基于单片机的感应电动机PWM变频调速系统设计论文.doc
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华东交通大学理工学院
InstituteofTechnology.
EastChinaJiaotongUniversity
毕业论文
GraduationThesis
（2008—2012年）
题目基于单片机的感应电动机PWM变频调速系统设计
华东交通大学理工学院
毕业设计（论文）原创性申明
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年月日
摘要
随着电力电子器件的发展，交流变频调速的发展也越来越快，调速性能也不断提高，克服了直流调速难以克服的缺点。
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，本文介绍了一种利用专用集成电路SA4828设计电机变频调速的方法。
系统主要包括主电路与控制电路，主电路采用IPM智能功率模块作为电机的控制。
控制电路由MCS-51系列的89C51单片机最小系统和SA4828三相SPWM产生器及少量的扩展外围芯片构成，充分发挥其控制电路简单、控制方式灵活、输出波形优点多的特点，结合相应的软件，实现感应电动机的调速要求。
其中主要内容包括：
SA4828的特性介绍及变频系统的主电路、驱动电路、保护电路、速度检测、调速系统及软件编程设计方法。
所设计的系统实现了变频调速的全数字化控制，实时性好，可靠性高。
关键词：
单片机；SA4828；变频调速；SPWM；感应电动机
3
华东交通大学理工学院毕业论文
Abstract
Withthedevelopmentofpowerelectronicdevices.thefrequencyconversionvelocitymodulationisdevelopingfasterandfasteranditsalsoimproving.ithasovercomemanyweakpointsofDCspeedcontrol.evencanbecomparable.ToDCspeedcontrol.Variable-speeddrivesystemisthedirectionofACVariable-speedrivesystem.Therearemanymodesforfrequency-variedspeed-regulated.，ThisarticledescribesauseofSA4828ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）designmotorVVVFsystem.Thesystemincludesthemaincircuitandcontrolcircuit,maincircuitusedastheIntelligentPowerModuleIPMmotorcontrol.ThecontrolcircuitisconstitutedbytheMCS-51seriesof89C51systems、three-phaseSPWMgeneratorSA4828andtheexpansionofasmallnumberofperipheralchips.Givefullplaytoitscontrolcircuitissimple,flexiblecontrol,theadvantagesofmulti-outputwaveformcharacteristics,combinedwithappropriatesoftware,toachievethespeedrequirementsofmotorcontrol.Thesystemhasall-digitalVVVFcontrol,real-time,andhighreliability.
Keywords:
MCU；SA4828；VVVF；SPWM；Inductionmotor
目录
中文摘要 1
英文摘要 2
目录 3
引言 1
1．概述 3
1.1变频调速技术简介 3
1.2调速系统的发展方向 4
1.3交流调速系统 5
1.4单片机控制的变频调速 6
2.电机变频调速系统 7
2.1变频调速原理 7
2.2单片机控制的变频调速系统 8
2.2.1系统框图 8
2.2.2硬件系统原理图 9
2.2.3脉冲宽度调制 9
3.系统主要模块设计 11
3.1IPM模块 11
3.1.1IPM的基本工作特性 11
3.1.2IPM驱动电路的设计 13
3.1.3IPM的选用 14
3.1.4IPM相关参数 16
3.289C51主控制模块 17
3.2.1主要特性 17
3.2.2管脚说明 17
3.2.3振荡器特性 19
3.2.4芯片擦除 19
3.3SPWM波发生模块 19
3.3.1SA4828的引脚功能 20
3.3.2SA4828内部结构 21
3.3.3SA4828初始化编程 22
3.4其他模块简介 25
3.4.1串口通信 25
3.4.2驱动模块 26
3.4.3保护电路 26
3.4.4A/D模数转换模块 27
3.4.5速度反馈 29
4.系统软件设计 30
总结 33
参考文献 34
后记 35
引言
经过大约30年的发展，交流调速电气传动已经上升为电器调速传动的主流。
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。
