三相交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)電路的總體設(shè)計

1、3 學(xué)校代碼：11517學(xué) 號：200807111158 henan institute of engineering 畢業(yè)論文 題 目 三相交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計學(xué)生姓名 徐全縣 專業(yè)班級 電氣工程及其自動化一班 學(xué) 號 200807111158 系 （部） 電氣信息工程系 指導(dǎo)教師(職稱) 梅楊（教授） 完成時間 2012 年 5 月 29 日 河南工程學(xué)院論文版權(quán)使用授權(quán)書河南工程學(xué)院論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解河南工程學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意如下各項內(nèi)容：按照學(xué)校要求提交論文的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、掃描、數(shù)字

2、化或其它手段保存論文；學(xué)校有權(quán)提供目錄檢索以及提供本論文全文或者部分的閱覽服務(wù)；學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家有關(guān)部門或者機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版；在不以贏利為目的的前提下，學(xué)?？梢赃m當(dāng)復(fù)制論文的部分或全部內(nèi)容用于學(xué)術(shù)活動。論文作者簽名： 年 月 日 河南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計河南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文論文)原創(chuàng)性聲明原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文，是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的作品的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲

3、明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 論文作者簽名： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書題目題目 三相交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計三相交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 專業(yè)專業(yè) 電氣工程及其自動化電氣工程及其自動化 學(xué)號學(xué)號 200807111158200807111158 姓名姓名 徐全縣徐全縣 主要內(nèi)容、基本資料、主要參考資料等主要內(nèi)容、基本資料、主要參考資料等:主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：在設(shè)計時充分考慮變頻器輸出電壓和電流中所包含一系列的高次諧波給電機性能帶來的不利影響，這包括對電機的額定電流、功率因數(shù)、損耗及效率的影響。變頻器在三相異步電動機變頻調(diào)速中的應(yīng)用及調(diào)速原理，其中包括轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，

4、電流調(diào)節(jié)和系統(tǒng)保護。同時主要介紹單片機在三相交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)方面的應(yīng)用，而且用單片機設(shè)計出控制三相交流異步電動機變頻調(diào)速spwm 波發(fā)生器的硬件電路和匯編語言軟件應(yīng)用程序?；疽螅夯疽螅?三相交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、重量輕、價格便宜，的道理廣泛的應(yīng)用，其主要缺點是調(diào)速空難。正由于此，通過此課程設(shè)計，實現(xiàn)三相異步電動機的變頻調(diào)速控制與應(yīng)用。參考資料：參考資料：1 劉仲如，變頻調(diào)速三相異步電動機的設(shè)計特點m機電技術(shù) 2003年2 劉震，plc 在三相交流異步電動機變頻調(diào)速中的應(yīng)用m工礦自動化 3 陳炎，變頻器在交流電動機調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用j工礦自動化 2003完 成 期 限：指

5、導(dǎo)教師簽名： 專業(yè)負責(zé)人簽名： 2012 年 2 月 22 日目 錄中文摘要.i英文摘要.ii1 緒論.11.1 概述.11.2 研究目的及意義.12 三相交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)電路的總體設(shè)計.22.1 變頻調(diào)速原理.22.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)電路總體設(shè)計.33 主電路的設(shè)計.53.1 主電路介紹.53.2 整流電路.63.2.1 二極管的選擇 .63.2.2 濾波電容的選擇.73.3 三相逆變電路的設(shè)計.73.3.1 大功率開關(guān)管 .93.3.2 壓敏電阻的選擇.104 單片機控制的變頻調(diào)速系統(tǒng).114.1 系統(tǒng)框圖.114.2 硬件系統(tǒng)原理圖.125 控制電路的設(shè)計.135.1 驅(qū)動模塊的設(shè)計.

6、135.1.1 mc3phac 在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用.135.1.2 mc3phac 在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的工作原理.135.2 單片機的選取.155.3 sa4828 芯片產(chǎn)生 spwm.165.4 其他模塊簡介.195.4.1 串口通信 .195.4.2 led 顯示器 .215.4.3 保護電路 .225.4.4 a/d 轉(zhuǎn)換器設(shè)計.235.4.5 速度反饋 .246 系統(tǒng)軟件設(shè)計.257 結(jié)論.28致 謝.30參考文獻.31三相交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計摘 要本文介紹了一種利用專用集成電路 sa4828 設(shè)計電機變頻調(diào)速的方法。系統(tǒng)主要包括主電路與控制電路，其中主電路通常采用交-直-交

7、方式，先將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?整流，濾波)，再將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電（逆變）。整流部分用的是三項橋式整流電路，逆變電路采用的是三項橋式逆變電路?？刂齐娐酚?mcs-52 系列的 8052 單片機最小系統(tǒng)和 sa4828 三相 spwm 產(chǎn)生器及少量的擴展外圍芯片構(gòu)成，充分發(fā)揮其控制電路簡單、控制方式靈活、輸出波形優(yōu)點多的特點，結(jié)合相應(yīng)的軟件，實現(xiàn)電機的調(diào)速要求,并且用 8 位 led 分別顯示給定轉(zhuǎn)速no和實際轉(zhuǎn)速n，一目了然。驅(qū)動電路用 mc3phac 芯片，mc3phac 是摩托羅拉(motorola)公司生產(chǎn)的。其中主要內(nèi)容包括：sa4828 的特性介紹及變頻系統(tǒng)的主電路、驅(qū)動電

