1、学校代码11517学号201250712207HENANINSTITUTEOFENGINEERING毕业设计（论文）题目三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真学生姓名专业班级电气工程1222学号201250712207系（部）电气信息工程学院指导教师职称（教授）完成时间2014年5月25日河南工程学院论文版权使用授权书本人完全了解河南工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容按照学校要求提交论文的印刷本和电子版本；学校有权保存论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国
2、家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。论文作者签名年月日河南工程学院毕业设计论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文，是本人在指导教师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。论文作者签名年月日河南工程学院毕业设计（论文）任务书题目三相交流电动机变频调速系统的设计及仿真专业电气工程1222学号20125
3、0712207姓名主要内容、基本要求、主要参考资料等主要内容采用资源合适的单片机与专用电路设计三相交流异步电动机变频调速SPWM发生器，并选择满足设计要求的功率器件。设计过程中，注意并完善驱动电路设计，考虑管子死区问题，建立PWM变频系统仿真模型并完成仿真分析。基本要求1、掌握SPWM变频调速系统的结构，特点及技术优势；2、构建个模块电路并完成相应功能建模；3、完成逆变器与控制对象的集成统一建模，并完成仿真分析；4、完成对仿真结果的分析主要参考文献1郭天祥单片机教程M电子工业出版社，200912王兆安，刘进军电力电子技术（第五版）M北京机械工业出版社，20093谢瑶单片机控制的变频调速系统J武
4、汉海阔科技有限公司，2011（5）完成期限指导教师签名专业负责人签名年月日三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真目录摘要错误未定义书签。ABSTRACT错误未定义书签。1绪论错误未定义书签。11变频调速技术的现状错误未定义书签。12研究目的以及意义错误未定义书签。13变频调速的发展条件22三相交流电动机变频调速系统设计321变频调速原理及控制方式分析322变频调速系统主电路结构5221三相电压型逆变电路6222整流电路823SPWM逆变技术8231静止式SPWM间接变压变频装置8232SPWM调制变频技术9233单极性SPWM法10234双极性SPWM法11235SPWM控制信号的产生方法12
5、3系统设计1431控制器的选择1432控制信号产生电路设计1633驱动电路和保护电路的设计19331驱动芯片IR2110的介绍19332保护电路的设计2034电流检测电路23三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真4系统建模与仿真分析2541MATLAB编程环境25411系统仿真的作用25412MATLAB简介2542系统的建模2643仿真结果分析30结术语35致谢36参考文献37三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真I三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真摘要本文首先介绍了异步电动机的调速特性，变频调速有多种方法，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，从而
6、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设计。系统包括主电路和控制电路，其中主电路通常采用交直交方式，先将交流电转变为直流电整流，滤波，再将直流电转变为频率可调的交流电（逆变）。整流部分用的是三相桥式整流电路，逆变电路采用的是三相桥式逆变电路。本文采用了INTEL80C196MC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。建立PWM
7、开环控制的变频调速系统仿真模型，利用MATLAB/SIMULINK仿真，并完成仿真分析。关键词单片机/MATLAB/SPWM/变频调速三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真IITHEDESIGNOFTHETHREEPHASEACMOTORVARIABLEFREQUENCYSPEEDCONTROLSYSTEMANDSIMULATIONABSTRACTTHISPAPERFIRSTINTRODUCESTHESPEEDREGULATINGCHARACTERISTICSOFASYNCHRONOUSMOTOR,FREQUENCYCONTROLOFMOTORSPEED,THEREAREMANYWAYSFOR
