基于单片机的感应电动机的PWM变频调速的系统设计毕业论文Word格式文档下载.docx

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摘要

在电力电子器件制造技术和电力电子控制技术不断飞速发展的今天，得益于变频器的发展，电机的变频调速在理论研究和实际应用中得到了飞速的发展。

变频调速不仅在调速的性能上面得到了跨越式的提高，同时在控制技术和补偿技术方面也得到的质的飞跃，控制策略的提升和简化使得电机的变频调速成为当今主要的调速方式。

得益于此，再加上交流电机没有换向器以及结构简单等因素从而导致现代交流电机有取代直流电机的趋势。

鉴于变频调速的很多优点，所以这种调速方式也越来越成为了交流调速的主要趋。

交流调速系统是一个比较复杂的系统，整个系统包含了交流电机、逆变器、供电电压等主电路以及检测电路、驱动电路和整个控制系统。

为了实现变频调速，还必须研究交流电机的动态数学模型，并对此进行坐标变换。

交流调速系统中的交流电机、逆变器和供电电源是主电路系统中不可缺少的部分；

然后控制系统的核心是整个控制电路部分，这里面的核心又是智能控制芯片，这里我们使用的是52系列的单片机AT89S52，还包含了脉冲发生电路SA4828智能芯片电路，同时包括一些较少的外围硬件设备，因为采用了单片机作为控制核心，所以整个电路的硬件设计简洁，对于脉冲输出和反馈控制等方式也灵活，只需要改变程序就可以了，本设计的电机对象是一个感应电机，我们主要完成该电机的调速。

控制系统设计的任务主要完成了SA4828智能芯片的介绍、主电路（交流电机、逆变器、驱动电路和供电电源）、调速控制策略、逆变器缓冲和保护电路的硬件设计以及52单片机的程序设计。

关键词：

AT89S52单片机；

SA4828智能芯片；

交流电机变频调速；

脉冲宽度调制

Abstract

Inpowerelectronicdevicemanufacturingtechnologyandthecontinuousrapiddevelopmentofpowerelectroniccontroltechnology,thankstothedevelopmentoffrequencyconverter,frequencycontrolofmotorspeedofthemotorinthetheoreticalresearchandpracticalapplicationofrapiddevelopment.Frequencycontrolofmotorspeedabovetheperformanceofthespeedregulationnotonlyhaveimprovedbyleapsandbounds,atthesametimeincontroltechnologyandcompensationtechnologyhasalsobeenqualitativeleap,improveandsimplifythecontrolstrategyofthemotorfrequencycontrolofmotorspeedbecomethemainwayofspeedadjustment.Thankstothis,coupledwithacmotorwithoutcommutatoraswellasthesimplestructureandsoonfactorsleadingtothemodernacmotorhasatendencytoreplacethedcmotor.Inviewofthemanyadvantagesoffrequencycontrolofmotorspeed,sothiswayofspeedcontrolisbecomingmoreandmorebecomestheprimarycommunicationspeed.

Acspeedregulatingsystemisacomplexsystem,thewholesystemconsistsofacmotor,inverter,powersupplyvoltageofmaincircuitanddetectioncircuit,drivecircuit,andthewholecontrolsystem.Inordertoachievethefrequencycontrolofmotorspeed,butalsomuststudythedynamicmathematicalmodelofacmotor,andtocoordinatetransformation.Acspeedregulationsystemofacmotorandinverterandpowersupplyisanintegralpartofthemaincircuitsystem;

Andcontrolsystemisthecoreofthewholecontrolcircuitpart,hereisthecoreofintelligentcontrolchip,hereweareusingAT89S52insinglechipmicrocomputercontrolsystem,alsocontainsapulsegeneratingcircuitintelligentchipSA4828circuit,includingsomeofthelessperipheralhardwaredevicesatthesametime,becauseofusingthesinglechipmicrocomputerascontrolcore,sothewholecircuitofthehardwaredesignisconcise,forpulseoutputandfeedbackcontrolmethodssuchasflexible,onlyneedtochangetheprogram,thedesignofmotorobjectisaninductionmotor,wemainlycompletedthemotorspeedcontrol.ThemaintaskofcontrolsystemdesigncompletedintelligentchipSA4828isintroduced,themaincircuit（acmotorandinverter,drivercircuitandpowersupply）,speedregulationcontrolstrategy,bufferandprotectioncircuitoftheinverter52microcontrollerhardwaredesignandprogramdesign.

