1、自动控制系统综合课程设计报告题 目： 异步电机变频调速系统 院（系）： 机电与自动化学院 专业班级： 自动化 1201 学生姓名： 陈义哲 学 号： 20111184014 指导教师： 丁娟 2015 年 11 月 9 日至 2015 年 11 月 20 日华中科技大学武昌分校制自动控制系统综合课程设计任务书一、设计（调查报告/论文）题目异步电动机变频调速控制系统设计与实践二、设计（调查报告/论文）主要内容（1）完成异步电机变频调速系统硬件电路设计（开环）；（2）编写异步电机变频调速系统 SPWM 控制程序（开环）；（3）利用电力电子与电气传动控制实验室实验平台搭建开环的变频调速系统并运行，不
2、断加载，观察电机转速变化，得出正确结论；（4）利用电力电子与电气传动控制实验室实验平台搭建闭环的变频调速系统并运行，对比闭环系统和开环系统的差异，得出正确结论。三、原始资料系统基本结构（供参考）四、要求的设计（调查/论文）成果1 系统硬件电路图；2 系统软件设计流程图及具体程序3 符合规范要求的设计报告电子档、纸质档各一份。五、进程安排第一周安排：（上午：8:30-12:00；下午：13:30-17:00）周一 周二：分组（ 4 人一组）、查找资料、理解课题的意义（变频技术的重要性、变频在交流调速应用中的重要性及应用价值等）、提出初步方案，周二下午 1：30，南区实验室集中，以小组为单位进行课
3、题意义、应用及方案论述，时间 12 分钟（每人 3 分钟），论述内容不得重复；周三 周四：硬件电路设计（每天下午 1:30 在南区实验室集中，汇报进度，进行答疑）；周五上午：8:30 开始，南区实验室集中，以小组为单位论述硬件电路的设计思路及工作原理，时间 8 分钟，每人 2 分钟，内容不得重复；周五下午：开始控制程序设计。第二周安排：（上午：8:30-12:00；下午：13:30-17:00）周一 周二：控制程序设计、理解，周一下午 1:30，南区实验室集中，答疑。周二下午 1:30 南区实验室集中，以小组为单位论述程序设计的思路，并解释程序中 SPWM 具体的实现方式，时间 8 分钟，每人
4、 2 分钟，内容不得重复；周三：上午 8:30 开始，下午 1:30 开始，南区电力电子与电气传动实验室集中，进行动手实践，时间为每班两小时；周四 周五：按规范撰写设计报告并提交电子档、纸质档、答辩。六、主要参考资料1 陈伯时.自动控制系统及电力拖动控制.北京：机械工业出版社，2010.2 李荣生.电气传动控制系统设计指导.北京：机械工业出版社，2009.3 冯垛生交流调速系统北京：机械工业出版社，2012.4 吴守箴，戚英杰.电气传动脉宽调制控制技术.北京：机械工业出版社，20105 HavaPerformance Analysis of Reduced Common-Mode Voltag
5、e PWM Methods and Comparison With Standard: PWM Methods for Three-Phase Voltage-Source InvertersIEEE Transactions on Power Electronics 2009，24（1）：241-252指导教师（签名）：20 年 月 目 录引言11 概述21.1 变频调速技术简介21.2 调速系统的发展方向31.3 交流调速系统41.4 单片机控制的变频调速42 电 机 变 频 调 速 系 统 52.1 变 频 调 速 原 理 52.2 单片机控制的变频调速系统62.2.1 系统框图.62.
