基于单片机的感应电动机的PWM变频调速的系统设计毕业设计论文.doc
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1、华东交通大学理工学院Institute of Technology. East China Jiaotong University毕 业 设 计Graduation Design ( 2010 2014 年) 题 目 基于单片机的感应电动机PWM变频调速系统设计 分 院: 电气与信息工程分院 专 业: 电气工程及其自动化 华东交通大学理工学院毕业设计(论文)原创性申明本人郑重申明:所呈交的毕业设计(论文)是本人在导师指导下独立进行的研究工作所取得的研究成果。设计(论文)中引用他人的文献、数据、图件、资料,均已在设计(论文)中特别加以标注引用,除此之外,本设计(论文)不含任何其他个人或集体已经发
2、表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。毕业设计(论文)作者签名: 日期: 年 月 日毕业设计(论文)版权使用授权书本毕业设计(论文)作者完全了解学院有关保留、使用毕业设计(论文)的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交设计(论文)的复印件和电子版,允许设计(论文)被查阅和借阅。本人授权华东交通大学理工学院可以将本设计(论文)的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编毕业设计(论文)。(保密的毕业设计(论文)在解密后适用本授权书) 毕业设计(论文)作者签名: 指
3、导教师签名:签字日期: 年 月 日 签字日期: 年 月 日华东交通大学理工学院毕业设计摘 要 在电力电子器件制造技术和电力电子控制技术不断飞速发展的今天,得益于变频器的发展,电机的变频调速在理论研究和实际应用中得到了飞速的发展。变频调速不仅在调速的性能上面得到了跨越式的提高,同时在控制技术和补偿技术方面也得到的质的飞跃,控制策略的提升和简化使得电机的变频调速成为当今主要的调速方式。得益于此,再加上交流电机没有换向器以及结构简单等因素从而导致现代交流电机有取代直流电机的趋势。鉴于变频调速的很多优点,所以这种调速方式也越来越成为了交流调速的主要趋。交流调速系统是一个比较复杂的系统,整个系统包含了交
4、流电机、逆变器、供电电压等主电路以及检测电路、驱动电路和整个控制系统。为了实现变频调速,还必须研究交流电机的动态数学模型,并对此进行坐标变换。交流调速系统中的交流电机、逆变器和供电电源是主电路系统中不可缺少的部分;然后控制系统的核心是整个控制电路部分,这里面的核心又是智能控制芯片,这里我们使用的是52系列的单片机AT89S52,还包含了脉冲发生电路SA4828智能芯片电路,同时包括一些较少的外围硬件设备,因为采用了单片机作为控制核心,所以整个电路的硬件设计简洁,对于脉冲输出和反馈控制等方式也灵活,只需要改变程序就可以了,本设计的电机对象是一个感应电机,我们主要完成该电机的调速。控制系统设计的任
5、务主要完成了SA4828智能芯片的介绍、主电路(交流电机、逆变器、驱动电路和供电电源)、调速控制策略、逆变器缓冲和保护电路的硬件设计以及52单片机的程序设计。关键词:AT89S52单片机;SA4828智能芯片;交流电机变频调速;脉冲宽度调制IIAbstract In power electronic device manufacturing technology and the continuous rapid development of power electronic control technology, thanks to the development of frequency c
6、onverter, frequency control of motor speed of the motor in the theoretical research and practical application of rapid development. Frequency control of motor speed above the performance of the speed regulation not only have improved by leaps and bounds, at the same time in control technology and co
7、mpensation technology has also been qualitative leap, improve and simplify the control strategy of the motor frequency control of motor speed become the main way of speed adjustment. Thanks to this, coupled with ac motor without commutator as well as the simple structure and so on factors leading to
8、 the modern ac motor has a tendency to replace the dc motor. In view of the many advantages of frequency control of motor speed, so this way of speed control is becoming more and more becomes the primary communication speed.Ac speed regulating system is a complex system, the whole system consists of
9、 ac motor, inverter, power supply voltage of main circuit and detection circuit, drive circuit, and the whole control system. In order to achieve the frequency control of motor speed, but also must study the dynamic mathematical model of ac motor, and to coordinate transformation. Ac speed regulatio
10、n system of ac motor and inverter and power supply is an integral part of the main circuit system; And control system is the core of the whole control circuit part, here is the core of intelligent control chip, here we are using AT89S52 in single chip microcomputer control system, also contains a pu