Keywords:

AT89S52singlechipmicrocomputer;

IntelligentchipSA4828;

Acmotorfrequencycontrolofmotorspeed;

Pulsewidthmodulation

第1章绪论

近些年来，伴随工业水平的快速发展，交流异步电机的使用也越来越广，这也表明对电机的速度调节越来越重要，而为了获得好的调速性能，一般采用PWM变频调速方式。

在工业应用中，一般偏向廉价性能，故这里采用单片机作为控制单元。

1.1变频器简介

在工业生产上对变频调速要较多的要求，其中重要的因素主要有响应的快慢、系统是否稳定、动态特性是否好。

在好多的研究和实践领域，比如国防、冶炼、制造、石油、汽车、起重等行业，对电机的调速有着很大的重要性。

但是越好的调速系统控制越复杂，变化因素也很多，而且对理论知识要求也很高，所以在系统设计的时候就需要很好的实践经验和自动控制的理论基础。

对交流异步电机完成变频调速的设备为变频调速器，其作用是把电网输出的稳定不变的频率与电压的交流电转变为可变的电压和频率VVVF的交流电，以此达到对电机的无级调速控制。

当前的市场上最主要有两种类型的变频器：

交-直-交和交-交变频器，图1-1说明了两种变频器的简要结构。

所谓的交交变频器，即AC/AC变频器，是直接采用正组和反组整流器把电网电压经过正组或反组整流器之后拼接在一起，从而组成电压幅值和频率大小都可调的交流电，只能降频不能升频，效率较高，中间没有滤波环节，所以又把这种变频器叫做直接变频器。

而交—直—交变频器是首先把电网输出的交流电能变换成为直流电，通过中间滤波环节后，再经过逆变器，最后转变为可变频和变压的交流电，故被称为间接型变频器。

对比这两种变频器，间接变频器因为中间过程较多，所以控制复杂点，而且多级的效率叠加使得中的效率不高，但是这种方式的变频范围可以加大；

对于直接变频器因为采用直接变换，所以可以得到高的工作效率，也不容易出问题，但是频率可调节的范围就减小了，这种方法大多在容量大频率低的场合。

（a）交-交变频器（b）交-直-交变频器

图1-1变频器的两大类

1.2国内外变频技术的发展现状

1.2.1国内变频调速技术发展概况

作为发展中国家的我国，在自主研发能力上与发达国家还有很大的差距，到现在为止，在变频调速的研发上我国的技术水平相当与发达国家几十年前。

随着时代进步，我国现在也有好多公司已经引进国外先进技术，然后进入自主研发阶段，但是总体而言，在研发和产品生产方面水平还是很低，很大程度上需要国外的先进技术[1-2]。

总而言之，如今处于发展中国家的我国与技术成熟先进的一些发达国家相对比较，我们仍然还落后10到15左右，即使我们有较为丰富的人员，也有一定的物力，但是不够集中。

而在大型功率电机等变频调速的技术方面，国家内部如今仍只有为数不多的科研单位有能力造出来，在智能化及系统可靠性上与国外相比还有相当的差距，而且相关的配套产业及行业比较落后，市场面很窄，性能和制造行业水平一般。

在中等容量的变频上，我们国家主要都是采用V/F的控制方式，只有很少的部分使用的是矢量控制方式。

关于变频器的设备所用的半导体器件的制造行业国内几乎没有[1]。

1.2.2国外变频调速技术发展概况

在大功率电机变频调速技术阶段,ABB提供一个独立的容量约60000千瓦的设备用于抽水蓄能电站。

在小功率交流变频调速技术,日本的富士山是转换器独立的最大容量700千伏安。

在二级电力变频调速技术,西门子Simovert产生了电流型晶闸管变频调速装置容量10-2600kva,SimovertPGTOPWM变频调速装置可用于100-900kva能力,现在意识到智能控制系统,用于泵传动,电动机车,粉丝,等大型电力设备——交流变频调速技术,法国的阿尔斯通已经可以完成单机容量30000千瓦的电力传动装置用于船舶推进系统。

基于IGBT逆变器产生了系列产品,其控制系统也实现了一个全面的数字[1-5]。

国外的交流变频调速技术在高速发展下存在以下特点[2]：

（1）市场需求量较大。

伴随工业自动化程度的逐步提高和全球化能源短缺，变频器技术已广泛地应用在机械、化工、纺织、冶金、造纸、食品等行业，在水泵、风机等设备中应用广发，并取得了显著的经济效益。

