基于單片機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的PWM變頻調(diào)速的系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

1、 PAGE23 / NUMPAGES31華東交通大學(xué)理工學(xué)院Institute of Technology.EastChinaJiaotongUniversity畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)Graduation Design （ 2010 2014 年） 題 目 基于單片機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 分 院： 電氣與信息工程分院 專 業(yè)： 電氣工程與其自動(dòng)化 班 級(jí)： 電力3班 學(xué) 號(hào)： 426 學(xué)生： 余積卿 指導(dǎo)教師： 紹彪 起訖日期： 2013.122014.5 華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性申明本人重申明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行的研究工作所取得的研究成

2、果。設(shè)計(jì)（論文）中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖件、資料，均已在設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用，除此之外，本設(shè)計(jì)（論文）不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識(shí)到本申明的法律后果由本人承擔(dān)。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者簽名： 日期： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）使用授權(quán)書本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者完全了解學(xué)院有關(guān)保留、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交設(shè)計(jì)（論文）的復(fù)印件和電子版，允許設(shè)計(jì)（論文）被查閱和借閱。本人授權(quán)華東交通大學(xué)理工學(xué)院可以將本設(shè)計(jì)（論文）的全部或部分容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以

3、采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）。（的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）在解密后適用本授權(quán)書）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名：簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日摘 要在電力電子器件制造技術(shù)和電力電子控制技術(shù)不斷飛速發(fā)展的今天，得益于變頻器的發(fā)展，電機(jī)的變頻調(diào)速在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中得到了飛速的發(fā)展。變頻調(diào)速不僅在調(diào)速的性能上面得到了跨越式的提高，同時(shí)在控制技術(shù)和補(bǔ)償技術(shù)方面也得到的質(zhì)的飛躍，控制策略的提升和簡(jiǎn)化使得電機(jī)的變頻調(diào)速成為當(dāng)今主要的調(diào)速方式。得益于此，再加上交流電機(jī)沒有換向器以與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等因素從而導(dǎo)致現(xiàn)代交流電機(jī)有取代直流電機(jī)的趨勢(shì)。鑒于變頻調(diào)速的很多優(yōu)點(diǎn)

4、，所以這種調(diào)速方式也越來越成為了交流調(diào)速的主要趨。交流調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)包含了交流電機(jī)、逆變器、供電電壓等主電路以與檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路和整個(gè)控制系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，還必須研究交流電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并對(duì)此進(jìn)行坐標(biāo)變換。交流調(diào)速系統(tǒng)中的交流電機(jī)、逆變器和供電電源是主電路系統(tǒng)中不可缺少的部分；然后控制系統(tǒng)的核心是整個(gè)控制電路部分，這里面的核心又是智能控制芯片，這里我們使用的是52系列的單片機(jī)AT89S52，還包含了脈沖發(fā)生電路SA4828智能芯片電路，同時(shí)包括一些較少的外圍硬件設(shè)備，因?yàn)椴捎昧藛纹瑱C(jī)作為控制核心，所以整個(gè)電路的硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，對(duì)于脈沖輸出和反饋控制等方式也靈活

5、，只需要改變程序就可以了，本設(shè)計(jì)的電機(jī)對(duì)象是一個(gè)感應(yīng)電機(jī)，我們主要完成該電機(jī)的調(diào)速。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)主要完成了SA4828智能芯片的介紹、主電路（交流電機(jī)、逆變器、驅(qū)動(dòng)電路和供電電源）、調(diào)速控制策略、逆變器緩沖和保護(hù)電路的硬件設(shè)計(jì)以與52單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：AT89S52單片機(jī)；SA4828智能芯片；交流電機(jī)變頻調(diào)速；脈沖寬度調(diào)制AbstractIn power electronic device manufacturing technology and the continuous rapid development of power electronic control techn

6、ology, thanks to the development of frequency converter, frequency control of motor speed of the motor in the theoretical research and practical application of rapid development.Frequency control of motor speed above the performance of the speed regulation not only have improved by leaps and bounds,

7、 at the same time in control technology and compensation technology has also been qualitative leap, improve and simplify the control strategy of the motor frequency control of motor speed become the main way of speed adjustment.Thanks to this, coupled with ac motor without commutator as well as the

8、simple structure and so on factors leading to the modern ac motor has a tendency to replace the dc motor.In view of the many advantages of frequency control of motor speed, so this way of speed control is becoming more and more becomes the primary communication speed.Ac speed regulating system is a

9、complex system, the whole system consists of ac motor, inverter, power supply voltage of main circuit and detection circuit, drive circuit, and the whole control system.In order to achieve the frequency control of motor speed, but also must study the dynamic mathematical model of ac motor, and to co

10、ordinate transformation.Ac speed regulation system of ac motor and inverter and power supply is an integral part of the main circuit system;And control system is the core of the whole control circuit part, here is the core of intelligent control chip, here we are using AT89S52 in single chip microco

11、mputer control system, also contains a pulse generating circuit intelligent chip SA4828 circuit, including some of the less peripheral hardware devices at the same time, because of using the single chip microcomputer as control core, so the whole circuit of the hardware design is concise, for pulse

12、output and feedback control methods such as flexible, only need to change the program, the design of motor object is an induction motor, we mainly completed the motor speed control.The main task of control system design completed intelligent chip SA4828 is introduced, the main circuit (ac motor and