8、THEPRESENTSTUDYQUITEACTIVEINTHEFIELDOFSINUSOIDALPULSEWIDTHMODULATIONSPWMMADEACERTAINSTUDYOFFREQUENCYCONTROLOFMOTORSPEED,THUSINTRODUCETHETHEORETICALBASISOFSPWMINVERTERINCLUDINGTHEORIGINOFTHEFREQUENCYCONTROLOFMOTORSPEEDCONTROLCONCEPTS,THEFEASIBILITYOFTHECONTROLMETHODFREQUENCYCONTROLOFMOTORSPEEDCONTROL
9、ALGORITHMALSOHASMANY,INTHISPAPER,THECURRENTLYUSEDBYMOSTOFTHEGENERALINVERTERCONTROLALGORITHMOFCONSTANTVOLTAGEFREQUENCYRATIOCONTROL,PRESENTSACOMPLETEHARDWARECIRCUITDESIGNANDSOFTWAREPROGRAMFLOWDESIGNSYSTEMCONSISTSOFMAINCIRCUITANDCONTROLCIRCUIT,INCLUDINGMAINCIRCUITISUSUALLYUSEDTOPAYDIRECTWAY,FIRSTTHEALT
10、ERNATINGCURRENTINTODIRECTCURRENTRECTIFIER,FILTER,THENDIRECTCURRENTISTRANSFORMEDINTOTHEFREQUENCYADJUSTABLEACINVERTERRECTIFYINGSECTIONWITHTHREEBRIDGERECTIFIERCIRCUIT,INVERTERCIRCUITUSESTHREEBRIDGEINVERTERCIRCUITTHISPAPERADOPTEDINTEL80C196MC16BITSINGLECHIPMICROCOMPUTERASCONTROLCIRCUITOFCPU,USINGTHESING
11、LECHIPMICROCOMPUTERCONTROLSYSTEMISTHECOREPARTOFTHEDESIGNOFHARDWARESOTHISARTICLEFIRSTSIMPLYINTRODUCEDTHISSCMFEATURESASSOCIATEDWITHTHEDESIGN,THENINTRODUCESTHEHARDWAREDESIGNOFTHISSYSTEMPWMINVERTERSYSTEMSIMULATIONMODELISSETUPANDCOMPLETETHESIMULATIONANALYSISKEYWORDSSCM,MATLAB,SPWM,FREQUENCYCONTROLOFMOTOR
12、SPEED三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真11绪论11变频调速技术的现状随着电力电子技术和计算机技术的不断发展以及电力电子器件的更新换代，变频调速技术得到了飞速的发展。有关资料显示，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。实际上国外已将电动机的控制改名为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
13、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，对电动机的简单控制的应用较多，但是，随着现代化步伐的前进，人民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
14、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。控制过程应用单片机已成为了一种不可抗拒的趋势。12研究目的以及意义在电力拖动领域，解决好电动机的无级调速问题有着十分重要的意义，电机调速性能的提高可以大大提高工农业生产设备的加工精度、工艺水平以及工作效率，从而提高产品的质量和数量对于风机、水泵负载，如果采用调速的方法改变其流量，节电效率可达2060。众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电机调速所垄断，这是和实际中交流电机的广泛使用是一对存在的矛盾，许多应用交流电机的设备为了达到调节
15、被控对象的目的，只能采用物理的方法，例如采用风门，阀门控制流量等，这样浪费能源的问题就很突出，费用大。而且在采用直流调速的方面由于直流电机固有的缺点换相器和电刷的存在，使得维修三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真2工作量大，事故率高，电机的大容量使用受到限制，在易燃易爆的场合无法使用，因此开发交流调速势在必行。13变频调速的发展条件（1）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
