SPWM变频调速系统设计论文.docx

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SPWM变频调速系统设计论文

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SPWM变频调速系统

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。

关键词:

变频器;恒压频比控制;正弦波脉宽调制:

8OC196MC单片机。

Abstract：

Variable-speeddrivesystemisthedirectionofACVariable-speeddrivesystem.Therearemanymodesforfrequency-variedspeed-regulated.Inthispaper,theauthorstudiedandanalyzedoneofthecontrolwaywhichisverysearchedbymanypeople,anditisaconstantvolts/hertzratiocontroltechnology

ThemathematicalmodelofACinductionmotoristhebaseofcontrolAlgorithmicforstudying.ThispaperintroducetheACinductionmotorfirstly,thenintroducethetheoreticalbaseofSPWMvariable-speeddrive.Thetheoreticalbasegivesitsideaandfeasibility.

Inthisdesign,thesinglechipmicorcomputer-80C196MCisused.Thismicrocomputerisverysuitableformotor'scontrolling.TheControlcircuitincluding80C196MCisthecoreofthissystem.TherearehardwareandsoftwareDesignsinthispaper.andthesoftwaredesignistheemphasis.

一绪论3

1.1研究的现状3

1.1.1引言3

1.1.2变频调速发展的条件4

1.1.3变频器的发展方向5

1.2论文研究的目的和意义6

1.3本文主要内容和结构安排6

二恒压频比控制的SPWM变频系统的分析7

2.1变频调速基本原理7

2.2变频调速控制方式分析7

2.3SPWM逆变技术9

2.3.1静止式SPWM间接变压变频装置9

2.3.2SPWM调制变频技术10

2.3.4双极性SPWM法12

2.4.SPWM控制信号的产生方法15

三变频调速系统的硬件实现17

3.1变频调系统的整体硬件电路设计17

3.2主电路的设计18

3.2.1主电路硬件结构18

3.2.2三相电压型逆变电路19

3.3控制路的设计21

3.3.1控制器的选择21

3.3.2存储器扩展电路24

3.3.380C196MC单片机的波形发生器24

3.3.4.1键盘显示电路28

3.3.5控制反馈检测电路30

3.4驱动和保护电路的设计32

3.4.1驱动芯片IR2110的介绍32

3.4.2保护电路的设计34

3.4.2.1过电压保护34

3.4.2.2电流检测电路35

四主程序设计36

五总结38

参考文献39

致谢40

附录41

一绪论

本章作为引言，主要介绍了变频调速控制技术的发展和现状，SPWM变频技术的应用以及该课题的研究意义与价值，最后简要归纳了本课题的研究任务并对文章安排做了简要介绍。

1.1研究的现状

1.1.1引言

经过大约30多年的发展，交流调速电气传动已经上升为电气调速传动的主流。

在电气调速领域内，可以相信在不久的将来交流调速将会完全取代直流调速传动。

现在要求性能较高的中、小容量的交流调速传动，主要使用电子式电力变换器对交流电动机进行变频调速。

除变频以外的另一些简单的调速方案，如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等，它们只有在特定场合有一定的应用。

由于电力电子学和微电子技术的发展，使变频调速技术近年来获得了飞速的发展，各种变频调速控制方式、PWM脉宽调制技术以及MCU微处理器和以大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等均在变频调速中获得了成功应用。

SPWM正弦脉宽调制法这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有开关频率固定，控制和调节性能好，能消除谐波使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，设计简单等一系列优点，是一种比较好的波形改善法。

它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。

SPWM技术成为目前应用最为广泛的逆变用PWM技术。

根据生成SPWM波形的实现方式可以分为模拟控制和数字控制两种形式。

传统的模拟控制在逆变器中应用广泛，技术成熟，控制性能优良，但模拟控制也存在一些缺陷：

元件众多，设计周期长，调试复杂，不易管理维护等。

随着数字信号处理技术的蓬勃发展，数字控制技术已经成功地应用到电力电子与电力传动控制领域中来，逆变器的数字控制逐渐成为研究热点。

1.1.2变频调速发展的条件

a.电力电子器件的发展是变频调速发展的必要条件

在变频调速中主要有交一交变频和交一直一交变频，目前应用的最为广泛的是交一直一交变频，它的基本电路是:

先将电源的三相（或单相）交流电经整流桥整流成直流电，又经逆变桥把直流电逆变成频率任意可调的三相交流电。

实现逆变的逆变桥就是变频主电路的关键部件，它由六个开关器件组成，逆变的过程是这六个开关器件按一定的规律不停的导通和截止，这也就是实现变频的过程。

自从1957年第一支晶闸管（SCR）的发明，经过几十年的发展，力电子学，取得了惊人的进步，70年代出现了大功率晶体管（GTR）,90年代出现了大功率场效应晶体管（IGBT），它们在各个领域得到了广泛的应用。

逆变桥由使用半控型器件发展为使用全控型器件。

b.变频调速控制方式的发展促进了变频技术的应用与推广

本世纪70年代以后，电气传动各相关领域学科相继取得了巨大的突破，交流调速的控制方式发展因之突飞猛进，采用交流调速的场合正愈来愈多。

最初的变频调速是采用恒压频比控制方式，它根据异步电机简化等效电路确定的电压V和频率F的比值进行变频调速，电压是指基波的有效值.后来增加了电流环，称它为转差频率控制，改善了性能并且己经实用化。

但是系统只是从稳态公式推导出的平均值控制，完全不考虑过渡过程，因此系统的稳定性、启动及低速时的转矩动态响应存在难以克服的不足。

为了提高低频时电动机产生的转矩不足，通常采用提升电压以及随负载变化补偿定子绕组电压降的办法，用以增加变频调速的调速范围。

c.数字化技术的应用使变频器的实用化成为可能

但是全数字化控制技术在交流调速应用中性能的提高是个事实，上面所说的8XC196MC系列单片机就可以使用，但是性能不同，在设计系统时往往要考虑性价比，进行折中选择。

全数字控制的主要优点是:

1、控制精度高，数字计算机的精度和字长有关，变频器中使用8位、16位甚至32位微处理器，控制精度不断提高;2.稳定性好，由于控制信息是数字量，不会随着时间漂移，与模拟控制不同的是它没有温漂，不受环境的影响;3、可靠性高，微处理器采用大规模集成电路，系统中的硬件电路数量大为减少，因此故障率低;4、灵活性好，系统中硬件向标准化和集成化方向发展，可以在尽可能少的硬件支持下，由软件去完成复杂的控制功能。

适当的修改软件，就可以改变系统的功能或提高系统的性能;5、存储能力强，存储容量大，存放时间几乎不受限制，这是模拟系统不能比拟的，利用这一特点可在存储器中存放大量的数据或表格，利用查表法简化计算，提高运算速度;6、逻辑运算能力强，容易实现自诊断、故障记录、故障寻找等功能，使变频装置可靠性、可实用性、可维修性大大提高。

d.PWM技术的应用也加快了变频技术的发展

通过调节脉冲宽度和脉冲占空比来调节平均电压的方法，称为脉宽调制技术（PWM），如果脉冲宽度和占空比的大小按正弦规律变化，便是正弦脉宽调制技术，简称为SPWM技术。

PWM技术是伴随着电力电子器件的发展而发展起来的，目前己趋于成熟。

PWM技术适应于很多技术领域，如直流斩波、谐波吸收、无功补偿和变频装置等。

PWM技术用于变频器的控制，可以改善变频器的输出波形，降低谐波并减小转矩脉动。

同时也简化了变频器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应。

1.1.3变频器的发展方向

变频器（主要指通用变频器）从80年代到现在己经开始商品化，应用的领域也在不断的扩大，主要有以下几个方面:

（1）变频器容量不断扩大。

变频器的容量主要和它的开关器件的容量有直接影响，70年代中期，功率晶体管开始开发，到80年代采用功率晶体管的SPWM变频器的投产，随着元件容量的提高，变频器的容量不断提高，目前变频器的容量已经达到600KVA,400KVA以下的己经系列化。

