电机变频驱动系统远程通信网

浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文 东海科学技术学院 毕 业 论 文（设计）题 目：电机变频驱动系统远程通信网 络的设计（控制部分） 系 ： 机电工程系 学生姓名： 专 业： 电子信息工程 班 级： 指导教师： 起止日期： 年 月 日摘要在现代工业中，电动机是应用面广、数量巨大的电力设备之一，电动机的运行与控制对产品质量和生成效益联系紧密。变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向，它在频率范围、调速精度、输出性能、功率因数、工作效率、使用方便等方面是别的调速方式无法比拟的，其优越性体现在显著的节电性能和快速调速性能。变频调速系统的核心即变频器的性能已成为调速性能优劣的决定因素。本文对变频器的内部结构（整流器、滤波器、逆变器）和最重要的调速控制环节作了介绍，叙述了恒U/f控制的原理以及PWM波形生成原理与控制算法，分析了基于恒U/f控制的变频调速系统。选用单片机控制方式，给出了直流电机的控制方案，能应用PWM控制技术，实现直流电机的启动、停止、加速、减速、正反转控制等功能。关键词：变频调速；单片机；恒U/f控制；脉宽调制（PWM）IAbstractIn modern industry, the motor is wide application and great number of electric equipment, electric motor control and operation of product quality and benefit closely linked. Frequency conversion technology is the important power transmission technology development direction, it in the frequency range and accuracy, speed and power factor, the output performance efficiency and convenience etc is another way of unmatched speed, the advantages of saving embodied in the significant performance and fast speed.Variable frequency variable speed system is the core of the converter performance has become the factors governing performance. Based on the internal structure of converter (rectifier, filter, inverter) and the most important link of the speed control is introduced, and describes the constant-voltage frequency ratio control principle and PWM generative principle and control algorithm, based on the analysis of the constant-voltage frequency ratio control variable frequency speed regulation system. Choose single chip microcomputer control mode is presented, dc motor control scheme, the application of PWM control technology, can realize the dc motor start and stop, acceleration and deceleration, positive &negative control etc. Function.Keywords: variable frequency variable speed, single chip microcomputer, U/f control method, Pulse width modulation (PWM)II目录第一章绪论11.1选题的背景11.2本课题有关内容的发展现状11.3本课题的主要任务2第二章变频器32.1变频器的结构及工作原理32.2变频器的分类42.3常见变频器的选用5第三章变频控制器通信系统73.1变频控制器通信系统的基本概念73.2电机的变频调速方式73.2.1恒U/f控制方式原理73.2.2PWM控制技术原理93.2.3PWM调制方式12第四章硬件电路设计154.1系统原理与组成154.2整流电路的设计154.3滤波电路的设计164.4逆变电路的设计164.5控制电路的设计174.4.1复位电路174.4.2时钟电路184.4.3键盘输入电路18第五章 单片机编程实现电机变频控制195.1 单片机选择195.2 程序的设计分析205.2.1程序总体思路205.2.2定时中断和PWM脉宽控制22III5.2.3按键处理和电机调速22总结24致谢25参考文献26附录1程序清单27IV电机变频驱动系统远程通信网络的设计（控制部分）第一章绪论1.1选题的背景电机控制技术已经广泛的运用于机床、电动工具、电力机车、机器人、家用电器、计算机的驱动器、汽车、船舶、轧钢、造纸和纺织等行业。全世界上大概有多达100亿台电机运用于各个行业，近年来，我国空调一年的产量就已经超过1000万台，可见电机控制技术已经在工业中占据不可替代的位置1-3。而变频器是工业生产应用中最理想,最有前途的调速控制设备之一,在工业控制、信息家电等领域都有着广泛的应用,对于在线监测并实时诊断电机状态具有十分重要的意义,将使系统工作稳定、安全可靠、提高系统的自动化程度。电机行业已是一个比较老的行业，其在工业上应用了一个多世纪，虽然随着新材料的使用、计算机技术的发展，电机建模的改进和电机计算机辅助设计软件的不断推出，电机在功率密度、效率、可靠性等方面已与最初的电机有了很大的改进，但它相对的变化比较缓慢。直流电机由于其便于控制和控制精度比较高的特点，在很长一段时间内被广泛应用，被人们认为难以被其它电机所取代，但随着电力电子技术的发展，各种新型器件和先进的控制方法在电机控制变换器系统中的应用，在很多的场合直流电机正逐渐被交流异步电机所代替，有人认为，在二十一世纪，直流电机将会在传动领域逐渐消失，而交流异步电机和其它类型电机的应用范围将逐渐增加。过去直流电机占主要地位的调速传动领域，将逐渐被交流电机变频控制所占领。交流电机变频控制在频率范围、动态响应、调速精度、低频转矩、输出性能、功率因数、工作效率、使用方便等方面是以往的交流控制方式无法比拟的，其优越性体现在两个方面:一是节电显著;二是卓越的控制性能。随着电力电子技术的发展变频控制系统性能逐渐改进，而成本不断下降，在另一方面，全球性的能源危机使人们对能源的绿色利用越来越重视，对于消耗了30%左右能量的电机，其驱动系统也越来越引起人们的重视，每一台电机配备一个变频控制驱动系统正获得越来越多的认同和采用，同时对变频控制驱动系统也提出了高效率、高精度、高可靠性、多功能、智能化、小型化、低成本等要求1-3。90年代中国高耗能产品的耗能量一般比发达国家高出12%55%左右，但是其中有90%以上的能源在开采、加工转换、储运和终端利用过程中损失和浪费。如果进行单位GNP能耗（吨标准煤/千美元）的国家比较，在90年代中期中国分别是瑞士、意大利、日本、法国、德国、英国、美国、加拿大的14.4倍、11.3倍、10.6倍、8.8倍、8.3倍、7.2倍、4.6倍、和4.2倍。1995年，中国火电厂煤耗为412克标准煤/kWh，是国际先进水平的1.27倍1-3。由此可见，对能源的高效利用在我国已经是迫在眉睫，尤其是作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有力可挖的。我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。我国各类在用电机中，80%以上为0.55220kw以下的中小型异步电动机,并且在用电机拖动系统的总体装备水平却仅相当于发达国家50年代水平。所以国家的十五计划中，将在电机系统节能方面的投入大约500亿元人民币1-3，因此变频控制系统将在我国具有非常巨大的潜力和市场。1.2本课题有关内容的发展现状近20年来，以功率晶体管GTR为逆变器功率元件。8位微处理器为控制核心。按恒压频比U/F控制原理实现异步电动机调速的变频器，在性能上出现了巨大的进步。第一是所用的电力电子器件GTR以基本上为绝缘栅双二极管IGBT所代替，进而广泛采用智能模块IPM，使得容量和电压等级不断扩大和提高。第二是8位微处理器基本为16为所代替，甚至采用功能更强的32位微处理器或双处理器，使其功能变得含有；逻辑和智能控制的综合功能。第三是改善压频比的同时，推出可以实现矢量控制和转矩直接控制，使得不仅可以实现宽调速，还可以伺服控制3-5。变频控制技术的发展可以分为三个方面：（1）电力电子器件的更新，逆变器从采用半控制器件到GTR全控制器件，他的输出波形从交流方波变为脉宽调制PWM波，大大减小了谐波分量，拓宽了变频调速的范围并且减小了转矩的脉动幅度。由于GTR在变频调速是会产生噪音，不受用户喜欢，现在已基本被IGBT代替。