三相交流電機(jī)SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

龐麗坤 吳欽木

摘 要：隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用，變頻調(diào)速技術(shù)日益成熟，SPWM信號(hào)的產(chǎn)生方法及實(shí)現(xiàn)技術(shù)至關(guān)重要?；谝陨咸攸c(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種三相交流電機(jī)SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)。文中，首先闡述了SPWM變頻調(diào)速的基礎(chǔ)技術(shù)，然后介紹了變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)，最后在Matlab中進(jìn)行仿真研究，證明了變頻調(diào)速的可行性。

關(guān)鍵詞： 交流電機(jī);SPWM;變頻調(diào)速;單片機(jī);正弦脈寬調(diào)制

文章編號(hào)： 2095-2163（2019）03-0201-04 中圖分類號(hào)： TM343+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0 引 言

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，直流調(diào)速與交流調(diào)速是電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的兩大門類。與直流電機(jī)相比，交流電機(jī)具有質(zhì)量偏輕、體積較小，不需要換向器和電刷、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、成本低等許多優(yōu)點(diǎn)，使得其在變頻調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛[1]。交流變頻技術(shù)近年來不斷取得突破性進(jìn)展，一直受到人們的廣泛關(guān)注，與此同時(shí)人們也在不斷發(fā)現(xiàn)控制性能更好的控制方法。其中，有基于SPWM的控制方法、基于SVPWM的控制方法以及與矢量控制相結(jié)合的方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制[2-3]。

由于各種電力半導(dǎo)體的發(fā)展和各種高性能微處理器的應(yīng)用，交流電動(dòng)機(jī)的速度控制方面也發(fā)生了一場(chǎng)革命，相應(yīng)的高頻正弦脈寬調(diào)制技術(shù)SPWM也在電機(jī)調(diào)速中得到了廣泛應(yīng)用[4]。SPWM雖然和其他一些控制方法相結(jié)合后的控制性能沒有SVPWM好，但其實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，成本較低，在對(duì)性能要求不高的情況下具有較好的使用價(jià)值，適用范圍較廣。

SPWM的實(shí)現(xiàn)方式有4種，分別是：模擬控制、自然采樣法、規(guī)則采樣法以及SPWM專用集成電路芯片與微處理器[5]。本設(shè)計(jì)采用第四種方法，即以80C196MC單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)SPWM。該方法具有較高的運(yùn)算速度、能完成復(fù)雜運(yùn)算的指令、內(nèi)存容量較大，能方便地用于開發(fā)基于SPWM控制技術(shù)的電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。

1 SPWM變頻調(diào)速技術(shù)

1.1 SPWM的產(chǎn)生原理

SPWM正弦脈寬調(diào)制技術(shù)以正弦電壓作為電壓型逆變器期望輸出波形，以頻率比正弦波高得多的等腰三角波作為載波，并用頻率和期望輸出頻率相同的正弦波作為調(diào)制波。調(diào)制波與載波相交時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列的交匯點(diǎn)，由這些交點(diǎn)確定逆變器開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而可以獲得正弦調(diào)制波半個(gè)周期內(nèi)呈現(xiàn)兩邊窄、中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波[6]。輸出的矩形波如圖1所示。

1.2 SPWM變頻調(diào)速原理

SPWM變頻調(diào)速原理為：?jiǎn)纹瑱C(jī)生成三相SPWM控制脈沖，通過驅(qū)動(dòng)電路放大，進(jìn)而控制6個(gè)主開關(guān)的通斷，同時(shí)將整流濾波后的單相直流電壓逆變?yōu)槿嘟涣麟妷?，即可拖?dòng)異步電動(dòng)機(jī)，通過改變調(diào)制信號(hào)的周期與幅值，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的VVVF控制。研究給出如下數(shù)學(xué)公式：

由式（1）可知，隨著輸入頻率的改變，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之變化，即達(dá)到了變頻調(diào)速的目的。

