通信工程论文-交流调速系统设计
1目录前言前言 2第第 1 1 章章 交流调速系统的概述交流调速系统的概述 31.1 交流调速的基本原理 31.2 交流调速的分类 41.2.1 全数字化控制系统 41.2.2 PWM 技术 51.2.3 高压大容量交流调速系统 51.3 交流调速的特点 5第第 2 2 章章 交流调速系统的硬件设计 62. 1 转差频率控制原理 62. 2 系统设计的参数62.3 用单片机控制的电机交流调速系统设计62.3.1 调速系统总体方案设计 62.3.2 元器件的选用 72.3.3 系统主回路的设计102.3.4 SPWM 控制信号的产生112.3.5 光电隔离及驱动电路设计122.3.6 故障检测及保护电路设计132.3.7 模拟量输入通道的设计 14第第 3 3 章章 系统软件的设计系统软件的设计 153.1 主程序的设计153.2 转速调节程序153.3 增量式 PI 运算子程序 16结结 论论 18参考文献参考文献192前前 言言随着电力电子技术、微电子技术和自动控制理论的发展，交流调速技术也有了日新月异的变化。由于以微处理器为核心的数字控制系统硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响，且单片机具有功能强、体积小、可靠性好和价格便宜等优点，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱之一。其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律。 在现代工业企业中，绝大多数工作机械的运行时由电动机拖动的，因而掌握拖动系统的调速知识是十分重要的。电动机调速分为直流调速和交流调速。直流电动机的调速性能好，因此在调速领域中曾一直占主导地位。交流电动机与直流电动机相比，具有结构简单、构造方便、成本低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率高等许多优点，以前未得到大规模的应用，主要是由于调速困难。随着现代科学技术的高速发展，现代电力电子技术、微电子学、现代控制理论、微机控制技术等为交流电机调速提供了全新的理论和技术，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高地稳速范围、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。进入 21 世纪交流调速技术也进入了现代交流调速技术时代，现代交流调速技术也成为人类社会的重大技术进步之一。其发展速度之快、应用覆盖范围之广都是前所未有的。而且应用实践表明，采用现代交流调速技术极大的提高了传动系统的运行质量，同时，带来了巨大的经济和社会效益。3第第 1 1 章章 交流调速系统的概述交流调速系统的概述1 11 1 交流调速的基本原理交流调速的基本原理交流异步电动机的调速方式有多种，诸如调压调速、变级调速、串级调速、滑差调速等，而变频调速优于上述任何一种调速方式，是当今国际上广泛采用的效益高、性能好、应用广的新技术。它采用微机控制、电力电子技术及电机传动技术取得工业交流异步电机的无级调速功能。图 1-1 三相异步电动机结构示意图1机座；2定子铁心；3定子绕组；4转子铁心；5转子绕组;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。常用三相交流异步电动机的结构为图 1 所示。定子由铁心及绕组构成，转子绕组做成笼型（见图 1-2），俗称鼠笼型电动机。当在定子绕组上接入三相交流电时，在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，使转子绕组产生感应电势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机转动起来。电机磁场的转速称为同步转速，用 n1 表示n1=60f/p(r/min) (1-1) 式中：f三相交流电源频率，一般为 50Hz。p磁极对数。这个差别用转差率 s 表示：4s=(n1-n)/n1*100% （1-2）当加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时 s=1；起动后的极端情况 n=n1，则 s=0，即 s 在 01 之间变化。一般异步电机在额定负载下的 s=（16）。综合式（1-1）和式（1-2）可以得出n=60f(1-s)/p （1-3）图 1-2 笼型电动机的转子绕组1铜环 2铜条由式（1-3）可以看出，对于成品电机，其磁极对数 p 已经确定，转差率 s 变化不大，则电机的转速 n 与电源频率 f 成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。1.21.2 交流调速的分类交流调速的分类1.2.11.2.1 全数字化控制系统全数字化控制系统 随着计算机技术的发展，无论是生产还是生活中，人们对数字化信息的依赖程度越来越高。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统实现全数字化控制。 由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。如 TI 公司的 MCS320F240 等 DSP 芯片，以其较高的性能价格比成为了全数字化交流调速系统的首选。单片机已经在交流调速系统中得到了广泛地应用。 51.2.21.2.2 PWMPWM 技术技术 PWM 控制是交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种 PWM 控制方式完成的。