8、路、保護電路、速度檢測、調(diào)速系統(tǒng)及軟件編程設(shè)計方法。所設(shè)計的系統(tǒng)實現(xiàn)了變頻調(diào)速的全數(shù)字化控制，實時性好，可靠性高。關(guān)鍵詞：單片機/sa4828/變頻調(diào)速/spwm/電動機three-phase ac motor variable speed control system desigabstract this article describes a method of the asic sa4828 design motor speed regulation。 system mainly consists of the main circuit and control circuit and m

9、ain circuit using mc3phac. mc3phac motorola (motorola) the application of advanced cmos technology， the exclusive production of three-phase ac motor universal frequency conversion single-chip intelligent controller in which the main circuit usually use ac - dc - make way， the first alternating curre

10、nt into direct current (rectifier， filter)， then dc into the adjustable frequency ac (inverter)。constitute a control circuit and a small amount of expansion of peripheral chips generated by the mcs-52 series of 8052 single-chip minimum system and sa4828 three-phase spwm， give full play to the contro

11、l circuit is simple， flexible control， the advantages of the output waveform characteristics，combined with the corresponding software， motor speed control requirements。 the main contents include： on sa4828 features introduced and the main circuit of the inverter system， the drive circuit， protection

12、 circuit， speed detection， speed control system and software programming design method。system designed to achieve full digital control of frequency control， real-time， high reliability。keywords：scm ， sa4828 ， frequency control ，spwm ， motor1 緒論1.1 概述 隨著電力電子技術(shù)、微機控制技術(shù)的發(fā)展，由變頻器組成的異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)正得以廣泛應(yīng)用。但在一些

13、技術(shù)要求較高的場合，對于使用變頻器組成的開環(huán)控制變頻調(diào)速系統(tǒng)難以滿足工程要求。單片機因其功能全、價格低深受歡迎，因此開發(fā)用單片機控制變頻器來實現(xiàn)閉環(huán)交流調(diào)速系統(tǒng)的控制具有重要意義。變頻器閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主要應(yīng)用單片機控制技術(shù)。單片機在過程控制中直接數(shù)字控制中有著顯著優(yōu)點，它體積小可以做成體積極小的控制器用于一些體積不大的設(shè)備和空間有限的生產(chǎn)過程、控制過程。其價格低廉是最主要的優(yōu)勢，相比 plc、工控機等有著比較高的性價比?？刂七^程應(yīng)用單片機已成為了一種不可抗拒的趨勢。1.2 研究目的及意義在工業(yè)發(fā)展的初級階段，人們主要使用集中傳動。作為動力的鼠籠電動機，是不需要調(diào)速的。它只需要滿足各種生產(chǎn)條件對它

14、提出的起動和穩(wěn)速運行的要求就可以，調(diào)速的任務(wù)是由皮帶和齒輪來完成。隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，對生產(chǎn)的連續(xù)性和流程化的要求愈來愈高，發(fā)展電機的調(diào)速技術(shù)已經(jīng)是勢在必行了。直流調(diào)速系統(tǒng)，由于其良好的調(diào)速性能，很長的時期內(nèi)在調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)首位。但是由于直流電動機本身有機械換向器，給直流調(diào)速系統(tǒng)造成一些固有的、難于解決的問題。交流電機調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，特別是變頻器傳動本身固有的優(yōu)勢，必將使之應(yīng)用于社會生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，以體現(xiàn)出不同的功能，達到不同的目的，收到相應(yīng)的效益。因此，本論文通過對變頻器的研究，對于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)理論的應(yīng)用，有著實際的意義和一定的應(yīng)用價值。2 三相交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)電路的總體設(shè)計2.

15、1 變頻調(diào)速原理變頻調(diào)速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變它的同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻可以調(diào)速這個概念，可以說是交流電動機“與生俱來”的。同步電動機和異步電動機，它們的轉(zhuǎn)速都是取決于同步轉(zhuǎn)速(即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速)的： (2.1) )1 (0snn式中： n電動機的轉(zhuǎn)速，m/minno電動機的同步轉(zhuǎn)速，r/mins電動機的轉(zhuǎn)差率 s=(n1-n/)=n/ n1 同步轉(zhuǎn)速則主要取決頻率 （2.2）pfn600式中：f輸入頻率，hzp電動機的磁極對數(shù)由式（2.1）和式（2.2）可以知道變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： （2.3）psfn)1 (60由式（2.3）可

