基于MCS51单片机的异步电动机变频调速毕业设计.doc

1、 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目： 基于MCS51单片机的异步电动机变频调速 f=45,N=27,M=0.8一、 毕业设计（论文）任务1.掌握异步电动调速的工作原理、机械特性；2.掌握异步电动机变频调速原理、分类，熟练PWM调制方法原理、采样方法及其类型；3.掌握51单片机的基本原理，包括中断、指令、IO口、定时器等；4.在MATLAB环境下搭建交直交变频调速仿真模型并进行系统仿真；5.设计MCS-51单片机最小系统，编制相应软件程序，进行调试，得出正确结果。二、毕业设计（论文）内容1.课题背景及其相关原理2. MATLAB仿真3.PWM波形计算3.51单片机编程仿真4.单片机电路

2、板设计5.结论三、基本数据： 1.异步电动机：电源相电压U= 220V,负载转矩TL=0N.m，极对数P=2，额定功率P= 4KW，频率f=50HZ 2.变频调速：输出频率f=45Hz,载波比N=27，调制度M=0.9 3.控制方式：MCS-51单片机四、学生应交出的设计文件（论文）：1. 单片机电路板一块2. 毕业设计论文一份五、主要参考文献（资料）：1、王兆安，黄俊电力电子技术机械工业出版社200532、陈伯时，电力拖动控制系统北京：机械工业出版社2003（7）,147-1873、张爱玲，李岚，梅丽风电力拖动与控制北京：机械工业出版社2003（50）,45-804、王兆安，黄俊，电力电子技

3、术北京：机械工业出版社2000.132-1655、Botten S L,Whitley C R,King A D.Flight control actuation technology for next generation all electric aircraft J .Technology Review Journal2000,8（2）,55-68 专业班级 电气0706班 学生 要求设计（论文）工作起止日期 2011年3月到2011年6月 指导教师签字 日期 教研室主任审查签字 日期 系主任批准签字 日期 II基于51单片机的异步电机变频调速PWM调制方法研究f=45，N=27,M=0

4、.9摘要 以三相异步电动机调速系统为基础，阐述了基于8位单片机MCS-51为PWM控制，配合采用IGBT为主动功率器件完成三相异步电动机的PWM交流变频调速。此调速系统充分利用了MCS-51单片机12MHz主频，为产生精准的PWM控制波形提供了良好的硬件基础。在此控制方式中，采用规则采样法，用正弦波来调制等腰三角形，从而得到一系列的等幅不等宽的PWM波形。在逆变器主电路中，6个IGBT的导通和关断由MCS-51单片机P1口输出的控制字决定，其中控制字是通过波形调制图上各项电压在每一个时间段上的高低电平来确定的。另外，本文还介绍了MCS-51单片机的结构、中断系统和定时器的使用。最后通过编写MC

5、S-51单片机控制的主程序和中断程序来实现正弦脉冲宽度调制，方便的实现变频调速。通过MATLAB仿真可以得到PWM变频调速的结果，最后和通过单片机产生PWM控制波所得到的实验结果一致，进一步证明了基于51单片机的异步电动机变频调速PWM调制方法的正确性和可行性。关键词：MCS-51单片机；变频器；调速系统Method Study at Asynchronous Motor of Variable Frequency by PWM Modulation Based on 51 Microcontroller Controlf=45,N=27,M-0.9AbstractTo three-phase

6、 asynchronous motor speed control system based on MCS-51 based 8-bit single-chip for PWM control of the core，coupled with the use of IGBT-based power device to complete three-phase asynchronous PWM AC variable frequency motor speed control.Take full advantage of the speed control system of MCS-51 si

7、ngle-chip frequency of up to 12MHz，in order way，we use the rule to adopt method，use the sine wave to modulate the waist triangle and get a series of wave according to the equivalent area-theory，the PWM form of sine expected are equivalent.In the main circuit of the inverter,the open and shut of ever

8、y thyistor is determined by the controlling word of MCS-51，andthecontrol word is determined by the high-low voltage of each phase voltage on the chart of wave brewage in every period of time.Moreover，this article also introduces the MCS-51 micro controller structure，the interruption system and the t

