dq103采用SLE4520集成电路的三相SPWM异步电动机变频调速系统设计.docx
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dq103采用SLE4520集成电路的三相SPWM异步电动机变频调速系统设计
总体设计方案的选择
（一）采用SLE4520的三相SPWM电机变频调速的提出
三相交流异步电机，由于转子侧的电流不从外部引入，而由电磁感应产生，故而
具有结构简单，体积小，重量轻，价格低廉，便于维护等优点，一经问世，就备受人们的青睐。
一、调速系统的发展
随着工农业生产的发展，人们对调速要求越来越高，交流调速有调压调速，串级调速等，性能都处于不佳状态，唯独变频调速受人瞩目，采用变频调速实现电动机的连续调速结构简单，造价低。
变频调速是采用可变电压可变频率（VVVF）电源装置，如逆变器和交－交变频器，变频调速可以充分发挥感应电机的优点，即适应性强，坚固耐用，维护方便，价格低廉。
近年来，由于微电子技术，微机技术和自关断功率开关器件的进步，使得变频调速中的核心技术—－脉冲宽度调制技术和矢量控制技术已经成熟并得到广泛应用。
首先，以目前迅速普及的“交－直－交”变频器的基本结构来看，“交－直”的整流技术是很早就解决了的，而“直－交”的逆变过程实际是不同组合开关交替地接通和关断过程，它必须依赖于满足一定条件的开关器件，这些条件是：
（1）能承受足够大的电压和电流；
（2）允许长时间频繁地接通和判断；
（3）接通和关断的控制必须十分方便。
直到20世纪70年代，大功率晶体管（GTR）的开发成功，才比较满意地满足了上述条件，从而为变频技术的开发，发展和普及奠定了基础。
20世纪80年代，又进一步开发成功了绝缘栅型双极型晶体管（IGBT）其工作频率比GTR提高了一个数量级，从而使变频调速技术又向前迈进一步。
目前，中小型的变频器中的逆变部分，已基本上被IGBT垄断，使20世纪70年代提出的正弦波脉宽度调制技术（SPWM）得到不断完善。
在不采取任何措施的情况下，异步电动机在变频后的机械特性远逊色于直流电动机变压后的机械特性，这必将大大影响变频调速技术的应用范围。
20世纪70年代末，矢量控制技术的提出和实现，使异步电动机变频后的机械特性达到了可以和直流电动机变压后的机械特性相媲美的程度。
与此同时，计算机技术和大规模集成电路的飞速进步，极大简化了实现SPWM及矢量控制等复杂技术的方法，增强和扩展了变频器的功能，使变频调速技术迅速发展起来。
如利用单片机和SLE4520集成电路的三相SPWM异步电动机变频调速系统，是
一个典型的调速系统。
二．变频调速原理
经过30年的发展，目前交流调速电气传动已经成为电气调速传动技术的主流。
在
电气调速传动领域内，直流电动机占统治地位的局面已经受到了猛烈的冲击。
交流调速传动控制技术之所以发展得如此迅速，主要是一些关键性技术得到了突
破性进展，如电力电子器件，电力变换技术，交流电机的矢量变换控制技术，PWM技术及微型计算机和大规模集成电路。
1.PWM技术的应用
自关断器件的发展为PWM技术铺平了道路。
目前几乎所有的变频调速装置都采用这一技术。
PWM技术用于变频器的控制，可以改善变频器的输出波形，降低电动机的谐波损耗，并减小脉矩脉动，同时还简化了逆变器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应性能。
2.全数字控制技术的应用
各类电气传动装置的控制器由模拟控制转向全数字控制已经成为事实，交流速传动也不例外。
由变频器供电的调速系统是一个快速系统，在使用数字控制时要求的采样频率较高，通常高于1KHZ，常需要完成复杂的操作控制，数字运算和逻辑判断，所以要求单片机具有较大的存储容量和较强的实时处理能力。
全数字控制具有如下特点：
（1）精度高 在变频器中采用8位，16位甚至32位微机作为控制机
（2）稳定性好 由于信息为数字量，不会随时间发生漂移
（3）可靠性好 系统中硬件向标准化、集成化方向发展，由软件完成复杂的控制功
能，适当修改软件，就可以改变系统的功能。
（二）SPWM的工作原理及生成方法
SPWM调速是指用所期望的正弦波输出作为调制波（即参考信号），对一等腰三角形的载波进行调制，得到一组幅值相等，而宽度正比于调制波幅值的矩形波，从而去控制开关器件，达到调速要求的一种调速方法。
1.SPWM控制基本原理：
将图4－1（a）所示的正弦波半波波形分成n等份，就可把正弦波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。
