交流異步電動(dòng)機(jī)的速度閉環(huán)控制及其硬件實(shí)現(xiàn) 精品.doc

題 目：交流異步電動(dòng)機(jī)的速度閉環(huán)控制及其硬件實(shí)現(xiàn)緒論隨著社會(huì)的不斷發(fā)展,我們面臨著能源短缺,電機(jī)調(diào)速技術(shù)的不斷更新等許多問題,尤其是閉環(huán)調(diào)速在交流電機(jī)上的應(yīng)用以來,使得變頻調(diào)速逐漸顯示出很大的潛力。 現(xiàn)狀：能源工業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，對于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高都極為重要。作為能源消耗大戶之一的電機(jī)在節(jié)能方面是大有潛力可挖的。目前，國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究非?；钴S，但是在產(chǎn)業(yè)化方面還不是很理想，市場的大部分還是被國外公司所占據(jù)。因此，為了加快國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，就需要對國際變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢和國內(nèi)的市場需求有一個(gè)全面的了解。PWM技術(shù)：脈寬調(diào)制技術(shù)(簡稱PWM技術(shù))是交流調(diào)速系統(tǒng)的控制核心，以其高效率，高功率因數(shù)，輸出波形好，結(jié)構(gòu)簡單，可組成傳動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)而得到了越來越廣泛的應(yīng)用，而且任何控制算法的最終實(shí)現(xiàn)幾乎都是以各種PWM控制方式完成的。目前已經(jīng)提出并得到實(shí)際應(yīng)用的PWM控制方案就不下十幾種，關(guān)于PWM控制技術(shù)的文章在很多著名的電力電子國際會(huì)議上，如PESC，IECON，EPE年會(huì)上已形成專題。PWM控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng)新和不斷完善的過程。到目前為止，還有新的方案不斷提出，進(jìn)一步證明這項(xiàng)技術(shù)的研究方興未艾。其中，空間矢量PWM技術(shù)以其電壓利用率高、控制算法簡單、電流諧波小等特點(diǎn)在交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用8。 研究內(nèi)容：在本中主要研究的變頻調(diào)速系統(tǒng)是以大規(guī)模專用集成電路芯片HEF4752為主要部分構(gòu)成的，由HEF4752產(chǎn)生的三相SPWM信號(hào)經(jīng)隔離、放大后，驅(qū)動(dòng)由IGBT構(gòu)成的三相逆變器，使之輸出SPWM的波形，實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速，整個(gè)過程可由單片機(jī)來控制，用到了專門用于產(chǎn)生SPWM波形的芯片HEF4752，自身帶有過電流，過電壓，過熱，短路等保護(hù)設(shè)計(jì)的IGBT的集成芯片IPM，專門用于鍵盤，顯示電路的8279芯片，和C51，8253等芯片，使整個(gè)調(diào)速的過程變得簡單了不少，由于采用了閉環(huán)控制，使得變頻調(diào)速所達(dá)到的結(jié)果更加精確，轉(zhuǎn)速檢測部分采用了M/T測速法，即采用了光電碼盤測速，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度。隨著全球能源的不斷的緊張和變頻技術(shù)的不斷的成熟，這種微機(jī)控制的變頻調(diào)速將得到越來越多的關(guān)注。交流調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)：(1)在傳統(tǒng)的可調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)占絕對優(yōu)勢。但是直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，又有換向器和電刷，在運(yùn)行中常出故障。與此相反，鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。但是交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速困難。自從上世紀(jì)80年代初交流變頻技術(shù)出現(xiàn)以來，使用變頻調(diào)速器和調(diào)節(jié)器來進(jìn)行交流電動(dòng)機(jī)無級調(diào)速成為可能。它具有調(diào)速范圍寬，穩(wěn)速精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，運(yùn)行可靠等技術(shù)性能，已逐步取代直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。所以，研究交流調(diào)速很有意義，這也是我們立體原因所在。