（2）变频器结构的小型化。

变频器主电路中功率电路的模块化、控制电路采用大规模集成电路（LSI）和全数字化技术等一系列措施促进了变频电源的小型化。

（3）变频器的多功能化和高性能化。

电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化的方向发展，特别是微处理器的应用，以其精练的硬件结构和丰富的软件功能，为变频器的多功能化和高性能化提供了可靠的保证。

日益丰富的软件功能使通用变频器的适应性不断加强，

1.2论文研究的目的和意义

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。

1.3本文主要内容和结构安排

本文主要内容是:

对变频调速系统控制电路的设计，控制器CPU采用Intel80C196MC单片机，对变频的控制算法进行分析与设计，采用恒压频比控制，

论文的主要结构安排为:

1、绪论，主要介绍交流调速系统的发展，变频技术的发展的条件，变频器控制系统的实现方式，变频器的发展方向等:

2、正弦脉宽调制技术（SPWM）的原理与控制实现，恒压频比控制，主要介绍恒压频比控制算法的理论基础和实现方案，主要介绍SPWM控制的原理、实现方法。

3、变频调速系统的硬件实现，包括变频调速系统控制电路CPU一Intel8OC196MC的简单介绍，主电路的设计法，控制电路硬件的实现，软件的设计。

5、结论问题与解决以及办本系统需要进一步完善的设想。

二恒压频比控制的SPWM变频系统的分析

本章是整个课题研究的技术理论基础。

主要分析了变频调速的基础知识，逆变的基本原理以及SPWM正弦脉宽调制波形发生原理等相关理论。

2.1变频调速基本原理

异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为

（2-1）

其中为同步转速（r/min）

为定子频率，也就是电源频率（Hz）;

为磁极对数。

异步电机的轴转速为

（2-2）

其中s为异步电机的转差率，

由上面的公式可以看出，改变电源的供电频率可以改变电机的转速。

在对异步电机调速时，希望电机的主磁通保持额定值不变。

任何电动机的电磁转矩都是磁通和电流相互作用的结果，主磁通小了，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降;主磁通大了，会使电动机的磁路饱和，并导致励磁电流畸变，励磁电流过大，严重时会使绕组过热损坏电机。

主磁通是由励磁电流产生的，两者之间的关系是由磁化特性决定的。

由电机理论知道，三相异步电机定子每相电动势的有效值为.其中E1为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）,为定子频率（Hz）,为定子每相绕组匝数，为极磁通里（Wb）。

由上式可见主磁通中.是由E1和。

共同决定的，如果保持E1和之比不变，就可以保持主磁通不变。

2.2变频调速控制方式分析

在基频（额定频率）以下调速时，由于E1的大小不易从外部加以控制，而定子绕组的阻抗压降（U=，为定子绕组的阻抗压降，包括电阻和漏磁电抗）在电压较高时可以忽略，所以可以认为电动势和电源相电压近似相等即有U1E1，因此作为一种可行的方案是在电源电压较高时用电源相电压U1代替电动势E1，当频率较低时，U1和E1都变小，定子漏阻抗压降所占比重加大，不可以忽略，所以要人为的补偿，这是一种近似的恒磁通控制，这种控制方式常用于恒转矩控制，如下图2-1.

在基频以上调速时由于电压U,受额定电压的限制不能升，因此在频率升高时，迫使主磁通变小，进入弱磁变频调速，属于近似恒功率控制，如图2-1.但是用恒压频比代替恒电动势频率比的一个重要缺点是在速度降低时，电动机的带载能力也同时下降转矩利用率下降，从图2-2的a,b可以看出a图的临界转矩点随着速度的降低也减小，而b图则没有变化，然而要达到b图的效果就要保持E1/f1的比值为恒值而不仅是保持U1/f1比值为恒值了。

基于上述原因，在变频调速的基本控制方式下，改变频率的同必须改变电压，所以称之为VVVF（VariablevoltageVariableFrequency）控制。

n

图2-1异步电机变频调速的控制特

恒压频比控制又可以分为两种方式，一种是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载适合于异步鼠笼型电动机，所以通用性强，经济性好。