6、2.2 硬件系统原理图 .63 系统主要模块设计.73.1 89C51 主控制模块73.1.1 主要特性73.1.2 管脚说明73.1.3 51 单片机最小系统.93.2 主电路103.3 电流检测.103.4 转速检测.103.5 A/D 模数转换模块113.6 SPWM 波发生模块.12 3.7 驱动电路144 系统软件设计.144.1 程序流程图144.2 SPWM 波产生程序.155 实践操作175.1 变频器的使用175.2 开环变频调速系统185.3 闭环变频调速186 总结与心得体会.207 参考文献210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
7、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，
8、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。在交流调速技术中，变频调速具
9、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
10、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 。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1术成为目前应用最为广泛的逆变型 PWM 技
11、术。 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
12、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。 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
13、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
14、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。21.2 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
15、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
16、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
17、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 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、专用集成电路等。其中，高性能的计算机结构形式
18、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。 31.3 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
19、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
20、、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
21、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。 4(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。
22、 (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
23、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：N=N0(1-S) （2-1）式中： N电动机的转速，m/min N0电动机的同步转速，r/min S电动机的转差率而同步转速则主要取决于频率N0=60f/p （2-2）式中：f输入频率，Hzp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
24、磁，将会影5响电机的输出转矩，由 （式中 MT ：电磁转矩，M ：主磁通，2I：转子电流，2COS: 转子回路功率因素，TK：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 系统框图图 2-1 电动机变频调速系统框图2.2.2 硬件系统原理图6图 2-2 单片机变频系统原理
25、图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-交变频电路与交流电动机；控制电路包括 89C51 主控制模块、SA4825 产生 SPWM 波模块、驱动模块。以 CPU 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 Intel 51 系列单片机完全兼容。其内部配置了 8KB 的 Flash Memory ，无须扩展外部存贮器。3 系统主要模块设计3.1 89C51 主控制模块89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Mem