对于可调速的电力拖动系统，工程上往往根据电动机电流形式分为直流调速系统和交流调速系统两类。
它们最大的不同之处主要在于交流电力拖动免除了改变直流电机电流流向变化的机械向器——整流子。
20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。
许多传统的由直流电机调速系统拖动的工业设备改由交流变频调速系统拖动，从而提高了系统的可靠性，减少了系统的维护费用。
随着变频调速应用的日益广泛，相关技术的日益成熟，人们不仅对变频调速系统的精度要求越来越高，而且对控制的功能要求越来越多，对系统的智能化要求越来越高，对系统的抗扰能力要求越来越高，以满足生产的需求并适应不同的工作环境。
随着电力电子器件，大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，为交流调速系统的开发研究进一步创造了有利的条件。
诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速，特别是矢量控制技术的应用，使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。
现在从数百瓦的伺服系统到数百千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采用交流调速传动。
交流调速传动的客观发展趋势已表明，它完全可以和直流传动相媲美、相抗衡，并有取代的趋势。
在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。
交流变频调速的优异特性：
调速时平滑性好，效率高。
低速时，特性静关率较高，相对稳定性好；调速范围较大，精度高；起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显；变频器体积小，便于安装、调试、维修简便，易于实现过程自动化；在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。
交流电动机因其结构简单，运行可靠，价格低廉，维修方便，故而应用面很广，几乎所有的调速传动都采用交流电动机。
尽管从1930年开始，人们就致力于交流调速系统的研究，然而主要局限于利用开关设备来切换主回路达到控制电动机启动，制动和有级调速的目的。
变极对调速，电抗或自藕降压启动以及绕线式异步电动机转子回路串电阻的有级调速都还处于开发的阶段。
交流调速缓慢的主要原因是决定电动机转速调节主要因素的交流电源频率的改变和电动机的转距控制都是非常困难的，使交流调速的稳定性，可靠性，经济性以及效率均不能满足生产要求。
后来发展起来的调压，调频控制只控制了电动机的气隙磁通，而不能调节转距。
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型PWM技术。
本文主要内容是研究采用单片机89C51与SA4828芯片组成SPWM波发生电路，并结合智能功率模块IPM，通过软件编程控制电动机变频调。
1．概述
1.1变频调速技术简介
变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速目的的技术。
大家都知道，目前，无论哪种机械调速，都是通过电机来实现的。
从大的范围来分，电机有直流电机和交流电机。
由于直流机调速容易实现，性能好，因此过去生产机械的调速多用直流电动机。
但直流机固有的缺点：
由于采用直流电源，它的滑环和碳刷要经常拆换，故费时费工，成本高，给人们带来太大的麻烦。
因此人们希望，让简单可靠廉价的笼式交流电机也像直流电动机那样调速。
这样就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速、串极调速等交流调速方式。
当然也出现了滑差电机、绕线式电机、同步式交流电机。
随着电力电子技术、微电子技术和信息技术的发展，出现了变频调速技术，它一出现就以其优异的性能逐步取代其它交流电机调速方式，乃至直流电机调速，而成为电气传动的中枢[1]。
变频调速被认为是一种理想的交流调速方法。
但如何得到一个单独向异步电动机供电的经济可靠的变频电源，一直是交流变频调速的主要课题。
20世纪60年代中期，随着普通的晶闸管、小功率管的实用化，出现了静止变频装置，它是将三相的工频电源经变换后，得到频率可调的交流电。
这个时期的变频装置，多为分立元件，它体积大、造价高，大多是为特定的控制对象而研制的，容量普遍偏小，控制方式也很不完善，调速后电动机的静、动态性能还有待提高，特别是低速的性能不理想，因此仅用于纺织、磨床等特定场合。
20世纪70年代以后，电力电子技术和微电子技术以惊人的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步，开始出现了通用变频器。
它功能丰富，可以适用于不同的负载和场合，特别是进入20世纪90年代，随着半导体开关器件IGBT、矢量控制技术的成熟，微机控制的变频调速成为主流，调速后异步电动机的静、动态特性已经可以和直流调速相媲美。
随着变频器的专用大规模集成电路、半导体开关器件、传感器的性能越来越高，进一步提高变频器的性能和功能已成为可能。
现在的变频器功能很多，操作也很方便，其寿命和可靠性也较以前有了很大的进步。
所谓变频就是利用电力电子器件（如功率晶体管GTR、绝缘栅双极型晶体管IGBT）将50Hz的市电变换为用户所要求的交流电或其他电源。