而智能功率模块IPM是以IGBT为开关器件，同时含有驱动电路和保护电路，是一种功率集成电路。（2）控制策略的发展，第一代变频器采用的是按恒U/f比控制方式，它根据异步电动机等效电路是的线性U/f比进行变频调速。第二代变频器主要采用矢量控制方式，它参照直流电动机的控制方式，将异步电动机的定子电流空间矢量分解为转子励磁分量和转矩分量。与它一起发展的还有直接转矩控制方式，将异步电动机的转矩作为被控量，强调转矩的直接效果，不刻意追求输出电流为正弦波形。（3）功能综合化，新一代的变频器由于有功能很强的微处理器支持，除了可以完成基本功能外还具有可编程、参数辨识及通信功能。比如：自动加减速，程序运行，节电运行，电动机参数辨识，通信和反馈功能。 1.3本课题的主要任务本课题在掌握电机变频调速基本原理的基础上，采用单片机编程等知识，运用变频调速的基本控制方式和控制算法，使单片机控制变频器的运行状态。给出了电机变频驱动系统远程通信网络的总体设计方案，并详细阐述了其中关键技术的研究和设计。具体工作包括：（1）对现今的变频器的认识和理解；（2）对变频控制器通信系统的组成结构和工作原理的研究；运用单片机编程实现电机控制的方法；（3）完成程序设计与调试。32第二章变频器2.1变频器的结构及工作原理变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。它是由主电路和控制电路两大部分组成。主电路是给电动机提供调压调频电源的电力变换部分，主电路由整流器（整流模块）、滤波器（滤波电容）、和逆变器（大功率晶体管模块）三个主要部件构成。整流器：现在一般使用的是二极管变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。 滤波器：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变流器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压(电流)。 逆变器：同整流器相反，逆变器的作用是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，根据控制信号变化使开关器件导通、关断，就可以得到三相频率可变的交流输出。控制电路是将信号传给异步电动机供电(电压、频率可调)的主电路提供控制信号的回路，控制电路构成由频率/电压的运算电路、主电路的电压/电流检测电路、电动机的速度检测电路、将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路，以及逆变器和电动机的保护电路。运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。电压/电流检测电路：与主回路电位隔离，检测电压、电流等。驱动电路：为驱动主电路器件的电路，它使主电路器件导通、关断。速度检测电路：以装在电动机轴上的速度检测器的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。它分为逆变器保护和电动机保护5-6。逆变器保护其中主要为瞬时过电流保护。由于逆变器负载侧短路等，流过逆变器器件的电流达到异常值(超过容许值)时，瞬时停止逆变器运转，切断电流。变流器的输出电流达到异常值，也同样停止逆变器运转。过载保护，逆变器输出电流超过额定值，且持续流通到达规定的时间以上，为了防止逆变器器件、线路等部件的损坏而停止运转。恰当的保护需要反时限特性，采用热继电器或者电子热保护器，过负载是负载的惯性过大或因负载过大使电动机堵转而产生的。再生过电压保护，采用逆变器使电动机快速减速时，由于再生功率直流电路电压将升高，有时超过容许值。可以采取停止逆变器运转或停止快速减速的办法，防止过电压。瞬时停电保护电路于数毫秒以内的瞬时停电，控制电路工作正常的瞬时停电时间在10ms以上时，通常会使控制电路误动作，主电路也不能供电，所以检测后使逆变器停止运转。接地过电流保护。逆变器负载侧接地时，为了保护逆变器，有时要有接地过电流保护功能。但为了确保人身安全，需要装设漏电断路器5。电动机的保护主要为过载保护。过载检测装置与逆变器保护共用，但考虑低速运转的过热时，在电动机内埋入温度检测器，或者利用装在逆变器内的电子热保护器来检测过热。动作频繁时，可以在考虑减轻电动机负载时，停止逆变器运转。其他保护还有防止失速过电流。急加速时，如果异步电动机跟踪迟缓，则过电流保护电路动作，运转就不能继续进行(失速)。所以，在负载电流减小之前要进行控制，抑制频率上升或使频率降。对十恒速运转中的过电流，也进行同样的控制。防止转速再超过电压。减速时产生的再生能量使土电路直流电压上升，为了防止再生过电压保护电路动作，在一百流电压下降之前要进行控制，抑制频率下降，防止失速再生过电压。