由于在无速度传感器的恒压频比控制下，负载一旦变化，转速也会随着变化，转速的变化量与转差率成正比，因此产生了另一种带速度传感器的恒压频比控制，称之为转差频率控制，它根据速度传感器检测，求出转差角频率，再把它和速度设定值相叠加，以该叠加值作为逆变器的频率设定值，就实现转差补偿。

与开环恒压频比控制相比转差频率控制的调速精度大为提高，本设计仍采用带速度传感器的恒压频比控制方式（以下简称恒压频比控制方式）.

nn

0T0

图2-2a恒压频比的机械特性图2-2b恒电动势频率比时的机械特性

2.3SPWM逆变技术

2.3.1静止式SPWM间接变压变频装置

SPWM间接变压变频装置先将工频交流电通过整流器变成直流电，再经过逆变器将直流电变换成可控频率和幅值的交流电，故又称为交一直一交变压变频装置。

其系统原理框图如图2-3所示在这类装置中，用不控器件整流，而逆变部分用SPWM变频器调压调频一次完成，整流器无需控制，简化了电路结构;而且由于以全波整流代替了相控整流，所以提高了输入端的功率因数，减小了谐波对电网的影响。

此外，因输出波形由方波改进为SPWM波，减少了谐波，从而解决了电动机在低频区的转矩脉动问题，也降低了电动机的谐波损耗和噪声。

AC

ACDC

50KHZ

CVCFVVVF

调压调频

图2-3SPWM间接变压变频装置

SPWM逆变器输出谐波减少的程度取决于逆变器件的开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。

采用IGBT时，开关频率可高达lOkHz以上，其输出电流已非常逼近正弦波。

所以，这种装置己成为当前最有发展前途的一种装置形式。

2.3.2SPWM调制变频技术

SPWM调制技术是PWM多脉冲可变脉宽调制技术的一种，即所谓的正弦波脉宽调制.其输出波形是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，等效的原则是每一区间的面积相等。

如果把一个正弦半波分作n等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等份的中点相重合，这样，由n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效。

同样，正弦波的负半周也可用相同的方法与一系列负脉冲波等效。

如图2-4所示。

设由整流器提供的直流恒值电压为Us，并设电机绕组中点与直流电压中点相连，则SPWM脉冲序列波的幅值为。

令第i个矩形脉冲的宽度为，其中心点相位角为，则根据面积相等的等效原则，可写成：

=

=（2-3）

当n的数值较大时，近似的认为sin/（2n）=/（2n），于是（2-4）

上式表明第i个矩形脉冲的宽度与该处正弦波值近币以成正比。

因此，与半个周期正弦波等效的SPWM波是两侧窄、中间宽、脉宽按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形。

相比于其它各种变频

变压调制方式，这样的脉冲系列可获得比常规六拍阶梯波更接近于正弦波的输出电压波形，可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，因而转矩脉动小。

由于电网的功率因数接近于1，大大提高了系统的整体性能。

一般的，SPWM分单极性和双极性两种调制方式。

T

图2-4SPWM的输出波形

2.3.3单极性SPWM法

单极性SPWM法输出的每半个周期中，被调制成的脉冲电压只有一种极性，正半周为十U和零，负半周为一U和零，其调制波形如图2-5a）所示。

曲线1是正弦调制波um，其周期决定于所需要的调制比kf。

曲线2是采用等腰三角波的载波uc，其周期决定于载波频率，振幅不变，等于1时正弦调制波的振幅值.每半周期内所有三角波的极性均相同，都是单极性。

调制波和载波的交点，决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲间的间隔宽度，所得的脉冲系列如图2-5a）中的uc所示.由图知，每半周期内的脉冲系列也是单极性的。

单极性调制的工作特点是:

每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断的工作，另一个完全截至;而在另半个周期内，两个器件的工况正好相反。