(2)交流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及節(jié)省電能方面帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，發(fā)展表明，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及社會(huì)發(fā)展的需要推動(dòng)了交流調(diào)速的飛速發(fā)展；現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和應(yīng)用，電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，微機(jī)控制技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展和應(yīng)用為交流調(diào)速的飛速發(fā)展創(chuàng)造了技術(shù)和物質(zhì)條件，現(xiàn)在，交流調(diào)速系統(tǒng)正在逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。交流調(diào)速在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中占據(jù)了統(tǒng)治地位已是公認(rèn)的事實(shí)。 單片機(jī)控制變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)： 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無論是生產(chǎn)還是生活當(dāng)中，人民對數(shù)字化信息的依賴程度越來越高。單片機(jī)已經(jīng)在交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛地應(yīng)用。例如由Intel公司1983年開發(fā)生產(chǎn)的MCS-96系列是目前性能較高的單片機(jī)系列之一，適用于高速、高精度的工業(yè)控制。其高檔型：8196KB、8196KC、8196MC等在通用開環(huán)交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用較多。在交流調(diào)速的研究與制造過程中，速度的控制十分重要，能夠達(dá)到準(zhǔn)確無誤的控制是十分關(guān)鍵的，這就需要對速度不斷的檢測和反饋，因此必須要建立閉環(huán)控制系統(tǒng)，讓計(jì)算機(jī)對檢測到的實(shí)際電動(dòng)機(jī)的信號(hào)與用戶所給定的信號(hào)不斷的比較，最終達(dá)到以致的結(jié)果，這樣控制，系統(tǒng)的精確性相比過去的開環(huán)調(diào)速得到很大的提高，也成為以后精確調(diào)速的一個(gè)發(fā)展的方向，有很大的發(fā)展市場。近十幾年來，由于微機(jī)控制技術(shù)，特別是以單片機(jī)及數(shù)字信號(hào)處理器 DSP 為控制核心的微機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用以及大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，促使交流調(diào)速系統(tǒng)的控制回路由模擬控制轉(zhuǎn)向數(shù)字控制。全數(shù)字化的交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。數(shù)字化使得控制器對信息處理能力大幅度提高，許多難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制，如矢量控制中的復(fù)雜坐標(biāo)變換運(yùn)算、解耦控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、參數(shù)辨識(shí)的自適應(yīng)控制等，采用微機(jī)控制器后便都解決了。高性能的矢量控制系統(tǒng)如果沒有微機(jī)的支持是不可能真正實(shí)現(xiàn)的。此外，微機(jī)控制技術(shù)又給交流調(diào)速系統(tǒng)增加了多方面的功能，特別是故障診斷技術(shù)得到了完全的實(shí)現(xiàn)。微機(jī)控制技術(shù)及大規(guī)模集成電路的應(yīng)用提高了交流調(diào)速系統(tǒng)的可靠性和操作、設(shè)置的多樣性和靈活性，降低了變頻調(diào)速裝置的成本和體積。以微處理器為核心的數(shù)字控制已經(jīng)成為現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的主要特征之一。 展望：由于交流電機(jī)控制理論不斷發(fā)展，各種總線也扮演了相當(dāng)重要的角色,STD總線、工業(yè)PC總線、現(xiàn)場總線以及CAN總線等在交流調(diào)速系統(tǒng)的自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域起到了重要的作用。