16、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1。（2）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
17、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，改善了性能并且已经实用化。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。（3）PWM技术的应用也加快了变频技术的发展通过调节脉冲宽度和脉冲占空比来调节平均电压的方法，称为脉宽调制技术PWM，如果脉冲宽度和占空比的大小按正弦规律变化，便是正弦脉宽调制技术，简称为SPWM技术。PWM技术是伴
18、随着电力电子器件的发展而发展起来的，目前己趋于成熟。PWM技术适应于很多技术领域，如直流斩波、谐波吸收、无功补偿和变频装置等。PWM技术用于变频器的控制，可以改善变频器的输出波形，降低谐波并减小转矩脉动。同时也简化了变频器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应。三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真32三相交流电动机变频调速概述21变频调速原理及控制方式分析变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变它的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。同步电动机和异步电机，它们的转速都是取决于同步转速即旋转磁场的转速的10SNN21式中N电动机的转速，单位M/
19、MINN0电动机的同步转速，单位R/MINS电动机的转差率SN1N/N1N/N1同步转速则主要取决频率PFN60022式中F输入频率，单位为HZP电动机的磁极对数由式（21）和式（22）可以知道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PSFN16023由式（23）可知，在电动机磁极对数不变的情况下，从而可以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，通常需要考虑到的一个重要因素是，希望保持电机中每极磁通量为额定值，并且保持其不变。如果磁通太弱的话，则电机就会出现欠励磁的想象，从而将会影响电机的输出转矩，由公式（24）22COSIKTMTM24（
20、式中TM电磁转矩，KT比例系数，M主磁通，I2转子电流，2COS转子回路功率因素，可知，电机磁通的减小，势必会使电动机的转矩减小。三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真4由于在电动机设计时，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，增加电动机的铁损耗和铜损耗，严重时会因绕组过热而损坏电动机。因此，在改变电动机的频率时，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。而在本设计中我用到的用来改变电动机电压的是SPWM，它输出的波形很接近与正弦波，在下文中我将会对其进行比较详细的说明2。在基频额定频率以下调速时，由于E1的大
21、小不易从外部加以控制，而定子绕组的阻抗压降U11，1为定子绕组的阻抗压降，包括电阻和漏磁电抗在电压较高时可以忽略，所以可以认为电动势和电源相电压近似相等即有U1E1，因此作为一种可行的方案是在电源电压较高时用电源相电压U1代替电动势E1，当频率较低时，U1和E1都变小，定子漏阻抗压降所占比重加大，不可以忽略，所以要人为的补偿，这是一种近似的恒磁通控制，这种控制方式常用于恒转矩控制，如下图21。在基频以上调速时由于电压U,受额定电压的限制不能升，因此在频率升高时，迫使主磁通变小，进入弱磁变频调速，属于近似恒功率控制，如图21，但是用恒压频比代替恒电动势频率比的一个重要缺点是在速度降低时，电动机的
22、带载能力也同时下降转矩利用率下降，从图22的A，B可以看出A图的临界转矩点随着速度的降低也减小，而B图则没有变化，然而要达到B图的效果就要保持E1/F1的比值为恒值而不仅是保持U1/F1比值为恒值了。基于上述原因，在变频调速的基本控制方式下，改变频率的同时必须改变电压，所以称之为VVVFVARIABLEVOLTAGEVARIABLEFREQUENCY控制。NTUMU2N0F1NN图21异步电机变频调速的控制特性恒转矩调速恒功率调速三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真522变频调速系统主电路结构设计主电路是交一直一交电压源型，单相220V工频交流供电，采用不可控的二极管整流桥，大电容滤波，采用
23、大功率晶体管IGBT作为输出SPWM波形的开关器件。目前的大功率开关器件都是以集成的大功率场效应管IGBT为主流，另外系统中设置了保护电路，包括过压、过流的保护等。该主电路由二极管三相整流桥向电压型逆变器提供恒定的直流电压，变频器的变压、变频均在逆变器内进行。逆变器由六只IGBT管组成三相桥式逆变电路，并辅以吸收电路构成。平波电容器C起中间能量存储作用，使逆变器与交流电网去耦，并可以向电机提供无功功率。由于二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流的途径，所以一般都用电阻吸收制动能量。制动时，异步电机进入发电状态，首先通过IGBT两端并联的续流二极管D向电容C充电，当中间直流回路电压升高