增加电动机及逆变器容量等。超频(超速)保护。逆变器的输出频率或者异步电动机的速度超过规定值5。2.2变频器的分类变频器的种类多，有很多种方法加以区分，主要的分类方法有按变频器变换频率的方法分，按主电路的工作方式分，按变频器调压方式分，按变频器控制方式分。 按变频器变换频率的方法分可以分为交-直-交变频器和交-交变频器。交-直-交变频器又称间接变频器，它是先将工频率交流电通过整流器变成直流电，再经过逆变器将直流电变成可控频率的交流电，因此又称为中间直流环节的变频装置或交-直-交变压变频装置。交-交变频器又称直接变频装置，它只有一个变换环节就可以把恒电压频率的交流电源变成直流电源，因此称为直接变频器或交-交变频器5。按主电路的工作方式分可以分为电流型变频器和电压型变频器。电流型变频器特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，无功功率将对该电感来缓冲。由于电感的作用，直流电流趋于平稳，电动机的电流波形为方波或阶梯波，电压波形接近于正弦波。直流电源的内阻较大，近似于二电流源.，故称为电流源型变频器或电流型变频器5。电流型变频器的一个较突出的优点是，当电动机处于再生发电状态时，回馈到直流侧的再生电能可以很方便地回馈到交流电网，不需在主电路内附加任何设备。这种电流型变频器可用于频繁急加减速的大容量电动机的传动，在大容量风机、泵类节能调速中也有应用5。电压型变频器用于逆变器晶闸管的换相电路，逆变器的每个导电臂，均由一个可控开关器件和一个不可控器件二极管反并联组成。该电路的特点是，中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲5-6。由于大电容的作用，主电路直流电压比较平稳，电动机端的电压为方波或阶梯波。直流电源内阻比较小，相当于电压源，故称为电压源型变频器或电压型变频器。对负载电动机而言，变频器是一个交流电压源，在不超过容量限度的情况下，可以驱动多台电动机并联运行，具有不选择负载的通用性。 缺点是电动机处于再生发电状态时.回馈到直流侧的无功能量难于回馈给交流电网。要实现这部分能量向电网的回饿，必须采用可逆变流器6。按变频器调压方式分可以分为PAM方式和PWM方式。脉冲幅度调制方式，简称PAM方式，是通过改变直流电压的幅值进行调压的方式。在变频器中，逆变器只负责调节输出的频率，而输出电压的调节则由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压去实现.。采用相控整流器调压时，网侧的功率因数会随着调节深度的增加而变低。而采用直流斩波器调压时，网侧功率因数在不考虑谐波影响时可以达到。脉冲宽度调制方式，简称PWM方式，变频器中的整流器采用不可控的二极管整流电路。变频器的输出频率和输出电压的调节均山逆变器按PWM方式来完成。调压波形利用参考电压波与载频三角波互相比种参考信号为正弦波、输出电压平均值近似为正弦波的PWM方式称为正弦PWM方式。通用变频器中，采用SPWM方式调压，是一种最常采用的方案6。还有一种很大的提高PWM方式的载波频率因为有时候主开关器件的工作频率较高，普通的功率晶体管已经小能适应，常采用开关频率较高的IGBT或MOSFET。而开关频率达到1020kHz,以使电动机的噪声大幅度降低,达到了耳难于感知的频段。这种采用IGBT的高载波频率的PWM通用变頻器已经投放市场，正在取代以BJT为开关器件的变频器6。按变频器控制方式分可以分U/f控制、转差频率控制、矢量拉制。U/f控制就是按照电压、频率关系对变频器的频率和电压进行控制，基频以下可以实现恒转矩调制。其方式又称为VVVF控制方式，其主电路中逆变器采用BJT,用PWM方式进行控制。逆变器在控制脉冲发生器同时受控于频率指令f和电压指令U，而f与U之间的关系是由U/f曲线发生器决定的。电动机转速的改变是靠改变频率的设定值f来实现的。电动机的实际转速要根据负载的大小，即转差率的大小来决定。负载变化时，在f不变的条件下，转子转速将随负载转矩的变化而变化，故它常用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。U/f控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准电动机，所以通用性强，经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式6。根据速度传感器的检测，可以求出转差频率，再把它与速度设定值厂相叠加，以叠加值作为逆变器的频率设定值，就实现了转差补偿。这种实现转差补偿的闭环控制方式称为转差频率控制方式口与U/f控制方式相比，其调速精度大为提高5。但是，使用速度传感器求取转差频率，要针对具体电动机的机械特性调整控制参数，因而这种控制方式的通用性较差。