1、精選文檔基于單片機控制的異步電動機變頻調速系統的設計摘要本文以三相交流調速系統為基礎，進行了三相異步電動機變頻調速的系統設計。首先，通過使用MATLAB/SIMULINK軟件進行交-直-交變頻調速系統模型的搭建與仿真，得出了異步電動機在正弦脈沖寬度調制（SPWM）技術下調速的結果。其次，根據所搭建的系統模型，在PROTUSE軟件中設計出基于51單片機控制的SPWM變頻調速系統，編制相應的軟件程序并進行調試和仿真，得出了不同頻率下SPWM的調制波形。最后，通過比較兩種不同調速系統的仿真結果，證明了基于51單片機控制的異步電機變頻調速PWM調制方法的正確性和可行性。關鍵字： 異步電動機；變頻調速；

2、SPWM；MATLAB/SIMULINK；單片機1概述直流電氣傳動和交流電氣傳動在19世紀先后誕生，鑒于直流傳動具有優越的性能，高性能可調速傳動大都采用直流電機，交流調速系統的多種方案雖然早已問世，并已獲得實際應用，但其性能卻無法與直流調速系統相匹敵。直到20世紀70年代末，由于電力電子技術尤其是大功率晶閘管（可控硅）變流技術的發展，研制出了體積小、重量輕、功率大、效率高的靜止變流裝置，實現了采用電力電子變流器的交流傳動系統，為三相異步電動機大范圍的平滑調速調節開辟了新的技術途徑，才使三相異步電動機在鐵路牽引中的應用得到關鍵性突破，從而得到極為迅速的發展。大規模集成電路和計算機控制的出現，更使

3、高性能的交流調速系統得到發展。中國和諧號動車組使用三相鼠籠型異步電動機作為牽引動力，它要求列車運行安全、快速、穩定，因此對牽引電動機的平滑調速和自動控制非常重要，異步電動機結合電力電子技術和微機控制技術可以實現這一要求。1.1 交流調速系統異步電動機的調速方法早已為人們所熟知，基本上可以分為變極對數調速、變頻調速、變轉差率調速三類。這從下面的異步電動機的轉速公式可以明顯看出。n=1-sns=(1-s)60f1p (1)式中 n 電動機的實際轉速； ns電動機的同步轉速； s 轉差率，s=ns-nns； f1供電頻率； p 極對數。1.1.1變極調速在恒定的頻率下，改變電動機定子繞組的極對數，就

4、可以改變旋轉磁場和轉子的轉速。若利用改變繞組的接法，使一套定子具備兩種極對數而得到兩個同步轉速，可得到單繞組雙速電機；也可以在定子內安放兩套獨立的繞組，從而做成三速或四速電機。為使轉子的極對數能隨定子極對數的改變而改變，變極電動機的轉子一般都是籠型。變極調速屬于有級調速，最多只能達到三、四極，而不能平滑地調速。1.1.2變頻調速改變電源頻率時，電動機的同步轉速和轉子轉速將隨之變化。如果電源頻率可以連續調節，則電動機的轉速就可以連續、平滑的調節。變頻調速時希望氣隙磁通m基本保持不變，這樣，磁路的飽和程度、激磁電流和電動機的功率因數均可基本保持不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電動機的鐵心，是一種浪

5、費。如果過分增大磁通，會使鐵心飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電動機。根據三相異步電動機定子每相電動勢的有效值公式E1=4.44f1N1kw1m （2）式中 E1氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效值； f1供電頻率； N1定子每相繞組串聯匝數； kw1定子基波繞組系數； m每極氣隙磁通量。故要保持m不變，應使定子端電壓與頻率成比例地調節，若忽略定子漏阻抗壓降，即使E1f1=U1f1=常值感應電機的變頻調速從調速范圍、平滑性、調速前后電機的性能等方面來看都很好，但需要專門的變頻電源。近年來，由于變頻技術的發展，變頻裝置的價格不斷降低，性能不斷提高。1.1.3變轉差率調速改