9、imer.Finally，through compiling the main procedure and the interruption procedure，we change the power source frequency of the converter，and through the results produced by MCU control PWM，the experimental results proved the 51-series microcomputer based on asynchronous motor inverter PWM correctness

10、and feasibility of the method.Keyword: Inverter;PWM;Variable frequency system；MCS-51 microcontroller目 录摘要IAbstractII第一章 概述11.1 PWM调速系统的组成和功能11.1.1 PWM信号发生与调节模块11.1.2 PWM信号放大与电机驱动模块11.1.3 负载模块21.2 单片机概述21.2.1 单片机及其发展历程21.2.2 单片机的应用领域及发展趋势21.3 计算机仿真概述31.4 交流调速系统的发展概述31.4.1 电力拖动发展过程31.4.2 直流调速系统的问题41.4

11、.3 交流电动机的调速优势41.4.4 异步动机调速发展及特性51.4.5 变频调速的基本控制方式61.4.6 基频以下调速控制方式71.4.7 基频以上调速控制方式81.5 变频调速系统中的变频电路81.5.1变频器的分类91.5.2 静止型常规变频器及特点9第二章 PWM变频控制技术112.1变频调速原理112.2变频器控制方法122.3 SPWM模式下交直交变频器工作原理142.3.1 SPWM调制142.3.2 三相逆变电路工作原理152.3.3 SPWM波生成162.3.4 SPWM输出波形的分析182.4 SAPWM模式192.4.1 SAPWM波形产生192.4.1 SAPWM优

12、点192.5交-直-交电压源变频器组成及工作原理202.5.1主电路组成结构20第三章 交直交变频调速系统MATLAB仿真213.1 PWM 变频调速系统的建模与仿真213.1.1 Matlab软件简介213.2 PWM波形发生器及其仿真233.2.1 三角载波和正弦波合成233.2.2 变频调速系统模型的搭建与仿真233.2.3 变频调速系统模型参数设置25第四章 单片机原理与应用304.1 MSC-51 单片机的硬件结构及I/O口304.1.1 单片机基本原理304.1.2 单片机I/O口314.2 MCS-51单片机的中断系统。334.2.1 中断系统的结构334.2.2 中断请求源33

13、4.2.3 中断控制354.2.4 定时器/计数器的结构374.2.5 定时器的方式寄存器TMOD和控制寄存器TCON374.2.6 定时器计数器的工作方式394.2.7 定时器计数器的初始化40第五章 PWM变频调制的实现415.1 三相正弦波转化为PWM波415.1.1 三角载波与三相正弦调制波415.1.2 PWM脉宽计算415.1.3 PWM输出值445.2 MCS51单片机编程465.2.1 单片机程序流程图465.2.2 应用程序475.3 Keil软件介绍及其运用495.4 Proteus软件介绍及其仿真505.4.1 Proteus软件介绍505.4.2 Proteus软件仿真

14、515.5 输出波形525.5.1 上下桥臂互补信号流程图525.5.2 相邻桥臂之间信号及其信号差图53总结57致谢59参考文献60外文翻译61English61中文7785第一章 概述本文主要研究了利用MCS-51单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展

15、水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。本文就是利用这种控制方式来改变电

16、压的占空比实现交流电机速度的控制。文章中采用了汇编程序来控制单片机，产生PWM信号。并自动调节PWM信号的占空比。将信号输入驱动芯片从而达到控制电机的效果。该程序能改变电源频率，使电机在不同频率下旋转，从而实现变频调速。最后还给出仿真方法和相关仿真图形。1.1 PWM调速系统的组成和功能1.1.1 PWM信号发生与调节模块 作为一个PWM调速系统，首要的是需要产生PWM信号。PWM的产生方法有很多，包括纯硬件电路产生方法和采用基于可编程器件的软件实现方法。本文采用单片机编程生成PWM信号，PWM占空比的调节也采用软件实现。1.1.2 PWM信号放大与电机驱动模块 由单片机产生的PWM信号很微弱