上述的U/f控制方式和转差频率控制方式的控制思想都建立在电动机的静态数学模型上。因此，动态性能指标不高。对于轧钢、造纸设备等对动态性能要求较高的应用，可以采用矢量控制变频器。 采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。根据交流电动机的动态数学模型、利用坐标变换的手段，将交流电动机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流，并分别加以控制，即模仿自然解涡的直流电动机的控制方式，对电动机的磁场和转矩分别进行控制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。.在矢量控制方式中，磁场电流和转矩电流，可以根据可测定的电动机定子电压、电流的实际值经计算求得。磁场电流和转矩电流再与相应的设定值相比较并根据需要进行必要的校正。高性能速度调节器的输出信号可以作为转矩电流(或称有功电流)的设定值，来决定主开关器件的导通时间而实现调压。利用脉冲宽度的改变来得到幅值不同的正弦基波电压6。2.3常见变频器的选用随着科学技术的进步、大功率晶体管电子技术的迅速发展、大规模集成电路和微机技术的突飞猛进，交流电动机变频调速技术已日趋完善。变频调速器用于异步电动机调速，其性能胜过以往任何一种交流调速方式，而且结构简单，因而成为交流电动机调速的最新潮6。 由于笼型异步电动机占电动机总数的比例很大，故其调速方法和控制技术无疑将成为电动机控制的关键技术，而变频器与笼型异步电动机的结合则是交流电动机调速系统的最佳选择，该系统具有显著的节能效果，较高的控制精度及较宽的调速范围，便于使用和维护以及易于实现自动控制及远程控制等性能，因而受到普遍欢迎6。变频器不仅可以用于标准电动机调速，而且也可以用于其他调速电动机。从工厂设备到家用空调都可以采用，在节能、减少维修、提高产量、保证质量等方面都取得了明显的经济效益，如果按行业分类，到目前为止，变频器己经在钢铁、有色冶金、油田、炼油、石化、化工、纺织印染、医药、造纸、卷烟、高层建筑供水、建材及机械行业得到广泛应用，而且应用领域正在不断扩大5-6。变频器传动的特点有：可以使标准电动机调速;电动机可以高速化和小型化，防爆容易；可以连续调速，起动电流小，最高速度不受电源影响，可以调节加减速的大小，可以使笼型异步电动机而无需维修一项，由于引入矢量控制变频器传动实现了快速响应和高精度控制，可以取代以前的直流电动机6。根据变频器的特点，它的应用效果可分为四大类：节能、提高产量、提高质量和其他方面。在节能方面变频器最典型的应用是各种机械以竹能为目的，采用变频器进行的调速控制。这种应用领域广阔，其中以风机、泵类机械的转速控制为中心，应用表明，节约电力达70%以上。在省力化、自动化以及提高产量方面，主要是在传送带等搬运机械中和机床上的应用。在提高质量方面运用于机床、风机、泵、传送带、搬运机械、压缩机，使它们的装置性能提高，从而大大的提升产品的质量5-6。其他方面 如果采用变频器传动还能取得下列效果:维护性提高，机械的标准化、简单化，电动机的防爆化、高速化、电源设备容易的减小等。 变频器发展十分迅速，越来越发挥出巨大的作用。由于应用领域十分广阔，生产厂家为了争取和占领市场，展开了技术上的竞争。近几年来国内外各大公司的产品都几经改型换代，使变频器的性能和功能不断地提高和充实。由于市场上变频器种类繁多，用正确地选择方法可以用最少的钱来使用最适用的变频器。在选择变频器时可根据使用变频器的用途目的、用电压、要驱动电动机的容量和数量来选择不同类型的变频器。第三章变频控制器通信系统3.1变频控制器通信系统的基本概念因为在许多变频器的应用现场，电机与操作室的距离较远。如将变频器安装在现场，不便于工人的观察与操作；如安装在操作室内，则动力线拉的距离太远，成本高，且对变频器本身及系统中其他设备造成干扰。针对上述应用情况，开发研制了变频器远程控制器4-8。变频器远程控制器是一种实现变频器远程操作的智能仪表，通过网络远程控制变频器的启动、停止、加速、减速、正反转，并实时显示变频器的工作频率、转速等运行状态信息。这样就可将变频器安装在电动机附近，通过屏蔽通讯线或无线模块接到远端操作室内仪表盘上的变频器远程控制器上，在操作室内就能观察和操作变频器的运行状态。另外，变频器远程控制器还可接外置操作按钮，有手动或自动切换及监听等功能，可接入计算机控制系统，便于工程使用。3.2电机的变频调速方式3.2.1恒U/f控制方式原理电机进行调速时，通常要考虑的因素为保持电机磁通量恒定不变。直流电机很容易做到磁通量不变，但在交流电机中磁通量是定子和转子磁势合成产生的结果。三相交流异步电机的电动势的有效值为： E1=4.44f1N1K1M （3-1）式中，E1为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值；f1为定子频率；N1为定子每相绕组串联匝数；K1为与绕组结构有关的常数；M每极气隙磁通量。