它分为直接变频（又称交-交变频），即把市电直接变成比它频率低的交流电，大量用在大功率的交流调速中;间接变频（又称交-直-交变频），即先将市电整流成直流，再变换为要求频率的交流。
它又分为谐振变频和方波变频。
前者主要用于中频加热，方波变频又分为等幅等宽和SPWM变频。
常用的方法有正弦波（调制波）与三角波（载波）比较的SPWM法、磁场跟踪式SPWM法和等面积SPWM法等。
1.2调速系统的发展方向
随着电力电子技术，计算机技术的不断发展和电力电子器件的更新换代，变频调速技术得到了飞速的发展。
据资料显示，现在有90%以上的动力来源来自电动机。
我国生产的电能60%用于电动机，电动机与人们的生活息息相关，密不可分，所以要对电动机的调速有足够的重视。
我们都知道，动力和运动是可以相互转化的，从这个意义上说电动机也是最常见的运动源，对运动控制的最有效方式是对运动源的控制。
因此，常常通过对电动机的控制来实现运动控制。
对电动机的控制可以分为简单控制和复杂控制两大类。
简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。
这类控制可以通过继电器，可编程器件和开关元件来实现。
复杂控制是指对电动机的转速，转角，转距，电压，电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。
以前，对电动机的简单控制的应用较多，但是，随着现代化步伐的前进，人们对自动化的需求也越来越高，使电动机的复杂控制逐渐成为主流，其应用领域极为广泛。
在军事和雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳的控制等。
工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，绕线机，泵和压缩机，轧机主传动等设备的控制。
计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，绘图仪，打印机，复印机等的控制；音像设备和家用电器中的录音机，数码相机，洗衣机，冰箱空调，电扇等的控制，我们统统称其为电动机的控制。
功率半导体器件的不断进步，尤其是新型可关断器件，如BJT（双极型晶体管）、MOSFET（金属氧化硅场效应管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的实用化，使得开关高频化的PWM技术成为可能。
目前功率半导体器件正向高压、大功率、高频化、集成化和智能化方向发展。
脉宽调制技术PWM（PulseWidthModu-lation）就是利用功率半导体器件的高频开通和关断，把直流电压变成按一定宽度规律变化的电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效地控制和消除谐波。
PWM技术可分为三大类：
正弦PWM、优化PWM及随机PWM。
随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，这使得全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。
目前适于交流传动系统的微处理器有单片机、数字信号处理器（DigitalSignalProcessor——DSP）、专用集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit——ASIC）等。
其中，高性能的计算机结构形式采用超高速缓冲储存器、多总线结构、流水线结构和多处理器结构等。
核心控制算法的实时完成、功率器件驱动信号的产生以及系统的监控、保护功能都可以通过微处理器实现，为交流传动系统的控制提供很大的灵活性，且控制器的硬件电路标准化程度高，成本低，使得微处理器组成全数字化控制系统达到了较高的性能价格比。
1.3交流调速系统
20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。
交流调速控制作为对电动机控制的一种手段。
作用相当明显，就交流调速系统目前的发展水平而言，可概括的如下：
（1）已从中容量等级发展到了大容量、特大容量等级。
并解决了交流调速的性能指标问题，填补了直流调速系统在特大容量调速的空白。
（2）可以使交流调速系统具有高的可靠性和长期的连续运行能力，从而满足有些场合不停机检修的要求或对可靠性的特殊要求。
（3）可以使交流调速系统实现高性能、高精度的转速控制。
除了控制部分可以得到和直流调速控制同样良好的性能外，异步电动机本身固有的优点，又使整个系统得到更好的动态性能。
采用数字锁相控制的异步电动机变频调速系统，调速精度可以达到0.002%。
在交流调速技术中，交流电动机的调速方法有三种：
变极调速、改变转差率调速和变频调速。
其中变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。
交流变频调速的优异特性
（1）调速时平滑性好，效率高。
低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。
（2）调速范围较大，精度高。
（3）起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。
（4）变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。