这些脉冲宽度相等，都等于π/n，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化，如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦面积相等，就可得图4－1（b）所示的脉冲序列，这就是PWM波形，可以看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变化的根据问题相等效果相同的原理，PWM与正弦半波是等效的，对于正弦波的负半周，也可以同样的方法得到PWM波形，像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而各正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波形。
2.PWM脉宽调制信号调制方法
我们所用PWM脉宽调制信号是采用调制波（正弦波Ur）与载波（三角波Uc）相比较的方法产生，常用的载波是三角波，常用的调制波是正弦波，这种调制波为正弦波的脉宽调制称为正弦脉宽调制（SPWM），产生的调制波是正弦等幅、等距而不等宽的脉冲列，有两种调制方法：
（1）.单极性SPWM法
调制波和载波如图4－1（a）所示，曲线1是正弦调制波Ur，其周期决定于所需要的调频比Kf，振幅值决定于Ku，曲线2是采用等腰三角形的载波，其周期决定于载波频率，振幅不变，等于Ku＝1，正弦调制波的振幅值，每半周期内所有三角形的极性相同（即单极性）。
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宽度，所得的脉冲系列如图4－1（b）所示。
由图可知，每半周内的脉冲系列也是单极性的。
单极性调制的工作特点：
每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变
器中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断地工作，另一个完全截止；而在另半个周期内，两个器件的工作情况正好相反，流经负载ZL的便是正负交替的交变电流。
（2）.双极性
调制波仍为正弦波，其周期决定于Kf，振幅决定于Ku，如图4－2（a）中的曲线
1，载波为双极性的等腰三角波，其周期决定于载波频率，振幅不变，当Ku＝1时,正
弦波的振幅值相等，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，自由相电压合成的线电压是单极性的。
双极性调制的工作特点：
逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电
压脉冲系列的规律把导通和判断，毫不停息，而流过负载ZL的是按正弦规律变化的
交流电流，如图4－2（b）所示。
在本设计中，采用三相桥式逆变电路，采用双极性PWM控制。
3.按载波信号频率与调制波信号频率的关系来分，产生SPWM脉宽调制信号控制方法有两种：
（1）.异步调制
载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式称为异步方式，异步调制方式中，调制信号频率FR变化时，通常保持载波频率FC固定不变，因而载波比N＝FC/FR是变化的，要求N为3的整数倍，这样，在调制信号的半个周期内，输出脉冲个数不固定，脉冲相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，同时，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。
当调制信号频率较低时，载比N较大，半周期内的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4周期脉冲不对称的影响都较小输出波形接近正弦波，当调制信号频率增设时，载波比N就减小，半周期内的脉冲数减小，输出脉冲的不对称性影响就变大，这会出现脉冲的跳动，同时，输出波形的正弦波之间的差异也变大，电路输出特性变坏，对于三相SPWM型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差，因此，在采用异步调制方式时，希望尽力提高载波频率，以使在调制信号频率较高时，仍能有较大的载波比，改善输出特性。
（2）.同步调制
载波比N等于常数，并在变频时使载泚信号和调制信号保持同步的调制方式称
为同步调制，在基本同步调制方式中，调制信号频率变化时载波比N不变，调制信号半个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的，在三相PWM逆变电路中，通常公用一个三角波载波信号，且取载波比N为3的倍数，以使三相输出波形严格对称。
