基于单片机控制的异步电动机变频调速系统的设计2.docx
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基于单片机控制的异步电动机变频调速系统的设计2
基于单片机控制的异步电动机变频调速系统的设计
摘要
本文以三相交流调速系统为基础，进行了三相异步电动机变频调速的系统设计。
首先，通过使用MATLAB/SIMULINK软件进行交-直-交变频调速系统模型的搭建与仿真，得出了异步电动机在正弦脉冲宽度调制（SPWM）技术下调速的结果。
其次，根据所搭建的系统模型，在PROTUSE软件中设计出基于51单片机控制的SPWM变频调速系统，编制相应的软件程序并进行调试和仿真，得出了不同频率下SPWM的调制波形。
最后，通过比较两种不同调速系统的仿真结果，证明了基于51单片机控制的异步电机变频调速PWM调制方法的正确性和可行性。
关键字：
异步电动机；变频调速；SPWM；MATLAB/SIMULINK；单片机
1概述
直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生，鉴于直流传动具有优越的性能，高性能可调速传动大都采用直流电机，交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却无法与直流调速系统相匹敌。
直到20世纪70年代末，由于电力电子技术尤其是大功率晶闸管（可控硅）变流技术的发展，研制出了体积小、重量轻、功率大、效率高的静止变流装置，实现了采用电力电子变流器的交流传动系统，为三相异步电动机大范围的平滑调速调节开辟了新的技术途径，才使三相异步电动机在铁路牵引中的应用得到关键性突破，从而得到极为迅速的发展。
大规模集成电路和计算机控制的出现，更使高性能的交流调速系统得到发展。
中国和谐号动车组使用三相鼠笼型异步电动机作为牵引动力，它要求列车运行安全、快速、稳定，因此对牵引电动机的平滑调速和自动控制非常重要，异步电动机结合电力电子技术和微机控制技术可以实现这一要求。
1.1交流调速系统
异步电动机的调速方法早已为人们所熟知，基本上可以分为变极对数调速、变频调速、变转差率调速三类。
这从下面的异步电动机的转速公式可以明显看出。
（1）
式中
——电动机的实际转速；
——电动机的同步转速；
——转差率，
；
——供电频率；
——极对数。
1.1.1变极调速
在恒定的频率下，改变电动机定子绕组的极对数，就可以改变旋转磁场和转子的转速。
若利用改变绕组的接法，使一套定子具备两种极对数而得到两个同步转速，可得到单绕组双速电机；也可以在定子内安放两套独立的绕组，从而做成三速或四速电机。
为使转子的极对数能随定子极对数的改变而改变，变极电动机的转子一般都是笼型。
变极调速属于有级调速，最多只能达到三、四极，而不能平滑地调速。
1.1.2变频调速
改变电源频率时，电动机的同步转速和转子转速将随之变化。
如果电源频率可以连续调节，则电动机的转速就可以连续、平滑的调节。
变频调速时希望气隙磁通
基本保持不变，这样，磁路的饱和程度、激磁电流和电动机的功率因数均可基本保持不变。
如果磁通太弱，没有充分利用电动机的铁心，是一种浪费。
如果过分增大磁通，会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电动机。
根据三相异步电动机定子每相电动势的有效值公式
（2）
式中
——气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值；
——供电频率；
——定子每相绕组串联匝数；
——定子基波绕组系数；
——每极气隙磁通量。
故要保持
不变，应使定子端电压与频率成比例地调节，若忽略定子漏阻抗压降，即使
感应电机的变频调速从调速范围、平滑性、调速前后电机的性能等方面来看都很好，但需要专门的变频电源。
近年来，由于变频技术的发展，变频装置的价格不断降低，性能不断提高。
1.1.3变转差率调速
