電機(jī)拖動課程設(shè)計(jì)--電力拖動中的spwm

1、<p><b>　　信息工程系</b></p><p><b>　　電機(jī)拖動課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 </p><p>　　班 級： </p><p>　　學(xué) 號：

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　2012 年 6月 16日 </p><p>　　電力拖動中的SPWM</p><p>　　摘要：變頻調(diào)速是交流調(diào)速中的

3、發(fā)展方向。變頻調(diào)速也有多種方法，本文對目前研究領(lǐng)域相當(dāng)活躍的正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)(SPWM)的變頻調(diào)速作了一定的研究，并進(jìn)行了實(shí)踐。異步電動機(jī)的調(diào)速原理是研究控制算法的基石，因文首先介紹了異步電動機(jī)的調(diào)速特性，從而展開介紹SPWM變頻調(diào)速的理論基礎(chǔ).包括變頻調(diào)速控制思想的由來，控制方法的可行性。變頻調(diào)速的控制算法也有許多，本文對目前大部分通用變頻器所采用的控制算法——恒壓頻比控制，給出了完整的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序流程設(shè)計(jì)。本文采用了In

4、tel8OC196MC十六位單片機(jī)作為控制電路的CPU，采用該單片機(jī)的控制系統(tǒng)是本設(shè)計(jì)的硬件核心部分。因此本文先簡單的介紹此單片機(jī)與該設(shè)計(jì)相關(guān)的特性，繼而介紹本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。</p><p>　　關(guān)鍵詞:變頻器;恒壓頻比控制;正弦波脈寬調(diào)制:8OC196MC單片機(jī)。</p><p><b>　　目錄</b></p><p><

5、b>　　一 緒論4</b></p><p>　　1.1研究的現(xiàn)狀4</p><p><b>　　1.1.1引言4</b></p><p>　　1.1.2變頻調(diào)速發(fā)展的條件4</p><p>　　1.1.3變頻器的發(fā)展方向4</p><p>　　1.2論文研究的目的和意義

6、4</p><p>　　1.3本文主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排5</p><p>　　二 恒壓頻比控制的SPWM變頻系統(tǒng)的分析6</p><p>　　2.1變頻調(diào)速基本原理7</p><p>　　2.2變頻調(diào)速控制方式分析7</p><p>　　2.3 SPWM逆變技術(shù)8</p><p>　　

7、2.3.1靜止式SPWM間接變壓變頻裝置8</p><p>　　2.3.2 SPWM調(diào)制變頻技術(shù)9</p><p>　　2.3.4雙極性SPWM法10</p><p>　　2.4.SPWM控制信號的產(chǎn)生方法10</p><p>　　三 變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)</p><p>　　3.1變頻調(diào)系統(tǒng)的整體硬件電路

8、設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.2主電路的設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.2.1主電路硬件結(jié)構(gòu)18</p><p>　　3.2.2三相電壓型逆變電路18</p><p>　　3.3控制路的設(shè)計(jì)19</p><p>　　3.3.1控制器的選擇20</p><p>　　3.3.2存儲

9、器擴(kuò)展電路24</p><p>　　3.3.3 80C196MC單片機(jī)的波形發(fā)生器20</p><p>　　3.3.4.1鍵盤顯示電路20</p><p>　　3.3.5控制反饋檢測電路20</p><p>　　3.4驅(qū)動和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)20</p><p>　　3.4.1 驅(qū)動芯片IR2110的介紹20&

10、lt;/p><p>　　3.4.2保護(hù)電路的設(shè)計(jì)21</p><p>　　3.4.2.1過電壓保護(hù)21</p><p>　　3.4.2.2電流檢測電路21</p><p>　　四 主程序設(shè)計(jì)22</p><p><b>　　五 總結(jié)22</b></p><p><

11、;b>　　參考文獻(xiàn)23</b></p><p><b>　　一 緒論</b></p><p>　　本章作為引言，主要介紹了變頻調(diào)速控制技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀，SPWM變頻技術(shù)的應(yīng)用以及該課題的研究意義與價(jià)值，最后簡要?dú)w納了本課題的研究任務(wù)并對文章安排做了簡要介紹。</p><p><b>　　1.1研究的現(xiàn)狀</b

12、></p><p><b>　　1.1.1引言</b></p><p>　　經(jīng)過大約30多年的發(fā)展，交流調(diào)速電氣傳動已經(jīng)上升為電氣調(diào)速傳動的主流。在電氣調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)，可以相信在不久的將來交流調(diào)速將會完全取代直流調(diào)速傳動。</p><p>　　現(xiàn)在要求性能較高的中、小容量的交流調(diào)速傳動，主要使用電子式電力變換器對交流電動機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。除變頻