流经负载的便是正、负交替的交变电流（如图2—5b）所示。

12

0wt

0wt

图2-5a单极性SPWM调制图图2-5b单极性调制的工作特点图

2.3.4双极性SPWM法

上述的单极性SPWM逆变器主电路每相只有一个开关器件反复通断。

如果让同一桥臂上、下两个开关器件交替地导通与关断，则输出脉冲在“正”和“负”之间变化，就得到了双极性的SPWM波形。

双极性SPWM法的调制波u仍为正弦波，其周期决定于今，振幅决定于气，如图2-6a）中的曲线1.曲线2载波uc为双极性的等腰三角形，其周期决定于载波频率，振幅不变，等于k=1时正弦调制波振幅值。

调制波与载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列也是双极性的，如图2-6b）所示。

但是，由相电压合成为线电压时，所得到的线电压脉冲系列却是单极性的，如图2-6c）所示。

双极性调制的工作特点是:

逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，毫不停息。

而流过负载凡的是按线电压规律变化的交变电流，如图2-6d）所示。

A）12

wt

B）

wt

C）

wt

D）

wt

ZL

ZL

图2—6双极性SPWM调制图

a）调制波与载波

b）相对于直流中性点的相电压

c）线电压

d）双极性调制的工作特点

2.4.SPWM控制信号的产生方法

从所能收集到的科研文献中，可以归结出很多种生成SPWM脉冲的方法，大致分为两大类:

第一类是完全由模拟电路生成;第二类是由专用集成芯片生成.本设计采用数字控制方式。

（1）SPWM的模拟控制

原始的SPWM是由模拟控制来实现的。

图2-7是SPWM模拟控制电路原理框图。

三相对称的参考正弦电压调制信号，，由参考信号发生器提供，其频率和幅值都是可调的。

三角载波信号由三角波发生器提供，各相共用。

它分别与每相调制信号在比较器上进行比较，给出正或零的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波，，，作为变压变频器功率开关器件的驱动信号。

图2-7SPWM波模拟控制电路

本方法原理简单而且直观。

但是，由于正弦波调制和三角载波由硬件电路生成，硬件开销大，系统可靠性差。

并且当控制电路的直流电源电压有波动或有噪声干扰时，都将引起SPWM脉冲宽度的变化，从而影响到变频器输出频率和电压的稳定性。

整个系统受温漂和时漂的影响大，当输出频率低、调制深度很小时，噪声干扰尤其严重，输出频率精度很差。

由于以上缺点,SPWM的模拟控制电路现已很少应用，但它的原理往往是其他控制方法的基础，仍须充分了解。

（2）SPWM的数字控制

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路专用芯片产生SPWM信号。

分析生成SPWM波形的实现方式,模拟控制和数字控制两种形式。

传统的模拟控制在逆变器中应用广泛，技术成熟，控制性能优良，但模拟控制也存在一些缺陷：

元件众多，设计周期长，调试复杂，不易管理维护等。

随着数字信号处理技术的蓬勃发展，数字控制技术已经成功地应用到电力电子与电力传动控制领域中来，逆变器的数字控制逐渐成为研究热点。

由于微型技术的迅速发展和应用，交流电机变频调速系统的控制回路均以单片微机和SPWM脉宽调制共同完成。

由于微机的高度集成化和很强的运算功能，用于PWM调速系统进行直接数字控制，可得到高度的稳定性、高度可靠性以及小型化和便于维修、节能、提高产品质量等应用效果。

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动机控制设计的，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。

近年，国外著名半导体集成电路厂商为满足高性能电动制需要，推出了一些电动机控制专用单片微处理器。

它们可频驱动的交流电动机、采用斩波器驱动的直流伺服电动机或步进电动控制也可用于UPS电源等.其中较有代表性的就是Intel公司的MCS-96系列16位单片机中的80C196MC.本文所述系统就是利80C196MC单片机的波形发生器WFG产生六路双极性的SPWM驱动信号，来驱动主电路的IGBT进行逆变的。

由于单片机运算速度极快（采用16M晶振），完全可以实现双极性SPWM控制。

变频调速系统的硬件实现电路主要以80C196MC为控制主题，由芯片产生SPWM波形，通过驱动