13、inverter, driver circuit and power supply), speed regulation control strategy, buffer and protection circuit of the inverter 52 microcontroller hardware design and program design.Key words: AT89S52 single chip microcomputer;Intelligent chip SA4828;Ac motor frequency control of motor speed;Pulse widt

14、h modulation目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc386401325中文摘要 PAGEREF _Toc386401325 h IHYPERLINK l _Toc386401326英文摘要 PAGEREF _Toc386401326 h IIHYPERLINK l _Toc386401327目錄 PAGEREF _Toc386401327 h IIIHYPERLINK l _Toc386401328緒 論 PAGEREF _Toc386401328 h 1HYPERLINK l _Toc3864013291.1 變頻器簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc3864

15、01329 h 1HYPERLINK l _Toc3864013301.2 國外變頻技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc386401330 h 1HYPERLINK l _Toc3864013311.2.1 國變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展概況 PAGEREF _Toc386401331 h 1HYPERLINK l _Toc3864013321.2.2 國外變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展概況 PAGEREF _Toc386401332 h 2HYPERLINK l _Toc3864013331.3 課題研究的意義 PAGEREF _Toc386401333 h 2HYPERLINK l _Toc3864013342

16、 基于單片機(jī)的感應(yīng)電機(jī)PWM變頻調(diào)速的基本原理 PAGEREF _Toc386401334 h 4HYPERLINK l _Toc3864013352.1 變頻調(diào)速基本原理 PAGEREF _Toc386401335 h 4HYPERLINK l _Toc3864013362.1.1 變頻器基本結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc386401336 h 4HYPERLINK l _Toc3864013372.1.2 變頻器調(diào)速控制方式 PAGEREF _Toc386401337 h 4HYPERLINK l _Toc3864013382.2 SPWM控制簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc38640133

17、8 h 4HYPERLINK l _Toc3864013392.2.1 單極性PWM控制方式 PAGEREF _Toc386401339 h 5HYPERLINK l _Toc3864013402.2.2 雙極性PWM控制方式 PAGEREF _Toc386401340 h 5HYPERLINK l _Toc3864013412.3 閉環(huán)控制原理 PAGEREF _Toc386401341 h 6HYPERLINK l _Toc3864013423 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc386401342 h 7HYPERLINK l _Toc3864013433.1主電路設(shè)計(jì) PAGEREF

18、 _Toc386401343 h 7HYPERLINK l _Toc3864013443.1.1 主電路硬件結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc386401344 h 7HYPERLINK l _Toc3864013453.1.2 三相電壓型逆變電路 PAGEREF _Toc386401345 h 8HYPERLINK l _Toc3864013463.2 AT89S52主控制模塊 PAGEREF _Toc386401346 h 9HYPERLINK l _Toc3864013473.2.1 主要特性 PAGEREF _Toc386401347 h 9HYPERLINK l _Toc38640134

19、83.2.2 管腳說明 PAGEREF _Toc386401348 h 10HYPERLINK l _Toc3864013493.3 SPWM波發(fā)生模塊 PAGEREF _Toc386401349 h 10HYPERLINK l _Toc3864013503.3.1 SA4828的引腳分析 PAGEREF _Toc386401350 h 11HYPERLINK l _Toc3864013513.3.2 SA4828部結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc386401351 h 11HYPERLINK l _Toc3864013523.3.3 SA4828初始化編程 PAGEREF _Toc386401

20、352 h 13HYPERLINK l _Toc3864013533.4 其它模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc386401353 h 15HYPERLINK l _Toc3864013543.4.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc386401354 h 15HYPERLINK l _Toc3864013553.4.2 保護(hù)電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc386401355 h 15HYPERLINK l _Toc3864013564 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc386401356 h 16HYPERLINK l _Toc386401357總 結(jié) PAGEREF _Toc3

21、86401357 h 19HYPERLINK l _Toc386401358參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc386401358 h 20HYPERLINK l _Toc386401359致 PAGEREF _Toc386401359 h 21第1章 緒 論近些年來，伴隨工業(yè)水平的快速發(fā)展，交流異步電機(jī)的使用也越來越廣，這也表明對(duì)電機(jī)的速度調(diào)節(jié)越來越重要，而為了獲得好的調(diào)速性能，一般采用PWM變頻調(diào)速方式。在工業(yè)應(yīng)用中，一般偏向廉價(jià)性能，故這里采用單片機(jī)作為控制單元。1.1 變頻器簡(jiǎn)介在工業(yè)生產(chǎn)上對(duì)變頻調(diào)速要較多的要求，其中重要的因素主要有響應(yīng)的快慢、系統(tǒng)是否穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)特性是否好。在好多的研究

22、和實(shí)踐領(lǐng)域，比如國防、冶煉、制造、石油、汽車、起重等行業(yè)，對(duì)電機(jī)的調(diào)速有著很大的重要性。但是越好的調(diào)速系統(tǒng)控制越復(fù)雜，變化因素也很多，而且對(duì)理論知識(shí)要求也很高，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候就需要很好的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和自動(dòng)控制的理論基礎(chǔ)。對(duì)交流異步電機(jī)完成變頻調(diào)速的設(shè)備為變頻調(diào)速器，其作用是把電網(wǎng)輸出的穩(wěn)定不變的頻率與電壓的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺兊碾妷汉皖l率VVVF的交流電，以此達(dá)到對(duì)電機(jī)的無級(jí)調(diào)速控制。當(dāng)前的市場(chǎng)上最主要有兩種類型的變頻器：交-直-交和交-交變頻器，圖1-1說明了兩種變頻器的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)。所謂的交交變頻器，即AC/AC變頻器，是直接采用正組和反組整流器把電網(wǎng)電壓經(jīng)過正組或反組整流器之后拼接在一起，從而