13、以外的另一些簡單的調(diào)速方案，如變極調(diào)速、定子調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速等，它們只有在特定場合有一定的應(yīng)用。</p><p>　　1.1.2變頻器的發(fā)展方向</p><p>　　變頻器 ( 主要指通用變頻器)從80年代到現(xiàn)在己經(jīng)開始商品化，應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷的擴(kuò)大，主要有以下幾個(gè)方面:</p><p>　　( 1 ) 變頻器容量不斷擴(kuò)大。變頻器的容量主要和它的開關(guān)器件的

14、容量有直接影響，70年代中期，功率晶體管開始開發(fā)，到80年代采用功率晶體管的SPWM變頻器的投產(chǎn)，隨著元件容量的提高，變頻器的容量不斷提高，目前變頻器的容量已經(jīng)達(dá)到600KVA,400KVA以下的己經(jīng)系列化。</p><p>　　( 2 ) 變頻器結(jié)構(gòu)的小型化。變頻器主電路中功率電路的模塊化、控制電路采用大規(guī)模集成電路(LSI)和全數(shù)字化技術(shù)等一系列措施促進(jìn)了變頻電源的小型化。</p><p&

15、gt;　　( 3 ) 變頻器的多功能化和高性能化。電力電子器件和控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，使變頻器向多功能化和高性能化的方向發(fā)展，特別是微處理器的應(yīng)用，以其精練的硬件結(jié)構(gòu)和豐富的軟件功能，為變頻器的多功能化和高性能化提供了可靠的保證。日益豐富的軟件功能使通用變頻器的適應(yīng)性不斷加強(qiáng)。</p><p>　　1.2論文研究的目的和意義</p><p>　　在電力拖動領(lǐng)域，解決好電動機(jī)的無級調(diào)速問題有著

16、十分重要的意義，電機(jī)調(diào)速性能的提高可以大大提高工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的加工精度、工藝水平以及工作效率，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量;對于風(fēng)機(jī)、水泵負(fù)載，如果采用調(diào)速的方法改變其流量，節(jié)電效率可達(dá)20%-60%。</p><p>　　眾所周知，直流調(diào)速系統(tǒng)具有較為優(yōu)良的靜、動態(tài)性能指標(biāo)。在很長的一個(gè)歷史時(shí)期內(nèi)，調(diào)速傳動領(lǐng)域基本上被直流電機(jī)調(diào)速所壟斷，這是和實(shí)際中交流電機(jī)的廣泛使用是一對存在的矛盾，許多應(yīng)用交流電機(jī)的設(shè)備為了達(dá)到

17、調(diào)節(jié)被控對象的目的，只能采用物理的方法，例如采用風(fēng)門，閥門控制流量等，這樣浪費(fèi)能源的問題就很突出，費(fèi)用就大。而且在采用直流調(diào)速的方面由于直流電機(jī)固有的缺點(diǎn)—換相器和電刷的存在，使得維修工作量大，事故率高，電機(jī)的大容量使用受到限制，在易燃易爆的場合無法使用，因此開發(fā)交流調(diào)速勢在必行。</p><p>　　二 恒壓頻比控制的SPWM變頻系統(tǒng)的分析</p><p>　　本章是整個(gè)課題研究的技術(shù)理

18、論基礎(chǔ)。主要分析了變頻調(diào)速的基礎(chǔ)知識，逆變的基本原理以及SPWM正弦脈寬調(diào)制波形發(fā)生原理等相關(guān)理論。</p><p>　　2.1變頻調(diào)速基本原理</p><p>　　異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為</p><p><b>　　(2 -1 )</b></p><p>　　其中為同步轉(zhuǎn)速(r/min)</p&

19、gt;<p>　　為 定 子 頻率，也就是電源頻率(Hz);</p><p><b>　　為 磁 極 對數(shù)。</b></p><p><b>　　異步電機(jī)的軸轉(zhuǎn)速為</b></p><p><b>　　( 2 -2 )</b></p><p>　　其中s為異步電機(jī)

20、的轉(zhuǎn)差率，</p><p>　　由上面的公式可以看出，改變電源的供電頻率可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　2.2變頻調(diào)速控制方式分析</p><p>　　在基頻(額定頻率)以下調(diào)速時(shí)，由于E1的大小不易從外部加以控制，而定子繞組的阻抗壓降(U=，為定子繞組的阻抗壓降，包括電阻和漏磁電抗)在電壓較高時(shí)可以忽略，所以可以認(rèn)為電動勢和電源相電壓近似相等即有U1E1