26、ory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。3.1.1 主要特性与 MCS-51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命：1000 写/擦循环 数据保留时间：10 年 全静态工作：0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8 位内部 RAM 32 可编程 I/O 线 7两个 16 位定时器/计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路3.1.2 管脚说明VCC：供电电压。GND：接地。P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能
27、够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 口：89C51 管脚图外部必须被拉高。P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3
28、口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 如下所示 P3.0 RXD 串行输入口 P3.1 TXD 串行输出口 P3.2 /INT0 外部中断 0 P3.3 /INT1 外部中断 1 P3.4 T0 记时器 0 外部输入 P3.5 T1 记时器 1 外部输入 P3.6 /WR 外部数据存储器写选通 P3.7 /RD 外部数据存储器读选通 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST 复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周
29、期的高电平时间。 ALE/PROG 当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时 ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是，每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时，ALE 只有在执行 MOVXMOVC 指令是 ALE8才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 /PSEN 外部程序存储器的选通信号。在由外部程序
30、存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。 /EA/VPP 当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器0000H-FFFFH不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时/EA 将内部锁定为 RESET，当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间 此引脚也用于施加 12V 编程电源 VPP。 XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2 来自反向振荡器的输出。3.1.3 51 单片机最小系统单片机最小系统有晶振模块和复位电路组成。图 3-1 51 单片机最小系统电
31、路图3.2 主电路主电路包括变压器，整流电路，滤波电路，放电电路和逆变电路构成，通过对9IGBT 的控制来控制电机的转速。图 3-2 主电路电路图3.3 电流检测霍尔电流传感器基于磁平衡式霍尔原理，即闭环原理，当原边电流 IP 产生的磁通通过高品质磁芯集中在磁路中，霍尔元件固定在气隙中检测磁通，通过绕在磁芯上的多匝线圈输出反向的补偿电流，用于抵消原边 IP 产生的磁通，使得磁路中磁通始终保持为零。经过特殊电路的处理，传感器的输出端能够输出精确反映原边电流的电流变化。图 3-3 温度检测电路3.4 转速检测光电码盘是由光学玻璃制成，在上面刻有许多同心码道，每个码道上都有按一定规律排列的透光和不透
32、光部分。如下图所示。工作时，光投射在码盘上，码盘随运动物体一起旋转，透过亮区的光经过狭缝后由光敏元件接受，光敏元件的排列与码道一一对应，对于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”，当码盘旋转在不同位置时，光敏元件输出信号10的组合反映出一定规律的数字量，代表了码盘轴的角位移。按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关图 3-4 速度检测电路3.5 A/D 模数转换模
33、块该模块主要是将对主电路进行的实时检测的模拟信号转换为数字信号，而后传送给单片机控制系统，实现系统的实时监测。常见的 A/D 转换器有计数式 A/D 转换器，双积分式 A/D 转换器，逐次逼近式 A/D 转换器，并行直接比较式 A/D 转换器，V/F 式A/D 转换器等。本系统需处理多路模拟信号，故采用 ADC0809 A/D 转换模块，它采用逐次逼近的方法完成 A/D 转换；其片内带有锁存功能的 8 路模拟开关，可对 8 路 05V 的输入模拟电压信号进行转换, 完成一次转换约需 100s。其输出具有 TTL 三态锁存缓冲器,可直接与单片机通信。ADC0809 管脚说明ADC0809 芯片有