23、組成電壓幅值和頻率大小都可調(diào)的交流電，只能降頻不能升頻，效率較高，中間沒有濾波環(huán)節(jié)，所以又把這種變頻器叫做直接變頻器。而交直交變頻器是首先把電網(wǎng)輸出的交流電能變換成為直流電，通過中間濾波環(huán)節(jié)后，再經(jīng)過逆變器，最后轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺冾l和變壓的交流電，故被稱為間接型變頻器。對(duì)比這兩種變頻器，間接變頻器因?yàn)橹虚g過程較多，所以控制復(fù)雜點(diǎn)，而且多級(jí)的效率疊加使得中的效率不高，但是這種方式的變頻圍可以加大；對(duì)于直接變頻器因?yàn)椴捎弥苯幼儞Q，所以可以得到高的工作效率，也不容易出問題，但是頻率可調(diào)節(jié)的圍就減小了，這種方法大多在容量大頻率低的場(chǎng)合。(a) 交-交變頻器 （b）交-直-交變頻器圖1-1 變頻器的兩大類1.2

24、 國外變頻技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 國變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展概況作為發(fā)展中國家的我國，在自主研發(fā)能力上與發(fā)達(dá)國家還有很大的差距，到現(xiàn)在為止，在變頻調(diào)速的研發(fā)上我國的技術(shù)水平相當(dāng)與發(fā)達(dá)國家?guī)资昵?。隨著時(shí)代進(jìn)步，我國現(xiàn)在也有好多公司已經(jīng)引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，然后進(jìn)入自主研發(fā)階段，但是總體而言，在研發(fā)和產(chǎn)品生產(chǎn)方面水平還是很低，很大程度上需要國外的先進(jìn)技術(shù)1-2?？偠灾?，如今處于發(fā)展中國家的我國與技術(shù)成熟先進(jìn)的一些發(fā)達(dá)國家相對(duì)比較，我們?nèi)匀贿€落后10到15左右，即使我們有較為豐富的人員，也有一定的物力，但是不夠集中。而在大型功率電機(jī)等變頻調(diào)速的技術(shù)方面，國家部如今仍只有為數(shù)不多的科研單位有能力造出來，在智

25、能化與系統(tǒng)可靠性上與國外相比還有相當(dāng)?shù)牟罹?，而且相關(guān)的配套產(chǎn)業(yè)與行業(yè)比較落后，市場(chǎng)面很窄，性能和制造行業(yè)水平一般。在中等容量的變頻上，我們國家主要都是采用V/F的控制方式，只有很少的部分使用的是矢量控制方式。關(guān)于變頻器的設(shè)備所用的半導(dǎo)體器件的制造行業(yè)國幾乎沒有1。1.2.2 國外變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展概況在大功率電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)階段,ABB提供一個(gè)獨(dú)立的容量約60000千瓦的設(shè)備用于抽水蓄能電站。在小功率交流變頻調(diào)速技術(shù),日本的富士山是轉(zhuǎn)換器獨(dú)立的最大容量700千伏安。在二級(jí)電力變頻調(diào)速技術(shù),西門子Simovert產(chǎn)生了電流型晶閘管變頻調(diào)速裝置容量10 - 2600 kva,Simovert PGT

26、O PWM變頻調(diào)速裝置可用于100 - 900 kva能力,現(xiàn)在意識(shí)到智能控制系統(tǒng),用于泵傳動(dòng),電動(dòng)機(jī)車,粉絲,等大型電力設(shè)備交流變頻調(diào)速技術(shù),法國的阿爾斯通已經(jīng)可以完成單機(jī)容量30000千瓦的電力傳動(dòng)裝置用于船舶推進(jìn)系統(tǒng)?；贗GBT逆變器產(chǎn)生了系列產(chǎn)品,其控制系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了一個(gè)全面的數(shù)字1-5。國外的交流變頻調(diào)速技術(shù)在高速發(fā)展下存在以下特點(diǎn)2：（1）市場(chǎng)需求量較大。伴隨工業(yè)自動(dòng)化程度的逐步提高和全球化能源短缺，變頻器技術(shù)已廣泛地應(yīng)用在機(jī)械、化工、紡織、冶金、造紙、食品等行業(yè)，在水泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備中應(yīng)用廣發(fā)，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。（2）大容量器件發(fā)展。近些年來高電壓、大電流的IGBT、GTR、

27、IGCT、GTO 等器件的面世，使得高壓、大容量變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)和應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。（3）自動(dòng)控制理論和微電子的發(fā)展。自動(dòng)控制領(lǐng)域的理論知識(shí)對(duì)于變頻調(diào)速有著很大的影響力，因?yàn)樽冾l調(diào)速中的轉(zhuǎn)矩控制，矢量控制，迷糊控制，重復(fù)控制，磁通控制等等新的控制理論是變頻調(diào)速性能好壞的一個(gè)決定因素；而微處理器的發(fā)展為控制提供了更大的方便，例如控制器的位數(shù)的提升，還有一些專用高速處理芯片DSP、FPGA等的發(fā)展，為變頻調(diào)速的更好精度、更加多功能和全自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)提供了越來越多的可能2,6,7。1.3 課題研究的意義在工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域上廣泛采用交流異步電機(jī)，因?yàn)樵撾姍C(jī)構(gòu)造簡(jiǎn)單，檢修方便，但是隨著現(xiàn)在工農(nóng)業(yè)的不斷改進(jìn)，需要電機(jī)完