改变转差率的调速在调速过程中均不改变异步电动机的同步转速，而仅仅依靠改变转差率来改变电机的速度，故其调速范围是非常有限的，同时在低速时因转差率太大，效率很低，因而这些方法均不能适应机车牵引中平滑、宽广的调速要求。
1.2电力电子器件
电力电子器件是对电能进行变换和控制的器件，目前所用的电力电子器件均由半导体制成，故也称电力半导体器件。
在发达国家中，大约60%的电能用于电动机，由此可知，电力电子器件在电机控制电路中最常见，若想更好的控制电动机，必须使用性能优越的电力电子器件。
1.2.1门极可关断晶闸管TGO
自晶闸管问世后，相继产生了很多派生器件，如快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管、门极可关断晶闸管等。
门极可关断晶闸管可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，故属于全控型器件。
它在三相桥式全控整流电路中作为开关器件，通过同步六脉冲发生模块控制其通断，改变触发角的大小可以得到不同的电压波形，从而实现整流。
1.2.2绝缘栅双极晶体管IGBT
绝缘栅双极晶体管综合了电力晶体管GTR和电力场效应晶体管MOSFET的特点，因此具有开关速度快、驱动电路简单、流通能力强等优点，通常用于三相桥式逆变电路中。
通过脉冲宽度调制技术控制器通断，从而实现逆变。
1.3变频器
如前所述，对于异步电机的变频调速必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的工频电源，因此应该配置变压变频器，他也称变压变频（VVVF）装置。
从整体上看，变压变频器可以分为交-交和交-直-交两大类。
1.3.1交-交变频器
交-交变频器的结构如图1所示。
它只有一个变幻环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。
看似简单，但所用的电力电子器件数量却很多，总体设备相当庞大。
其缺点是输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，因此必须配置滤波和无功补偿设备。
由于这类变频器最高输出频率不超过电网频率的1/3~1/2，所以一般用于大功率、低转速的调速系统。
1.3.2交-直-交变频器
交-直-交变压变频器的结构如图2所示。
它先将工频交流电源通过整流器变换成直流电，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流电。
由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式变压变频器。
在早期的交-直-交变压变频器中，整流器采用半控型电力电子器件——晶闸管（SCR），组成可控整流器，实现整流与调压；逆变器也采用晶闸管，实现逆变调频。
当全控型电力电子器件（GTO/IGBT）获得广泛应用后，出现了由开关器件组成的脉宽调制（PWM）逆变器，兼顾调压与调频，而整流器只需要二极管组成的不可控整流器就够了。
1.4脉冲宽度调制技术PWM
脉冲宽度调制技术是伴随电力电子器件的发展而产生的一种开关技术，其在逆变电路中应用最广泛，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分是PWM型逆变电路，PWM控制技术正是有赖于逆变电路中的应用才会发展得比较成熟。
从而确定了它在电力电子技术的重要地位。
1.4.1正弦脉冲宽度调制技术SPWM
脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，称为SPWM波形，产生这种SPWM波形的技术就是SPWM技术。
在三相桥式全控逆变电路中，用SPWM波形控制IGBT的通断，即可实现逆变。
要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述脉冲宽度即可。
同样，改变调制的周期，就可以改变输出电压的频率。
1.4.2空间矢量调制技术SVPWM
PWM控制技术用于交流电动机的调速中，其最终目的并非使输出电压为正弦波，而是使电动机的磁链成为圆形的旋转磁场，从而使电机产生恒定的电磁转矩。