6、變轉差率的調速在調速過程中均不改變異步電動機的同步轉速，而僅僅依靠改變轉差率來改變電機的速度，故其調速范圍是非常有限的，同時在低速時因轉差率太大，效率很低，因而這些方法均不能適應機車牽引中平滑、寬廣的調速要求。1.2 電力電子器件電力電子器件是對電能進行變換和控制的器件，目前所用的電力電子器件均由半導體制成，故也稱電力半導體器件。在發達國家中，大約60%的電能用于電動機，由此可知，電力電子器件在電機控制電路中最常見，若想更好的控制電動機，必須使用性能優越的電力電子器件。1.2.1門極可關斷晶閘管TGO自晶閘管問世后，相繼產生了很多派生器件，如快速晶閘管、雙向晶閘管、逆導晶閘管、光控晶閘管、門極

7、可關斷晶閘管等。門極可關斷晶閘管可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷，故屬于全控型器件。它在三相橋式全控整流電路中作為開關器件，通過同步六脈沖發生模塊控制其通斷，改變觸發角的大小可以得到不同的電壓波形，從而實現整流。1.2.2絕緣柵雙極晶體管IGBT絕緣柵雙極晶體管綜合了電力晶體管GTR和電力場效應晶體管MOSFET的特點，因此具有開關速度快、驅動電路簡單、流通能力強等優點，通常用于三相橋式逆變電路中。通過脈沖寬度調制技術控制器通斷，從而實現逆變。1.3 變頻器如前所述，對于異步電機的變頻調速必須具備能夠同時控制電壓幅值和頻率的交流電源，而電網提供的是恒壓恒頻的工頻電源，因此應該配置變壓變頻

8、器，他也稱變壓變頻（VVVF）裝置。從整體上看，變壓變頻器可以分為交-交和交-直-交兩大類。1.3.1交-交變頻器交-交變頻器的結構如圖1所示。它只有一個變幻環節，把恒壓恒頻（CVCF）的交流電源直接變換成VVVF輸出，因此又稱直接式變壓變頻器。看似簡單，但所用的電力電子器件數量卻很多，總體設備相當龐大。其缺點是輸入功率因數較低，諧波電流含量大，頻譜復雜，因此必須配置濾波和無功補償設備。由于這類變頻器最高輸出頻率不超過電網頻率的1/31/2，所以一般用于大功率、低轉速的調速系統。1.3.2交-直-交變頻器交-直-交變壓變頻器的結構如圖2所示。它先將工頻交流電源通過整流器變換成直流電，再通過逆變

9、器變換成可控頻率和電壓的交流電。由于這類變壓變頻器在恒頻交流電源和變頻交流輸出之間有一個“中間直流環節”，所以又稱間接式變壓變頻器。在早期的交-直-交變壓變頻器中，整流器采用半控型電力電子器件晶閘管（SCR），組成可控整流器，實現整流與調壓；逆變器也采用晶閘管，實現逆變調頻。當全控型電力電子器件（GTO/IGBT）獲得廣泛應用后，出現了由開關器件組成的脈寬調制（PWM）逆變器，兼顧調壓與調頻，而整流器只需要二極管組成的不可控整流器就夠了。1.4 脈沖寬度調制技術PWM脈沖寬度調制技術是伴隨電力電子器件的發展而產生的一種開關技術，其在逆變電路中應用最廣泛，現在大量應用的逆變電路中，絕大部分是PW

10、M型逆變電路，PWM控制技術正是有賴于逆變電路中的應用才會發展得比較成熟。從而確定了它在電力電子技術的重要地位。1.4.1 正弦脈沖寬度調制技術SPWM脈沖寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形，稱為SPWM波形，產生這種SPWM波形的技術就是SPWM技術。在三相橋式全控逆變電路中，用SPWM波形控制IGBT的通斷，即可實現逆變。要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按照同一比例系數改變上述脈沖寬度即可。同樣，改變調制的周期，就可以改變輸出電壓的頻率。1.4.2 空間矢量調制技術SVPWMPWM控制技術用于交流電動機的調速中，其最終目的并非使輸出電壓為正弦波，而是使電動機的磁鏈成為圓形的旋轉