17、，PWM信号产生后并不能直接驱动电机等负载模块，而需要使用专门的电路对该PWM信号进行放大和处理，使其能驱动电机。本文采用专门的驱动芯片对电机进行驱动。1.1.3 负载模块PWM信号经过处理后，可用于驱动电机等负载，电机作为电信号转化为机械动力的装置在调速系统中必不可少。1.2 单片机概述1.2.1 单片机及其发展历程单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU）、随机存取数据存储器（RAM）、只读程序存储器（ROM）、输入输出电路（I/O口），可能还包括定时计数器、串行通信口（SCI）、显示驱动电路（LCD或LED

18、驱动电路）、脉宽调制电路（PWM）、模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块芯片上，构成一个最小而完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。所以，单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。单片机诞生于20世纪70年代，自1971年美国Intel公司制造出第一块4位微处理器以来，其发展十分迅猛，到目前为止，大致可分为以下几个阶段。（1）4位单片机（19711974）：如Intel4004；（2）低档8位单片机（19741978）: 如Intel公司的8084，Mostek公司的38

19、70等；（3）高档8位单片机（19781982）: 如Intel公司的8051、Motorola公司的Z8和NEC公司的MPD7800等产品；（4）16位单片机（19821990）:如Mostek公司的68200、Intel公司的8096等；（5）新一代单片机（90年代以来）：如NEC公司的MPD7800，Mitsubishi公司的M37700，Reckwell公司R6500/21、R65C29，Intel公司的8044、UPI452等。1.2.2 单片机的应用领域及发展趋势随着单片机的发展，其应用领域越来越广，大致有：智能仪器仪表、工业控制、家用电器、计算机网络和通信、医用设备等领域，此外，

20、单片机在工商、金融、科研、教育、国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。 世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：（1）低功耗CMOS化；（2）微型单片化；（3）主流与多品种共存。1.3 计算机仿真概述计算机仿真不仅在没有具体硬件环境的条件下模拟出具体硬件环境，以判断系统的可行性，而且在设计的系统出错时，不至于损害具体硬件环境。因此，采用系统仿真是非常必要的。当前能够用于计算机仿真学习单片机的软件也已日趋成

21、熟，比如Keil都出了8.0以上版本，Proteus也出了7.0以上版本，而各种集成开发环境更是层出不穷，极大地方便了学生通过计算机仿真学习单片机。尤其是当前最热的几种8位和16位单片机，比如：51系列、AVR系列、PIC系列，仿真学习的条件最为成熟。甚至32位的ARM单片机也能通过计算机仿真来进行学习。所以，当前计算机仿真学习单片机的条件已经成熟，应该抓住这个机会，积极地利用它，并为学习单片机服务。1.4 交流调速系统的发展概述1.4.1 电力拖动发展过程 19世纪相继诞生了直流电动机和交流电动机，由于直流电动机转矩容易控制，因此它作为调速电动机的代表在19世纪的大部分年代广泛地应用于工业生

22、产中，直流调速系统具有起、制动性能好，调速范围广和静差小及稳定性好等优点，晶闸管整流装置的应用更使直流调速在自动调速系统中占主导地位，相比交流电动机则只能应用于不变速或要求调速性能不高的传动系统中。 在20世纪上半叶，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动系统都采用了直流电动机，而约占电力拖动总容量的80%以上，不变速系统则采用交流电动机，这种分工在一段时间内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已经获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。直到20世纪70年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集

23、成电路和计算机控制的出现，使高性能交流调速系统应运而生，交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。这时，直流电动机和交流电动机相比的缺点日益显露。例如直流电动机具有电刷和换向器而必须经常检查维护，换向火花使它的应用环境受到限制，换向能力限制了直流电动机的容量和速度等等。于是，用交流可调拖动系统取代直流可调拖动系统的呼声越来越大，交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。 1971年波拉斯切克（ F.Braschke）提出了交流电动机矢量控制原理，使交流传动技术从理论上解决了获得与直流传动相似的静、动态特性问题。矢量变换控制技术（或磁场定向控制技术）是一种模拟直流电动机的控制。众