微处理器应用于 PWM 技术并使之数字化以后，花样是不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等，PWM 控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。1.2.31.2.3 高压大容量交流调速系统高压大容量交流调速系统 在小功率交流调速方面，由于国外产品的规模效应，使得国内厂家在价格上、工艺上和技术上均无法与之抗衡。而在高压大功率方面，国外公司又为我们留下了赶超的空间。首先，国外的电网电压等级一般为 3000V，而我国的电网电压等级为 6000V 和 10000V；目前，研究较多的大功率逆变电路有：多电平电压型逆变器、变压器耦合的多脉冲逆变器、交交变频器和双馈交流变频调速系统。 1.31.3 交流调速的特点交流调速的特点交流调速系统与直流调速系统相比较，具有如下特点：1. 容量大 这是电动机本身的容量所决定的。2. 转速高，而且耐压 直流电动机受到换向器的限制，最高电压只能达到 1000 多伏，而交流电动机容量可达到 610KV，甚至更高。3. 交流电动机本身的体积，重量，价格比同等容量的直流电动机要小，且交流电动机结构简单，坚固耐用，经济可靠，惯性小成了交流调速系统的一大优点。4. 交流电动机的调速装置环境适应性广。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。6第第 2 2 章章 交流调速系统的硬件设计交流调速系统的硬件设计2.2. 1 1 转差频率控制原理转差频率控制原理系统原理图如图2-l所示。IsfUIWUWwWFBSMW压 压 压 压 压 压SPWMASR图2-l 转差频率控制变频调速系统原理图从图2-1可知系统由速度调节器、电流调节器、函数发生器、加法器，整流与逆变电路，PWM控制电路，异步电动机及测量电路等组成，其中异步电动机由SPWM控制逆变器供电。转速调节器ASR的输出是转差频率给定值,表转矩给定。函数发生器输入转差频率产生。信号，并控制定子电流。以保持为恒值；加法器对转差频率和转速信号求和得到变频器的输出频率。从而实现三相异步电机变频调速。2.2. 2 2 系统设计的参数系统设计的参数对一台三相异步电动机调速系统进行设计。异步电动机的参数：，接法，2.2NPKW1440 /min,380 ,NSnrUV4.8NIA采用转差频率控制方法，由单片机组成核心。调速范围（2.251HZ） ，无级调速，静差率。根据对象参数，完成各功能单元的5%S 结构设计，参数计算。2.32.3 用单片机控制的电机交流调速系统设计用单片机控制的电机交流调速系统设计2.3.12.3.1 调速系统总体方案设计调速系统总体方案设计转速开环恒压频比的调速系统，虽然结构简单，异步电动机在不同频率小都能获得较硬的机械特性但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速，动态性能也很差，它只能用7于对调速系统的静，动态性能要求不高的场合。如果异步电动机能象直流电动机一样，用控制电枢电流的方法来控制转矩，那么就可能得到和直流电动机一样的较为理想的静，动态特性。转差频率控制是一种解决异步电动机电磁转矩控制问题的方法，采用这种控制方案的调速系统，可以获得与直流电动机恒磁通调速系统相似的性能。调速系统总体结构图见图 2-2 所示。图 2-2 调速系统总体结构图如图 2-2 所示，系统主电路由二极管整流电路、SPWM 逆变器和中间直流电路等组成，都是电压源型的，采用大电容 C1 滤波，同时兼具无功功率交换大的作用。为了避免大电容在合上电源开关后通电的瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入电抗，刚通上电源时，由 L1 限制充电电流，然后经过一段时间延时，L 失去限流作用，使电路正常供电。2.3.22.3.2 元器件的选用元器件的选用1. 8255 的资料8255 是可编程的并行 I/O 接口芯片，它具有 3 个 8 位的并行 I/O口，三种工作方式，可通过编程改变其功能，因而使用方便，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。8255 的引脚图如图 2-3 所示。由图可知，8255 共有 40 个引脚，各引脚功能如下： D0D7： 三态双向数据线，与单片机数据总线相连，用来传递数据信息。8CS/： 片选信号线，低电平有效，表示芯片被选中。RD/： 读出信号线，低电平有效，控制数据的读出。WR/： 写入信号线，低电平有效，控制数据的写入。Vcc： +5V 电源。PA7PA0： A 口输入/输出线。PB7PB0： B 口输入/输出线。PC7PC0： C 口输入/输出线。RESET： 复位信号线。A1A0： 地址线，用来选择 8255 内部端口2. ADC0809 的资料ADC0809 是一种逐次逼近式 8 路模拟输入，8 位数字量输出的 A/D转换器。其引脚如图 2-4 所示。由引脚可见，ADC0809 共有 28 个引脚，采用双插直列示封装，其引脚主要功能如下：（1）IN0IN7 是 8 路模拟信号输入端。（2）D0D7 是 8 位数字量输出端。图 2-3 8255 引脚图 图 2-4 ADC0809 引脚图9（3）A，B，C 与 ALE 控制 8 路模拟通道的切换，A，B，C 分别与三根地址线或数据线相连，三者编码对应 8 个通道地址口。C，B，A=000111 分别对应 IN0IN7 通道地址。ADC0809 虽然有 8 路模拟通道可