28、成更多的功能，好多的領(lǐng)域都需要電機(jī)可以根據(jù)不同的負(fù)載等情況自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩和速度等等。以前，對(duì)于調(diào)速要求比較高的場(chǎng)合，可以采用直流電機(jī)，但是直流電機(jī)有明顯的缺陷，容量不大，轉(zhuǎn)矩小，還有它采用了換向電刷，這個(gè)很容易損壞而且工作過程中會(huì)有火花，很不安全。后來，依據(jù)交流電機(jī)的特性，完成了傳統(tǒng)交流電機(jī)的一種新的調(diào)速方式，是通過轉(zhuǎn)子回路串電阻完成分段的調(diào)速控制，這種調(diào)速方式很耗能，而且裝置性能不好，技術(shù)落后，存在很多的問題，所以使得異步電機(jī)在市場(chǎng)上不能得到大面積的推廣。所以對(duì)于感應(yīng)電機(jī)的可靠調(diào)速控制，需要一種更加優(yōu)良的控制方式，有更好的保障。就計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況而言，微處理器是目前作為工

29、業(yè)控制應(yīng)用中最理想的機(jī)型，它是采用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)、按照設(shè)計(jì)人員事先編好的并儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)部的一段程序代碼來完成設(shè)備的的相應(yīng)操作控制7,8。采用智能芯片，例如單片機(jī)的控制，具有硬件電路簡(jiǎn)潔、軟件設(shè)計(jì)靈活性強(qiáng)、程序代碼調(diào)試方便、硬件設(shè)施和軟件的維護(hù)量小等特點(diǎn)。微處理器，包括了單片機(jī)在，逐漸在代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬電路來用作交流電機(jī)和直流電機(jī)的控制器，單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：（1）程序代碼能夠大大簡(jiǎn)化實(shí)際電路裝置。傳統(tǒng)的模擬電路如果要實(shí)現(xiàn)某個(gè)邏輯控制，學(xué)過模電的讀者都會(huì)知道需要很多電子元器件，眾多的電子元器件會(huì)導(dǎo)致實(shí)際電路更復(fù)雜，設(shè)備裝置體積龐大，而且可靠性能不高，容易故障。采用數(shù)字單片機(jī)微處理器實(shí)現(xiàn)某個(gè)邏輯

30、控制，我們只需要通過軟件寫一個(gè)行代碼即可實(shí)現(xiàn)。（2）由于單片機(jī)是屬于智能元件，能夠編程，那么可以有效的提供人與機(jī)機(jī)器之間的交互，設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，便于操作人員操作。（3）單片機(jī)數(shù)字化能夠很容易的完成較為復(fù)雜的邏輯和算術(shù)控制功能。單片機(jī)微處理器擁有強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算處理性能、具有運(yùn)算速度快、運(yùn)算結(jié)果精度高，而且還擁有大容量的可編程邏輯存儲(chǔ)單元和flash單元。以上這些優(yōu)點(diǎn)使得單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)代設(shè)備較為復(fù)雜的控制算法。（4）單片機(jī)具有很好的操作靈活性與多功能適應(yīng)性。單片機(jī)作為一種數(shù)字處理器，它的控制方法以與控制策略都是由設(shè)計(jì)人員事先編寫程序軟件來實(shí)現(xiàn)的。一旦設(shè)備不符合要求，常常做的方法是改變控制策略，

31、但是主電路的硬件設(shè)施和接線結(jié)構(gòu)一般是不需要修改的，也就是說，我們只須對(duì)下載在單片機(jī)部的程序進(jìn)行修改即可，于是在設(shè)備系統(tǒng)的調(diào)試器件和升級(jí)器件，不需要改變?cè)O(shè)備，也可以不斷測(cè)試系統(tǒng)的參數(shù)，選擇功能更好，性能最優(yōu)的方案，因此，操作十分的方便。在工業(yè)應(yīng)用中的計(jì)算機(jī)一般采用的是PC機(jī)，當(dāng)采用多核處理器時(shí)，該計(jì)算機(jī)具有運(yùn)行速度很快，能夠?qū)崿F(xiàn)在線實(shí)時(shí)控制，同時(shí)，還可以很方便的進(jìn)行軟件測(cè)試。由于這種計(jì)算機(jī)的功能是相當(dāng)?shù)膹?qiáng)大，于是導(dǎo)致工業(yè)計(jì)算機(jī)的價(jià)格非常昂貴，同時(shí)工業(yè)計(jì)算機(jī)的體積非常的大，那么工業(yè)計(jì)算機(jī)一般是只應(yīng)用在在大型的控制系統(tǒng)中。而單片機(jī)微型處理器就是不一樣的數(shù)字信號(hào)處理芯片，雖然單片機(jī)的芯片體積很小，但是