只要控制好E1和f1就可以控制磁通量M。 从定子绕组等值电路来看：U1= E1+(r1+j X1)I1 （3-2）若忽略定子降压，则U1E1 （3-3）因此，变频器中要维持磁通不变，只要使U1与f1成比例改变就可以了。他它的特点为步转速n0与频率f1正比 （3-4）转速降落在同一转矩下为恒值；最大转距随f1变化。(1)恒转矩调速 要保持M不变，当频率f1从额定值f 1N下调节时，必须同时降低E1使E1/ f1为常数，这就是用电动势与频率之比恒定的控制方式。当电动势的值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压U1E1，则得E1/ f 1为常数。这是恒压频比的控制方式。在恒压频比的条件下改变频率f时，我们能证明:机械特性基本上是平行下移的，如图所示，当转矩T增大到最大值后，特性曲线就折回来了。如果电动机在不同转速n下都具有额定电流，则电机都能在温升允许条件下长期运行，这时转矩T基本上随磁通变化，由于在基频以下调速时磁通恒定，所以转矩T也恒定。根据电机与拖动原理，在基频以下调速属于“恒转矩调速”的性质。低频时，U1和E1都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能再忽略。这时，可以人为地把电压U1抬高一些，以便近似地补偿定子压降4-5。图3-1恒转矩调速机械系统Tf 4f 3f 2f 1Nnn1N0f 1N f 2 f 3 f 4(2)恒功率调速频率从f1N往上增高，但电压U1却不超过额定电压认U1N, 最多只能保持U1=U1N由此可知，这将迫使磁通随频率升高而降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。由于电压U1=U1N不变，我们不难证明当频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩T减小，机械特性上移，如图所示。由于频率提高而电压不变，气隙磁动势必然减弱，导致转矩T减小。由于转速n升高了，可以认为输出功率基本不变。这属于磁恒功率调速4-5。f 4f 2f 1N0Tn图3-2恒功率调速机械系统恒功率f 1N f 2 f 3 uc时使V4通，V3断，u0= Ud；当ur uc时使V4断，V3通，u0=0。在ur负半周，V1保持断，V2保持通，当ur uc时使V3断，V4通，u0=0。图3-7单极性PWM控制方式波形成ur+Udu00t0tuuc(2)双极性PWM控制方式（单相桥逆变）双极性PWM的信号波有正负极性，它输出的脉冲列可让同一桥臂上、下两个开关交行导通和关断，输出脉冲只有正、负电平而无零电平，图3-8双极性PWM波形。其调制方法和单极性相似，只是输出脉冲电压的极性不同即在同周期波内同时存在正极性和负极性的信号。图3-8双极性PWM控制方式波形 u0ut0t0Ud+Uducur双极性调制技术与单极性相同，只是功率开关器件通断情况不一样。根据图3-8在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负。在ur一周期内，输出PWM波只有正负Ud两种电平，在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件的通断，在ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同，当ur uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号，如io0，V1和V4通，如i00，D1和D4通，u0= Ud;当uruc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号,如i00，D2和D3通，u0=- Ud8-9。单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制。由于单极性工作制电压波型中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以本文采用了单极性工作制。3.2.3PWM调制方式载波比N即载波频率fc与调制信号频率fr之比，根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。在变频过程中，即调制信号周期变化过程中，载波个数不变的调制称为同步调制，载波个数相应变化的调制称为异步调制。异步调制即载波信号和调制信号不同步的调制方式，在整个变频范围内，载波比都是变化的。