34、 28 条引脚，采用双列直插式封装，各引脚功能如下： IN0IN78 路模拟量输入端。 2-12-88 位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC，3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路 ALE 地址锁存允许信号，输入,高电平有效。 START A/D 转换启动信号,输入,高电平有效。 EOC A/D 转换结束信号,输出,当 A/D 转换结束时,此端输出一个高电平,转换期间一直为低电平 。 OE 数据输出允许信号,输入,高电平有效。当 A/D 转换结束时,此端输入一个高电平,才能打开输出三态门,输出数字量。 11CLK 时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZ。 REF
35、+、REF- 基准电压。 Vcc 电源,单一,5V。 GND 地。 ADC0809 的工作过程是,首先输入 3 位地址,并使 ALE=1,将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D 转换之后 EOC 输出信号变低,指示转换正在进行。直到 A/D 转换完成EOC 变为高电平,指示 A/D 转换结束,结果数据已存入锁存器,这个信号可用作中断申请。当 OE 输入高电平时,输出三态门打开,转换结果的数字量输出到数据总线上。图 3-5 A/D 转换电路3.6 SPWM 波发生模块 。它采用 28 引脚 分 DIP 和
36、SOIC 两种封装。它可以和大部分的单片机连接 也可以单独使用。芯片的主要特性是:全数字控制.兼容 Intel 和 Motorola 系列的单片机,载波频率最高可达 24kHz,输出调制波频率范围为 04kHz,16 位调速分辨率,8 位调压分辨率,内部 ROM 固化 3 种可选波形,可设定死区时间和删除最小脉宽,可实现正反转控制,可以单独设定各相的输出电压幅值以适应不平衡负载,有看门狗定时器。 它有 14 个输入端、3 个控制端、9 个输出端、2 个电源端 其主要端子的功能和接法如下: 输入类引脚说明 SET TRIP 通过该引脚以快速关断全部 SPWM 信号输出,当其有效时,TRIP 端输
37、出高12电平,指示灯亮。 RST 为硬件复位引脚,低电平有效,复位后,寄存器的 INH、CR、WTE 和 RST 各位为 0。 CLK 时钟输入端,既可以单独外接时钟,也可以与单片机共用时钟。 MUX 用于总线选择。当 MUX 高电平时，使用地址与数据共用的总线，这时，地址/数据引脚 RS 不用，当 MUX 低电平时，使用地址与数据分开的总线，这时，地址锁存引脚 ALE 接低电平，RS 引脚要与一条地址线相连，来区分输入的字节是地址，低电平还是数据高电平通常先地址后数据。 CS 片选引脚，与微机系统的输出端相连。 WR 、RD、ALE 用于“RD/WR”模式 分别接受写、读、地址锁存指令。 输
38、出类引脚说明 RPHB、YPHB、BPHB 这些引脚通过驱动电路控制逆变桥的 R、Y、B 相的下臂开关管RPHT、YPHT、BPHT 这些引脚通过驱动电路控制逆变桥的 R、Y、B 相的上臂开关管，它们都是标准的 TTL 输出，每一个输出都有 12mA 的驱动能力，可直接驱动 6 个 EXB840 快速型 IGBT 专用驱动模块。 TRIP 该引脚输出一个锁存状态，当 SET TRIP 有效时，TRIP 为低电平，表示输出已被封锁。它有 12mA 的驱动能力 可直接驱动一个 LED 指示灯 ZPPR 该引脚输出调制波频率 WSS 该引脚输出采样波形。图 3-6 接线图133.7 驱动电路驱动电路
39、是又光耦隔离电路和三极管升压电路组成，目的是提高单片机的驱动能力。图 3-7 驱动电路电路图4 系统软件设计144.1 程序流程图软件设计是整个逆变控制的核心，它决定着逆变器的输出特性。该系统软件设计由三部分组成，主程序、初始化程序和中断服务子程序。主程序是整个控制系统的核心和灵魂，只有通过主程序才能有机地调用系统中各个子程序，使它们形成一个联系紧密的整体，有条不紊的完成各种各样的操作命令。 主程序图 4.1 给出了本系统的主程序流程图。打开中断系统。传送控制参数后，允许输出，则开始输出 SPWM 控制信号，逆变器开始工作。工作过程中单片机不断的处理检测反馈回来的信号，控制系统的输出状态，以满
40、足系统的性能要求。在系统正常工作过程中，不断更新看门狗定时器。防止其溢出而中断 SPWM 控制信号的输出。 初始化子程序，程序主要完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等，其流程图如图 4.2 所示。故障保护中断子程序，中断程序处理的都是需要立即处理的故障，比如过压、欠压、IGBT 故障等。 就会使 SET TRIP 端为高电平 启动故障保护动作，瞬时封锁 SPWM 脉冲输出，同时拉低 TRIP 端电平，向单片机发中断申请，其流程图如图 4.3 所示。4.1 主程序图4.2 初始化子程序流程图 4.2 SPWM 波产生程序#include 15#define uint unsi
41、gned intsbit pwm=P10;void Delay(uint n)while(n-);/利用延时函数产生频率为 1KHz，占空比为 6：4 的 PWM 方波void main(void)uint a=60;uint b=40;while(1)pwm=1;Delay(a);/a 为延时参数pwm=0;Delay(b);/b 为延时参数5 实践操作5.1 变频器的使用选择模式（不接电机）送 200V 电源，按 PU/EXT 键，显示为 PU，即为内部模式。显示为 EXT，即为外部模式。内部模式即为只需要用变频器本身即可控制电机，不需要使用外部的控制面板，控制面板不需要接线。外部模式即为