32、部的集成度是很高的，這樣一個(gè)很小芯片集成了上億個(gè)晶體管，不僅可以完成定時(shí)功能、中斷功能、通信功能、采樣功能等等，還能實(shí)現(xiàn)與其他微型處理器的交互運(yùn)行，其本質(zhì)就是一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)控制芯片?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)，本課題設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的感應(yīng)電機(jī)PWM變頻調(diào)速功能，為此，我們可以選用單片機(jī)芯片，考慮到單片機(jī)的型號(hào)，我們選用AT89S52單片機(jī)芯片。2 基于單片機(jī)的感應(yīng)電機(jī)PWM變頻調(diào)速的基本原理2.1 變頻調(diào)速基本原理2.1.1 變頻器基本結(jié)構(gòu)變頻器可以分為四個(gè)部分，如圖2-1所示。常用的變頻器主要包括主回路完成主要功能和控制回路完成系統(tǒng)的控制。主電路主要是為感應(yīng)電機(jī)提供變頻電源的控制信號(hào)，有三個(gè)部分：平波

33、、逆變和整流電路。圖2-1 變頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.1.2 變頻器調(diào)速控制方式變頻調(diào)速是通過改變電機(jī)定子繞組供電的頻率來達(dá)到調(diào)速的目的。 （2.1）變頻器的控制方式有下面兩大類：1.普通控制型V/F變頻器（1）市場(chǎng)上常用的V/F變頻器采用的是開環(huán)的控制方式。這種控制方式很簡(jiǎn)單，都沒有速度的反饋，所以響應(yīng)速度也慢，電機(jī)可以使用標(biāo)準(zhǔn)的異步電機(jī)，通用性比較好，性價(jià)比也高，所以在常用的變頻器上多半采用這種方法。（2）具有固定磁通功能的V/F變頻器使用反饋磁通的方式使得感應(yīng)電機(jī)的三相正弦電流產(chǎn)生一個(gè)空間的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這樣就會(huì)有一個(gè)固定的電磁轉(zhuǎn)矩，這是為了解決經(jīng)典V/F變頻器在V/F值上調(diào)整苦難這一個(gè)問題，這

34、樣控制方式我們叫做磁鏈跟蹤控制。有時(shí)我們也把這種控制方式稱為空間電壓矢量控制，因?yàn)榇沛湹嫩欅E是由電壓矢量相加獲得。2.矢量控制方式矢量控制方式的基本思想是：參考直流電機(jī)的調(diào)速，讓控制感應(yīng)電機(jī)也可以像直流電機(jī)一樣控制來兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)速，將矢量分為無速度控制和有速度控制或者所閉環(huán)轉(zhuǎn)矩矢量控制。2.2 SPWM控制簡(jiǎn)介脈沖寬度調(diào)制作為模擬控制方式的一類，其依據(jù)負(fù)載的相應(yīng)改變來調(diào)制晶閘管基極或HYPERLINK :/123.125.115.53/view/1221507.htmMOS管柵極的偏置信號(hào)，來實(shí)現(xiàn)晶閘管或MOS管導(dǎo)通時(shí)間長短的變化，從而完成開關(guān)電源輸出電壓的改變。該方式可以使電源的輸出電壓在工

35、作情況發(fā)生變化時(shí)保持不變，是借助HYPERLINK :/123.125.115.53/view/1125.htm微處理器的數(shù)字信號(hào)控制HYPERLINK :/123.125.115.53/view/635021.htm模擬電路的一種可行的技術(shù)。HYPERLINK :/123.125.115.53/view/614405.htmPWM控制技術(shù)的控制方式簡(jiǎn)單，且具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)好和靈活的優(yōu)點(diǎn)，故是HYPERLINK :/123.125.115.53/view/19220.htm電力電子技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的一種控制方法，也是大家研究的熱點(diǎn),包括單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制。因?yàn)楫?dāng)今科技的發(fā)展已經(jīng)擺脫了學(xué)科間的界

36、限，加上HYPERLINK :/123.125.115.53/view/672447.htm現(xiàn)代控制理論的方法或無諧振波開關(guān)技術(shù)將能成為PWM控制技術(shù)主要的發(fā)展方向之一。下圖所示為單相橋式逆變電路，下面就改逆變電路介紹下單極性和雙極性PWM控制方式。圖2-2 單相橋式PWM逆變電路2.2.1 單極性PWM控制方式單極性PWM控制如圖2-2所示,載波uc和調(diào)制波ur的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的開通與關(guān)斷。圖2-3 單極性PWM控制波形 = 1 * GB3 * MERGEFORMAT Ur正半周，V1保持通，V2保持?jǐn)?當(dāng)uruc時(shí),使V4通，V3斷，u0=Ud ;當(dāng)uruc時(shí),使V4通，V3斷，u0

37、=0 ;當(dāng)uruc時(shí)，給V1和V4導(dǎo)通信號(hào)，給V2和V3關(guān)斷信號(hào),若i00,使V1和V4通，若i00,使VD1和VD4通，u0=Ud ; = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 當(dāng)ur0,使VD2和VD3通，若i00,使V2和V3通，u0=-Ud ;2.3 閉環(huán)控制原理閉環(huán)控制是根據(jù)控制對(duì)象輸出反饋校正的控制方式,它是一個(gè)測(cè)量的實(shí)際和計(jì)劃發(fā)生偏差,根據(jù)修正的規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)來調(diào)節(jié)。在控制理論中,閉環(huán)通常表示輸出取決于“鏈”的方式反饋到輸入端,所謂的閉環(huán)控制。先輸入端和輸出端反饋控制輸出端后再計(jì)算錯(cuò)誤,這是閉環(huán)控制的原理,該方法取決于反饋。閉環(huán)控制是兩種基本的方法在正反饋和負(fù)反饋。負(fù)反饋和正反饋