当逆变电路输出频率很低时，因为在半周期内输出脉冲的数目也是固定的，所以
由PWM调制而产生的FC附近的谐波频率也相应降低，这种频率较低的谐波通常不易滤除，如果负载为电动机，就会产生较大的转矩脉动和噪声，给电动机的正常工作带来不利影响。
为克服上述缺点，通常都采用分段同频调制的方法，即把逆变电路的输出频率范围划分成若干个频段，每个段内都保持载波比N为恒定，不同频段的载波比不同，在输出频率的高频段采用较低的载波比，以使载波F不致过高，在功率开关器件所允许的频率范围内，在输出频率的低频段采用较高的载波比，以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响，各频率的载波比都取3的倍数且为奇数。
我们采用分段同步控制，它相当于在低频时采用异步调制方式而高频时切换到同步调制方式所具备的优点。
1.SPWM波形的生成方法：
SPWM逆变器因功率因素高，对电网污染小，输出谐波分量在异步电动机，不停电源等装置获得广泛应用，一般用软件生成SPWM波形，重点介绍规则采样法。
（1）.自然采样法
由SPWM控制的基本原理可知，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，这种生成SPWM波形为自然采样法，正弦波在不同相位角时其值不同，因而与三角波相交所得到的脉冲宽度也不同。
另外，当正弦波频率变化或幅值变化时，各脉冲的宽度也相应变化，要准确生成SPWM波形，就要准确算出正弦波和三角波的交点，这种方法求解时需要花费较多的计算时间，因而难以在实时控制中在线计算。
（2）.规则采样法
自然采样法是基本的SPWM控制的基本原理为出发点，所以准确地计算出功能开关器件的通断时刻，所得的波形很接近正弦波，但是这种方法计算量过大，因而在工程实际使用并不多，规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，它的效果接近自然采样法，但计算量却比自然采样法小得多。
图4－3说明了采用三角波作为载波的规则采样法，在自然采样法中，每个脉冲的中点并不和三角波中点重合。
规则采样法则使两者重合，即使每个脉冲的中点都以相应的三角波为中点对称，这样就使计算大为简化。
如图所示，三角波的尖峰时刻TD对正弦调制采样而得到D点，过D点作一水平直线和三角波分别交于A、B两点，在A点的时刻TA和B点的时刻TB控制功率开关器件的通断，可以看出，用这种规则采样法所得到的脉冲宽度δ和用自然采样法所得到的脉冲宽度非常接近。
从图可得如下关系式：
（1＋αsinωr
）/δ/2=2/Tc/2
因此可得
δ＝Tc/2（1+αsinωr
）（4-1）
在三角波一周其内，脉冲两边间隙宽度δ为
δ＝1/2（Tc-δ）＝Tc/4（1-αsinωr
）（4-2）
对于三相桥式逆变电路来说，应该形成三相SPWM波形，通常三相的三角载波是公用的，三相正弦调制波集资相差120º相位，波在同一三角波内三相的脉冲宽度分别为δu,δv,δw，间隙分别为δu′,δv′,δw＇，由于在同一时刻三相正弦调制电压之和为零，故由式（4－1）可得
δu＋δv＋δw＝3/2Tc（4-3）
δu′＋δv′＋δw′＝3/4Tc（4-4）
利用式（4－3）和式（4－4）可以简化生成三相SPWM波形时的计算。
（3）.次谐波消去法
以消去PWM波形中某些主要的高次谐波为目的，通过计算来确定各脉冲的开关时刻，这种方法称为低次谐波消去法。
在这种方法中，已经不用载波和正弦波的比较，但其目的仍是使输出波形尽可能接近正弦波，因此也是一种SPWM生成方法。
（三）三相SPWM异步电动机变频调速系统方案的确定
一．采用变频调速要达到的目标：
（1）节约电能；
（2）提高生产力；
（3）提高产品质量；
（4）降低设备的制造费用；
（5）提高环境性。
二．变频调速方式
根据电机学知，交流电动机的转速公式为：
N=60F1（1-S）/P
式中，F1为定子供电频率，P为极对数，S为转差率。
由上式可知，若均匀地改变定子供电频率F１，则可以平滑地改变电动机转速。
然而，只调节F１是不行的，因为
E1＝4.44F1N1KN1Φm≈U1
当定子电压U1不变时，Φm与F1成反比，F1的升高或降低，会导致磁通Φm的减小或增大，从而使电动机最大转矩减小，严重时将导致电动机堵转，或者使磁路饱和，铁耗急聚增加。
因此，在调节电源频率的同时，要调节电压的大小，以维持磁通的恒定，使最大转矩不变。
根据U1和F1不同的比例关系，可形成多种变频调速方式。