尤其是計(jì)算機(jī)在調(diào)速過程中的比較控制方面（即閉環(huán)反饋方面）綜觀交流調(diào)速發(fā)展過程和現(xiàn)狀，可以看出交流調(diào)速技術(shù)今后發(fā)展趨勢和動(dòng)向如下： 以取代直流調(diào)速系統(tǒng)為目標(biāo)的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的進(jìn)一步研究與開發(fā)。新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)功率變換器的研究與開發(fā)。 PWM 模式的改進(jìn)和優(yōu)化。中壓變頻裝置（我國稱為高壓變頻裝置）的研究與技術(shù)開發(fā)1. 系統(tǒng)的組成研究 在這部分中主要從系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)上對我們所研究的的內(nèi)容加以了詳細(xì)的說明,系統(tǒng)的各個(gè)模塊,各模塊的作用,以及它們的一些優(yōu)點(diǎn),在這章都有說明。1.1 系統(tǒng)的硬件框圖 圖1-1 系統(tǒng)的硬件框圖本系統(tǒng)主要由：主電路，單片機(jī)系統(tǒng)，檢測保護(hù)電路，鍵盤顯示電路組成，詳細(xì)見附錄2系統(tǒng)原理圖1。1.2 系統(tǒng)的各組成部分研究 在這一部分當(dāng)中主要包括:系統(tǒng)主電路;單片機(jī)系統(tǒng);檢測保護(hù)電路。詳細(xì)電路見附錄原理圖。1.2.1系統(tǒng)的主電路 主電路采用了交直交變頻器，工作原理即：先將工頻交流電源通過整流器變換成直流電，再通過逆變器變換成可控頻率和電壓的交流電，由于這類變壓變頻器在恒頻交流電源和變頻交流輸出之間有一個(gè)“中間直溜環(huán)節(jié)”，所以又稱間接式變頻器。它又分為電壓源型和電流源型兩種，電壓源型采用較大電容量的電容器進(jìn)行濾波，直流電路電壓波形平直，輸出阻抗小，電壓不易變化，相當(dāng)于直流恒壓源，它在當(dāng)前中小功率變頻調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。如下：圖1-2 圖1-2 交-直-交變頻電源整流部分原理圖如圖1-3，其中A，B，C是交流電輸入端，接有熔絲，當(dāng)出現(xiàn)電流過大時(shí)熔絲會(huì)自動(dòng)熔斷，起到保護(hù)整個(gè)電路的作用，在整流電路入口還接有電容和電阻，能夠起到抗干擾的作用，使得系統(tǒng)的性能更加的穩(wěn)定；逆變部分采用了IPM，專用的IGBT逆變集成芯片，因?yàn)樗膬?yōu)點(diǎn)比較多，而且用起來比較方便，所以得到廣泛的應(yīng)用（關(guān)于IPM具體的功能見它的芯片介紹）7。 圖1-3 系統(tǒng)整流部分原理圖1.2.2單片機(jī)系統(tǒng) 這部分包括單片機(jī)的控制和鍵盤顯示系統(tǒng)兩個(gè)主要部分，以及以及中間用到的一些現(xiàn)在經(jīng)常采用的一些比較先進(jìn)的，可以代替大塊的硬件電路的芯片的運(yùn)用。 (1)單片機(jī)最小系統(tǒng) 本裝置的單片機(jī)控制系統(tǒng)是整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的測控中樞，主要完成對整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的檢測，控制，保護(hù)等工作。在啟動(dòng)前，單片機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行啟動(dòng)前的檢測，在保證電路電壓，電流正常，且無電流沖擊的情況下允許啟動(dòng)；正常運(yùn)行時(shí)單片機(jī)控制集成觸發(fā)芯片HEF4752V產(chǎn)生PWM信號(hào)的同時(shí)，還要完成對轉(zhuǎn)速的檢測，PID數(shù)字調(diào)節(jié)的運(yùn)算與處理，監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行等功能。若系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則進(jìn)行保護(hù)處理，并根據(jù)檢測結(jié)果顯示相應(yīng)的故障狀態(tài)。單片機(jī)控制系統(tǒng)還具備了必要的人機(jī)交互功能，通過鍵盤設(shè)置或修改系統(tǒng)運(yùn)行及控制參數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，選用8051芯片2作為系統(tǒng)主機(jī)，如下圖1-4所示。 圖1-4 單片機(jī)最小系統(tǒng)8051內(nèi)部只有4K的ROM，因此利用8KB的EPROM 2764進(jìn)行擴(kuò)展。8051的P0口經(jīng)地址鎖存器74LS373與2764的A0-A7相連；P2口的低5位P2.0-P2.4接2764的A8-A12，P0口同時(shí)又接與2764的數(shù)據(jù)線D0-D7相連；EPROM的片選信號(hào)來自8051的PSEN。 6264為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用于對8051的RAMA進(jìn)行擴(kuò)展。