16、知，在電動機磁極對數(shù)不變的情況下，從而可以通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。在進行電機調(diào)速時，通常需要考慮到的一個重要因素是，希望保持電機中每極磁通量為額定值，并且保持其不變。如果磁通太弱的話，則電機就會出現(xiàn)欠勵磁的想象，從而將會影響電機的輸出轉(zhuǎn)矩，由 （2.4）22cosiktmtm（式中 tm ：電磁轉(zhuǎn)矩， kt：比例系數(shù)，：主磁通， i2：轉(zhuǎn)子電流，m:轉(zhuǎn)子回路功率因素 )，可知，電機磁通的減小，勢必會使電動機的轉(zhuǎn)2cos矩減小。由于在電動機設(shè)計時，電動機的磁通常處于接近飽和值，如果進一步增大磁通，將使電動機鐵心出現(xiàn)飽和，從而導(dǎo)致電動機中流過很大的勵磁電流，增加電動機的鐵

17、損耗和銅損耗，嚴(yán)重時會因繞組過熱而損壞電動機。因此，在改變電動機的頻率時，應(yīng)對電動機的電壓進行協(xié)調(diào)控制，以維持電動機磁通的恒定。而在本設(shè)計中我用到的用來改變電動機電壓的是spwm，它輸出的波形很接近與正弦波，在下文中我將會對其進行比較詳細的說明。2.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)電路總體設(shè)計 三相交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)電路由整流，濾波，逆變，控制和驅(qū)動 5 部分組成，如圖 2.2.1 所示。整流部分采用二極管整流，輸入電流和輸出電壓相位比沒有滯后，一般認為功率因數(shù)為 1，而實際上由于諧波的存在，輸入回路的總功率因數(shù)小于 1，三相交流電壓經(jīng)整流濾波后變?yōu)橹绷麟妷簛砉┠孀儾糠质褂谩榱吮苊庵苿舆^程中母線過壓，直流

18、側(cè)電容并聯(lián)一個 igbt 和能耗電阻r1，mc3phac 對制動過程進行監(jiān)控，當(dāng)直流母線電壓超過一定值時，由于系統(tǒng)對調(diào)速制動時間有一定的要求，所以在負載電動機由電動狀態(tài)變?yōu)橹苿訝顟B(tài)時，igbt 導(dǎo)通，電動機反饋的能量消耗在 r1 上。另外 mc3phac 可以控制電機減速時間，進行自動減速控制，dc_bus 引腳電壓超過一定值時，mc3phac 自行調(diào)整降速過程，避免降速過程中由于再生能量對器件造成的損壞。系統(tǒng)驅(qū)動模塊采用 international rectifier 公司生產(chǎn)的 6 輸出高壓柵極驅(qū)動器ir2133。該電路基于自舉驅(qū)動方法，采用動態(tài)溝道技術(shù)，最大偏置電壓為1200v，ir21

19、33 具有 6 路輸入信號和 6 路輸出信號，其中 6 路輸出信號中的 3路具有電平轉(zhuǎn)換功能，可直接驅(qū)動高壓側(cè)的功率器件。該驅(qū)動器可與主電路共地運行，且只需要一路控制電源，克服了常規(guī)驅(qū)動器需要多路隔離電源的缺點，大大簡化了硬件設(shè)計。 高邊自舉電路是基于正常 pwm 操作時高、低側(cè)功率開關(guān)管輪流導(dǎo)通、截止的工作。當(dāng)?shù)蛪簜?cè)功率開關(guān)管導(dǎo)通時，固定電源通過一個二極管對自舉電容 c 充電;當(dāng)?shù)蛪簜?cè)功率開關(guān)管關(guān)斷時，自舉電容 c 所充電壓成為一個懸浮電源，作為高壓側(cè)功率開關(guān)管的驅(qū)動電源。當(dāng)電機停了一段時間后，高邊自舉電容充的電已經(jīng)耗盡，必須重新充滿電，才能進行 pwm 的操作。為了適應(yīng)這樣的拓撲結(jié)構(gòu)，mc

20、3phac 在每次電機開啟時將提供 100ms 的脈沖到低邊晶體管，由于高邊的晶體管此時處于關(guān)閉狀態(tài)，電機電壓仍為 0v。過了這段時間后，pwm 驅(qū)動正常工作。 逆變部分采用相匹配的晶體管，由于此系統(tǒng)應(yīng)用于小功率三相交流電機控制，晶體管可以采用 mosfet 或者 igbt 作為逆變元件。mosfet 驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高，工作可靠，無二次擊穿，但是電流容量小，耐壓低。另外，系統(tǒng)采用的 ir2133 驅(qū)動電路為單電壓驅(qū)動，mosfet 可以在零偏壓有效關(guān)斷，無需負偏壓關(guān)斷。igbt 耐壓高，電流容量大，在實際應(yīng)用中，為了使 igbt 有效關(guān)斷，通常要加-5v

21、的關(guān)柵電壓，防止關(guān)斷時的誤動作，這樣會增加驅(qū)動電路的復(fù)雜性，最近 ir 公司開發(fā)出了新型的nptigbt 能夠有效解決此系統(tǒng)存在的問題，它無需負偏壓就可有效關(guān)斷，且和ir2133 能夠有效兼容，簡化了系統(tǒng)電路復(fù)雜性。因此，在小功率調(diào)速系統(tǒng)中mosfet 和 nptigbt 都可以作為逆變橋的開關(guān)管。3 主電路的設(shè)計3.1 主電路介紹變頻調(diào)速實際上是向交流異步電動機提供一個頻率可控的電源。能實現(xiàn)這個功能的裝置稱為變頻器。變頻器由兩部分組成：主電路和控制電路，其中主電路通常采用交-直-交方式，先將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?整流，濾波)，再將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電（逆變）。在本設(shè)計中采用圖 3.1