21、，因此作為一種可行的方案是在電源電壓較高時(shí)用電源相電壓U1代替電動勢E1，當(dāng)頻率較低時(shí)，U1和E1都變小，定子漏阻抗壓降所占比重加大，不可以忽略，所以要人為的補(bǔ)償，這是一種近似的恒磁通控制，這種控制方式常用于恒轉(zhuǎn)矩控制，如下圖2-1.</p><p>　　在基頻以上調(diào)速時(shí)由于電壓U,受額定電壓的限制不能升，因此在頻率升高時(shí)，迫使主磁通變小，進(jìn)入弱磁變頻調(diào)速，屬于近似恒功率控制，如圖2-1.但是用恒壓頻比代替恒電動

22、勢頻率比的一個(gè)重要缺點(diǎn)是在速度降低時(shí)，電動機(jī)的帶載能力也同時(shí)下降轉(zhuǎn)矩利用率下降，從圖2-2的a,b 可以看出a圖的臨界轉(zhuǎn)矩點(diǎn)隨著速度的降低也減小，而b圖則沒有變化，然而要達(dá)到b圖的效果就要保持E1/f1的比值為恒值而不僅是保持U1/f1比值為恒值了。</p><p>　　基于上述原因，在變頻調(diào)速的基本控制方式下，改變頻率的同必須改變電壓，所以稱之為VVVF(Variable voltage Variable Fr

23、equency)控制。</p><p><b>　　n</b></p><p>　　圖2-1 異步電機(jī)變頻調(diào)速的控制特</p><p>　　2.3 SPWM逆變技術(shù)</p><p>　　2.3.1靜止式SPWM間接變壓變頻裝置</p><p>　　SPWM間接變壓變頻裝置先將工頻交流電通過整流器變

24、成直流電，再經(jīng)過逆變器將直流電變換成可控頻率和幅值的交流電，故又稱為交一直一交變壓變頻裝置。其系統(tǒng)原理框圖如圖2-3所示在這類裝置中，用不控器件整流，而逆變部分用SPWM變頻器調(diào)壓調(diào)頻一次完成，整流器無需控制，簡化了電路結(jié)構(gòu);而且由于以全波整流代替了相控整流，所以提高了輸入端的功率因數(shù)，減小了諧波對電網(wǎng)的影響。此外，因輸出波形由方波改進(jìn)為SPWM 波，減少了諧波，從而解決了電動機(jī)在低頻區(qū)的轉(zhuǎn)矩脈動問題，也降低了電動機(jī)的諧波損耗和噪聲。&

25、lt;/p><p>　　2.3.2 SPWM調(diào)制變頻技術(shù)</p><p>　　SPWM調(diào)制技術(shù)是PWM多脈沖可變脈寬調(diào)制技術(shù)的一種，即所謂的正弦波脈寬調(diào)制.其輸出波形是與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。如果把一個(gè)正弦半波分作n等份，然后把每一等份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的矩形脈沖來代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點(diǎn)與正弦波

26、每一等份的中點(diǎn)相重合，這樣，由n個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的半周等效。同樣，正弦波的負(fù)半周也可用相同的方法與一系列負(fù)脈沖波等效。如圖2-4所示。</p><p>　　設(shè)由整流器提供的直流恒值電壓為Us，并設(shè)電機(jī)繞組中點(diǎn)與直流電壓中點(diǎn)相連，則SPWM脈沖序列波的幅值為。令第i個(gè)矩形脈沖的寬度為，其中心點(diǎn)相位角為，則根據(jù)面積相等的等效原則，可寫成：</p><p>　　==

27、 （2-3） </p><p>　　當(dāng)n的數(shù)值較大時(shí)，近似的認(rèn)為sin/(2n)=/(2n)，于是 （2-4）</p><p><b>　　相比于其它各種變頻</b></p><p>　　變壓調(diào)制方式，這樣的脈沖系列

28、可獲得比常規(guī)六拍階梯波更接近于正弦波的輸出電壓波形，可以使負(fù)載電流中的高次諧波成分大為減小，因而轉(zhuǎn)矩脈動小。由于電網(wǎng)的功率因數(shù)接近于1，大大提高了系統(tǒng)的整體性能。一般的，SPWM分單極性和雙極性兩種調(diào)制方式。 </p><p><b>　　T</b></p><p>　　圖2-2 SPWM的輸出波形</p><p>　　2.3.3單極性SPW