1.恒比例控制方式
这种控制方式是在调频的同时调节电压，维持
U1/F1=cost
不变，当频率较高时，定子电阻压降可不计，这时有
U1≈E1
Φm=（1/4.44N1KN1）（E1/F1）≈（1/4.44N1KN1）（U1/F1）=cost，
磁通近似不变，根据异步电动机的转矩表达式
T=CmΦmI2’cosΦ2
可知，当有功电流额定，Φm=cost时，电动机的转矩调速性质，因而这种恒比例控制方式属于恒转矩调速性质，但当频率较低时，定子电阻压降不可忽略，E1与U1相差较大，即使U1/F1=cost，E1/F1也已不再近似为常数，最大转矩将随频率F1的降低而减小，起动转矩也将减小，甚至不能带动负载，所以，恒比例控制方式只适用于调速范围不大（F1不会进入低频段）或转矩随转速下降而减小的负载（如风机、水泵），对于宽调速范围的恒转矩负载，不能采用恒比例控制方式。
2.恒磁通控制方式
由式
T=CmΦmI2’cosΦ2
可知，要在整个调速范围内实现恒磁控制，必须按
E1/F1=cost
来进行控制，
E1/F1=cost
是维持恒磁通，亦即恒最大转矩变频调速的协调控制条件。
然而，由于电动机的感应电动势E1难以测得和控制，故实际应用中采用一种近似的恒磁通控制方式，即当频率较高时，采用恒比例控制方式，当频率较低时，引入低频补偿，也就是通过控制环节，适当提高变频电源输出电压，以补偿低频时定子电阻上的压降，维持磁通不变，实现恒转矩控制。
图4-4为各种补偿曲线，曲线
（1）为无补偿时的U1与F1的关系曲线，曲线
（2）、（3）、（4）为有补偿时的U1与F2的关系曲线。
3.恒功率控制方式
当转速超过额定转速调速时，要求F1>F1N（额定频率），若仍按恒磁通控制方式控制，势必使U1超过U1N（额定电压），这是不允许的，这时必须改用恒功率控制方式，而当F1>F1N时，保持U1=U1N，不进行电压的协调控制。
随着频率的升高，气隙磁通会小于额定磁通，导致转矩减小，但频率升高，速度增加，由P=Tn/975可知，当T减小的倍数和n增加的倍数相等时，P维持不变，故称这种方式为恒功率控制方式，不过T和n不是严格的等比例增减，所以这只能说是一种近似的恒功率控制方式。
若要准确的维持恒功率的调速，必须按U1/{F1}=cost的原则，进行电压频率的协调控制。
与恒比例控制比较，恒功率控制时，随着F1的升高，要求U1的升高相对小一些，恒功率控制方式的特点是输出功率不变，它适用于负载随转速的升高而变轻的场合。
4.恒电流控制方式
在变频调速时，保持异步电动机定子电流I1为恒值，叫做恒电流控制。
I1的恒定可通过电流调节器的闭环控制实现。
这种系统不仅安全可靠，而且具有良好的特性。
恒流控制和恒磁通控制的机械特性形状基本相同，都具有恒转矩调速性质，变频时，对最大转矩大小影响不大。
但由于恒流控制限制了I1，所以恒流控制时的最大转矩Tm要比恒磁通控制时小得多，过载能力小，因此只适用于负载变化不大的场合。
三.控制方式的选择
为了使异步电动机变频调速取得最好的技术和经济效果，不同类型的负载根据具体要求应选择不同的控制方式，控制方式应满足的条件是：
（1）电动机的过载能力不低于额定值，以防堵转。
（2）每极磁通不应超过额定值，一面磁路饱和。
（3）电流不应超过额定值，以免电动机过热。
（4）电动机的损耗最小。
（5）充分利用电动机的容量，尽可能使磁能保持额定值，以充分利用铁心；尽可能使电流保持额定值，以充分利用绕组导线；尽可能使功率因数保持额定值，以免降低电动机出力。
以上
（1）、
（2）、（3）是技术条件，（4）、（5）是经济条件。
1.额定频率以下控制方式选择
常用的负载有：
转速平方型负载、恒功率型负载和恒转速型负载。
负载类型不同，调速范围不同，所要求的控制方式也不一样，下面按负载的选择类型分别加以讨论。
（1）转速平方型负载：
这类负载的性质是转矩和转速的平方成正比。
恒磁通控制时，磁通不变，由于负载转矩和转速平方成正比，因此电动机电流也和转速的平方成正比，随着转速的下降，电流急剧减小，使铜耗大大减小，故转速平方型负载在负载重、电流大、铜耗大的场合，采用这种控制方式较合适，但对于轻载的场合，不宜采用这种控制方式，这是因为恒磁通控制，磁通不变，铁耗较大，对降低轻载时的损耗不利。
转速平方型负载，负载较轻时，可采用恒电流控制方式。
恒流控制时，对风机、水泵类负载来说，磁通和转速的平方成正比，随着转速的下降，铁耗能大大减小，有利于减小电动机损耗。
（2）恒功率型负载
恒功率型负载的转矩与转速成反比。
在决定这类负载的电动机容量时，电动机转矩应有最低速时的负载转矩来决定，转速则由最高速决定。