22、的主電路，這也是變頻器常用的格式。圖 3.1 電壓型交直交變頻調(diào)速主電路三相橋式整流電路把 380v 的三相交流電整流成直流電。圖 3.1 中的繼電器和電阻 ra 是上電緩沖電路，主要用主電源剛上電時來抑制尖峰電壓，當(dāng)電源上電時，繼電器斷開，電源則經(jīng)過電阻 ra 向電容充電，這樣就能達到限制上電電流的作用，一旦電壓上升到 80以后，繼電器才閉合，這時 r。短路。電容則用來消除直流電源的紋波。電阻 rb 和指示燈是用于指示電源是否上電以及在放電時電路是否已經(jīng)完成放電。放電電路由晶體管 v0 和電阻 rc 組成。當(dāng)主電路電源斷開后，晶體管 v0 打開。電容 c。存貯的電量經(jīng)電阻 rb 放電。目前用

23、于變頻調(diào)速的功率管有晶闡管 gto、大功率場效應(yīng)管 mosr、電力晶體管 bjt、igi 玎和智能 if；bt 模塊 ipm 等。igbt 結(jié)合了 bjt 和 mosfet 的特性所混合以后發(fā)展出來的一種新元件。特性也就介于其 2 種元件之間，輸入特性有 mosfet 的特點，驅(qū)動容易而輸出特性具有電力晶體管的特性，具有耐高壓及放大電流的特性，并且同時具有低導(dǎo)通電壓降，其切換的速度又大大地提升，在承受短路的能力方面，更加超越了 mosfet。igbt 功率應(yīng)用的范圍從幾千瓦(kw)到數(shù)百萬千瓦(mw)。3.2 整流電路整流電路是把交流電變換為直流電的電路。目前在各種整流電路中，應(yīng)用最廣泛的是三

24、相橋式全控整流電路，三相橋式全控整流電路每個時刻均需 2 個二極管導(dǎo)通，而且這兩個二極管一個是共陰極組，一個是共陽極組，只有它們能同時導(dǎo)通，才能形成導(dǎo)電回路。由于整流電路原理比較簡單，設(shè)計中不再做詳細的介紹，其原理如圖 3。2 所示。圖 3.2 三相橋式全控整流電路3.2.1 二極管的選擇 1）輸出電流的計算：選擇功率模塊時，需要考慮到電機的過載要求，其中設(shè)定 m=2.5，in=89。則功率器件的電流定額為 （3-1）式中：（1.22）表示安全裕量 (2）輸出電壓的計算：如我們所知，空載時，輸出電壓平均值最大，為ud=2。45u2。隨著負載加重，輸出電壓平均值減小，至 irc=1.732 進入

25、 id 連續(xù)情況后，輸出電壓波形成為線電壓的包絡(luò)線，其平均值 ud=2.34u2。可見，ud 在 2 。34u22。45u2。之間變化。而我所設(shè)計的整流電路中，所給定輸入電壓是國家電網(wǎng)電壓 220v，頻率固定為 50hz。所以輸出的電壓： ud=2.34u22.45u2=(2.342.45)*380=889.2-931v。(3）二極管承受的電壓： 二極管承受的最大反向電壓為線電壓的峰值，為 2.45u2.=2.45*380=931v。 根據(jù) 根據(jù)上述計算，選取二極管元件 kp60010，計 6 只。3.2.2 濾波電容的選擇取，其耐壓。綜合考慮濾波電容的體積、價格fc44000vu93162和

26、濾波效果，結(jié)合經(jīng)驗，在變頻器的濾波環(huán)節(jié)處采用了兩個濾波電容：2 只2200、耐壓在 500v 以上的電容器并聯(lián)使用。我這個設(shè)計中是用的上海威斯f康電氣有限公司的產(chǎn)品。3.3 三相逆變電路的設(shè)計 在三相逆變電路中，應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路，采用 igbt 作為開光器件的電壓型三相橋式逆變電路如下圖 3.3.1 所示。圖 3.3.1 三相電壓型橋式逆變電路 三相電壓型 pwm 逆變電路只要實現(xiàn)功能就是將直流電壓變換成交流電壓。圖 1 中 u、v、m 三相的 pwm 控制通常公用一個三角波載波，三相調(diào)制信號cu、一次相差。u、v、w 各相功率開關(guān)器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)ruurvurwu0120以