29、M法</p><p>　　單極性SPWM法輸出的每半個(gè)周期中，被調(diào)制成的脈沖電壓只有一種極性，正半周為十U和零，負(fù)半周為一U和零，其調(diào)制波形如圖2-5a)所示。曲線1是正弦調(diào)制波um，其周期決定于所需要的調(diào)制比kf。曲線2是采用等腰三角波的載波uc，其周期決定于載波頻率，振幅不變，等于1時(shí)正弦調(diào)制波的振幅值.每半周期內(nèi)所有三角波的極性均相同，都是單極性。</p><p>　　調(diào)制波和載波的

30、交點(diǎn)，決定了SPWM脈沖系列的寬度和脈沖間的間隔寬度，所得的脈沖系列如圖2-5a)中的uc所示.由圖知，每半周期內(nèi)的脈沖系列也是單極性的。</p><p>　　單極性調(diào)制的工作特點(diǎn)是:每半個(gè)周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個(gè)逆變器件中，只有一個(gè)器件按脈沖系列的規(guī)律時(shí)通時(shí)斷的工作，另一個(gè)完全截至;而在另半個(gè)周期內(nèi)，兩個(gè)器件的工況正好相反。流經(jīng)負(fù)載的便是正、負(fù)交替的交變電流（如圖2—5b)所示。</p>&l

31、t;p>　　1 2</p><p><b>　　0wt</b></p><p><b>　　0wt</b></p><p>　　圖2-3a 單極性SPWM調(diào)制圖 圖2-3b 單極性調(diào)制的工作特點(diǎn)圖 </p><p>　　2.3.4雙極性SPWM法<

32、;/p><p>　　上述的單極性SPWM 逆變器主電路每相只有一個(gè)開關(guān)器件反復(fù)通斷。如果讓同一橋臂上、下兩個(gè)開關(guān)器件交替地導(dǎo)通與關(guān)斷，則輸出脈沖在“正”和“負(fù)”之間變化，就得到了雙極性的SPWM波形。</p><p>　　雙極性SPWM法的調(diào)制波u仍為正弦波，其周期決定于今，振幅決定于氣，如圖2-4a)中的曲線1.曲線2載波uc為雙極性的等腰三角形，其周期決定于載波頻率，振幅不變，等于k=1

33、時(shí)正弦調(diào)制波振幅值。</p><p>　　調(diào)制波與載波的交點(diǎn)決定了逆變橋輸出相電壓的脈沖系列，此脈沖系列也是雙極性的，如圖2-4b)所示。但是，由相電壓合成為線電壓時(shí)，所得到的線電壓脈沖系列卻是單極性的，如圖2-4c) 所示。</p><p>　　雙極性調(diào)制的工作特點(diǎn)是:逆變橋在工作時(shí)，同一橋臂的兩個(gè)逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導(dǎo)通和關(guān)斷，毫不停息。而流過負(fù)載凡的是按線電壓規(guī)律

34、變化的交變電流，如圖2-4 d)所示。</p><p>　　A)1 2 </p><p><b>　　wt</b></p><p><b>　　B)</b></p><p><b>　　wt</b></p><p><b&g

35、t;　　C)</b></p><p><b>　　wt</b></p><p><b>　　D)</b></p><p><b>　　wt</b></p><p><b>　　ZL</b></p><p><b&g

36、t;　　ZL</b></p><p>　　圖2—4 雙極性SPWM調(diào)制圖</p><p>　　2.4.SPWM控制信號的產(chǎn)生方法</p><p>　　(1)SPWM的模擬控制</p><p>　　原始的SPWM是由模擬控制來實(shí)現(xiàn)的。圖2-7是SPWM模擬控制電路原理框圖。三相對稱的參考正弦電壓調(diào)制信號，，由參考信號發(fā)生器<

37、/p><p>　　供，其頻率和幅值都是可調(diào)的。三角載波信號由三角波發(fā)生器提供，各相共用。它分別與每相調(diào)制信號在比較器上進(jìn)行比較，給出正或零的飽和輸出，產(chǎn)生SPWM脈沖序列波，，，作為變壓變頻器功率開關(guān)器件的驅(qū)動信號。</p><p>　　圖2-7 SPWM波模擬控制電路</p><p>　　(2) SPWM的數(shù)字控制</p><p>　　數(shù)字控制