通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的，在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大。但是这种调制，在信号频率较低时，载波的数量显得稀疏，电流波形脉动大，谐波分量剧增，电动机的谐波损耗及脉动转矩也相应增大12-13。而且此时载波的边频带靠近信号波，容易干扰基波频域。同步调制即N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定，三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数，当fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除；当fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。由于载波比会随着输出频率的降低而连续变化时，逆变器输出电压的波形其相位也会发生变化，很难保持三相输出的对称关系，因此会引起电动机的工作不稳定12-13。为了克服同步调制和异步调制的缺点，可以将他们结合起来，组成分段同步调制方式。即把fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同，在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低，为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法，同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近12-13。PWM信号实时计算需要数学模型。建立数学模型的方法有多种，例如谐波消去法、等面积法、采样型PWM以及由它们派生出来的各种算法。对对称规则采样法做一下介绍。规则采样法是一种应用较广的工程实用方法,一般采用三角波作为载波.其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波,再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断,从而实现SPWM法7。当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(即采样周期)内的位置是对称的,这种方法称为对称规则采样.当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(此时为采样周期的两倍)内的位置一般并不对称,这种方法称为非对称规则采样7。规则采样法是对自然采样法的改进,其主要优点就是计算简单，便于在线实时运算,其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦，其缺点是直流电压利用率较低,线性控制范围较小7。ttUCBCEUU00ADt2t1t3t2/2t2/2图3-8对称规则采样法对称规则采样法是以每个三角波的对称轴为底点，对称轴所对应的时间作为采样时刻过三角波的对称轴与正弦波的交点，作平行t轴的平行线，该平行线与三角波的两个腰的交点作为SPWM波“开”和“关”的时刻，如图3-8所示。因为这两个交点是对称的，所以称为对称规则采样法7。下面推导其数学模型。设三角载波UC为1，调制信号为,其中调制度0M1,从图中可以看出ABC=EDA.因此 (3-5)由式可得取样时刻SPWM脉冲的频宽： (3-6)脉冲两边的间隙宽度为： (3-7)生成SPWM脉冲中各参数的计算：SPWM脉冲的周期为TC同步调制原理可知，载波比,由此得 (3-8)调制度M: 由式可知SPWM脉冲的脉宽t，与调制度M成正比，而脉宽又决定了SPWM脉冲序列的基波电压的幅值，即M决定了变频器正弦电压的幅值。因此在恒U/f:调频调压时有： (3-9)式3-9中B, C为常数各取样时刻t的正弦函数同步调制使正弦调制波以一上升段的过零点与三角载波以下降段的过零点重合，并把该时刻作为零时刻。由于对称规则采样法的采样时刻是在每个三角波的负峰值处，所以各采样时刻(k=0，1，2，N-1)，这里k=0对应第一个采样时刻，刻的正弦函数为： (3-10)分段同步调制时的载波比N同步调制方式中，载波比为常数且为3的倍数。考虑到固定的载波比，在正弦调制频率的高频段，关可能过高，以至于超过主电路功率开关器件的最高频率，以及T过短，以至小于定时器控制所允许的时间;而在低频段，关过低可能使负载电机产生较大的转矩脉动和噪声。因此采用分段同步调制，即低频段采用大载波比，高频段采用小载波比。第四章硬件电路设计4.1系统原理与组成基于定子电压和频率之间的比例关系，通过对一个信号的控制同时对定子的电压和频率信号进行调节来达到变频调速的目的，电源电流通过整流电路进行整流，再通过滤波电路使电压变化平稳。