24、所周知，调速的关键问题在于转矩的控制，直流电动机的转矩表达式为： （1-1）其中是转矩常数，磁通和电枢电流是两个可以单独控制的独立变量，他们之间互成90正交关系，在电路上互补影响，可以分别进行调节。而交流异步电动机转的矩表达式： （1-2）其中异步电动机转矩系数，气隙有效磁通与转子电流之间是即不成直角关系又不相互独立的两个变量，转子电流不仅与有关，而且还与转差率s（或转速n）有关，这也是交流电动机转矩难以控制的原因所在。1.4.2 直流调速系统的问题 一直以来直流调速系统具有起、制动性能好，调速范围广，静差小及稳定性好等优点而得到广泛的应用。但由于直流电动机的结构特点，使其必须有换向器和电刷，

25、因而必须经常检查维修。其次，换向火花使它的应用环境受到限制，换向能力限制了直流电动机的容量和速度。 直流电动机本身有如下一些固有的缺陷，制约了直流调速的发展：（1）直流电动机的换向器在运行中易产生火花，电刷磨损，需要经常性的维护。（2）由于存在换向问题，使单机容量和转速受到了限制，直流电动机难以做成高速大容量机组。（3）直流电动机结构复杂，成本远远高于交流电动机。虽然直流调速系统的理论和实践应用比较成熟，但由于电动机的单机容量、最高压、最高转速及过载能力等主要技术指标受到机械换向的制约，限制了直流调速系统的发展，使得人们长期以来寻找用交流电动机替代直流电动机调速的方案，研究没有换向器的交流调速

26、系统。1.4.3 交流电动机的调速优势早在上世界20年代到30年代就有人提出用交流调速的有关理论来代替直流调速的方法，直到60年代，随着电力电子技术的发展，交流调速得以迅速发展。交流电动的主要优点是：没有电刷和换向器，结构简单，运行可靠，使用寿命长，维护方便，且价格比相同容量的直流电动机低等等。 结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高、无电刷、维护费用低。近年来，随着电力电子技术的进一步发展，交流调速系统得到很大的进步。同时得益于采用了矢量控制技术，使得交流调速系统已经从技术上解决了获得与直流传动相似的静、动态特性问题。 但是交流调速系统也有它的缺点，例如，调速比较复杂，磁通和

27、电流有关等。为了克服这些缺点，可以通过采用矢量控制技术实现。本论文主要是采用了交直交变频调速技术，技术比较简单但也很成素。同时，PWM技术的发展也很迅速，在变频调速领域的到了很好的应用。所以，在此用这些理论来完成交流电动机的变频调速。1.4.4 异步动机调速发展及特性（一）异步电动机的调速方式 对于笼型异步电机来说，要调节转速，只有通过改变同步转速来实现。由于同步转速为： （1-3）式中，f电源的频率； P旋转磁场的磁极对数。由式（1-3）可知，调节同步转速的方法只有两种。（二）改变磁极对数调速定子磁场的磁极对数取决于定子绕组的结构。所以要改变极对数，必须将定子绕组绕制为可以换接成两种磁极对数

28、的特殊形式。通常，一套绕组只能换接成两种磁极对数。如在定子上安置两套可变磁极对数的绕组，则可得到四种转速。这种方法的缺点是显而易见的，主要有：有极的，且级数很少。如电源频率f=50Hz，则 P=1， （1-4） P=2， （1-5） P=3， （1-6） P=4， （1-7）由于定子绕组的设计需照顾到两种磁极对数的情形，所以不管工作在那种情况下，都不可能得到最佳设计，故而电动机的效率将很低。（三）变频调速这是我们做毕业设计变频调速所要完成的主要任务。由以前的相关学习我们知道，变频调速所能达到的指标，已能和直流电机的调速性能媲美。其主要优点有：（1）调速范围广。通用变频器的最低工作频率为0.5H