24、到一定限制值时，通过电压限制电路将电机释放的动能消耗在制动电阻R上。图24主电路结构图逆变DCAC技术是电力电子技术的重要组成部分，是把直流电变成交流电的过程，完成逆变功能的电路称为逆变电路逆变电路根据直流侧电源性质不同可分为两种直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。它们也分别被称为电压源型逆变电路和电流源型逆变电路。电压型逆变电路在直流侧接有大电容，相当于电压源，直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗的特点。221三相电压型逆变电路三相交流负载需要三相逆变器，在三相逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆变电路。采用IGBT作为可控元件的电压型三相逆变电路如图25
25、所示，可以看出电路由三个三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真6半桥组成。电压型三相逆变桥的基本工作方式与单相逆变桥相同，也是0180导电方式，即每个桥臂的导电角度为0180，同一相同一半桥上下两个臂交替导电，各相开始导电的时间依次相差0180。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂，下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此，也被称为纵向换流。图25三相逆变电路用T记为周期，只要注意三相之间互隔T3T是周期就可以了，即B相比A相滞后T3，C相又比B相滞后T3。具体的导通顺序如下第1个T6V1，V6，V5导通，V4，
26、V3，V2截止第2个T6VL，V6，V2导通，V4，V3，V5截止第3个T6V1，V3，V2导通，V4，V6，V5截止第4个T6V4，V3，V2导通，V1，V6，V5截止第5个T6V4，V3，V5导通，V1，V6，V2截止第6个T6V4，V6，V5导通，V1，V3，V2截止。下面来分析电压型三相桥式逆变电路的工作波形。对于A相输出来说，当桥臂L导通时，DAOUU21当桥臂4导通时，DAUU210三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真7因此，0AU的波形是幅值为DU21的矩形波。B，C两相的情况和A相类似，COBOUU,的波形形状和AOU相同，只是相位依次相差0120。三相逆变电路输出电压波形如
27、图26UAATUBBBTUCCCT图26三相逆变电路输出电压波形222整流电路整流电路是把交流电变换为直流电的电路。目前在各种整流电路中，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路，三相桥式全控整流电路每个时刻均需2个二极管导通，而且这两个二极管一个是共阴极组，一个是共阳极组，只有它们能同时导通，才能形成导电回路。23SPWM逆变技术231静止式SPWM间接变压变频装置SPWM间接变压变频装置先将工频交流电通过整流器变成直流电，再经过逆变器将直流电变换成可控频率和幅值的交流电，故又称为交一直一交变压变频装置。其系统原理框图如图28所示在这类装置中，用不控器件整流，而逆变部分用SPWM变频器调压调频一次
28、完成，整流器无需控制，简化了电路结构而且由于以全波整流代替了相控整流，所以提高了输入端的功率因数，减小了谐波对电网的影响。此外，因输出波形由方波改进为SPWM波，减少了谐波，从而解决了电动机在低频区的转矩脉动问题，也降低了电动机的谐波损耗和噪声。三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真8ACDCAC50KHZCVCFVVVF调压调频图28SPWM间接变压变频装置SPWM逆变器输出谐波减少的程度取决于逆变器件的开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。采用IGBT时，开关频率可高达L0KHZ以上，其输出电流已非常逼近正弦波。所以，这种装置己成为当前最有发展前途的一种装置形式。232SPWM调制变
29、频技术SPWM调制技术是PWM多脉冲可变脉宽调制技术的一种，即所谓的正弦波脉宽调制其输出波形是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作N等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等份的中点相重合，这样，由N个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法与一系列负脉冲波等效。如图29所示。设由整流器提供的直流恒值电压为US，并设电机绕组中点与直流电压中点相连，则SPWM脉冲序列波的幅值为2/SU。令第I个