（2）大容量器件发展。

近些年来高电压、大电流的IGBT、GTR、IGCT、GTO等器件的面世，使得高压、大容量变频器产品的生产和应用成为现实。

（3）自动控制理论和微电子的发展。

自动控制领域的理论知识对于变频调速有着很大的影响力，因为变频调速中的转矩控制，矢量控制，迷糊控制，重复控制，磁通控制等等新的控制理论是变频调速性能好坏的一个决定因素；

而微处理器的发展为控制提供了更大的方便，例如控制器的位数的提升，还有一些专用高速处理芯片DSP、FPGA等的发展，为变频调速的更好精度、更加多功能和全自动化实现提供了越来越多的可能[2,6,7]。

1.3课题研究的意义

在工农业领域上广泛采用交流异步电机，因为该电机构造简单，检修方便，但是随着现在工农业的不断改进，需要电机完成更多的功能，好多的领域都需要电机可以根据不同的负载等情况自动调节运行的转矩和速度等等。

以前，对于调速要求比较高的场合，可以采用直流电机，但是直流电机有明显的缺陷，容量不大，转矩小，还有它采用了换向电刷，这个很容易损坏而且工作过程中会有火花，很不安全。

后来，依据交流电机的特性，完成了传统交流电机的一种新的调速方式，是通过转子回路串电阻完成分段的调速控制，这种调速方式很耗能，而且装置性能不好，技术落后，存在很多的问题，所以使得异步电机在市场上不能得到大面积的推广。

所以对于感应电机的可靠调速控制，需要一种更加优良的控制方式，有更好的保障。

就计算机控制技术在工业现场应用情况而言，微处理器是目前作为工业控制应用中最理想的机型，它是采用计算机数字控制技术、按照设计人员事先编好的并储存在计算机内部的一段程序代码来完成设备的的相应操作控制[7,8]。

采用智能芯片，例如单片机的控制，具有硬件电路简洁、软件设计灵活性强、程序代码调试方便、硬件设施和软件的维护量小等特点。

微处理器，包括了单片机在内，逐渐在代替传统的模拟电路来用作交流电机和直流电机的控制器，单片机具有以下特点：

（1）程序代码能够大大简化实际电路装置。

传统的模拟电路如果要实现某个逻辑控制，学过模电的读者都会知道需要很多电子元器件，众多的电子元器件会导致实际电路更复杂，设备装置体积庞大，而且可靠性能不高，容易故障。

采用数字单片机微处理器实现某个逻辑控制，我们只需要通过软件写一个行代码即可实现。

（2）由于单片机是属于智能元件，能够编程，那么可以有效的提供人与机机器之间的交互，设计人机交互界面，便于操作人员操作。

（3）单片机数字化能够很容易的完成较为复杂的逻辑和算术控制功能。

单片机微处理器拥有强大的逻辑运算处理性能、具有运算速度快、运算结果精度高，而且还拥有大容量的可编程逻辑存储单元和flash单元。

以上这些优点使得单片机能够实现现代设备较为复杂的控制算法。

（4）单片机具有很好的操作灵活性及多功能适应性。

单片机作为一种数字处理器，它的控制方法以及控制策略都是由设计人员事先编写程序软件来实现的。

一旦设备不符合要求，常常做的方法是改变控制策略，但是主电路的硬件设施和接线结构一般是不需要修改的，也就是说，我们只须对下载在单片机内部的程序进行修改即可，于是在设备系统的调试器件和升级器件，不需要改变设备，也可以不断测试系统的参数，选择功能更好，性能最优的方案，因此，操作十分的方便。

在工业应用中的计算机一般采用的是PC机，当采用多核处理器时，该计算机具有运行速度很快，能够实现在线实时控制，同时，还可以很方便的进行软件测试。

由于这种计算机的功能是相当的强大，于是导致工业计算机的价格非常昂贵，同时工业计算机的体积非常的大，那么工业计算机一般是只应用在在大型的控制系统中。

而单片机微型处理器就是不一样的数字信号处理芯片，虽然单片机的芯片体积很小，但是内部的集成度是很高的，这样一个很小芯片集成了上亿个晶体管，不仅可以完成定时功能、中断功能、通信功能、采样功能等等，还能实现与其他微型处理器的交互运行，其本质就是一个微型的计算机控制芯片。