27、 u 相為例。當(dāng) 時，給上橋臂以導(dǎo)通信號，給下橋臂以關(guān)斷信號，則 uruucu1v4v相相對于直流電源假想中點輸出電壓。2/1dunuu當(dāng) 時，給以導(dǎo)通信號，給以關(guān)斷信號，則。ruucu4v1v2/1dunuu但與的驅(qū)動信號始終是互補的，當(dāng)給（）加以導(dǎo)通信號時，可能（1v4v1v4v1v）導(dǎo)通，也可能是二極管續(xù)流導(dǎo)通，這是有阻感負載中電流方向決4v)(41vdvd定，這就是三相橋式電路的雙極型調(diào)制特性。由上分析，的波形是幅值為1unu的矩形波，v、m 兩相情況跟 u 相類似。所以負載線電壓、2/duuvuuwu為wuu負載相電壓、為uvuuwuwuu負載中點和電源中點間電壓為)(31)(311

28、111wnvnunwnvnunnnuuuuuuu負載三相對稱時有，于是。0wnvnunuuu)(311111wnvnunnnuuuu所以也是矩形波，其頻率為的 3 倍，幅值為其，即。1nnu1unu3/16/du三相逆變輸出的電壓與電流分析類似，負載參數(shù)已知，以 u 相為例，負載的阻抗角不一樣，的波形形狀和相位都有所不同，在阻感負載下ui時，從通態(tài)轉(zhuǎn)換到斷態(tài)時，因負載電感中電流不能突變，先導(dǎo)通31v4vd續(xù)流，待負載電流降為零，才開始導(dǎo)通。負載阻抗角越大，導(dǎo)通時間4v4vd越長。在時，時為導(dǎo)通，時為導(dǎo)通；在時，1nnu00ui1vd0ui1v01nnu時導(dǎo)通，時為導(dǎo)通。0ui4vd0ui4v、

29、的波形與形狀相同，相位一次相差。將三個橋臂電流相加viwiui0120可得到直流側(cè)電流。di在上述導(dǎo)電方式逆變器中，我們采用“先斷后通”的方法來防止同一0180相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時導(dǎo)通而引起直流側(cè)電壓短路，使得在通斷信號之間留有一個短暫的死區(qū)時間。主要參數(shù)計算及其器件的選擇3.3.1 大功率開關(guān)管 由于 spwm 正弦脈寬調(diào)制方法的直流利用率為 0.866，即u1/ud=0。866。為了使逆變器輸出 380v 的線電壓，要求直流側(cè)的電源電壓： 考慮到大功率的晶體管的管壓降等，取，則大功率晶體管的參數(shù)為。選擇晶體管模塊 qca50a100a 三塊，作為大功率開關(guān)管。qca50a100a 為

30、兩單元組件，c-e 極帶反向續(xù)流二極管，絕緣式結(jié)構(gòu)，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 3.3.2 所示。圖 3.3.2 qca50a100 模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.3.2 壓敏電阻的選擇壓敏電阻的額定電壓：（3.2） 選擇 my31-560/1 型壓敏電阻 3 個，其額定電壓為 560v，通流容量 1ka。4 單片機控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)4.1 系統(tǒng)框圖圖 4.1 電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖4.2 硬件系統(tǒng)原理圖該硬件系統(tǒng)主要包括主電路與控制電路兩個部分，其中主電路包括交-直-交變頻電路（本設(shè)計采用 mc3phac）與電動機；控制電路包括 at89c52 主控制模塊、sa4825 產(chǎn)生 spwm 波模塊、驅(qū)動模塊以及外圍設(shè)

31、備模塊（如鍵盤輸入、液晶顯示、 a/d 模數(shù)轉(zhuǎn)換以及串口等）。 以 cpu 為核心，配以鍵盤、顯示、通訊等設(shè)備，完成對交流電動機的速度控制。這里選用了 atmel 公司的 at89c52 單片機，它與 intel52 系列單片機完全兼容。其內(nèi)部配置了 8kb 的 flash memory，無須擴展外部存貯器。同時這種 8 位單片機的總線結(jié)構(gòu)與 sa4828 完全兼容，可以直接相連。給定轉(zhuǎn)速 no可以用三種方式設(shè)定：鍵盤、電位器和上位機。用 8 位 led 分別顯示給定轉(zhuǎn)速 no和實際轉(zhuǎn)速 n，一目了然。系統(tǒng)對電動機運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)監(jiān)測、調(diào)速效果、動態(tài)響應(yīng)的跟蹤情況都可以傳送到上位機，以表格或曲線

32、的形式輸出，以便于觀察分析。5 控制電路的設(shè)計5.1 驅(qū)動模塊的設(shè)計mc3phac 是摩托羅拉(motorola)公司應(yīng)用先進的 cmos 技術(shù)獨家生產(chǎn)的三相交流電機通用變頻單片智能控制器。單機模式下 mc3phac 配置見圖 5.1圖 5.1 單機模式下 mc3phac 配置圖5.1.1 mc3phac 在三相交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用mc3phac 主要應(yīng)用于低成本，小功率三相交流電機驅(qū)動系統(tǒng)，它可以在惡劣的環(huán)境中穩(wěn)定的運行，特別是在家用電器、商用洗衣機、洗碗機、過程控制以及泵和風(fēng)機驅(qū)動，具有廣泛的應(yīng)用前景。5.1.2 mc3phac 在三相交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理三相交流電機變頻