30、矩形脉冲的宽度为I，其中心点相位角为I，则根据面积相等的等效原则，可写成I2SUMUTTDNN122111SINMU2COS2COSNKNIIIMNUSIN2SIN225当N的数值较大时近似的认为SIN/2N/2N，于是ISMINUUSIN226上式表明第I个矩形脉冲的宽度与该处正弦波值近币以成正比。因此，与半个周期正弦波等效的SPWM波是两侧窄、中间宽、脉宽按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形。相比于其它各种变频变压调制方式，这样的脉冲系列可获得比常规六拍阶梯波更接近于正全控整流SPWM逆变三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真9弦波的输出电压波形，可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，因而转
31、矩脉动小。由于电网的功率因数接近于1，大大提高了系统的整体性能。一般的，SPWM分单极性和双极性两种调制方式。0UWTUMSIN2TW1T图29SPWM的输出波形233单极性SPWM法单极性SPWM法输出的每半个周期中，被调制成的脉冲电压只有一种极性，正半周为十U和零，负半周为一U和零，其调制波形如图210A所示。曲线1是正弦调制波UM，其周期决定于所需要的调制比KF。曲线2是采用等腰三角波的载波UC，其周期决定于载波频率，振幅不变，等于UK1时正弦调制波的振幅值每半周期内所有三角波的极性均相同，都是单极性。调制波和载波的交点，决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲间的间隔宽度，所得的脉冲系列如图
32、210中的UC所示由图知，每半周期内的脉冲系列也是单极性的。单极性调制的工作特点是每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断的工作，另一个完全截至而在另半个周期内，两个器件的工况正好相反。流经负载的便是正、负交替的交变电流（如图210所示三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真10图210单极性SPWM调制图234双极性SPWM法上面所说的单极性SPWM逆变器主电路每相只有一个开关器件反复通断。如果让同一桥臂上、下两个开关器件交替地导通与关断，则输出脉冲在“正”和“负”之间变化，就得到了双极性的SPWM波形。双极性SPWM法的调制波U仍为正弦波，其周期决定
33、于今，振幅决定于气，如图211中的曲线图211双极性SPWM调制图其中载波比载波频率FC与调制信号频率FR之比N，既NFC/FR调制度调制波幅值AR与载波幅值AC之比，即MAAR/AC同步调制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；FR很低时，FC也很低，由调制带来的谐波不易滤除；FR很高时，FC会过高，使开关器件难以承受。异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式。通常保持三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真
34、11FC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。235SPWM控制信号的产生方法生成SPWM脉冲的方法有很多种，大致分为两大类第一类是完全由模拟电路生成第二类是由专用集成芯片生成本设计采用数字控制方式。1SPWM的模拟控制原始的SPWM是由模拟控制来实现的。图212是SPWM模拟控制电路原理框图。三相对称的参考正弦电压调制信号
35、RAU，RBU，RCU由参考信号发生器提供，其频率和幅值都是可调的。三角载波信号TU由三角波发生器提供，各相共用。它分别与每相调制信号在比较器上进行比较，给出正或零的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波DAU，DBU，DCU，作为变压变频器功率开关器件的驱动信号。DCU图212SPWM波模拟控制电路本方法原理简单而且直观。但是，由于正弦波调制和三角载波由硬件电路生成，硬件开销大，系统可靠性差。并且当控制电路的直流电源电压有波动或有噪声干扰时，都将引起SPWM脉冲宽度的变化，从而影响到变频器输出频率和电压的稳定性。整个系统受温漂和时漂的影响大，当输出频率低、调制深度很小时，噪声干扰尤其严重，输出频率
36、精度很差。由于以上缺点,SPWM的模拟控制电路现已很少应用，但它的原理往往是其他控制方法的基础。2SPWM的数字控制数字控制是SPWM目前常用的控制方法。可以采用微机存储预先计算好的SPWM数据表格，控制时根据指令调出或者通过软件实时生成SPWM波SPWM波形参考信号发生器三角波发生器三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真12形也可以采用大规模集成电路专用芯片产生SPWM信号。分析生成SPWM波形的实现方式,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