29、z，如额定频率fN=50HZ，则在额定转速以下，调速范围可达到。实际是同步转速调节范围，与实际转速的调节范围略有出入。档次较高的变频器的最低工作频率可达0.1Hz，则额定转速以下的调节范围可达（2）调速平滑性好。在频率给定信号为模拟量时，其输出频率的分辨率大多为0.05Hz，以4极电动机（p=2）为例，则每档的转速差为： （1-8） 如频率给定信号为数字量时，输出频率的分辨率可达0.002Hz，则第二档的转速差为： （1-9）（3）在工作特性方面，不管是静态特性，还是动态特性，都能做到和直流调速系统不相上下的程度。（4）经济性方面，变频调速装置的价格明显地高于直流调速装置。但在故障率方面，由于

30、直流电动机本身的弱点，变频调速系统具有较大优势。1.4.5 变频调速的基本控制方式异步电动机的变频调速属转差功率不变型调速，是异步电动机各种调速方案中效率最高和性能最好的一种调速方法，是交流调速的主要发展方向。根据异步电动机的转速表达式：n= （1-10）以及第一节中对于同步转速的分析可知，只要调节异步电动机的供电频率f，就可以平滑调节同步转速，从而实现异步电动机的无级调速。表面看来，只要改变定子电压的频率f就可以调剂转速大小了，但事实上仅改变f并不能正常调速，在实际系统中是在调节定子电压，通过和f的协调控制实现不同类型的变频调速。由电机学可知，三相异步电动机定子每相电动势的有效值是： （1-

31、11）式中，Eg气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）； 定子频率（Hz）； 定子每相绕组串联匝数； 定子基波绕组系数； 每极气隙磁通量（Wb）。如果忽略定子上的电阻压降，则有： （1-12）式中，Us定子相电压。于是，主磁通： （1-13）假设现在只改变调速，设上升，则将下降，于是由电磁转矩的公式： （1-14）式中，电磁转矩（）； 转矩常数； 转子电流折算至定子侧的有效值； 转子电路的功率因数。这样会拖动转矩下降，这样电动机的拖动能力会降低，对恒转矩负载会因拖不动而堵转；倘若调节下降，则上升，当小于额定频率时，主磁通将超过额定值。由于在电动机设计时，主磁通的额定值一般选择在定子铁芯的

32、临界饱和点，所以当在额定频率一下调频时，将会引起主磁通饱和，这样励磁电流急剧升高，使定子铁芯急剧上升。这两种情况都是实际运行中所不能允许的。根据三相异步电动机定子每相电动势的有效值公式（1-11）可知：在额定频率以下调频时只要控制好Eg和，便可达到控制磁通恒定的目的。在额定频率以上调频时，应控制定子电压不超过电动机最高额定电压，否则会使电动机磁路饱和，铁损加剧，严重时会使绕组过热。1.4.6 基频以下调速控制方式由式（1-12）可知，要保持不变，则当频率从额定值向下调节时，必须同时降低，使为常数，即采用气隙磁通感应电动势与频率之比为常数的控制方式。然而，绕组中的气隙磁通感应电动势是难以直接控制

33、的，仅当电动势值较高时，才可以忽略定子绕组的阻抗压降，而认为定子相电压，则得常数，这是恒压频比的控制方式。低频时，和都较小，定子阻抗压降所占的分量就鼻较显著了，不能忽略。这时可以人为地把电压抬高一点，以便近似地补偿定子压降。带定子阻抗压降补偿的恒压频比控制性于图1-1的b线，无补偿的控制特性则为a线。1.4.7 基频以上调速控制方式在基频以上调速时，频率可从往上增高，但电压却不能增加得比额定电压UsN大，一般保持在电动机允许的最高额定电压UsN。由式（1-12）可知，这样只能迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况，即： （1-15）把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得图

34、1-2所示的异步电动机变频调速控制特性。如果电动机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本随磁通变化。按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”；而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本属于“恒功率调速”。 图1-1 恒压频比控制特性 图1-2 异步电动机变压变频调速的控制特性a无补偿 b带定子压降补偿 1.5 变频调速系统中的变频电路 将直流电能变换成交流电能供给负载的过程成为无源逆变。我们用于逆变的直流电能通常由电网提供的交流电整流得来的。我们把将电网提供的恒压恒频CVCF变流电变换为变压变频VVVF变流电供给负载的过程称