基于以上优势，本课题设计的系统需要实现的感应电机PWM变频调速功能，为此，我们可以选用单片机芯片，考虑到单片机的型号，我们选用AT89S52单片机芯片。

2基于单片机的感应电机PWM变频调速的基本原理

2.1变频调速基本原理

2.1.1变频器基本结构

变频器可以分为四个部分，如图2-1所示。

常用的变频器主要包括主回路完成主要功能和控制回路完成系统的控制。

主电路主要是为感应电机提供变频电源的控制信号，有三个部分：

平波、逆变和整流电路。

图2-1变频器结构简图

2.1.2变频器调速控制方式

变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。

（2.1）

变频器的控制方式有下面两大类：

1.普通控制型V/F变频器

（1）市场上常用的V/F变频器采用的是开环的控制方式。

这种控制方式很简单，都没有速度的反馈，所以响应速度也慢，电机可以使用标准的异步电机，通用性比较好，性价比也高，所以在常用的变频器上多半采用这种方法。

（2）具有固定磁通功能的V/F变频器

使用反馈磁通的方式使得感应电机的三相正弦电流产生一个空间的圆形旋转磁场，这样就会有一个固定的电磁转矩，这是为了解决经典V/F变频器在V/F值上调整苦难这一个问题，这样控制方式我们叫做磁链跟踪控制。

有时我们也把这种控制方式称为空间电压矢量控制，因为磁链的踪迹是由电压矢量相加获得。

2.矢量控制方式

矢量控制方式的基本思想是：

参考直流电机的调速，让控制感应电机也可以像直流电机一样控制来两个独立的调速，将矢量分为无速度控制和有速度控制或者所闭环转矩矢量控制。

2.2SPWM控制简介

脉冲宽度调制作为模拟控制方式的一类，其依据负载的相应改变来调制晶闸管基极或MOS管栅极的偏置信号，来实现晶闸管或MOS管导通时间长短的变化，从而完成开关电源输出电压的改变。

该方式可以使电源的输出电压在工作情况发生变化时保持不变，是借助微处理器的数字信号控制模拟电路的一种可行的技术。

PWM控制技术的控制方式简单，且具有动态响应好和灵活的优点，故是电力电子技术中应用最广泛的一种控制方法，也是大家研究的热点,包括单极性调制和双极性调制。

因为当今科技的发展已经摆脱了学科间的界限，加上现代控制理论的方法或无谐振波开关技术将能成为PWM控制技术主要的发展方向之一。

下图所示为单相桥式逆变电路，下面就改逆变电路介绍下单极性和双极性PWM控制方式。

图2-2单相桥式PWM逆变电路

2.2.1单极性PWM控制方式

单极性PWM控制如图2-2所示,载波uc和调制波ur的交点时刻控制IGBT的开通与关断。

图2-3单极性PWM控制波形

Ur正半周，V1保持通，V2保持断,

当ur>

uc时,使V4通，V3断，u0=Ud;

当ur<

uc时,使V3通，V4断，u0=0;

Ur负半周，V1保持断，V2保持通,

uc时,使V4通，V3断，u0=0;

uc时,使V3通，V4断，u0=-Ud;

2.2.2双极性PWM控制方式

在ur的半个周期内，三角载波有正也有负，所得到的的PWM波也有正有负，而且输出PWM波只有±

Ud两种电平。

图2-4双极性PWM调制波形

uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号,

若i0>

0,使V1和V4通，若i0<

0,使VD1和VD4通，u0=Ud;

uc时，给V1和V4关断信号，给V2和V3导通信号,

0,使VD2和VD3通，若i0<

0,使V2和V3通，u0=-Ud;

2.3闭环控制原理

闭环控制是根据控制对象输出反馈校正的控制方式,它是一个测量的实际和计划发生偏差,根据修正的规范或标准来调节。

在控制理论中,闭环通常表示输出取决于“链”的方式反馈到输入端,所谓的闭环控制。

先输入端和输出端反馈控制输出端后再计算错误,这是闭环控制的原理,该方法取决于反馈。

闭环控制是两种基本的方法在正反馈和负反馈。

负反馈和正反馈方面结束与一个类似的意思。

干涉效应,当控制对象,实际状态与期望状态的偏差,控制主体根据偏差的大小输出将新的指令,减少偏差,消除干扰的影响。

在闭环控制系统中，因为控制主体能依据回馈的信息计算和减小受控客体运行过程的偏差，因而抗干扰能力较强，且能有效的进行控制，这样便可保证预定目标的输出。

控制系统中所采用的控制大多是闭环控制方法，用到的控制原理主要是反馈原理。

这种控制如下图所示：

图2-5闭环系统原理框图

PID控制器的设计是基于连续系统PID控制规律理论，经过采样将其离散化，并表达成离