37、，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。由于微型技术的迅速发展和应用，交流电机变频调速系统的控制回路均以单片微机和SPWM脉宽调制共同完成。由于微机的高度集成化和很强的运算功能，用于PWM调速系统进行直接数字控制，可得到高度的稳定性、高度可靠性以及小型化和便于维修、节能、提高产品质量等应用效果。随着微电子技术的发展，开发出一些专门用于发生控制信号的集成电路芯片，配合微处理器进行控件生成SPWM信号方便得多。国内制的电动机微机控制系统，大多采用8031，8098等。由于这些芯片并非为电动机控制设计的，为了实现电动机控制的某些功能，不得不增加
38、较多的外器件必须以多片集成电路方能构成完整的控制系统。近年，国外著名半导体集成电路厂商为满足高性能电动制需要，推出了一些电动机控制专用单片微处理器。它们可频驱动的交流电动机、采用斩波器驱动的直流伺服电动机或步进电动控制也可用于UPS电源等。其中较有代表性的就是INTEL公司的MCS96系列16位单片机中的80C196MC3。本文所述系统就是利80C196MC单片机的波形发生器WFG产生六路双极性的SPWM驱动信号，来驱动主电路的IGBT进行逆变的。由于单片机运算速度极快采用16M晶振，完全可以实现双极性SPWM控制。变频调速系统的硬件实现电路主要以80C196MC为控制主题，由芯片产生SPWM
39、波形，通过驱动电路控制IGBT逆变，实现双极性SPWM控制4。同时，按照不同的具体运用，变频器可能还会出现各种不同的分类。三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真133系统设计本系统主要由主电路、驱动电路、控制电路以及保护电路构成。其结构框图如图31A,B,CA控制电路框图B驱动电路框图C主电路方框图图31硬件电路方框图控制电路以80C196MC为核心，输出六路互补SPWM波形，输入和电位器模拟输入两种输入方式，可以用键盘数字电流检测以及测速码盘的接入口在控制电路中全都预留有接口。驱动电路是控制电路和主电路之间的接口电路，主要完成SPWM波形的隔离、放大，然后驱动主电路5。31控制器的选择8XC
40、196MC单片机是INTEL公司专门为电机高速控制设计的一种16位微控制器，其后缀MC正是电机控制MOTORCONTROLLER的缩写，它己被广泛的应用。键盘显示电路8279外部扩展存储器80C196MC单片机模拟输入检测电流预留口SPWM输出保护电路输入口电源整流电路滤波电路逆变电路直流电源晶体管放大电路光电隔离电路SPWM输入信号输出给IGBT基极控制信号BUBXBVBYBWBZ三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真14在各种电器的电机控制中。8XCI96MC根据片内有无程序存储器的区别可以分为80C196MC无、83C196MCROM，87CI96MCEPROM，它们的外部引脚，指令集完
41、全一样，其82脚PLCC封装形式的引脚图如图32所示。本系统采用8OC196MC设计，控制电路同样适用于87C196MC和83C196MC6。8OC196MC的基本结构主要包括算术、逻辑运算部件RALU，寄存器集，内部A/D转换器，PWM发生器，事件处理阵列EPA，三相互补5PWM输出发生器以及看门狗、时钟、中断控制逻辑等，如图32XTALEXTINTNMI5根6根2根图3280C196MC基本结构在本系统中，单片机主要资源分配如下片内外设P00速度给定输入。P10启动/停止命令输入。P20P26三位数码管动态显示值输出P3口、P4口外扩展ROM地址/数据信号线P50,P53外扩展ROM控制信
42、号线。P67,P66,P27三位数码管动态显示位选择输出P60P65WFG六路SPWM信号输出EXTINT过压、过流中断信号输入。片内RAM时钟电路定时器EPAP2口512字节RAMRALUA/DP0口P1口中断控制SPWM波发生器P6口16KROM总线控制逻辑PWM8根8、7根P3P5P4三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真15OOOOOH00017HCPU专用寄存器，直接寻址。OIFOOHOIFFFH一内部专用寄存器，CPU专用寄存器窗口寻址。片外ROM02000H07FFFH监控、计算程序及数据表。80C196MC有64K存贮空间，除了OOOOHOIFFH,IFOOHIFFFH,200
43、0H207FH三个专用区，以及表明“保留”的单元以外，其它都可以由用户任意安排作为程序存贮区、数据存贮区或存贮区映射的外设区，但是系统复位后，程序由2080H单元开始执行，因此与2080H相邻的区域必须配置成程序存贮区。80C196MC的片内寄存器阵列共包括512个字节，分为低256字节和高256字节，低256字节中的最低的24字节为特殊功能寄存器SFR,RALU在运算过程中，不象其它的单片机那样只使用一个累加器，而是把这256个寄存器都当作累加器，这样就避免了使用单个累加器所产生的“瓶颈效应”，高256字节寄存器虽然不能象低256字节的寄存器那样直接当累加器用，但是它们可以通过80C196M