磁链的轨迹是通过交替使用不同的电压空间矢量得到的，针对这种目的，产生了空间矢量调制技术。
1.5微机控制
单片机是单片微型计算机的简称，是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出接口、定时器/计数器、中断系统等主要功能部件集成在一块半导体芯片上的数字电子计算机。
单片机的形态只是同一块芯片，但是它已具有微型计算机的组成结构和功能。
单片机的结构特点决定了单片机主要用于控制，所以又称微控制器（MCU）或嵌入式控制器（ECU）。
1.5.1单片机MCU
单片机的发展经历了从4位、8位、16位、32位、64位五个阶段，16位、32位单片机在比较复杂的控制系统中才有应用，最常用的是8位单片机，代表产品为Intel公司的MCS-51系列。
单片机用于三相异步电机变频调速通常有两种方式，第一种是通过SPWM原理，设计出正弦波电路和三角波电路，通过两者比较产生SPWM波形。
第二种方案是采用SPWM集成芯片HEF4752或MA818等。
1.5.2数字信号处理器DSP
随着微电子技术的发展，出现了多种用于电动机调速控制的专用单片微处理器，如TI公司的TMS320芯系列，这些微处理器一般具有以下功能，有PWM波生成硬件及较宽的频率调制范围；为了对变压变频调速系统的运行参数（如电压、电流、转速等）进行实时检测和调整与故障保护，微处理器具有很强的中断功能与较多的中断通道，；具有将外部的模拟量控制信号及通过各种传感器送来的反馈。
检测信号进行AD转换的接口，且一般为8位转换器；具有较高的运算速度，能完成复杂运算的指令、内存容量较大；有用于外文通信的同步、异步串行接口的硬件或软件单元。
由于这些功能的支持，所以这种微处理器能方便地用于开发基于PWM控制技术的电动机调速系统，微处理器除能产生可调频率的PWM控制信号外，还能完成必要的保护、控制等功能。
现代SPWM变压变频器的控制电路大多数是以微处理器为核心的数字控制电路。
2交流异步电动机变频调速原理及方法
2.1三相异步电动机的工作原理
三相异步电动机由定子、转子、气隙三部分组成，通过定子绕组的三相电流产生旋转磁场，再利用电磁感应原理，在转子内感生电流，由气隙磁场和转子感应电流相互作用产生电磁转矩，以进行能量转换。
正常情况下，感应电机的转子转速总是略低或略高于旋转磁场转速（同步转速
）。
异步电机按照绕组类型分为笼型异步电动机和绕线型异步电动机。
2.1.1等效电路
通过电机学的知识，对异步电动机电路进行了频率归算和绕组归算，得到异步电动机的T型等效电路，如图3所示。
图3异步电动机的T型等效电路
根据该等效电路可以写出以下电压方程式
（3）
（4）
式中
——电源向电压；
——定子电流；
——归算到定子侧的转子电流；
——转差率；
——定子绕组电阻及漏阻抗；
——归算到定子侧的转子电阻及漏阻抗；
——激磁电阻及电抗。
2.1.2转矩计算
根据电机原理和等值电路可知，通过空气气隙传入转子的电磁功率为
（5）
式中
——转子的功率因数。
电动机的电磁转矩为
（6）
式中
——电动机的同步转速；
——电动机的同步角速度。
2.1.2机械特性
2.1.3调速原理
2.2正弦脉冲宽度调制技术SPWM
2.2.1SPWM原理
早期的交直交变压变频器输出的交流电压波形都是六拍阶梯波或矩形波，这是因为当时的变频器只能采用晶闸管，其关断的不可控性和较低的开关频率导致逆变器的输出波形含有较大的低次谐波，使电机的输出转矩存在脉冲分量，影响其稳态工作性能，在低速运行时更为明显。
为了改善交流电动机变压变频调速系统的性能，在出现全控型电力电子开关器件之后，出现了正弦脉冲宽度调制技术控制的逆变器，
正弦脉冲宽度调制波形就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，如图3所示。
等效的原则是矩形脉冲波的面积与该时间段内正弦波的面积相等。
图3SPWM原理
a）正弦调制波与载波b）输出的SPWM波