11、磁場，從而使電機產生恒定的電磁轉矩。磁鏈的軌跡是通過交替使用不同的電壓空間矢量得到的，針對這種目的，產生了空間矢量調制技術。1.5 微機控制單片機是單片微型計算機的簡稱，是把中央處理器（CPU）、隨機存取存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、輸入/輸出接口、定時器/計數器、中斷系統等主要功能部件集成在一塊半導體芯片上的數字電子計算機。單片機的形態只是同一塊芯片，但是它已具有微型計算機的組成結構和功能。單片機的結構特點決定了單片機主要用于控制，所以又稱微控制器（MCU）或嵌入式控制器（ECU）。1.5.1單片機MCU單片機的發展經歷了從4位、8位、16位、32位、64位五個階段， 16位、32

12、位單片機在比較復雜的控制系統中才有應用，最常用的是8位單片機，代表產品為Intel公司的MCS-51系列。單片機用于三相異步電機變頻調速通常有兩種方式，第一種是通過SPWM原理，設計出正弦波電路和三角波電路，通過兩者比較產生SPWM波形。第二種方案是采用SPWM集成芯片HEF4752或MA818等。1.5.2數字信號處理器DSP 隨著微電子技術的發展，出現了多種用于電動機調速控制的專用單片微處理器，如TI公司的TMS320芯系列，這些微處理器一般具有以下功能，有PWM波生成硬件及較寬的頻率調制范圍；為了對變壓變頻調速系統的運行參數（如電壓、電流、轉速等）進行實時檢測和調整與故障保護，微處理器具

13、有很強的中斷功能與較多的中斷通道，；具有將外部的模擬量控制信號及通過各種傳感器送來的反饋。檢測信號進行AD轉換的接口，且一般為8位轉換器；具有較高的運算速度，能完成復雜運算的指令、內存容量較大；有用于外文通信的同步、異步串行接口的硬件或軟件單元。由于這些功能的支持，所以這種微處理器能方便地用于開發基于PWM控制技術的電動機調速系統，微處理器除能產生可調頻率的PWM控制信號外，還能完成必要的保護、控制等功能。現代SPWM變壓變頻器的控制電路大多數是以微處理器為核心的數字控制電路。2交流異步電動機變頻調速原理及方法2.1 三相異步電動機的工作原理三相異步電動機由定子、轉子、氣隙三部分組成，通過定子

14、繞組的三相電流產生旋轉磁場，再利用電磁感應原理，在轉子內感生電流，由氣隙磁場和轉子感應電流相互作用產生電磁轉矩，以進行能量轉換。正常情況下，感應電機的轉子轉速總是略低或略高于旋轉磁場轉速（同步轉速ns）。異步電機按照繞組類型分為籠型異步電動機和繞線型異步電動機。2.1.1等效電路 通過電機學的知識，對異步電動機電路進行了頻率歸算和繞組歸算，得到異步電動機的T型等效電路，如圖3所示。圖3 異步電動機的T型等效電路根據該等效電路可以寫出以下電壓方程式U1=-E1+I1(r1+jx1) （3）E2'=I2'(r2's+jx2') （4）式中 U1電源向電壓； I1定子

15、電流； I2'歸算到定子側的轉子電流； s 轉差率； r1x1定子繞組電阻及漏阻抗； r2'x2'歸算到定子側的轉子電阻及漏阻抗； rmxm激磁電阻及電抗。2.1.2轉矩計算 根據電機原理和等值電路可知，通過空氣氣隙傳入轉子的電磁功率為Pe=mE2'I2'cos2 （5）式中 cos2=r2'sr2's2+x2'2 轉子的功率因數。電動機的電磁轉矩為Te=Pes=mE2'I2'cos22ns60=mp2f1E2'I2'cos2 （6）式中 ns電動機的同步轉速； s電動機的同步角速度。2.1.2機械