42、需要用控制面板控制变频器然后控制电机。参数设置（不接电机）送 200V 电源，按 PU/EXT 键，显示为 PU，即为内部模式。 （1）按 MODE 键，拨动设定旋钮，显示 P4；按 SET 键，设定为 40HZ,再按 SET 键，40HZ 闪烁，高速频率设定完毕。（2）按 MODE 键，拨动设定旋钮，显示 P5；按 SET 键，设定为 30HZ，再按 SET 键，30HZ 闪烁，中速频率设定完毕。（3）同样将 P6 由 10HZ 改为 20HZ，低速率设定完毕。161/2W90欧 *322(DC0 5V）注 意 ： 为 了 防 治 噪 音 产 生 的 误 动 作 ， 信 号 线 离 开 动
43、力 线 10cm以 上 。主 回 路 端 子 控 制 回 路 输 入 端 子 DC4 0mA（ +）电 流 输 入 （ -）1公 共 端 ）4 mA) 接 地 (线 尺 寸 2m )RS-485*接 口 控 制 回 路 输 出 端 子变 频 器注 ： PC-SD不 可 短 路频 率 设 定 信 号 （ 模 拟 ）注 ： 不 可 输 入 电 压控 制 回 路 输 入 信 号频 率 设 定 器 低 速 RL接 点 输 入 公 共 1SD反 转 启 动中 速高 速正 转 启 动 MHSTF直 流 24v电 源外 部 晶 体 管 公 共 端 ，交 流 0PCNL1 集 电 极 开 路输 出 公 共 端
44、异 常 输 出5AM(-)+CSERUN运 行BA（ DC0 5v）模 拟 信 号 输 出（ 集 电 极 开 路 输 出 ）运 行 状 态 输 出PC接 地M电 机5.1 变频器原理图5.2 开环变频调速系统（1）采用内部模式对电机速度进行控制和调节，并一一对应记录几组频率、电机定子电流、转速的具体数据，观察数据，得出结论。频率（HZ） 20 25 30 35 40转（r/min） 582 733 882 1032 1182定子电流（A） 0.020 0.021 0.022 0.021 0.022观察数据，得出结论：当频率变大时，转速会变大，调节频率可以改变电机的转速。 （2）采用外部模式对电
45、机速度进行控制和调节，以正转为基准，实现电机在高、中、低三个不同频率下的运行（高、中、低速运行），然后加载，观察电机定子电流的变化。并记录数据，得出结论。高速运行时定子电流（A） 0.030 0.035 0.040 0.045 0.05017转速（r/min） 1160 1145 1127 1108 1092中速运行时定子电流（A） 0.030 0.035 0.040 0.045 0.050转速（r/min） 856 842 824 805 784低速运行时定子电流（A） 0.030 0.035 0.040 0.045 0.050转速（r/min） 550 533 514 492 469观察数
46、据，得出结论：负载越大，负载电流越大，转速变低，负载过大，电机会发生堵转。5.3 闭环变频调速a.接线，正确构建闭环系统。b.启动。给定电压调制 0，然后给交流供电电压到 200V，再调节给定电压观察电机的速度变化，记录给定电压和转速，观察数据，得出结论。C.给一固定的给定电压，调节测功机励磁，观察速度变化，并记录定子电流和转速，观察数据，得出结论。18图 6-1 三相异步电动机变频调速系统（1）构建闭环变频调速系统，异步电机为三角形接法。具体测试内容为： 通过外部给定电压调节电机速度，记录电压和转速的具体数据。给定电压（A） 200 190 180 170 160 150转速（r/min）
47、1170 1170 1165 1159 1149 1144 给定电压调定不动，给电机加载，观察转速的变化，并记录定子电流和转速的具体数据。定子电流（A） 0.15 0.19 0.24 0.28 0.36 0.40转速（r/min） 1170 1150 1119 1080 1025 998观察数据，得出结论：当给定电压变化时，转速会发生改变，当给定不变，负载发生变化时，转速基本保持不变。测试总结（开环系统和闭环系统的主要区别）：闭环系统遇到干扰时，可以保持系统的稳定性，而开环系统不能。196 总结与心得体会为期一周的课程设计，真正的学习到了不少东西，在老师的指导下学习到了很多。让自己认识到了工科
48、学生扎实的基本功是必不可少的，对于创新能力的培养和加强得引起高度的重视，光课堂的学习是不够的，通过自学是提高的一个途径，能够将所学到的知识和自学的新知识柔和在一起已证明了我们具有一定的能力。本次课程设计也遇到了很多问题，比如在软件程序的编写和设计硬件电路时，简单的把单片机输出的信号经过光耦隔离控制 IGBT 的关断和开通，没有加驱动电路。开始设计时是直接用单片机产生 SPWM 波，后来加了一个专用芯片来产生 SPWM 波，提高了芯片的运行效率。在实际操作时，也遇到了不少问题，最主要的原因是不会用变频器，后来解决了问题，学到了很多东西，本次课程设计令我受益匪浅。207 参考文献1 陈伯时.自动控制系统及电力拖动控制.北京：机械工业出版社，2010.2 李荣生.电气传动控制系统设计指导.北京：机械工业出版社，2009.3 冯垛生交流调速系统北京：机械工业出版社，2012.4 吴守箴，戚英杰.电气传动脉宽调制控制技术.北京：机械工业出版社，20105 HavaPerformance Analysis of Reduced Common-Mode Voltage PWM Methods and Compar