最后经过逆变电路转化成可调节的电流。在整个过程中通过对逆变电路的控制来实现对变频器的调速控制。系统采用SPWM控制方式，主要依靠单片机控制电路产生SPWM控制信号。系统电路可分为变频电路（整流电路、滤波电路、逆变驱动电路）、单片机控制电路、电动机。以下是系统的结构模块：变频电路电源整流电路滤波电路逆变驱动电路电动机单片机按键输入图4-1系统的结构模块4.2整流电路的设计整流器是与电源相连接的，产生脉动的直流电压的电路。整流器有两种基本类型可控的和不可控的。本设计为桥式整流电路，它是由四只整流二极管D14 和负载电阻RL组成。RLULD4D2D3D1U1U2图4-2整流电路它的工作原理如图4-2所示。在U1的正半周，D1、D3导通，D2、D4截止，电流由IR次级上端经D1 RL D3回到IR 次级下端，在负载RL上得到一半波整流电压。 在U2的负半周，D1、D3截止，D2、D4导通，电流由IR次级的下端经D2 RL D4 回到IR次级上端，在负载RL 上得到另一半波整流电压。这样就在负载RL上得到一个与全波整流相同的电压波形，其电流的计算与全波整流相同。4.3滤波电路的设计利用整流电路可以从电网的交流电源得到直流电压或直流电流但是这种电压或电流含有频率为电源频率6倍的纹波，则逆变后的交流电压、电流也产生纹波 因此，必须对整流电路的输出进行滤波，以减少电压或电流的波动。这种直流中间电路也被称为滤波电路。本设计采用常用的电容滤波电路如图4-3，在整流输出端并入大电容，整流输出直流电压含有很多偶次谐波，频率越高，电容容抗越小，分流作用越大，谐波被滤除的就越多，输出电压的平均值就越大。滤波电容除了滤除整流后的电压纹波外，还在整流电路与逆变器之间起去耦作用，以消除相互干扰，因而，中间直流电路电容器的电容量必须较大。在没有加入滤波电容时，单相整流桥输出平均直流电压为： （4-1）加上滤波电容后，的最高电压可达交流线电压的峰值：二极管整流器在电源接通时，电容中将流过较大的充电电流(亦称浪湧电流)，可能烧坏二极管，必须采取相应措施；本文采用串联允电电阻方式抑制浪湧电流。CRVT图4-3滤波电路4.4逆变电路的设计逆变器一般接成单相桥式电路，组成单相变频电源，由电力电子开关S1S4组成的三相逆变器主电路电力电子开关可以是晶闸管也可以是其他全控器件。在一个周期中，控制各个开关轮流导通和关断，使输出端获得单相交流电压，改变开关导通和关断时间，则可得到不同的输出频率7。如图4-4所示图4-4逆变驱动电路工作原理S1S3S2S4负载根据输出的需要，本设计开关器件由V1V4为使用常用的BJT开关元件和D01D04四个二极管组成。开关管受到来自控制电路的PWM信号的控制而通断，将直流母线电压变成按一定的规律变化的PWM电压来驱动电动机。电动机的正反转如图4-5所示，当V1管和V4管导通时，电流就从电源正极经V2从左至右穿过电机，然后再经V4回到电源负极，该流向的电流将驱动电动机顺时针转动。当V1管和V4管导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。当V2管和V3管导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。图4-5逆变驱动电路MV4V1V2V3D02D01D04D034.5控制电路的设计本控制电路设计框图如图4-6所示，由时钟电路、复位电路、单片机组成。控制部分采用汇编语言编程控制，AT89C51芯片的定时器产生SPWM脉冲波形，通过调节波形的宽度来控制逆变驱动电路中GTR开关元件通断时间，就能够实现对电机速度的控制。复位电路时钟电路单片机逆变驱动电路驱动按键输入图4-6系统控制电路4.4.1复位电路复位是DPS的初始化操作，其主要作用是把单片机初始化，使芯片从0000H单元开始执行程序。它可以使系统进入的正常初始化之外，如果程序运行时出错或者你的操作失误使系统处于死机时，你可以按复位键以重新开启。复位电路在刚上电时，一开始电容是没有电的，电容内部的电阻很低，通电后，电源的电通过电阻给电解电容进行充电，电容两端的电会由零慢慢的上升到饱和（一般小于0.3秒），正因为这样，复位脚的电由低电位升到高电位，从而使内部电路进行复位工作，这是上电复位。当按下复位键时，电容两端放电，电容电压又回到零，于是再一次又进行复位工作，这是手动复位。 本设计采用手动按键复位如图。其中电平复位是通过RET端经电阻与电源VCC接通而实现的，在初识化程序中应安排一定的延迟时间。Key电源RESET图4-7复位电路4.4.2时钟电路单片机是以时钟信号为基准控制各个功能元件的运行，因此时钟电路将对单片机的运行速度直接影响，时钟电路的质量也对单片机系统的稳定性有很重要的作用。电路中的电容C1和C2典型值通常选择