8051的P0口經(jīng)地址鎖存器74LS373與6264的A0-A7相連；P2口的低5位P2.0-P2.4接6264的A8-A12，P0口同時(shí)又直接于2764的數(shù)據(jù)線D0-D7相連；6264的片選信號(hào)來自譯碼器74LS138的Y12。 (2)鍵盤顯示電路 鍵盤/顯示電路采用了Intel8279專用鍵盤/顯示控制芯片，它具有顯示器自動(dòng)掃描，識(shí)別，閉合鍵的鍵號(hào)自動(dòng)識(shí)別的功能，能自動(dòng)向LED顯示器輸出顯示字符的段選碼和位選碼，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描，可代替CPU完成對鍵盤和顯示器的控制，減輕CPU的負(fù)擔(dān)，而且顯示穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作，其最大的鍵盤配置可達(dá)64個(gè)，最多可接16位顯示器，完全滿足系統(tǒng)的要求。8279與8051接口也十分方便。這樣既簡化了電路設(shè)計(jì)，又提高了CPU的工作效率。具體應(yīng)用電路如下：圖1-5所示。 圖1-5 鍵盤顯示電路本系統(tǒng)采用了16個(gè)按鍵的配置，即10個(gè)數(shù)字鍵和6個(gè)功能鍵。數(shù)字鍵為0-9，功能鍵為R-啟動(dòng)鍵，PID-PID參數(shù)設(shè)置，SPEED-電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置鍵，ENTER-設(shè)置確認(rèn)鍵，P/N-正反轉(zhuǎn)控制鍵，S-停止鍵。SL0-SL2接譯碼器74LS138的輸入端譯碼器的輸出Y0，Y1作為鍵盤行掃描線，查詢線則由反饋輸入線RL0-RL7提供。 為了能夠精確的顯示PID 參數(shù)，電機(jī)轉(zhuǎn)速等系統(tǒng)的運(yùn)行的參數(shù)，以及能夠詳盡地描述系統(tǒng)的啟動(dòng)，控制等運(yùn)行狀態(tài)。本系統(tǒng)采用8位8段共陰極LED顯示器，LED的位選線由掃描線SL0-SL2經(jīng)3-8譯碼器，驅(qū)動(dòng)器提供，段選線OUTB0-OUTB3，OUTA0-OUTA3通過驅(qū)動(dòng)器提供。8279的中斷請求信號(hào)IRQ經(jīng)過反向器與8051的 相連。ALE作為8279的時(shí)鐘信號(hào)直接連到其CLK端，由8279設(shè)置適當(dāng)?shù)姆诸l數(shù)，分頻至100KKz。P0口作為數(shù)據(jù)線，用于向8279寫入顯示字，控制字以及讀回按鍵的鍵值。， 是讀/寫控制線， 作為8279的片選信號(hào)。3 在本文中，主要用于用戶的輸入和輸入值，及轉(zhuǎn)速的顯示等，具體的見程序流程。 (3)逆變器觸發(fā)單元設(shè)計(jì)逆變器觸發(fā)單元以8051單片機(jī)為核心，由可編程記數(shù)/定時(shí)器825310，PWM信號(hào)發(fā)生器HEF4752V等組成。8051主要完成控制工作，并向8253送時(shí)間常數(shù)和控制字；8253的3個(gè)計(jì)數(shù)器用以產(chǎn)生HEF4752V所需要的4個(gè)時(shí)鐘輸入fVCT,fOCT,fFCT,fRCT;HEF4752V是用以產(chǎn)生PWM逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。單元結(jié)構(gòu)如下：圖1-6所示： 圖1-6 逆變器觸發(fā)單元設(shè)計(jì) 8253是可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器芯片，包含3個(gè)獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)器。8253可用6種模式進(jìn)行工作（詳細(xì)見8253芯片介紹），全部功能都由軟件來確定，圖中8253的CLK0-2接10MHz時(shí)鐘，GATE0-2為3個(gè)計(jì)數(shù)器的允許/禁止端，OUT0-2為3個(gè)計(jì)數(shù)通道的輸出端，分別接HEF4752V的FCT，VCT，RCT和OCT。將8253的3個(gè)通道設(shè)定為方式3及計(jì)數(shù)分頻模式，改變通道的分頻數(shù)，即可改變對應(yīng)的時(shí)鐘輸出，從而控制HEF4752V產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號(hào)1(其中HEF4752Z所需要的四路時(shí)鐘信號(hào)fVCT,fOCT,fFCT,fRCT的具體的情況見附錄1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中關(guān)于它們的計(jì)算選擇)。