38、方面結(jié)束與一個(gè)類似的意思。干涉效應(yīng),當(dāng)控制對(duì)象,實(shí)際狀態(tài)與期望狀態(tài)的偏差,控制主體根據(jù)偏差的大小輸出將新的指令,減少偏差,消除干擾的影響。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，因?yàn)榭刂浦黧w能依據(jù)回饋的信息計(jì)算和減小受控客體運(yùn)行過程的偏差，因而抗干擾能力較強(qiáng)，且能有效的進(jìn)行HYPERLINK :/wiki.mbalib /wiki/控制控制，這樣便可保證預(yù)定目標(biāo)的輸出?？刂葡到y(tǒng)中所采用的控制大多是閉環(huán)控制方法，用到的HYPERLINK :/wiki.mbalib /wiki/控制原理控制原理主要是HYPERLINK :/wiki.mbalib /wiki/反饋原理反饋原理。這種控制如下圖所示：圖2-5 閉環(huán)系統(tǒng)原理

39、框圖PID控制器的設(shè)計(jì)是基于連續(xù)系統(tǒng)PID控制規(guī)律理論，經(jīng)過采樣將其離散化，并表達(dá)成離散形式的PID方程，再依據(jù)離散形式方程設(shè)計(jì)控制程序。我們常用的PID算法一般包括3項(xiàng)，比例、積分和微分項(xiàng)。2.4 基于單片機(jī)的PWM變頻調(diào)速原理為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的PWM變頻調(diào)速，我們采用AT89S52單片機(jī)。系統(tǒng)框圖如下所示：圖2-6 變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖該系統(tǒng)主要包括主電路和兩個(gè)控制電路，其中主電路包括單片機(jī)主電路和交-直-交變頻電路（這里采用IPM集成模塊）與電機(jī)；控制電路包括AT89S52主控制電路、SA4825PWM模塊、驅(qū)動(dòng)模塊以與外圍設(shè)備模塊（鍵盤輸入、A/D轉(zhuǎn)換、串口和液晶等）。我們可以也采用上位機(jī)做

40、界面控制，獲得更加直觀，有效的顯示、控制方式。感應(yīng)電機(jī)通過保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的過流和過壓等保護(hù)，而通過檢測(cè)回路可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速等實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定控制。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1主電路設(shè)計(jì)3.1.1 主電路硬件結(jié)構(gòu)該主電路如圖3-1所示，包括三相不可控整流橋輸出固定的直流電壓給電壓型逆變器，變壓、變頻是均在逆變器中完成。逆變器是由六個(gè)IGBT管構(gòu)成三相全橋式電路，并增加了吸收電路。其中平波電容器C完成中間能量存儲(chǔ)的功能，解耦逆變器和交流電網(wǎng)，并且可向電機(jī)輸出無功功率。因?yàn)槎O管不可控整流器不可以為異步電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)方式提供反向電流的傳輸路徑，故而一般采用電阻吸收方式消耗能量。制動(dòng)過程

41、中，異步電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，先經(jīng)過并聯(lián)在IGBT兩端的續(xù)流二極管D去給電容C充電，當(dāng)充電到直流回路電壓升高到一個(gè)閾值時(shí)，依靠電壓限制電路將電機(jī)輸出的動(dòng)能消耗在制動(dòng)電阻R上。圖3-1 主電路結(jié)構(gòu)圖逆變器(DC / AC)技術(shù)是電力電子技術(shù)的重要組成部分。電壓型逆變電路在直流側(cè)電壓型逆變電路和一個(gè)大電容,功能類似于電壓源,直流電壓脈動(dòng)小、直流低阻抗電路性能特征。這里主要描述了電壓型逆變電路的基本結(jié)構(gòu),并分析其工作原理。3.1.2 三相電壓型逆變電路逆變電路如圖3-2所示，三相逆變橋的基本工作原理和單相逆變橋一樣，也是的導(dǎo)電方式，即同一相(同一半橋)上下兩個(gè)橋臂更替導(dǎo)電，每個(gè)臂的導(dǎo)電角度是，各相開始導(dǎo)

42、電的相位依次相差。這樣，在任何一個(gè)瞬間，將會(huì)同時(shí)導(dǎo)通三個(gè)橋臂。兩種情況：上面一個(gè)臂，下面兩個(gè)臂或者上面兩個(gè)臂，下面一個(gè)臂。因每次換流過程都是在同相的上下兩個(gè)橋臂中進(jìn)行，故改方式也被叫做縱向換流。圖3-2 三相逆變電路 用T表示周期，注意到三相之間互差T3的相位角，即A相比B相超前T3，B相又比C相超前T3。電路中開關(guān)管導(dǎo)通順序：第1個(gè)T6：V1，V6，V5導(dǎo)通，V4，V3，V2截至：第2個(gè)T6：Vl，V6，V2導(dǎo)通，V4，V3，V5截至：第3個(gè)T6：V1，V3，V2導(dǎo)通，V4，V6，V5截至：第4個(gè)T6：V4，V3，V2導(dǎo)通，V1，V6，V5截至：第5個(gè)T6：V4，V3，V5導(dǎo)通，V1，V6，