在SPWM方法中，以正弦波作为调制波，以三角波作为载波，当调制波与载波相交时，其脚垫决定了逆变器开关器件的通断时刻。
例如，当调制波电压高于载波电压时，开关器件导通，输出正的脉冲电压，当调制电压低于载波电压时，开关器件关断，无脉冲电压输出。
若改变调制波的频率，输出电压的基波频率也会改变；改变调制波的幅值时，各段脉冲的宽度将改变，输出电压基波的幅值也随之改变。
上述为单极性SPWM波的产生原理，双极性SPWM波的产生原理与之相同。
2.2.2调制方式
调制方式有异步调制、同步调制、分段同步调制，
在实行SPWM时，视载波比N的变化与否，有同步调制和异步调制之分，在同步调制方式式中，N=常数，变频时三角波的频率和正弦波的频率同步改变，因而输出电压半波内的矩形脉冲数是不变的，如果取N等于3的倍数，则同步调制不仅能保证输出波形的正、负半波始终保持对称，并能严格保证三相输出波形间具有120°的对称关系。
但当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使负载电动机产生较大脉动转矩和较强的噪声，这是同步调制的主要缺点。
为了消除上述同步调制的缺点，可以采用异步调制方式。
异步调制时，在变压变频器的整个变频范围内，载波比N不等于常数，一般在改变调制波频率时，保持三角波频率不变，因而提高了低频时的载波比。
这样，输出电压半波内的矩形脉冲数可以随输出频率的降低而增加，相应的可以减少负载电动机的转矩脉动与噪声，改善了系统低频时的工作性能。
然而，当载波比N随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是3的倍数，势必使输出电压波形及相位都发生变化，难以保证三相输出的对成性，这会引起电动机工作不平稳。
分段同步调制是将同步调制和异步调制结合起来，实用的SPWM变压变频器器多采用这种方式。
在一定频率范围内采用同步调制，可保持输出波形对称的优点，在频率降低较多时，可使载波比分段有地加大。
这就是分段同步调制方式。
具体地说，把整个频段划分为若干频段，在每个频段内都维持载波比恒定，对不同的频段采用不同的载波比，频率低时N值取大些，一般大致按等比级数安排。
3交-直-交变频调速系统的MATLAB仿真
MATLAB是“矩阵实验室的缩写”，由美国Mathworks公司于1984年开始推出，其版本不断升级，子模块库历经更新，现其系统非常强大，其中在Simulink环境下，系统的函数、电路元器件等模型用方框形式的模块表示，即形象又直观。
本设计中用到了Simulink环境下的SimPowerSystem（电力系统）模块库。
3.1设计要求
采用基于转速开环的恒压频比控制的调速系统；三相异步电动机在0.5s时刻加负载，转矩为
；采用SPWM调技术进行调制，SPWM波形由三相正弦波和三角波通过比较产生；调制度为0.8，即调制波幅值为0.8V，载波幅值为1V；调制方式选择分段同步调制，载波比可调；整流模块为三相桥式全控整流，逆变模块为三相电压型桥式逆变；在对整流模块和逆变模块进行设计时，不使用MATLAB/SIMULINK提供的通用桥式集成电路模块，而是采用库中最原始的GTO、IGBT等电力电子器件进行搭建。
3.2交-直-交变频调速系统
3.2.1原理框图
交-直-交变频调速系统的原理框图如图4所示，图中整流器、中间直流环节和逆变器构成变频器的主电路。
整流器由六只可控晶闸管GTO组成三相桥式整流电路，逆变器由六只IGBT和六只反向并联的续流二极管组成三相桥式逆变电路。
有规律地控制主开关器件的导通与关断，就可以得到任意频率的三相交流电压输出。
中间直流环节采用串联的大电感滤波，输出的电流比较平直，接近于直流电流源。
逆变器的输出电流是矩形波或阶梯波，输出电压接近于正弦波。
图4交-直-交变频调速系统原理图
3.2.2三相桥式全控整流模型
目前在各种整流电路中，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路，其模型如图7所示。
其中上桥臂晶闸管VT1、VT3、VT5为共阴极组，下桥臂晶闸管VT2、VT6、VT4为共阳极组。