35、为变频，实现变频的装置叫做变频器。1.5.1变频器的分类1按变换环节分（1）交交变频器 把频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源。其主要优点是没有中间环节，故变换效率高，但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的12以下，故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。（2）交直交变频器先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。由于把直流电逆变成交流的环节较易控制，因此，在频率的调节范围，以及改善变频后电动机的特性等方面，都具有明显的优势。我们要使用的就是这种变频器。2按电压的调制方式分（1）PAM（脉幅调制）变频器输出电压的大小通过改变直流电压的大小来进行

36、调制。在中小容量变频中，这种方式已经不常用了。（2）PWM（脉宽调制）变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制。目前普遍应用的是占空比按正弦规律安排的正弦波脉宽调制调制（SPWM）方式，这也是我们要应用的方式。3按直流环节的储能方式分（1）电流型 直流环节的储能元件是电感线圈；（2）电压型 直流环节的储能元件是电容器。1.5.2 静止型常规变频器及特点 1间接（交直交变频装置） 交直交变频器由恒压恒频电源经整流器转变为直流电源最后经逆变转化为交流电源。交直交变频器先把交流电转换为直流电，经过中间滤波环节，再把直流电逆变成变频变压的交流电，故又称为间接变频器。输入用不可控整流器，这

37、样输入功率因数高；用PWM逆变，则输出谐波可以减少。但PWM逆变器需要全控型电力电子器件，其输出谐波减少的程度取决于PWM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，开关频率可达10kHz以上，输出波形已经非常接近于正弦波，因而又称之为正弦脉宽调制（SPWM）逆变器。这是现在最有发展前途的一种装置形式，也是我们毕业设计的主要内容。2直接（交-交）变压变频装置交-交变频器的主要构成环节由恒压恒频电源，交交变压变频器，变压变频电源三环节构成，交-交变频电路是不通过中间直流环节而把工频交流电直接变换成不同频率交流电的交流电路，故又称为直流变频器或周波变频器。因为没有中间直流环节，仅

38、用一次变换就实现了变频，所以效率较高。大功率交流电动机调速系统所用的变频器主要是交-交变频器。第二章 PWM变频控制技术2.1变频调速原理变频器工作原理：变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。在诸多交流异步电动机调速技术中，如调压调速、变极调速、串级调速、滑差调速、变频调速等，其中由于变频调速具有的优点：（1）调速时平滑性好，效率高；（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）易于实现过程自动化；因此，变频调速技术是当前应用最广泛的一种调速技术。在中小功率的变频调速系统中使用最多的变压变频调速，

39、简称U/F控制，相应的变频调速控制器为电压源型变频调速器（VSI）。由电机学知识可知异步电动机的转速与电源频率有以下关系： （2-1）式中：n电机的转速（r/min）； p磁极对数； s转差率（）； f电源频率（Hz）。从式（2-1）可以看出，改变电源频率就可以改变电机转速。另外，根据的电势公式知道，外加电压近似地与频率和磁通的乘积成正比。即 （2-2）式中C1为常数。因此有： （2-3）若外加电压不变，则磁通随频率而改变，如频率下降，磁通会增加，造成磁路饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热，显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压，这就要求频率与电压协调控制。此外，在很多场

40、合为了保持在调速时，电动机产生最大转矩不变，也需要维持磁通不变，这亦由频率和电压协调控制来实现。通过改变异步电动机的供电频率，从而可以任意调节电机转速,实现平滑的无级调速。2.2变频器控制方法 现代变频调速技术控制方式可以分为以下几种：（1）U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式：其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。（2）电压空间矢量（SVPWM）控制方式：它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又

41、有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。（3）矢量控制（VC）方式：矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流,，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流、（相当于直流电动机的励磁电流；相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流

42、电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。（4）直接转矩控制（DTC）方式：1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算

43、；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。（5）矩阵式交-交控制方式：VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交交变频应运而生。由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。在这里本文采用是基于SPWM控制方式即U/f=C的正弦脉宽调制，其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。U/f=C的正弦脉宽调制控制方式原理: （2-4）式中：Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为