33、調(diào)速系統(tǒng)工作原理如圖 5.2 所示，采用交直交電壓型逆變調(diào)速方式，主電路中 380v 交流電壓經(jīng)過由 d1d6 和電解電容 c1 組成的橋式整流和電容濾波電路后成為給電力晶體管供電的直流電壓，6 個開關(guān)管按照一定規(guī)律通斷。逆變器的交流輸出電壓被鉗位為矩形波，和負載性質(zhì)無關(guān)。交流輸出電流的波形和相位由負載的性質(zhì)決定。圖中電解電容同時又作為緩沖負載無功功率的儲能元件。三相逆變電路由 6 只具有單向?qū)щ娦缘墓β书_關(guān)管組成。每只開關(guān)管反并聯(lián) 1 只續(xù)流二極管，為負載滯后電流提供一條反饋通路。6 只開關(guān)管每隔 60電角度觸發(fā)導(dǎo)通一次，相鄰兩相的功率開關(guān)管觸發(fā)導(dǎo)通時間互差 120，一個周期換相 6 次，對

34、應(yīng) 6 個不同的工作狀態(tài)?？刂破魈峁┛烧{(diào)的 pwm 調(diào)制波，控制開關(guān)管的通斷，為異步電機提供可調(diào)的交流電源，同時監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生的故障，保持系統(tǒng)安全可靠運行。圖 5.2 三相交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖5.2 單片機的選取at89c52 是美國 intel 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能 cmos 8 位單片機，片內(nèi)含 8kb 的可反復(fù)擦寫的程序存儲器和 12b 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），器件采用 atmel 公司的可高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) mcs-52指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用 8 位中央處理器（cpu）和 flash 存儲單元，功能強大的 at89c52 單片機可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)

35、域。at89c52 單片機屬于at89c52 單片機的增強型，與 intel 公司的 80c52 在引腳排列、硬件組成、工作特點和指令系統(tǒng)方面兼容。其主要工作特性是;1. 與 mcs-52 系列產(chǎn)品指令和引腳完全兼容2. 片內(nèi)程序存儲器內(nèi)含 8kb 的 flash 程序存儲器，可擦寫壽命為 1000次3. 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)涵 256 字節(jié)的 ram4. 具有 32 根可編程 i/o 口線5. 具有 3 個可編程定時器6. 中斷系統(tǒng)是具有 8 個中斷源、6 個中斷矢量。2 個級優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)7. 串行系統(tǒng)是具有一個全雙工的可編程串行通信口8. 具有一個數(shù)據(jù)指針 dptr9. 低功耗工作模式有空

36、閑模式和掉電模式10. 具有可編程的 3 級程序鎖定位11. at89c52 工作電源電壓為 5（1+-0。2）v，且典型值為 5v12. at89c52 最高工作頻率為 24mhz。單片機正常工作時，最需要有一個個時鐘電路和一個復(fù)位電路。本設(shè)計中選擇了內(nèi)部時鐘方式和按鍵電平復(fù)位電路，來構(gòu)成單片機的最小電路。 at89c52 單片機芯片作為主控核心，包括晶振電路部分，中斷、復(fù)位按鈕。如圖圖 5.3 at89c52 單片機芯片圖 我做的設(shè)計單片機主要起著一個控制的作用，通過與其相連的鍵盤給定一個轉(zhuǎn)速，可在屏幕中顯示出來，與已經(jīng)變頻調(diào)速后的轉(zhuǎn)速相比，從而再進行調(diào)節(jié)。5.3 sa4828 芯片產(chǎn)生

37、spwmsa4828 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由圖 5.4 所示。來自單片機的數(shù)據(jù)通過總線控制和譯碼進入初始化寄存器或控制器。他們對相控邏輯電路進行控制。外部時鐘輸入經(jīng)分頻器分成設(shè)定的頻率，并生成三角形載波，三角載波與所選定的片內(nèi) rom中的調(diào)制波形進行比較，自動生成 spwm 輸出脈沖。通過脈沖刪除電路，刪去比較窄的脈沖（如圖 5.5 所示），因為這樣的脈沖不起任何作用，只會增加開關(guān)管的損耗。通過脈沖延遲電路生成死區(qū)，保證任何橋臂上的兩個開關(guān)管不會在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間短路?？撮T狗定時器用來防止程序跑飛，當(dāng)時間條件滿足時快速封鎖輸出。片內(nèi) rom 存有 3 種可供選擇的波形，它們是純正弦波形、增強型波形和高效型波

38、形。每種波形各有 1536 個采樣值。增強型波形又稱三次諧波，它可以使輸出功率提高 20%，三相諧波互相抵消，防止電動機發(fā)熱。高效型波形又稱帶死區(qū)的三次諧波，它是進一步優(yōu)化的三次諧波，可以減小逆變開關(guān)管的損耗，提高功率利用率。寄存器 ad3ad2ad1ad0 地址r0000000hr1000101hr2001002hr3001103hr4010004hr5010105hr1411100ehr1511110fh 寄存器列陣包含 8 個 8 位寄存器 r0r5 和 r14、r15。其中 r0r5 用來暫存來自單片機的數(shù)據(jù)，這些可能是初始化數(shù)據(jù)或者控制數(shù)據(jù)；而 r14、r15是兩個虛擬的寄存器，物理