16、特性2.1.3調速原理2.2正弦脈沖寬度調制技術SPWM2.2.1 SPWM原理早期的交直交變壓變頻器輸出的交流電壓波形都是六拍階梯波或矩形波，這是因為當時的變頻器只能采用晶閘管，其關斷的不可控性和較低的開關頻率導致逆變器的輸出波形含有較大的低次諧波，使電機的輸出轉矩存在脈沖分量，影響其穩態工作性能，在低速運行時更為明顯。為了改善交流電動機變壓變頻調速系統的性能，在出現全控型電力電子開關器件之后，出現了正弦脈沖寬度調制技術控制的逆變器，正弦脈沖寬度調制波形就是與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，如圖3所示。等效的原則是矩形脈沖波的面積與該時間段內正弦波的面積相等。圖3 SPWM原理a

17、)正弦調制波與載波 b)輸出的SPWM波在SPWM方法中，以正弦波作為調制波，以三角波作為載波，當調制波與載波相交時，其腳墊決定了逆變器開關器件的通斷時刻。例如，當調制波電壓高于載波電壓時，開關器件導通，輸出正的脈沖電壓，當調制電壓低于載波電壓時，開關器件關斷，無脈沖電壓輸出。若改變調制波的頻率，輸出電壓的基波頻率也會改變；改變調制波的幅值時，各段脈沖的寬度將改變，輸出電壓基波的幅值也隨之改變。上述為單極性SPWM波的產生原理，雙極性SPWM波的產生原理與之相同。2.2.2調制方式 調制方式有異步調制、同步調制、分段同步調制，在實行SPWM時，視載波比N的變化與否，有同步調制和異步調制之分，在

18、同步調制方式式中，N=常數，變頻時三角波的頻率和正弦波的頻率同步改變，因而輸出電壓半波內的矩形脈沖數是不變的，如果取N等于3的倍數，則同步調制不僅能保證輸出波形的正、負半波始終保持對稱，并能嚴格保證三相輸出波形間具有120°的對稱關系。但當輸出頻率很低時，由于相鄰兩脈沖間的間距增大，諧波會顯著增加，使負載電動機產生較大脈動轉矩和較強的噪聲，這是同步調制的主要缺點。為了消除上述同步調制的缺點，可以采用異步調制方式。異步調制時，在變壓變頻器的整個變頻范圍內，載波比N不等于常數，一般在改變調制波頻率時，保持三角波頻率不變，因而提高了低頻時的載波比。這樣，輸出電壓半波內的矩形脈沖數可以隨輸出

19、頻率的降低而增加，相應的可以減少負載電動機的轉矩脈動與噪聲，改善了系統低頻時的工作性能。然而，當載波比N隨著輸出頻率的降低而連續變化時，它不可能總是3的倍數，勢必使輸出電壓波形及相位都發生變化，難以保證三相輸出的對成性，這會引起電動機工作不平穩。分段同步調制是將同步調制和異步調制結合起來，實用的SPWM變壓變頻器器多采用這種方式。在一定頻率范圍內采用同步調制，可保持輸出波形對稱的優點，在頻率降低較多時，可使載波比分段有地加大。這就是分段同步調制方式。具體地說，把整個頻段劃分為若干頻段，在每個頻段內都維持載波比恒定，對不同的頻段采用不同的載波比，頻率低時N值取大些，一般大致按等比級數安排。3交-