通过六同步脉冲发生器控制其通断，采用双脉冲触发，脉冲宽度为20°，设置不同的触发角即可得到相对应的波形。
图7三相桥式全控整流模型
3.2.3三相电压型桥式逆变模型
目前在各种逆变电路中，应用最广泛的是三相电压型桥式逆变电路，其模型如图8所示。
该模型采用IGBT作为开关器件，工作方式为180°导电方式，即同一相（同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120°，这样，在任一瞬间将有三个桥臂同时导通。
该电路中以三相阻感负载代替三相异步电机。
图8三相电压型桥式逆变模型
3.2.4SPWM发生器模型
SPWM波形是通过三相正弦波和三角波比较产生，产生的六路SPWM波分别控制六支IGBT，其模型如图9所示。
改变SPWM波的输出频率即可改变逆变器的输出电压频率。
图9SPWM发生器模型
3.2.5总体模型及仿真结果分析
交-直-交变频调速系统总体模型如图9所示。
图9交-直-交变频调速系统总体模型如
其仿真结果如图10所示。
图10a为电机转速响应波形，从图中可以看到，起动时电机转速迅速上升，在0.2s后达到空载转速1500r/min，在0.5s给电机施加负载
，电机转速下降，转差变大，稳定后转速为1300r/min左右。
电机空载到过载过程中电机的定子电流波形如图10b所示，在启动过程中随转速上升电流减小，0.5s加负载后电流迅速增大，定子电流为50Hz的方波。
图10c是电机转矩响应波形，在起动中电机的转矩有较大波动这与磁场从零开始建立有关，在0.3s时，电机的空载转矩进本为零，0.5s加负载后，电机转矩上升，0.6s后电机转矩稳定在
，与负载转矩相平衡。
4单片机控制系统的PROTEUS仿真
ProteusISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。
可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路，且该软件支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51μVision3软件。
KeilC51软件是由KeilSoftware公司推出的单片机应用开发软件，它支持不同公司MCS-51架构的芯片，同时集编辑、编译和仿真等功能为一体，支持汇编、C语言的程序设计。
4.1设计要求
在Proteus软件中，以MCS-51单片机为核心控制芯片，使用其他相关元器件搭建出频率可变的三相正弦波发生电路及高频三角波发生电路，最后将两者比较以产生SPWM波形。
系统可通过按键实现变频调速，同时能够测速、监视电动机的绕组温度以实现对电动机的保护，并由液晶显示器显示出相关信息。
在KeilC51软件中编制相应的软件程序进行调试，得出仿真结果。
该系统调制方式采用分段同步调制，调制度为0.8，分段同步调制的输出频段和载波比由表1给出，为简单起见，在每个频段中选择一个值作为调制波的频率，调制波与载波频率的关系曲线如图11所示。
表1分段同步调制的技术要求
输出频段
/Hz
载波比N
调制频率
/Hz
载波频率
/Hz
07~10
201
8
1608
11~14
147
12
1764
15~20
99
16
1584
21~29
69
25
1725
30~44
45
35
1575
45~60
33
50
1650
图11分段同步调制时输出频率与开关频率的开关曲线
系统各模块的原理图使用AltiumDesigner软件进行设计。
4.2系统硬件设计
4.2.1原理框图
基于单片机控制的变频调速系统原理框图如图12所示。
图12单片机控制异步电动机变频调速系统原理图
4.2.2最小系统
51系列单片机内部都有一个振荡器，可通过引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器和微调电容，为单片机产生时钟脉冲序列，本系统中使用的晶振频率为11.0592MHz。
在进行电路板设计时，需将晶振尽可能靠近单片机的引脚XTAL1和XTAL2。