38、是SPWM目前常用的控制方法?？梢圆捎梦C(jī)存儲預(yù)先計(jì)算好的SPWM數(shù)據(jù)表格，控制時(shí)根據(jù)指令調(diào)出;或者通過軟件實(shí)時(shí)生成SPWM波形;也可以采用大規(guī)模集成電路專用芯片產(chǎn)生SPWM信號。</p><p>　　隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)出一些專門用于發(fā)生控制信號的集成電路芯片，配合微處理器進(jìn)行控件生成SPWM信號方便得多。國內(nèi)制的電動機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)，大多采用8031, 8098等。由于這些芯片并非為電動機(jī)控制設(shè)計(jì)的，為了

39、實(shí)現(xiàn)電動機(jī)控制的某些功能，不得不增加較多的外器件必須以多片集成電路方能構(gòu)成完整的控制系統(tǒng)。</p><p>　　三 變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)</p><p>　　該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，采用新型三相SPWM專用芯片80C196MC組成的三相脈寬調(diào)制逆變器控制電路組成性能良好的新型全數(shù)字化逆變器調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有不僅需少量的外圍元件，而且無需繁雜的軟件編程等優(yōu)點(diǎn)。</p><

40、;p>　　3.1變頻調(diào)系統(tǒng)的整體硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)主要由主電路、驅(qū)動電路、控制電路以及保護(hù)電路構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3-7a, b, c，其中控制電路原理圖見附錄。</p><p><b>　　a控制電路框圖</b></p><p><b>　　b驅(qū)動電路框圖</b></p><

41、;p><b>　　C主電路方框圖</b></p><p>　　圖3-1 硬件電路方框圖</p><p>　　控制電路以80C196MC為核心，輸出六路互補(bǔ)SPWM波形，輸入和電位器模擬輸入兩種輸入方式，可以用鍵盤數(shù)字電流檢測以及測速碼盤的接入口在控制電路中全都預(yù)留有接口。</p><p><b>　　3.2主電路的設(shè)計(jì)</

42、b></p><p>　　3.2.1主電路硬件結(jié)構(gòu)</p><p>　　主電路是交一直一交電壓源型，單相220V工頻交流供電，采用不可控的二極管整流橋，大電容濾波，采用大功率晶體管IGBT作為輸出SPWM波形的開關(guān)器件。目前的大功率開關(guān)器件都是以集成的大功率場效應(yīng)管IGBT為主流，另外系統(tǒng)中設(shè)置了保護(hù)電路，包括過壓、過流的保護(hù)等。主電路如圖3-2所示。</p><

43、p>　　圖3-2主電路結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　逆變(DC／AC)技術(shù)是電力電子技術(shù)的重要組成部分，是把直流電變成交流電的過程，完成逆變功能的電路稱為逆變電路逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。它們也分別被稱為電壓源型逆變電路和電流源型逆變電路。</p><p>　　3.2.2三相電壓型逆變電路</

44、p><p>　　三相交流負(fù)載需要三相逆變器，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作為可控元件的電壓型三相逆變電路如圖2．7所示，可以看出電路由三個(gè)半橋組成。</p><p>　　圖3-3三相逆變電路</p><p>　　用T記為周期，只要注意三相之間互隔T／3(T是周期)就可以了，即B相比A相滯后T／3，C相又比B相滯后T／3。</p>

45、;<p>　　具體的導(dǎo)通順序如下：</p><p>　　第1個(gè)T／6：V1，V6，V5導(dǎo)通，V4，V3，V2截至：</p><p>　　第2個(gè)T／6：Vl，V6，V2導(dǎo)通，V4。V3，V5截至：</p><p>　　第3個(gè)T／6：V1，V3，V2導(dǎo)通，V4，V6，V5截至：</p><p>　　第4個(gè)T／6：V4，V3，V2導(dǎo)通

46、，V1，V6，V5截至：</p><p>　　第5個(gè)T／6：V4，V3，V5導(dǎo)通，V1，V6，V2截至：</p><p>　　第6個(gè)T／6：V4，V6，V5導(dǎo)通，V1，V3，V2截至。</p><p>　　下面來分析電壓型三相橋式逆變電路的工作波形。</p><p>　　對于A相輸出來說，當(dāng)橋臂l導(dǎo)通時(shí)，</p><p&g

47、t;<b>　　當(dāng)橋臂4導(dǎo)通， </b></p><p>　　因此，的波形是幅值為的矩形波。B，C兩相的情況和A相類似，的波形形狀和相同，只是相位依次相差。三相逆變電路輸出電壓波形如圖：</p><p><b>　　A </b></p><p>　　A T</p><