2 SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)是以80C196MC單片機(jī)為核心構(gòu)成的SPWM控制電路，其設(shè)計(jì)原理如圖2所示。系統(tǒng)由主電路和控制電路組成，主電路由整流器、濾波器及逆變器組成[7]，控制電路包括80C196MC單片機(jī)、存儲(chǔ)器、鍵盤、顯示器及等待延時(shí)電路，信息的傳遞通過主電路和控制電路之間的光電隔離。文中擬對(duì)此展開研究論述如下。

2.1 SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，需采用Intel80C196MC單片機(jī)作為控制電路的CPU，完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，主要包括主電路和控制電路兩部分。

系統(tǒng)的主電路主要由整流、濾波和逆變等部分組成，采用交-直-交變頻器結(jié)構(gòu)，電路采用的是三相不可控整流電路，整流后經(jīng)過大電容濾波環(huán)節(jié)，從而得到直流電壓，如圖3所示。

本變頻調(diào)速系統(tǒng)采用開環(huán)控制，控制電路原理圖如圖4所示。該系統(tǒng)是以80C196MC單片機(jī)為核心控制部分的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要界面電路是8155可編程并行I/O界面，由其提供與鍵盤、顯示器和CPU的聯(lián)系。

為方便運(yùn)行狀態(tài)以及故障觀測(cè)的呈現(xiàn)，選擇4個(gè)八位數(shù)碼管，由于LED數(shù)碼管所需的電流較大，因此在數(shù)碼管的段選及位選通口處附加驅(qū)動(dòng)電路。數(shù)碼管的相應(yīng)數(shù)碼段連接在一起，由CPU的D0～D7經(jīng)74LS573鎖存控制，同時(shí)采用8155芯片作為可編程并行I/O口的擴(kuò)展。

在單片機(jī)系統(tǒng)中，鍵盤可發(fā)出指令，調(diào)整控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及數(shù)據(jù)輸入，本系統(tǒng)共13個(gè)按鍵，其中包含復(fù)位鍵。由于變頻調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性很高，所以采用中斷式按鍵的工作方式，除復(fù)位鍵外，其他任何一個(gè)按鍵閉合，都將使回應(yīng)中斷。

2.2 SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本變頻調(diào)速系統(tǒng)中采用80C196MC作為CPU。80C196是16位單片機(jī)，其地址總線和數(shù)據(jù)總線都為16位，晶振頻率可達(dá)16 M，有64 K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器和64 K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，尋址能力為64 KB，因此直接選用64 KB的EPROM27512， 數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器則直接采用片內(nèi)RAM[8-9]。本次研究得到的軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

3 仿真建模及結(jié)果

系統(tǒng)采用SPWM逆變電路生成三相交流電源，其中逆變電路模塊選用全控型器件IGBT[10]來完成。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可以通過調(diào)節(jié)外加直流電源的設(shè)定值來輸出理想的交流電壓源幅值，達(dá)到變壓的目的;其次，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)變頻調(diào)速，還需要加入時(shí)間設(shè)定速度環(huán)節(jié)，同時(shí)配合U/f曲線、SPWM調(diào)制與驅(qū)動(dòng)等一起來搭建此次設(shè)計(jì)仿真。原理設(shè)計(jì)如圖6所示，仿真模型如圖7所示。

圖8、9分別為頻率10 Hz、30 Hz時(shí)，n示波器所顯示的圖形，由圖8、圖9可知，隨著輸入頻率的減小，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之減少，f=30，s=800;f=10，s=400。即實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速的目的。由公式（1）可知，轉(zhuǎn)速與輸入頻率成正比，即實(shí)際與理論符合，且速度較穩(wěn)定，證明了變頻調(diào)速的可行性。

4 結(jié)束語

本文基于SPWM控制技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)以80C196MC為CPU，開環(huán)運(yùn)行的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，并具體闡述和分析了其軟硬件設(shè)計(jì)，最后通過仿真得出系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性，與實(shí)際相符，具有一定的理論意義與研究?jī)r(jià)值。

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