20、直-交變頻調速系統的MATLAB仿真MATLAB是“矩陣實驗室的縮寫”，由美國Mathworks公司于1984年開始推出，其版本不斷升級，子模塊庫歷經更新，現其系統非常強大，其中在Simulink環境下，系統的函數、電路元器件等模型用方框形式的模塊表示，即形象又直觀。本設計中用到了Simulink環境下的SimPowerSystem（電力系統）模塊庫。3.1設計要求采用基于轉速開環的恒壓頻比控制的調速系統；三相異步電動機在0.5s時刻加負載，轉矩為70Nm；采用SPWM調技術進行調制，SPWM波形由三相正弦波和三角波通過比較產生；調制度為0.8，即調制波幅值為0.8V，載波幅值為1V；調制方式

21、選擇分段同步調制，載波比可調；整流模塊為三相橋式全控整流，逆變模塊為三相電壓型橋式逆變；在對整流模塊和逆變模塊進行設計時，不使用MATLAB/SIMULINK提供的通用橋式集成電路模塊，而是采用庫中最原始的GTO、IGBT等電力電子器件進行搭建。3.2交-直-交變頻調速系統3.2.1 原理框圖交-直-交變頻調速系統的原理框圖如圖4所示，圖中整流器、中間直流環節和逆變器構成變頻器的主電路。整流器由六只可控晶閘管GTO組成三相橋式整流電路，逆變器由六只IGBT和六只反向并聯的續流二極管組成三相橋式逆變電路。有規律地控制主開關器件的導通與關斷，就可以得到任意頻率的三相交流電壓輸出。中間直流環節采用串

22、聯的大電感濾波，輸出的電流比較平直，接近于直流電流源。逆變器的輸出電流是矩形波或階梯波，輸出電壓接近于正弦波。圖4 交-直-交變頻調速系統原理圖3.2.2三相橋式全控整流模型目前在各種整流電路中，應用最廣泛的是三相橋式全控整流電路，其模型如圖7所示。其中上橋臂晶閘管VT1、VT3、VT5為共陰極組，下橋臂晶閘管VT2、VT6、VT4為共陽極組。通過六同步脈沖發生器控制其通斷，采用雙脈沖觸發，脈沖寬度為20°，設置不同的觸發角即可得到相對應的波形。 圖7 三相橋式全控整流模型3.2.3三相電壓型橋式逆變模型目前在各種逆變電路中，應用最廣泛的是三相電壓型橋式逆變電路，其模型如圖8所示。該

23、模型采用IGBT作為開關器件，工作方式為180°導電方式，即同一相（同一半橋）上下兩個臂交替導電，各相開始導電的角度依次相差120°，這樣，在任一瞬間將有三個橋臂同時導通。該電路中以三相阻感負載代替三相異步電機。圖8 三相電壓型橋式逆變模型3.2.4 SPWM發生器模型SPWM波形是通過三相正弦波和三角波比較產生，產生的六路SPWM波分別控制六支IGBT，其模型如圖9所示。改變SPWM波的輸出頻率即可改變逆變器的輸出電壓頻率。圖9 SPWM發生器模型3.2.5總體模型及仿真結果分析交-直-交變頻調速系統總體模型如圖9所示。圖9 交-直-交變頻調速系統總體模型如其仿真結果如圖

24、10所示。圖10a為電機轉速響應波形，從圖中可以看到，起動時電機轉速迅速上升，在0.2s后達到空載轉速1500r/min，在0.5s給電機施加負載70Nm，電機轉速下降，轉差變大，穩定后轉速為1300r/min左右。電機空載到過載過程中電機的定子電流波形如圖10b所示，在啟動過程中隨轉速上升電流減小，0.5s加負載后電流迅速增大，定子電流為50Hz的方波。圖10c是電機轉矩響應波形，在起動中電機的轉矩有較大波動這與磁場從零開始建立有關，在0.3s時，電機的空載轉矩進本為零，0.5s加負載后，電機轉矩上升，0.6s后電機轉矩穩定在70Nm，與負載轉矩相平衡。4單片機控制系統的PROTEUS仿真P