48、p><b>　　U</b></p><p><b>　　B</b></p><p>　　B B T</p><p><b>　　U </b></p><p>　　C

49、 C </p><p><b>　　C</b></p><p><b>　　T</b></p><p>　　圖3-4三相逆變電路輸出電壓波形</p><p><b>　　3.3控制路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.3

50、.1控制器的選擇</p><p>　　8XC196MC單片機(jī)是Intel公司專門為電機(jī)高速控制設(shè)計(jì)的一種16位微控制器，其后綴MC正是電機(jī)控制(Motor Controller)的縮寫，它己被廣泛的應(yīng)用。 8OC196MC的基本結(jié)構(gòu)主要包括算術(shù)、邏輯運(yùn)算部件RALU，寄存器集，內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器，PWM發(fā)生器，事件處理陣列EPA，三相互補(bǔ)5PWM輸出發(fā)生器以及看門狗、時(shí)鐘、中斷控制邏輯等.</p>&

51、lt;p>　　3.3.2 80C196MC單片機(jī)的波形發(fā)生器</p><p>　　片內(nèi)波形發(fā)生器WFG(WaveForm Generator)是80C196MC獨(dú)具的特點(diǎn)之一。這一外設(shè)裝置大大簡化了用于產(chǎn)生SPWM波形的控制軟件和外部硬件，特別適應(yīng)于控制三相交流感應(yīng)電機(jī)。</p><p><b>　　外部中斷請求</b></p><p>

52、<b>　　各載波周期 </b></p><p>　　中斷請求 外部中斷輸入</p><p>　　圖3-5波形發(fā)生器框圖</p><p>　　三相SPWM波形是由U，V ,W 三個(gè)單相SPWM波形生成器構(gòu)成的，其中一相電路的原理圖如圖3-7所示，它由脈寬發(fā)生，死區(qū)脈寬發(fā)生，脈沖合成及保護(hù)電路等單元電路構(gòu)成。WFG可

53、以產(chǎn)生獨(dú)立的三對PWM波形，但它們有共同的載波頻率、無信號時(shí)間和操作方式一旦啟動之后，WFG只要求CPU在改變PWM的占空比時(shí)加以干預(yù)。</p><p>　　從功能上看波形發(fā)生器可以分為三個(gè)部分，時(shí)基發(fā)生器、相位驅(qū)動通道和控制電路。</p><p>　　3.3.4其他外圍電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　3.3.4.1鍵盤顯示電路</p><p&

54、gt;　　在微機(jī)控制系統(tǒng)中，為了提高實(shí)時(shí)性，應(yīng)要盡可能的減少對CPU的占用，對于本系統(tǒng)來說尤其如此。系統(tǒng)采用5個(gè)八段數(shù)碼管作為顯示窗，位選線通過一個(gè)74LS138譯碼器譯碼得到并通過74LS07和八段數(shù)碼管的位選線相接，八段數(shù)碼管的段碼線也通過74LS07相接，其中74LS07是作為驅(qū)動器用的，八段數(shù)碼管要求每段的輸入電流為5到10毫安，所以必須經(jīng)過74LS07驅(qū)動器。設(shè)置的鍵盤共有八個(gè)鍵，它們是模式鍵MODE，確認(rèn)鍵SET，上檔鍵SH

55、IFT，上升鍵t，下降鍵1，停止鍵STOP，運(yùn)行鍵RUN以及復(fù)位鍵RESET，其中最后一個(gè)復(fù)位鍵只是系統(tǒng)復(fù)位電路的按鍵，與8279無關(guān)。每個(gè)鍵的具體功能用軟件來實(shí)現(xiàn).</p><p>　　3.3.4.2時(shí)鐘電路和復(fù)位電路</p><p>　　8OC196MC系列單片機(jī)的片內(nèi)振蕩電路包含一個(gè)晶體控制的振蕩器;如下圖4-1。 XTAL1引腳是內(nèi)部反相放大器的輸入端，而XTAL2引腳是該放大器的

56、輸出端，因此在看晶振的波形時(shí)，一般是在XTAL2引腳看。在晶體振蕩器中，晶體工作于基本響應(yīng)模式，它作為一個(gè)感抗與外部電容形成并聯(lián)諧振，使正反放大器維持振蕩。振蕩器的工作受掉電方式信號可控制，當(dāng)PD等于0時(shí)，振蕩器停振。</p><p>　　XTAL1和XTAL2引腳處都有靜電放電保護(hù)器件，外部晶體連接時(shí)，所接的電容值是起穩(wěn)定作用的，取值并不嚴(yán)格，可以取20pF和30PF的電容，一般20uF的電容對于1MHz以上的