39、上不存在。當(dāng) r14 寫操作時，實際是將 r0r5 中存放的 48 位數(shù)據(jù)送入初始化寄存器；而向 r15 寫操作時，是將 r0r5 中存放的 48 位數(shù)據(jù)送入控制寄存器。5.4 其他模塊簡介通過單片機與外圍設(shè)備的連接與通信，使得電動機變頻控制系統(tǒng)更加完善。其中外圍設(shè)備包括串口（與 pc 機等進行通信）、鍵盤輸入以及液晶顯示等。5.4.1 串口通信單片機與 pc 機的通信能夠讓控制系統(tǒng)實現(xiàn)實時監(jiān)測并進行相應(yīng)的控制，使控制系統(tǒng)更加智能化、自動化。目前，大部分計算機的串口都采用 rs-232c 通信接口的 db9 連接器，如右圖所示。rs-232c 規(guī)定的邏輯電平與一般微處理器、單片機的邏輯電平是不

40、同的。rs-232 的邏輯“1”是以-3-15v 來表示的，而單片機的邏輯“1”是以+5v 來表示的，兩者完全不同。因此，單片機系統(tǒng)要和電腦的 rs-232 接口進行通信，就必須把單片機的信號電平（ttl 電平）轉(zhuǎn)換成計算機的 rs-232c 電平，或者把計算機的 rs-232c 電平轉(zhuǎn)換成單片機的 ttl 電平。實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的方法可以使用分立元件，也可以使用專用 rs-232 電平轉(zhuǎn)換芯片。目前較為廣泛地使用專用電平轉(zhuǎn)換芯片，如 mc1488、mc1489、max232 等電平轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn) eia到 ttl 電平的轉(zhuǎn)換。下面介紹的是 maxim 公司的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片max232 及接口

41、電路。圖 5.8max232 串口電平轉(zhuǎn)換圖 圖 5.9max232 管腳圖如圖 5.8 所示，max232 是單電源雙 rs-232 發(fā)送/接收芯片，采用單-/+5v電源供電，外接只需 4 個電容，便可以構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的 rs-232 通信接口，硬件接口簡單，所以被廣泛采用，其主要特性如下：a、符合所有的 rs-232c 技術(shù)規(guī)范b、只要單一+5v 電源供電片載電荷泵，具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生+10v 和-10v 電壓 v+、v-c、低功耗，典型供電電流 5mad、內(nèi)部集成 2 個 rs-232c 驅(qū)動器e、內(nèi)部集成 2 個 rs-232c 接收器為了驅(qū)動主電路逆變橋的三個上橋臂的 i

42、gbt，必須給每一路提供一個隔離的 25v 電源而三個下橋臂可以共用一個電源。此外，sa4828及單片機系統(tǒng)還需要+5v 電源以及異步通訊所需的12v 電源，一共需要 7 路電源，如圖5.10 所示。該電源可以采用線性電源，也可采用開關(guān)電源。前者體積大，笨重，但電路簡單，各路電源完全獨立，調(diào)試容易。后者則輕便、小巧，電路相對較復(fù)雜。采用單片開關(guān)電源芯片可大大簡化電路。 死區(qū)時間的大小主要由以下幾方面決定：驅(qū)動電路在開通和關(guān)斷兩種模式工作時，信號傳遞延遲時間有差異；逆變器橋臂上下兩功率開關(guān)器件的驅(qū)動不可能達到完全一致；功率器件不是理想開關(guān)，其開通和關(guān)斷都有延時且不等。 因此，要綜合這幾個因素來確

43、定死區(qū)時間的長短，并給予一定的余量，總之要充分估計導(dǎo)通時控制信號到功率管開通的最小延遲時間 tonmin 和關(guān)斷時控制信號到功率管關(guān)斷的最大延遲時間 toffmax。則死區(qū)時間可以定為toffmaxtonmin。實際中則取死區(qū)時間略大于 toffmax。 本文采用 igbt 作逆變器的功率開關(guān)管和 mc3phac 驅(qū)動模塊，mc3phac最大延遲時間為 1.5s，igbt 一般不超過期 3s，因此本文死區(qū)時間定為5s。 5.4.2 led 顯示器常用的 led 顯示器為 8 段(或 7 段，8 段比 7 段多了一個小數(shù)點”dp”段)。每一段對應(yīng)一個發(fā)光二極管，這種顯示器有共陽極和共陰極 2 種

44、。共陰極 led顯示器的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地，當(dāng)某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮,相應(yīng)的段被顯示，同樣，共陽極 led顯示器的發(fā)光二極管的陽極連接在一起，通常此公共陽極接正電壓，當(dāng)某個發(fā)光二極管的陰極接低電平時，發(fā)光二極管被點亮，相應(yīng)的段被顯示。為了使 led 顯示器顯示不同的符號或數(shù)字，就是呆板不同段的發(fā)光二極管點亮，這樣就是為 led 顯示器提供代碼，因此這些代碼可使 led 相應(yīng)的段發(fā)光，從而顯示不同字型,因此該代碼稱之為段碼(或稱為字型碼)。 圖 5.11 led 顯示器共陽極和共陰極的外形圖和引腳圖7 段發(fā)光二極管，再加上一個小數(shù)點位，共計 8