44、C的窗口技术，切换成具有累加器功能的256字节，因此使得编程容易，执行速度更快。8OC196MC的特殊功能寄存器SFR除了24个在寄存器集低端以外，大部分在存储空间的1FOOH1FFFH中，在使用这些特殊功能寄存器时为了加快操作速度，通常使用窗口技术把它们映射到低256字节寄存器区7。32控制信号产生电路设计片内波形发生器WFGWAVEFORMGENERATOR是80C196MC独具的特点之一。这一外设装置大大简化了用于产生SPWM波形的控制软件和外部硬件，特别适应于控制三相交流感应电机。三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真16DTDTUU外外部中断请求各载波周期外部中断输入中断请求图33波
45、形发生器框图三相SPWM波形是由U，V,W三个单相SPWM波形生成器构成的，其中一相电路的原理图如图33所示，它由脉宽发生，死区脉宽发生，脉冲合成及保护电路等单元电路构成。WFG可以产生独立的三对PWM波形，但它们有共同的载波频率、无信号时间和操作方式一旦启动之后，WFG只要求CPU在改变PWM的占空比时加以干预。波形发生器WFG有三个同步的PWM模块，每个模块包含一个相位比较器、一个无信号时间发生器和一对可编程的输出。WFG可以有独立的占空比，但它们有共同的载波频率、无信号时间和操作方式，一旦启动之后，WFG只要求CPU在改变PWM的占空比时加以干预，因此使用方便，快速性好。WFG的每个模块
46、产生一对互补的PWM波。无信号时间是为防止功率器件同一桥臂直通而损坏功率器件必须的。该芯片的无信号时间可以由用户自己设计，具体参数的选择见后面的无信号时间寄存器的介绍。从功能上看波形发生器可以分为三个部分，时基发生器、相位驱动通道和控制电路。时基发生器为PWM建立载波周期，该周期取决于WG_RELOAD寄存器的值和操作方式时基发生器的核心是一个16位双向计数器WG_COUNT，可工作于四种不同的方式，产生中心对准或边沿对准的PWM波，中心对准PAM方式所造成的谐波小，因此在三相交流感应电机时，就采用这种方式，本系统就采用这种方式工作。相位驱动通道决定PWM波的占空比。共有三对独立的相位驱动通道
47、，每个通道的电路是相同的。控制电路部分包括一些用来确定工作模式和其它配置信息的寄存器。一个可编程的个载波周期三角波发生器死区时间发生器U相脉冲比较及生成脉宽值设定死区互锁，脉冲分配与输出方式控制保护电路三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真17保护电路可监视EXTINT输入脚，若检测到一次有效的事件，就产生一次中断，禁止波形输出。波形发生器的专用寄存器的设置直接影响系统的工作方式，因此有必要简单介绍一下。双向计数寄存器WG_COUNT，它是一个16位的计数器，是3对输出信号的时基发生器，它的时钟频率是晶振的两分频，它是一个只读的寄存器。重装载寄存器WG_RELOAD，对该寄存器写入的值也就是半
48、载波周期的值寄存器是可读写的。相位比较寄存器WG_COMPX。共有3个，分别控制三相值就是要求改变占空比的值，它是一个可读写的寄存器，信号也是向CPU申请中断的信号。波形控制寄存器WG_CON，它是一个16位寄存器其定义见表31表31WGCON寄存器15141312111090001M0MCSECD9D0其中D15,D14是保留位，必须写00M，1M是方式控制位M,MO00,01,10,11时分别对应方式0,1,2,3CS是计数器状态位CS1，向上计数，C50，向下计数EC是计数器允许位EC1，允许计数，ECO,禁止计数WGCON寄存器的低10位D9DO，是3个10位无信号时间DEAD_TIM
49、E发生器的重装载寄存器，所产生的无信号时间由D9DO决定，单位是状态周期，在16M晶振时，每个状态周期是125NS。波形输出控制寄存器WGOUT，该寄存器用于选择输出引脚的输出信号方式，具体定义见表32表32波形输出寄存器WGOUT1514131211109876543210PHPHPHPHPHPHPHPHPHOP1OP0SYNCPE7PE6322212P7P6313021201110其中OP11WG1,WG2,WG3高有效OP10WG1,WG2,WG3低有效OPO11WG、2WG,3WG高有效OPOO1WG,2WG,3WG低有效三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真18SYNC1与重置触发同步SYNCO立即装入PE7,PE6,P7,P6用于控制CPU两个PWM的输出信号PH12,PH11,PH10用于控制1WG和WG1PH22,PH21,PH20用于控制2WG和WG2PH32,PH31,PH30用于控制3WG和WG3此项设计是波形设计的关键所在，通过此寄存器的设置可以灵活的达到所要求的方式，波形输出选择高有效还是低有效，直接与硬件的逻辑电平有关，要根据具体电路设置，本设计按要求采用低有效。波形保护控制寄存器WG_PROTECT，它可以灵活的