57、晶體都可以有良好的效果。</p><p>　　在XTAL1和XTAL2引腳所產(chǎn)生的噪聲尖峰信號可能導(dǎo)致內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的計(jì)數(shù)錯誤，因此晶體部分要接在靠近芯片的位并且和XTAL1和XTAL2以及Vss盡量直接相連而且路徑最短。。</p><p>　　圖3-11復(fù)位電路圖</p><p>　　3.3.5控制反饋檢測電路</p><p>　　光電編

58、碼器脈沖信號經(jīng)計(jì)數(shù)后可得到被測量的數(shù)字信號。由于所測量的旋轉(zhuǎn)是雙向的，既可順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，也可逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，需要對編碼器的輸出信號進(jìn)行鑒相之后才能計(jì)數(shù)。</p><p>　　光電編碼器的A相波形由內(nèi)圈光斕產(chǎn)生，B相波形由外圈光闌產(chǎn)生。A.B 兩相脈沖相位相差90度，并且共同攜帶光電盤角度位置信息和轉(zhuǎn)動向信息。可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。當(dāng)編碼洲頃時(shí)針方向轉(zhuǎn)動時(shí)，A相脈辮前沿超前于B相;逆時(shí)

59、針方向轉(zhuǎn)動時(shí)，B相脈沖前沿超前于A相。其脈沖波形圖如圖4-13所示。</p><p><b>　　A相</b></p><p><b>　　B相</b></p><p><b>　　C相</b></p><p><b>　　D相</b></p>

60、<p>　　圖 3-13 光 電編碼器脈沖波形圖</p><p>　　3.4驅(qū)動和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.4.1.1過電壓保護(hù)</p><p>　　MAX6495–MAX6499/MAX6397/MAX6398過壓保護(hù)(OVP)器件用于保護(hù)后續(xù)電路免受甩負(fù)載或瞬間高壓的破壞。器件通過控制外部串聯(lián)在電源線上的n溝道MOSFET實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電壓

61、超過用戶設(shè)置的過壓門限時(shí)，拉低MOSFET的柵極，MOSFET關(guān)斷，將負(fù)載與輸入電源斷開。 過壓保護(hù)(OVP)器件數(shù)據(jù)資料中提供的典型電路可以滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求。然而，有些應(yīng)用需要對基本電路進(jìn)行適當(dāng)修改。本文討論了一種應(yīng)用：增大電路的最大輸入電壓，在過壓情況發(fā)生時(shí)利用輸出電容存儲能量。</p><p>　　圖4-17過電壓保護(hù)電路</p><p>　　3.4.2.2電流檢測電路&l

62、t;/p><p>　　圖4-18霍爾電流傳感器</p><p>　　模塊參數(shù)： 由于逆變晶閘管就是開通或關(guān)斷直流電流，形成負(fù)載上的中頻電流。因此，逆變晶閘管的觸發(fā)信號與中頻電流同相位。直接取單片機(jī)發(fā)出的逆變觸發(fā)信號作為中頻電流過零信號，送至80C196MC的比較捕獲單元引腳CAP0。 功率自動控制部分若是模擬電路，其產(chǎn)生的逆變角調(diào)節(jié)信號可接至80C196MC的A/D轉(zhuǎn)換輸入引腳ACH0。80C

63、196MC的自帶的A/D轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換后可得出調(diào)節(jié)量。功率自動控制部分若是數(shù)字電路，其產(chǎn)生的逆變角調(diào)節(jié)信號可通過串行通信傳至80C196MC。串行通信信號接至80C196MC的比較捕獲單元引腳CAP1及CAP2。 啟動過程中的控制信號，如直流電壓限幅信號、重復(fù)啟動時(shí)關(guān)機(jī)信號、啟動成功轉(zhuǎn)鎖頻信號均為開關(guān)量，可接至80C196MC的I/O口P0.1，P0.2和P6.4。發(fā)生故障的保護(hù)信號接至80C196MC的不可屏蔽中斷引腳NMI，以保證