25、roteus ISIS是英國Labcenter公司開發的電路分析與實物仿真軟件。可以仿真、分析各種模擬器件和集成電路，且該軟件支持第三方的軟件編譯和調試環境，如Keil C51 Vision3軟件。Keil C51軟件是由Keil Software公司推出的單片機應用開發軟件，它支持不同公司MCS-51架構的芯片，同時集編輯、編譯和仿真等功能為一體，支持匯編、C語言的程序設計。4.1設計要求在Proteus軟件中，以MCS-51單片機為核心控制芯片，使用其他相關元器件搭建出頻率可變的三相正弦波發生電路及高頻三角波發生電路，最后將兩者比較以產生SPWM波形。系統可通過按鍵實現變頻調速，同時能夠測

26、速、監視電動機的繞組溫度以實現對電動機的保護，并由液晶顯示器顯示出相關信息。在Keil C51軟件中編制相應的軟件程序進行調試，得出仿真結果。該系統調制方式采用分段同步調制，調制度為0.8，分段同步調制的輸出頻段和載波比由表1給出，為簡單起見，在每個頻段中選擇一個值作為調制波的頻率，調制波與載波頻率的關系曲線如圖11所示。表1 分段同步調制的技術要求輸出頻段fo/Hz載波比N調制頻率fr/Hz載波頻率fc/Hz0710201816081114147121764152099161584212969251725304445351575456033501650圖11 分段同步調制時輸出頻率與開關頻率

27、的開關曲線系統各模塊的原理圖使用Altium Designer軟件進行設計。4.2系統硬件設計4.2.1原理框圖基于單片機控制的變頻調速系統原理框圖如圖12所示。圖12 單片機控制異步電動機變頻調速系統原理圖4.2.2最小系統51系列單片機內部都有一個振蕩器，可通過引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器和微調電容，為單片機產生時鐘脈沖序列，本系統中使用的晶振頻率為11.0592MHz。在進行電路板設計時，需將晶振盡可能靠近單片機的引腳XTAL1和XTAL2。具體電路如圖13所示。圖13 單片機最小系統4.2.3穩壓電源由于本系統中會用到一些特殊的芯片，它們的供電電壓不盡相同，有±1

28、5V、±12V及5V，為了提供這幾種不同電平的電壓，設計了一個穩壓電源電路，具體電路如圖14所示。該電路首先使用變壓器將交流220V電源降壓至22V，然后通過整流橋進行整流，最后通過78系列穩壓芯片進行穩壓，達到輸出對應電平的目的。圖14 穩壓電源電路4.2.4正弦波電路正弦波電路由數字計數器芯片4040、電可擦除只讀存儲器EPROM2732（4KB）、數模轉換芯片DAC0832、及運算放大器芯片MAX232組成。首先取出正弦函數一個周期內的1024個點，將它們按相位互差120°固化在EPROM2732中，然后計數器4040對單片機所產生的方波脈沖進行計數，所得的計數值作為

29、地址對EPROM2732中存放的數據進行掃描輸出，這些數據通過DAC0832進行數模轉換，最后通過兩級放大器MAX232放大后輸出單相雙極性正弦波，改變單片機輸出方波的頻率即可實現輸出正弦波頻率的改變。具體電路如圖15所示。同理，三個與之相同的電路即可實現三相雙極性正弦波。輸出波形的幅值通過DAC0832芯片的參考電壓引腳控制。本系統中芯片的供電電壓為5V。圖15 正弦波電路4.2.5三角波電路三角波電路是以單片集成函數發生芯片ICL8038為核心組成的，該芯片僅需要很少的外部元件就可以正常工作，可產生正弦波、三角波、方波，在本系統中該芯片只用于產生高頻三角波。其產生的三角波頻率可通過改變接入電容的大小來實現改變，具體計算方法為f=1RAC0.661+RB(2RA-RB) （7）若RA=RB=R，則有f=0.33RC （8）ICL8038系統所輸出三角波的幅值為芯片電源電壓的1/3，本系統中芯片的供電電壓為±15V，