩为磁场和与其相垂直的电流的乘积,而异步电动机的定子电流可以分为产生磁场的电流分量(磁场电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)。
通过控制电动机定子电流的大小和相位(即定子电流矢量),即可以分别对电动机的励磁电流和转矩电流进行控制,从而实现控制电机转矩的目的。
矢量控制方式主要有:
基于转差频率的矢量控制、有速度传感器的矢量控制和无速度传感器的矢量控制。
采用矢量控制的变频电源,调速范围大,控制精度高,静态响应良好,而且现在很多新型的矢量控制系统中都带有异步电机参数自动检测、自动辨别以及自动适应的功能,可以更有效地控制异步电动机。
但是矢量控制需要对定子电流进行解藕,而且要进行大量的矢量计算,控制结构复杂。
2.2.3直接转矩控制
直接转矩控制是使用空间矢量,定子矢量分析方法,基于异步电机定子框架的数学模型,借助即使空间矢量理论计算和控制电机的磁链和转矩,产生脉冲宽度调制信号,直接控制逆变器,并获得高扭矩输出的动态性能。
直接转矩控制为了衡量电机电流和获得作为输入直流电压、高速度为生产高精度扭矩和通量的实际价值计算是用来在调整逆变电路开关状态来调整异步电机的转矩和磁链,实现精确控制。
直接转矩控制的控制效果取决于实际情况的扭矩,节省通常脉冲宽度控制信号发生器,控制结构简单,系统的扭矩响应迅速,无超调、动态速度控制精度和静态速度控制精度高,是一种高静音,高性能的控制方法【4】。
2.3变频器的基本结构
根据主电路结构形式的不同,变频器可以分为交一交变频器和交一直一交变频器。
小功率的变频器通常为交一直一交型的电路结构。
变频器的结构基本上由三部分构成:
主电路,控制电路,键盘/显示及外部接口电路。
2.3.1变频器的主电路
变频器的主电路由整流电路、中间直流电路和逆变电路三部分以及相关的辅助电路构成。
图2.1电压型PWM变频器主电路原理图
2.3.1.1整流电路
整流电路的主要作用是对输入的工频电源进行整流,再经滤波平滑后提供给后端的逆变电路以及控制电路作为直流电源。
按控制方式分,整流电路可以作为后端的直流电压源或者是直流电流源。
整流电路主要有二极管整流电路、晶闸管整流电路、带斩波器的二极管整流电路以及晶体管和IGBT整流电路等几种形式。
这些整流电路各有优缺点,根据具体的应用场合以及控制要求来选择合适的整流方式。
2.3.1.2中间直流电路
直流中间电路又称平滑电路,由整流电路得到的直流电流或直流电压中含有高于电源频率的纹波,同时由于逆变电路的输出和载频等原因也会产生纹波电压和电流,这些都将影响直流电压或电流的质量。
为了保证逆变电路和控制电路可以得到较好的直流电源,就需要对直流电源进行滤波平滑,这就是直流中间电路的作用。
根据整流电路在变频器中的作用不同,直流电路的结构也不相同。
若整流电路的输出为直流电压,直流中间电路要由大容量的电容来构成,如果输出的是直流电流,那么直流电路由大容量的电感来构成。
2.3.1.3逆变电路
在控制电路的控制下,直流中间电路输出的
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