64、任何時(shí)候發(fā)生故障控制程序都可以及時(shí)轉(zhuǎn)入保護(hù)中斷。 控制參數(shù)的設(shè)置和顯示可以通過人機(jī)接口外接鍵盤和數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　測量頻率：0-100KHZ</p><p>　　測量范圍：1-40000A</p><p>　　精度：0.2%-1%</p><p><b>　　相應(yīng)時(shí)間：1US</b></p>

65、<p><b>　　線性度：0.1%</b></p><p><b>　　無測量插入損耗。</b></p><p><b>　　工作原理：</b></p><p>　　被測電流IN流過導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場，由通過霍爾元件輸出信號控制的補(bǔ)償信號IM流過次級線圈產(chǎn)生的磁場補(bǔ)償。當(dāng)原邊與副邊磁場達(dá)到平

66、衡時(shí)，其補(bǔ)償電流IM即可精確反映原邊電流IN的值。</p><p><b>　　四 主程序設(shè)計(jì)</b></p><p>　　主要程序?yàn)殚]環(huán)主程序、SPWM中斷處理子程序和5ms定時(shí)中斷子程序．主程序分為初始化、參數(shù)修改、刷新SPWM給定值等幾個(gè)模塊；SPWM 中斷處理子程序中先根據(jù)人口參數(shù)計(jì)算三相脈寬．然后進(jìn)三相脈寬值到三個(gè)輸出比較器準(zhǔn)備下一次中斷；5ms中斷子程序則

67、根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速給定與轉(zhuǎn)速反饋值計(jì)算出新的SPWM 給定值及轉(zhuǎn)向，以供CPU 輸出對應(yīng)的SPWM 波形．為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，僅在停車時(shí)方可修改各參數(shù)，開車狀態(tài)時(shí)該功能自動失效．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采用模糊(fuzzy)控制并結(jié)合PI算法在低速情況下可獲得良好的動靜態(tài)特性．</p><p>　　SPWM中斷 5ms定時(shí)中斷</p><p><b&g

68、t;　　閉環(huán)主程序</b></p><p><b>　　系統(tǒng)軟件框圖</b></p><p><b>　　五 總結(jié)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)參考變頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)并制造了一套全數(shù)字化SPWM變頻器調(diào)速系統(tǒng)，通過對16位單片機(jī)8OC196MC的波形發(fā)生器輸出信號施加三相正弦函數(shù)調(diào)制和電壓幅值調(diào)制，

69、使得其V /F控制策略在軟件上得以實(shí)現(xiàn)。對這種調(diào)速系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)作了相應(yīng)的研究?？偟膩碚f，得出了以下結(jié)論:</p><p>　　1.在基頻以下的變頻調(diào)速中，本文通過設(shè)定完全轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)腣/F曲線，可以提升變頻后的最大轉(zhuǎn)矩，得到較好的控制特性。</p><p>　　2.變頻驅(qū)動器主電路的逆變采用了SPWM調(diào)制技術(shù)，理論表明，當(dāng)載波頻率較高時(shí)，其輸出脈沖序列的基波電壓幅值與所要求的等效正弦波幅值

70、相等。故這種調(diào)制方式能很好地滿足異步電機(jī)變壓變頻的要求。通過對其頻譜的分析，還證明了提高載波頻率，可以有效抑制諧波電壓和電流，從而改善電機(jī)的運(yùn)行性能。</p><p>　　3.專為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的單片機(jī)8OC196MC能方便可靠地實(shí)現(xiàn)雙極性SPWM調(diào)制，特別適用于高頻逆變場合。其SPWM控制信號采用片內(nèi)WFG外設(shè)電路生成，用戶只需考慮調(diào)制函數(shù)表的設(shè)定，依靠查表和計(jì)算就可以快速確定SPWM占空</p>

71、<p>　　比，極大地簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。</p><p>　　總之，通過本課題的鍛煉，我學(xué)習(xí)到了電機(jī)控制中一種先進(jìn)的法，讓我在計(jì)算機(jī)的學(xué)習(xí)上邁出了一大步，在今后學(xué)習(xí)和工作中，我會吸取實(shí)驗(yàn)過程中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對單片機(jī)進(jìn)行更深入的研究和開發(fā)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]孫涵芳.Inte116位單

72、片機(jī).北京航空航天大學(xué)出版1999</p><p>　　[2]姚沛然，異步電動機(jī)性能的影響與分析。1996</p><p>　　[3]陳伯時(shí)，交流調(diào)速系統(tǒng)，機(jī)械工業(yè)出版社，1999年</p><p>　　[4]吳守簇，電氣傳動的脈寬調(diào)制控制技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社1999</p><p>　　[5]胡崇岳，現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，199