SPWM变频调速系统设计论文

SPWM变频调速系统

摘要：变频调速是交流调速中的发展方向。变频调速也有多种方法，本文对目前研究领域相当活跃的正弦波脉宽调制技术(SPWM)的变频调速作了一定的研究，并进行了实践。异步电动机的调速原理是研究控制算法的基石，因文首先介绍了异步电动机的调速特性，从而展开介绍SPWM变频调速的理论基础.包括变频调速控制思想的由来，控制方法的可行性。变频调速的控制算法也有许多，本文对目前大部分通用变频器所采用的控制算法——恒压频比控制，给出了完整的硬件电路设计和软件程序流程设计。本文采用了Intel8OC196MC十六位单片机作为控制电路的CPU，采用该单片机的控制系统是本设计的硬件核心部分。因此本文先简单的介绍此单片机与该设计相关的特性，继而介绍本系统的硬件设计和软件设计。

关键词:变频器;恒压频比控制;正弦波脉宽调制:8OC196MC单片机。

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Abstract：Variable- speed drive system is the direction of AC Variable-speedd rive system.There are many modes for frequency-varied speed -regulated. In this paper, theauthor studied and analyzed one of the control way which is very searched by many people,and it is a constant volts/hertz ratio control technology

The mathematical model of AC induction motor is the base of controlAlgorithmic for studying.This paper introduce the AC induction motorfirstly,then introduce the theoretical base of SPWM variable-speed drive. The theoretical base gives its idea and feasibility.

In this design,the single chip micorcomputer-80C196MC is used.This microcomputer is very suitable for motor's controlling.The Control circuit including80C196MC is the core of this system.There are hardware and software Designs in this paper.and the software design is the emphasis.

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一 绪论............................................................................................................... 4

1.1研究的现状............................................................................................ 4

1.1.1引言.............................................................................................. 4 1.1.2变频调速发展的条件.................................................................. 5 1.1.3变频器的发展方向...................................................................... 6 1.2论文研究的目的和意义........................................................................ 7 1.3本文主要内容和结构安排.................................................................... 7 二 恒压频比控制的SPWM变频系统的分析 ................................................. 8

2.1变频调速基本原理................................................................................ 8 2.2变频调速控制方式分析........................................................................ 8 2.3 SPWM逆变技术 ................................................................................. 10

2.3.1静止式SPWM间接变压变频装置 .......................................... 10 2.3.2 SPWM调制变频技术 ............................................................... 11 2.3.4双极性SPWM法 ...................................................................... 13 2.4.SPWM控制信号的产生方法 ............................................................. 16 三 变频调速系统的硬件实现......................................................................... 18

3.1变频调系统的整体硬件电路设计...................................................... 18 3.2主电路的设计...................................................................................... 19

3.2.1主电路硬件结构........................................................................ 19 3.2.2三相电压型逆变电路................................................................ 20 3.3控制路的设计...................................................................................... 22

3.3.1控制器的选择............................................................................ 22 3.3.2存储器扩展电路........................................................................ 25 3.3.3 80C196MC单片机的波形发生器............................................ 25 3.3.4.1键盘显示电路......................................................................... 29 3.3.5控制反馈检测电路.................................................................... 31 3.4驱动和保护电路的设计...................................................................... 33 3.4.1 驱动芯片IR2110的介绍................................................................ 33

3.4.2保护电路的设计........................................................................ 35 3.4.2.1过电压保护............................................................................. 35 3.4.2.2电流检测电路......................................................................... 38

四 主程序设计................................................................................................. 41 五 总结............................................................................................................. 43 参考文献........................................................................................................... 44 致谢................................................................................................................... 45 附录................................................................................................................... 46

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一 绪论

本章作为引言，主要介绍了变频调速控制技术的发展和现状，SPWM变频技术的应用以及该课题的研究意义与价值，最后简要归纳了本课题的研究任务并对文章安排做了简要介绍。

1.1研究的现状

1.1.1引言

经过大约30多年的发展，交流调速电气传动已经上升为电气调速传动的主流。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。

现在要求性能较高的中、小容量的交流调速传动，主要使用电子式电力变换器对交流电动机进行变频调速。除变频以外的另一些简单的调速方案，如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等，它们只有在特定场合有一定的应用。

由于电力电子学和微电子技术的发展，使变频调速技术近年来获得了飞速的发展，各种变频调速控制方式、PWM脉宽调制技术以及MCU微处理器和以大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等均在变频调速中获得了成功应用。

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技术成为目前应用最为广泛的逆变用PWM技术。

根据生成SPWM波形的实现方式可以分为模拟控制和数字控制两种形式。传统的模拟控制在逆变器中应用广泛，技术成熟，控制性能优良，但模拟控制也存在一些缺陷：元件众多，设计周期长，调试复杂，不易管理维护等。随着数字信号处理技术的蓬勃发展，数字控制技术已经成功地应用到电力电子与电力传动控制领域中来，逆变器的数字控制逐渐成为研究热点。

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1.1.2变频调速发展的条件

a. 电力电子器件的发展是变频调速发展的必要条件

在变频调速中主要有交一交变频和交一直一交变频，目前应用的最为广泛的是交一直一交变频，它的基本电路是:先将电源的三相(或单相)交流电经整流桥整流成直流电，又经逆变桥把直流电逆变成频率任意可调的三相交流电。实现逆变的逆变桥就是变频主电路的关键部件，它由六个开关器件组成，逆变的过程是这六个开关器件按一定的规律不停的导通和截止，这也就是实现变频的过程。

自从1957年第一支晶闸管(SCR)的发明，经过几十年的发展，力电子学，取得了惊人的进步，70年代出现了大功率晶体管(GTR),90 年代出现了大功率场效应晶体管(IGBT)，它们在各个领域得到了广泛的应用。逆变桥由使用半控型器件发展为使用全控型器件。

b. 变频调速控制方式的发展促进了变频技术的应用与推广

本世纪70年代以后，电气传动各相关领域学科相继取得了巨大的突破，交

流调速的控制方式发展因之突飞猛进，采用交流调速的场合正愈来愈多。

最初的变频调速是采用恒压频比控制方式，它根据异步电机简化等效电路确定的电压V和频率F的比值进行变频调速，电压是指基波的有效值.后来增加了电流环，称它为转差频率控制，改善了性能并且己经实用化。但是系统只是从稳态公式推导出的平均值控制，完全不考虑过渡过程，因此系统的稳定性、启动及低速时的转矩动态响应存在难以克服的不足。为了提高低频时电动机产生的转矩不足，通常采用提升电压以及随负载变化补偿定子绕组电压降的办法，用以增加变频调速的调速范围。

c.数字化技术的应用使变频器的实用化成为可能

但是全数字化控制技术在交流调速应用中性能的提高是个事实，上面所说

的8XC196MC系列单片机就可以使用，但是性能不同，在设计系统时往往要考虑性价比，进行折中选择。

全数字控制的主要优点是:

1、控制精度高，数字计算机的精度和字长有关，变频器中使用8位、16位甚至

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