11、lse generating circuit intelligent chip SA4828 circuit, including some of the less peripheral hardware devices at the same time, because of using the single chip microcomputer as control core, so the whole circuit of the hardware design is concise, for pulse output and feedback control methods such
12、as flexible, only need to change the program, the design of motor object is an induction motor, we mainly completed the motor speed control. The main task of control system design completed intelligent chip SA4828 is introduced, the main circuit (ac motor and inverter, driver circuit and power suppl
13、y), speed regulation control strategy, buffer and protection circuit of the inverter 52 microcontroller hardware design and program design. Key words: AT89S52 single chip microcomputer; Intelligent chip SA4828; Ac motor frequency control of motor speed; Pulse width modulationIII目 录中文摘要I英文摘要II目 录III绪
14、 论11.1 变频器简介11.2 国内外变频技术的发展现状11.2.1 国内变频调速技术发展概况11.2.2 国外变频调速技术发展概况21.3 课题研究的意义22 基于单片机的感应电机PWM变频调速的基本原理42.1 变频调速基本原理42.1.1 变频器基本结构42.1.2 变频器调速控制方式42.2 SPWM控制简介42.2.1 单极性PWM控制方式52.2.2 双极性PWM控制方式52.3 闭环控制原理63 系统硬件设计73.1主电路设计73.1.1 主电路硬件结构73.1.2 三相电压型逆变电路83.2 AT89S52主控制模块93.2.1 主要特性93.2.2 管脚说明103.3 SP
15、WM波发生模块103.3.1 SA4828的引脚分析113.3.2 SA4828内部结构113.3.3 SA4828初始化编程133.4 其它模块设计153.4.1 驱动电路设计153.4.2 保护电路设计154 系统软件设计16总 结19参考文献20致 谢2123华东交通大学理工学院毕业设计第1章 绪 论近些年来,伴随工业水平的快速发展,交流异步电机的使用也越来越广,这也表明对电机的速度调节越来越重要,而为了获得好的调速性能,一般采用PWM变频调速方式。在工业应用中,一般偏向廉价性能,故这里采用单片机作为控制单元。1.1 变频器简介在工业生产上对变频调速要较多的要求,其中重要的因素主要有响应
16、的快慢、系统是否稳定、动态特性是否好。在好多的研究和实践领域,比如国防、冶炼、制造、石油、汽车、起重等行业,对电机的调速有着很大的重要性。但是越好的调速系统控制越复杂,变化因素也很多,而且对理论知识要求也很高,所以在系统设计的时候就需要很好的实践经验和自动控制的理论基础。对交流异步电机完成变频调速的设备为变频调速器,其作用是把电网输出的稳定不变的频率与电压的交流电转变为可变的电压和频率VVVF的交流电,以此达到对电机的无级调速控制。当前的市场上最主要有两种类型的变频器:交-直-交和交-交变频器,图1-1说明了两种变频器的简要结构。所谓的交交变频器,即AC/AC变频器,是直接采用正组和反组整流器
17、把电网电压经过正组或反组整流器之后拼接在一起,从而组成电压幅值和频率大小都可调的交流电,只能降频不能升频,效率较高,中间没有滤波环节,所以又把这种变频器叫做直接变频器。而交直交变频器是首先把电网输出的交流电能变换成为直流电,通过中间滤波环节后,再经过逆变器,最后转变为可变频和变压的交流电,故被称为间接型变频器。对比这两种变频器,间接变频器因为中间过程较多,所以控制复杂点,而且多级的效率叠加使得中的效率不高,但是这种方式的变频范围可以加大;对于直接变频器因为采用直接变换,所以可以得到高的工作效率,也不容易出问题,但是频率可调节的范围就减小了,这种方法大多在容量大频率低的场合。(a) 交-交变频器
18、 (b)交-直-交变频器图1-1 变频器的两大类1.2 国内外变频技术的发展现状1.2.1 国内变频调速技术发展概况作为发展中国家的我国,在自主研发能力上与发达国家还有很大的差距,到现在为止,在变频调速的研发上我国的技术水平相当与发达国家几十年前。随着时代进步,我国现在也有好多公司已经引进国外先进技术,然后进入自主研发阶段,但是总体而言,在研发和产品生产方面水平还是很低,很大程度上需要国外的先进技术1-2。总而言之,如今处于发展中国家的我国与技术成熟先进的一些发达国家相对比较,我们仍然还落后10到15左右,即使我们有较为丰富的人员,也有一定的物力,但是不够集中。而在大型功率电机等变频调速的技术
19、方面,国家内部如今仍只有为数不多的科研单位有能力造出来,在智能化及系统可靠性上与国外相比还有相当的差距,而且相关的配套产业及行业比较落后,市场面很窄,性能和制造行业水平一般。在中等容量的变频上,我们国家主要都是采用V/F的控制方式,只有很少的部分使用的是矢量控制方式。关于变频器的设备所用的半导体器件的制造行业国内几乎没有1。1.2.2 国外变频调速技术发展概况在大功率电机变频调速技术阶段,ABB提供一个独立的容量约60000千瓦的设备用于抽水蓄能电站。在小功率交流变频调速技术,日本的富士山是转换器独立的最大容量700千伏安。在二级电力变频调速技术,西门子Simovert产生了电流型晶闸管变频调
20、速装置容量10 - 2600 kva,Simovert PGTO PWM变频调速装置可用于100 - 900 kva能力,现在意识到智能控制系统,用于泵传动,电动机车,粉丝,等大型电力设备交流变频调速技术,法国的阿尔斯通已经可以完成单机容量30000千瓦的电力传动装置用于船舶推进系统。基于IGBT逆变器产生了系列产品,其控制系统也实现了一个全面的数字1-5。国外的交流变频调速技术在高速发展下存在以下特点2:(1)市场需求量较大。伴随工业自动化程度的逐步提高和全球化能源短缺,变频器技术已广泛地应用在机械、化工、纺织、冶金、造纸、食品等行业,在水泵、风机等设备中应用广发,并取得了显著的经济效益。(
21、2)大容量器件发展。近些年来高电压、大电流的IGBT、GTR、IGCT、GTO 等器件的面世,使得高压、大容量变频器产品的生产和应用成为现实。(3)自动控制理论和微电子的发展。自动控制领域的理论知识对于变频调速有着很大的影响力,因为变频调速中的转矩控制,矢量控制,迷糊控制,重复控制,磁通控制等等新的控制理论是变频调速性能好坏的一个决定因素;而微处理器的发展为控制提供了更大的方便,例如控制器的位数的提升,还有一些专用高速处理芯片DSP、FPGA等的发展,为变频调速的更好精度、更加多功能和全自动化实现提供了越来越多的可能2,6,7。1.3 课题研究的意义在工农业领域上广泛采用交流异步电机,因为该电
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