对于恒功率型负载，可采用恒磁通控制方式和恒功率控制方式。
恒磁通控制方式的特点是磁通不变和最大转矩不变。
采用恒磁通控制方式，显然可使电动机铁心获得充分利用，另外，恒功率负载随着转速的增加，负载转矩减小，电流也随之减小，电流和转速成反比。
若调速范围为D，则在额定转速时的电流为额定电流的1/D，因而有利于铜耗的减小。
这种控制方式比适用重负载的场合，因为负载重，铜耗大，在调速中如能减小铜耗对提高效率有利。
恒功率控制方式的特点是输出功率不变。
在低速点，磁通和电流均为额定值，随着转速增加，磁通和电流均减小，和磁通不变的控制方式相比，铁耗要小而铜耗要大，因此，比较适合于负载轻的场合。
（3）恒转矩型负载
在电动机满载的条件下，恒转矩负载只有一种控制方式，即恒磁通控制方式。
这种控制方式能同时保证磁通不变，电流不变以及过载倍数不变。
其他控制方式则不能使这些技术条件得到满足。
2.额定频率以上控制方式选择
在额定频率以上，负载皆为恒功率负载，一般采用恒压控制方式（即近似恒功率控制方式）。
恒压控制方式在保持电压不变的条件下，输出转矩近似和转速成反比。
电动机功率因数也随转速的升高而减小，所以它并不能使电动机得到充分利用，其次，这种调速方式的过载倍数和转速成反比，高速时，有堵转的危险，故只有在负载较轻，调速范围较小的场合才能应用。
四.微机控制PWM变频调速系统的结构形式
1.按系统调速规律分类
按系统调速规律来分，SPWM变频调速主要有低频补偿的恒压频比转速开环控制，转差频率控制和矢量控制。
（1）带低频补偿的恒压频比转速开环控制，框图如图4-5所示，转速开环控制，结
构简单，调试容易，并且异步电动机在不同供电频率下的机械特性硬度变化不大，所以开环变频调速控制获得广泛应用，但开环控制不能保证必要的调速精度，而且在动态过程中由于不能保持所需的转矩，动态性能较差，因此开环控制方案只能用于对调速精度和动态性能要求不高的场合。
（2）转差频率控制
它属于转速闭环控制，在恒磁通的条件下，通过控制转差频率，就可以实现对
转矩的动态控制。
框图如图4-6所示。
（3）矢量变换控制
矢量变换控制是1921年由西德Blaschke等人提出的一种新的控制思想和控制结
构。
通过矢量变换控制，能使交流电动机和直流电动机一样的调速性能。
2.按计算机参与控制的情况分类
（1）单片机控制
（2）多微机控制
（3）单片机+SPWM器件控制结构
为了获得较为理想的调速性能，人们研制出了各种各样的SPWM脉宽调制信号发生器有模拟的，数字的，还有混合式的，也有数片集成电路芯片组合而成的，HEF4752就是其中一种，它是80年代初英国Mullard公司研制出的一种专门用来产生三相正弦脉宽调制（SPWM）信号的大规模集成电路，它可驱动大功率晶体管，但后来研制出的SLE4520能驱动频率更高的绝缘栅晶体管IGBT，运用SLE4520产生SPWM脉宽调制信号可以使变频调速系统控制电路的硬件结构大大简化，有利于提高整个系统的抗干扰性和可靠性，也可以使整个系统的调节控制变得更为简捷，采用单片机控制时，可减小大量的计算工作量，使微机腾出空来处理一些诸如系统测量，保护及控制工作，有利于充分发挥微机的控制作用。
采用微机+SPWM器件控制的PWM变频调速系统结构框图如图所示：
五．本次方案的确定
由上述分析可知，采用单片机+SLE4520器件控制结构，使PWM变频调速系统控制电路的硬件更加简单，有利于提高整个系统的抗干扰性和可靠性，也可使整个系统的调节控制更为简捷，并可减少大量的计算工作，仅用价格低廉的单片机8031就可胜任，同时也使单片机空出来处理一些诸如系统测量，保护及控制工作，有利于充分发挥单片机的控制作用，同时还采用IGBT开关元件，使输出的SPWM的开关频率达20KHZ，基波频率可达2600HZ，达到设计要求，而且经济效益最佳。
经过以上比较，我们可得系统方框图如图所示
系统工作原理：
首先由拔码盘输入给定转速N，由于N是由P0口输入再取入为BCD码，转换成二进制，并转换为频率F，然后判断F所处的范围，根据一定的软件算法，输出数据由数据总线P0-P7写入地址译码锁存器。
然后根据地址译码，由微机输出的SPWM脉宽数据分别写入SLE4520中的3个8位数据锁存器，经SLE4520处理后产生脉冲来控制IGBT，由于IGBT必需要有一定的驱动功率及一定的保护电路，而IPM内部主要是IGBT、驱动电路、检测电路，可以大大简化电路，故采用了IPM模块。
如果发生事故，则产生中断来申请中断处理。
显示接口，主要用来显示转速等必要参数。
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