43、V2截至：第6個(gè)T6：V4，V6，V5導(dǎo)通，V1，V3，V2截至。再來分析三相橋式逆變電路的運(yùn)行波形。對(duì)A相輸出而言，在橋臂l導(dǎo)通時(shí)，在橋臂4導(dǎo)通時(shí)， 因此，的工作波形為幅值的矩形波。而B，C兩相的工作波形和A相相似，的波形在形狀上和一樣，但是相位依次相差了。電壓型三相逆變電路的相電壓波形如下圖：圖3-3 三相逆變電路輸出電壓波形3.2 AT89S52主控制模塊AT89S52是一種帶8K字節(jié)閃爍型可編程擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，CMOS高性能的8位微處理器，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。 3.2.1 主要特性兼容MCS-52 8K字節(jié)閃爍可編程存儲(chǔ)器 片振蕩與外部時(shí)鐘壽命：循環(huán)1000寫/擦 程序存儲(chǔ)時(shí)間：10年

44、 5個(gè)不同等級(jí)中斷源完全靜態(tài)工況：0Hz-24Hz 程序存儲(chǔ)器三級(jí)鎖定 部RAM128*8位 32個(gè)可編程I/O口兩個(gè)自由配置的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 具有可編程的串行通道 掉電模式和低功耗的閑置 3.2.2 管腳說明P0口:P0.0P0.7P0口8位雙向口線（在引腳的3239號(hào)端子），是8位漏極開路的三態(tài)雙向I/O端口，如果使用外部的存儲(chǔ)器，那么這個(gè)口既可以作為地址總線由可以作為數(shù)據(jù)總線，可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載。P0口有三個(gè)功能: 如果使用外部存儲(chǔ)器時(shí)，作為數(shù)據(jù)總線使用外部存儲(chǔ)器時(shí)，作為地址總線做擴(kuò)展時(shí)，可當(dāng)做一般的I/O使用，因?yàn)轵?qū)動(dòng)能力不夠，所以需要加上拉電阻。P1口：P1.0P1.

45、78位雙向口線對(duì)應(yīng)引腳的18號(hào)，它的部自帶上拉電阻，是一個(gè)單一功能的I/O端口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。P2口：P2.0P2.7P2口8位雙向口線對(duì)應(yīng)引腳的2128號(hào)，部也自帶上拉電阻的，用于擴(kuò)展時(shí)，是地址的高8位，如果不擴(kuò)展，就可當(dāng)做常用的輸入輸出口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。P3口：P3.0P3.7P3口8位雙向口線對(duì)應(yīng)引腳的1017號(hào)，是部自帶上拉電阻的8位雙向I/O口，雙功能復(fù)用口。3.3 SPWM波發(fā)生模塊SA4828是MITEL公司研發(fā)出的一種專用于SPWM三相信號(hào)發(fā)生和控制的集成電路芯片。該芯片有28引腳，分直插和貼片兩種封裝。它能夠和大多數(shù)的單片機(jī)相連，也可獨(dú)立使用。它的

46、主要特點(diǎn)是：兼容Motorola和Intel系列的單片機(jī)；全數(shù)字化控制；最高載波頻率可為24kHz；調(diào)制波的頻率圍是04kHz；8位調(diào)壓分辨率；16位調(diào)速分辨率；部ROM含有3種自由選擇波形；可控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；帶有看門狗定時(shí)器；可刪除最小脈寬和設(shè)定死區(qū)時(shí)間；可獨(dú)立設(shè)置各相的電壓幅值來適應(yīng)不對(duì)稱的負(fù)載。3.3.1 SA4828的引腳分析（1）輸入類引腳說明：AD0AD7：數(shù)據(jù)或地址通道，其作用是把單片機(jī)輸出數(shù)據(jù)或指令送至SA4828中。CS ：信號(hào)片選引腳，與微機(jī)系統(tǒng)的輸出端相連。（2）輸出引腳說明：ZPPR：輸出調(diào)制波信號(hào)的頻率引腳；WSS：采樣波形引腳輸出。3.3.2 SA4828部結(jié)

47、構(gòu)圖3-4 SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖3-6 片內(nèi)ROM存儲(chǔ)的波形圖3-5 脈沖序列中的窄脈沖SA4828部結(jié)構(gòu)圖如圖3 - 6所示。從單片機(jī)的傳輸數(shù)據(jù)總線傳輸和解碼后以寄存器初始化。他們逐步邏輯電路控制。數(shù)組包含8八個(gè)寄存器R0保存 R5和R14、R15。弄清R0數(shù)據(jù)用于臨時(shí)單片機(jī)發(fā)送 R5,這些可能是初始化數(shù)據(jù)或控制;和R14、R15兩個(gè)虛擬注冊(cè),沒有身體。R14寫操作時(shí),實(shí)際上是存儲(chǔ)在R0保存 R5 48數(shù)據(jù)發(fā)送到初始化寄存器;R15寫道,存儲(chǔ)在R0保存 R5 48數(shù)據(jù)發(fā)送到控制寄存器。表3.1為寄存器地址。表3-1 SA4828中各寄存器的地址寄存器 AD3 AD2 AD1 AD0 地址

48、R0 0 0 0 0 00HR1 0 0 0 1 01HR2 0 0 1 0 02HR3 0 0 1 1 03HR4 0 1 0 0 04HR5 0 1 0 1 05HR14 1 1 1 0 0EHR15 1 1 1 1 0FH3.3.3 SA4828初始化編程表3-2 初始化寄存器與其功能寄存器 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 功能 R0 FRS2 FRS1 FRS0 CFS2 CFS1 CFS0 選擇輸出頻率和載波頻率 R1 PDT6 PDT5 PDT4 PDT3 PDT2 PDT1 PDT0 選擇脈沖取消時(shí)間 R2 PDY5 PDY4 PDY3 PDY2 PDY1 PDY