45、 段。因此提供給 led 顯示器的段碼(或字型碼)正好是 1 個字節(jié)，led 顯示器的外形如圖 4.6 所示。5.4.3 保護電路逆變器中的 igbt 模塊是變頻器的主要部件，也是最昂貴的部件。由于它工作在高頻、高壓、大電流的狀態(tài)，所以也是最容易損壞的部件。因此 igbt模塊的保護工作顯得十分重要。為此應(yīng)做到以下幾點：（1）選用智能型 igbt 模塊。ipm 中一般都有過流、過熱、短路、欠壓保護電路，當(dāng)任一情況發(fā)生時它能迅速給出報警信號。把該信號接到 sa4828 的settrip 端，可立即切斷 sa4828 的 6 路控制信號，關(guān)閉所有的 igbt。（2）對 sa4828 編程時，設(shè)置合理

46、的“死區(qū)”時間和欲刪除的“窄脈沖”的寬度，前者可有效防止同一橋臂上、下開關(guān)元件的共態(tài)導(dǎo)通；后者可降低開關(guān)損耗，減少發(fā)熱。（3）在單片機的調(diào)速過程中始終監(jiān)視變頻器輸出端的電壓和電流，一旦超限將停止 sa4828 的工作并發(fā)出報警指示。在 ipm 應(yīng)用中，由于高頻開關(guān)過程和功率回路寄生電感等疊加產(chǎn)生的didt、dvdt 和瞬時功耗會對器件產(chǎn)生較大的沖擊，易損壞器件因此需設(shè)置緩沖電路(即吸收電路)，目的是改變器件的開關(guān)軌跡，控制各種瞬態(tài)過壓，降低器件開關(guān)損耗保護器件安全運行。5.4.4 a/d 轉(zhuǎn)換器設(shè)計本設(shè)計選用 tlv2548a/d 轉(zhuǎn)換器。tlv2548 是美國 tl 公司生產(chǎn)的多通道、12

47、位數(shù)據(jù)采集芯片(adc)。芯片為單電源 2.75.5v 供電，轉(zhuǎn)換時間為 3.96us，是一款高性能、低功耗、cmos 工藝、串行接口的 a/d 轉(zhuǎn)換器。特性如下：1、12 位分辨率，微分/積分非線性誤差 1lsb2、單電源 2.75.5v 范圍供電電源，內(nèi)置參考源3、內(nèi)置轉(zhuǎn)換時鐘源及 8fifo4、8 路模擬輸入，模擬輸入范圍為 0 到電源電壓，500khz 帶寬5、200khzsps 采樣速率，3。86us 轉(zhuǎn)換時間6、spi (cpol=0，cpha=0)/dsp 兼串行接口，sclk 可高達 20mhz7、低工作電流5.13 tlv2548 與 atb9c52 從單片機接口圖5.4.5

48、 速度反饋采用轉(zhuǎn)速編碼器對電動機進行測速，可以構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速編碼器的主要有兩種，一種是增量型，另一種是絕對型。增量型的特征是只有在旋轉(zhuǎn)期間會輸出對應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度脈沖，停止是不會輸出。它是利用計數(shù)來測量旋轉(zhuǎn)的方式；價格比較便宜。絕對型的的特征是不論是否旋轉(zhuǎn)，可以將對應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度進行平行輸出的類型，不需要計數(shù)器可確認旋轉(zhuǎn)位置；它還有不受機械的晃動或震動以及開關(guān)等電器干擾的功能，價格貴。在選擇使用時，可參考以下幾點：包括成本、分辨率、外形尺寸、軸負荷及機械壽命、輸出頻率、環(huán)境、軸旋轉(zhuǎn)力矩、輸出回路等等。6 系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件設(shè)計是整個逆變控制的核心，它決定著逆變器的輸出特性。該系統(tǒng)軟件設(shè)計由三部分組成：主程序、初始化程序和中斷服務(wù)子程序。主程序是整個控制系統(tǒng)的核心和靈魂，只有通過主程序才能有機地調(diào)用系統(tǒng)中各個子程序，使它們形成一個聯(lián)系緊密的整體，有條不紊的完成各種各樣的操作命令。主程序：圖 6.1 給出了本系統(tǒng)的主程序流程圖。單片機首先初始 sa4828，打開中斷系統(tǒng)。傳送控制參數(shù)后，判斷 sa4828 有沒有保護動作，允許輸出，則開始輸出 spwm 控制信號，逆變器開始工作。工作過程中，單片機不斷的處理檢測反饋回來的信號，控制 sa4828 調(diào)整輸出的 spwm 控制信號，控制系統(tǒng)的輸出狀態(tài)，以滿足系統(tǒng)的性能要求。在