具体电路如图13所示。
图13单片机最小系统
4.2.3稳压电源
由于本系统中会用到一些特殊的芯片，它们的供电电压不尽相同，有±15V、±12V及＋5V，为了提供这几种不同电平的电压，设计了一个稳压电源电路，具体电路如图14所示。
该电路首先使用变压器将交流220V电源降压至22V，然后通过整流桥进行整流，最后通过78系列稳压芯片进行稳压，达到输出对应电平的目的。
图14稳压电源电路
4.2.4正弦波电路
正弦波电路由数字计数器芯片4040、电可擦除只读存储器EPROM2732（4KB）、数模转换芯片DAC0832、及运算放大器芯片MAX232组成。
首先取出正弦函数一个周期内的1024个点，将它们按相位互差120°固化在EPROM2732中，然后计数器4040对单片机所产生的方波脉冲进行计数，所得的计数值作为地址对EPROM2732中存放的数据进行扫描输出，这些数据通过DAC0832进行数模转换，最后通过两级放大器MAX232放大后输出单相双极性正弦波，改变单片机输出方波的频率即可实现输出正弦波频率的改变。
具体电路如图15所示。
同理，三个与之相同的电路即可实现三相双极性正弦波。
输出波形的幅值通过DAC0832芯片的参考电压引脚控制。
本系统中芯片的供电电压为＋5V。
图15正弦波电路
4.2.5三角波电路
三角波电路是以单片集成函数发生芯片ICL8038为核心组成的，该芯片仅需要很少的外部元件就可以正常工作，可产生正弦波、三角波、方波，在本系统中该芯片只用于产生高频三角波。
其产生的三角波频率可通过改变接入电容的大小来实现改变，具体计算方法为
（7）
若
，则有
（8）
ICL8038系统所输出三角波的幅值为芯片电源电压的1/3，本系统中芯片的供电电压为±15V，故输出双极性三角波，其幅值为±5V。
本设计中可通过按键控制继电器的通断来改变接入电容的大小，六只继电器所接的不同电容可满足表1中分段同步调制对三角波频率的要求。
从而实现三角波变频，具体电路如图16所示。
图16三角波电路
4.2.6SPWM发生电路
该电路采用电压比较器芯片MAX942来实现，同类型的芯片还有LM324。
其产生SPWM波的接线方法为：
三角波信号接芯片的负极，正弦波信号接芯片的正极，若正弦波幅值大于三角波幅值，则电压比较器输出高电平，反之亦然。
由于本设计中逆变器为180°导通型，故同一桥臂上下两只IGBT需要两路相反的SPWM波，为得到相反的SPWM波，可通过非门芯片74LS04实现，具体电路如图17所示。
图17SPWM发生电路
4.2.6温度传感器电路
保护电路
4.2.7光电编码电路
4.2.8声光报警电路
4.3系统软件设计
本系统的程序通过C语言编写，并在KeilC51软件中编译通过。
程序的设计包括单片机程序设计和EPROM程序设计，其中单片机所加载的文件为HEX文件，EPROM所加载的文件为BIN文件。
4.3.1主程序设计
根据所设计的硬件电路进行软件设计，主要包括对按键进行扫描、液晶电路的显示、输出不同频率的方波、控制继电器的通断、判断电机的运行情况以决定是否报警。
主程序流程图如图20所示。
图20主程序流程图
4.3.2定时器程序设计
在本系统中，通过使用定时器来实现方波的输出。
定时器有三种工作方式，具体情况见表2，为得到高频三角波，本系统设置定时器0的工作方式为方式1，定时器的初值是通过查表程序装载的。
当单片机检测到按键按下时，系统会根据按键被按下的次数自动装载初值表中相应的数值。
该初值表中的数据可使输出正弦波的频率满足分段同步调制表中所设定的频率。
程序流程图如图21所示。
图21定时器程序流程图
4.3.3EPROM程序设计
编译环境为win-tc1.91，运行后在C盘下产生a.bin、b.bin、c.bin波形文件。
程序中设置一个变量DOTS，改变DOTS的值，即可改变正弦波在一个周期内采集的点数，从而控制正弦波形的精度。
本程序产生的是1024点的波形，其精度满足要求。
程序流程图如图22所示。
4.4仿真结果
5结论
致谢
参考文献
附录1
程序
附录
升级会员 