（5）易于实现过程自动化。
（6）必须有专用的变频电源，目前造价较高。
（7）在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。
1.4单片机控制的变频调速
微处理器（单片机）取代模拟电路作为电动机的控制器，具有如下特点：
（1）使电路更简单。
模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路更复杂，采用微处理器后，绝大多数控制逻辑可通过软件来实现。
（2）可以实现较为复杂的控制。
微处理器具有更强的逻辑功能，运算速度快，精度高，有大容量的存储单元。
因此，有能力实现复杂的控制。
（3）灵活性和适应性。
微处理器的控制方式是有软件来实现的，如果需要修改控制规律，一般不必改变系统的硬件电路，只须修改程序即可，在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便。
（4）无零点漂移，控制精度高数字控制不会出现模拟电路中经常遇见的零点漂移问题，无论被控量是大还是小，都可以保证足够的控制精度。
（5）可以提供人机界面，多机连网工作。
用工业控制计算机可谓功能强大，它有极高的速度，很强的运算能力和接口功能，方便的软件功能，但是由于成本高，体积过大，所以只用于大型的控制系统。
可编程控制器则恰好相反，它只能完成逻辑判断、定时、记数和简单的运算，由于功能太弱，所以它只能用于简单的电动机控制。
在民用生产中，通常用介于工控机和可编程控制器之间的单片机作为微处理器。
本次设计就是用单片机作为感应电动机的控制器。
2.电机变频调速系统
2.1变频调速原理
变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。
变频可以调速这个概念，可以说是交流电动机“与生俱来”的。
同步电动机不消说，即使是异步电动机，其转速也是取决于同步转速（即旋转磁场的转速）的：
（2-1）
式中：
——电动机的转速，m/min
——电动机的同步转速，r/min
——电动机的转差率
而同步转速则主要取决于频率
（2-2）
式中：
——输入频率，Hz
——电动机的磁极对数
由式（2-1）与式（2-2）可知变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：
（2-3）
由上式可知，在电动机磁极对数不变的情况下，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。
在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。
如果磁通太弱，即电机出现欠励磁，将会影响电机的输出转矩，由
（2-4）
（式中：
电磁转矩，：
主磁通，：
转子电流，:
转子回路功率因素，：
比例系数），可知，电机磁通的减小，势必造成电机电磁转矩的减小。
由于电动机设计时，电动机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电动机铁心出现饱和，从而导致电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电动机。
因此，在改变电动机频率时，应对电动机的电压进行协调控制，以维持电动机磁通的恒定。
2.2单片机控制的变频调速系统
2.2.1系统框图
外围设备（如串口、键盘、显示等）
AT89C51
SA4828
电动机
回路
检测电路
A/D
保护电路
图2-1电动机变频调速系统框图
2.2.2硬件系统原理图
图图2-2单片机与SA4828控制的变频系统原理
该硬件系统主要包括主电路与控制电路两个部分，其中主电路包括交-直-交变频电路（本设计采用IPM集成模块）与感应电动机；控制电路包括89C51主控制模块、SA4825产生SPWM波模块、驱动模块以及外围设备模块（如键盘输入、液晶显示、A/D模数转换以及串口等）。
以CPU为核心，配以键盘、显示、通讯等设备，完成对感应电动机的速度控制。
这里选用了ATMEL公司的89C51单片机，它与Intel51系列单片机完全兼容。
其内部配置了8KB的FlashMemory，无须扩展外部存贮器。
同时这种8位单片机的总线结构与SA4828完全兼容，可以直接相连。
给定转速nO可以用三种方式设定：
键盘、电位器和上位机。
用8位LED分别显示给定转速nO和实际转速n，一目了然。
系统对电动机运行状态的数据监测、调速效果、动态响应的跟踪情况都可以传送到上位机，以表格或曲线的形式输出，以便于观察分析。
2.2.3脉冲宽度调制
脉冲宽度调制脉冲宽度调制（PWM）是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制。
它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。
一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。
脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。
电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。
通的时候即
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