49、0 選擇死區(qū)時(shí)間 R3 AC 0 0 WS1 WS0 選擇三相幅值控制 R4 WD15 WD14 WD13 WD12 WD11 WD10 WD9 WD8 16位看門狗計(jì)數(shù)器 R5 WD7 WD6 WD5 WD4 WD3 WD2 WD1 WD0 16位看門狗計(jì)數(shù)器1 初始化寄存器（1）載波頻率設(shè)定載波頻率（即三角波頻率）越高越好，但頻率過高會(huì)有更大的損耗，另外，還受到開關(guān)管最大工作頻率限制，因此需合理設(shè)定。設(shè)定字由CFS0CFS2這3位組成。載波頻率通過下式 （3-1）求出。式中是時(shí)鐘頻率，n的二進(jìn)制數(shù)值即是載波頻率設(shè)定字。調(diào)制波頻率圍設(shè)置設(shè)定調(diào)制波頻率工作圍的作用是在此圍中完成16位分辨率的分

50、解，這樣可提高控制精度。而調(diào)制波頻率圍設(shè)置字是由CFS0CFS2三位組成。 （3-2）式中：m值對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)即是調(diào)制波頻率設(shè)置字。死區(qū)時(shí)間的設(shè)定這個(gè)設(shè)定字是由PDY0PDY5六位組成。 （3-3）式中：PDY值對(duì)應(yīng)二進(jìn)制數(shù)即為死區(qū)時(shí)間設(shè)定字。脈沖取消時(shí)間設(shè)定該設(shè)定字由PDT0PDT6七位組成。 （3-4）式中：PDT值對(duì)應(yīng)二進(jìn)制數(shù)即為脈沖取消時(shí)間設(shè)定字。波形選擇字由WS0和WS1共同構(gòu)成一個(gè)波形選擇字，對(duì)應(yīng)不同的工作方式，選擇不同的工作狀況，如果都為低電平輸出純正弦波形；WS0為0，WS1為1是增強(qiáng)型三次諧波；WS0為1，WS1為0，輸出為死區(qū)增強(qiáng)型。幅值控制位AC是幅值控制位。如果AC是低

51、電平，通過R相的幅值就可以完全控制所有三相的幅值；如果AC為高電平，需要R、Y、B三相的幅值控制字分別控制三相的幅值。(1)調(diào)制波頻率選擇調(diào)制波頻率選擇字由PFS0PFS15十六位組成。 （3-5） (2)調(diào)制波幅值選擇是借助于改變八位幅值選擇字(RAMP、YAMP、RAMP)來實(shí)現(xiàn)的。 （3-6）式中：A是二進(jìn)制的幅值字。3.4 其它模塊設(shè)計(jì)3.4.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)SA4828的6路控制信號(hào)以TTL電平輸出，不可以直接IPM中的IGBT的驅(qū)動(dòng)。故驅(qū)動(dòng)電路的任務(wù)有：電平轉(zhuǎn)換與隔離。1. 電平轉(zhuǎn)換IGBT一般為集成電路芯片作為驅(qū)動(dòng)，常用的有三菱公司M5796系列等。這里介紹一種東芝公司的產(chǎn)品TL

52、P250，電路很簡(jiǎn)單。TLP250為8腳的直插封裝，引腳如圖3-7。圖3-7 TLP250驅(qū)動(dòng)電路它使用單電源供電方式，在使用中須外接電阻和10V的穩(wěn)壓管，把25V的隔離電源轉(zhuǎn)換為10V的關(guān)斷電壓和+15V的導(dǎo)通電壓。2. 隔離電源驅(qū)動(dòng)的三個(gè)橋臂的主電路開關(guān)管,給予每個(gè)輸出隔離25 v電源,和三個(gè)橋臂下可以共享權(quán)力。和SA4828和單片機(jī)系統(tǒng)仍然需要額外+ 5 v電源,異步通信也需要+ 12 v電源,電源共七路。3.4.2 保護(hù)電路設(shè)計(jì)開關(guān)管作為變頻器的重要元件，價(jià)格昂貴，所以需要一個(gè)保護(hù)電路，因?yàn)楣ぷ鬟^程中可能踹新年高壓、過流等狀態(tài)，為此要達(dá)到以下幾點(diǎn)要求：選用智能IGBT模塊。集成電路IPM一般都帶有保護(hù)電路，可以實(shí)現(xiàn)欠壓、過流、過熱、短路等的保護(hù)。（2）在對(duì)脈沖發(fā)生芯片編程時(shí)，因?yàn)閷?shí)際電路上存在“死區(qū)時(shí)間”和“窄脈沖”寬度等等問題，這些東西可以保護(hù)開關(guān)管，仿真上下橋臂在同一時(shí)刻同時(shí)開通，燒壞整個(gè)系統(tǒng)，而且這也可以減少開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，損耗減小。圖3-8 常用的IPM緩沖電路4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括三個(gè)部分:主程序、初始化程序、中斷服務(wù)子程序。主程序：主程序的流程圖為圖4-1所示。主程序中首先必須完成初始化，包括系統(tǒng)寄存器的初始化、參數(shù)初始化和一些芯片的初始化，這里對(duì)SA4828完成了初始化，初始化結(jié)束后