1.2.3 檢測保護(hù)電路13 圖1-7 轉(zhuǎn)速檢測電路本系統(tǒng)采用M/T測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，脈沖發(fā)生器則采用紅外線發(fā)射及接收器件TLP947，在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上應(yīng)有黑白相間條紋的鋁環(huán)，當(dāng)鋁環(huán)隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由TLP947作為脈沖發(fā)生器可以產(chǎn)生一系列脈沖，單片機(jī)則可以進(jìn)行M/T法測速，測速裝置屬于反饋環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)用光電碼盤測速，每轉(zhuǎn)1024個(gè)脈沖作為轉(zhuǎn)速傳感器，和硬件8051相連接，記錄碼盤脈沖個(gè)數(shù)，其中關(guān)于測速的計(jì)算為： 因?yàn)榇a盤上有1024個(gè)脈沖傳感器，就相當(dāng)于1024個(gè)小孔，由發(fā)光二極管照在上面，當(dāng)經(jīng)過一個(gè)小孔就有一個(gè)高電平被送到了單片機(jī)當(dāng)中，假設(shè)按秒計(jì)算，如果在1秒內(nèi)收到了N個(gè)信號(hào)，則證明有N個(gè)高電平已經(jīng)發(fā)出，既經(jīng)過了N個(gè)小孔，所以轉(zhuǎn)過的圈數(shù)就是N/1024，所以每分鐘就時(shí)60N/1024圈每秒，得到的也就時(shí)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際的轉(zhuǎn)速，用碼盤測速在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)可以獲得較滿意的效果。轉(zhuǎn)速測量電路如上圖1-7所示。 在本系統(tǒng)中通過上圖轉(zhuǎn)速檢測電路檢測到一個(gè)個(gè)的電頻信號(hào)，并送到了C8051單片機(jī)中，進(jìn)行記數(shù)，計(jì)算，最終得到的就是電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速檢測電路也是本系統(tǒng)的閉環(huán)控制部分，它首先是一個(gè)檢測電路，通過M/T測速得到了電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，其次，它把得到的轉(zhuǎn)速送回了單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行比較處理，既用戶輸入的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與實(shí)際的轉(zhuǎn)速相比較，即讓兩個(gè)值做差，看哪個(gè)值大，如果實(shí)際的大就讓電動(dòng)機(jī)進(jìn)行減速處理，如果用戶輸入的值大就讓電動(dòng)機(jī)進(jìn)行減速處理，也就是我們在后面說到的PID調(diào)節(jié)，就如上面它的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖所示的那樣，通過閉環(huán)控制使得調(diào)速更精確，系統(tǒng)的性能大大的得到了改善8。2. 系統(tǒng)的工作原理介紹 本章主要介紹了電機(jī)調(diào)速的工作原理，以及交流調(diào)速的脈寬調(diào)制（PWM），祥見各節(jié)介紹。2.1調(diào)速的工作原理介紹 由異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式n = 60 f1(1-s)/ p 可知,當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí),基本上正比于 f1,所以改變供電電源頻率 f1,即可調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方法,可以獲得很大的調(diào)速范圍,很好的調(diào)速平滑性和相對穩(wěn)定性5。 變頻調(diào)速的基本控制方式在進(jìn)行異步電機(jī)調(diào)速時(shí)，希望保持電機(jī)中每極磁通量m為額定量不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的鐵心，也不能產(chǎn)生足夠的電磁力矩，影響電機(jī)的加減速時(shí)的快速性；如果增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞電機(jī)。三相異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢的有效值是Eg = 4.44 f1N1KNm 式中， f1定子頻率； N1定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； KN 基波繞組系數(shù)； m每極氣隙磁通量。由式Eg = 4.44 f1N1KN m 可知，N1、KN 是常數(shù)，只要控制好Eg和 f1，便可達(dá)到控制磁通m的目的。對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。(1)基頻以下調(diào)速 由式Eg = 4.44 f1N1KN m 可知，要保持m不變，當(dāng)頻率 f1從額定值 f1 向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低Eg,使 ：Eg /f1 = 常值 Eg = 4.44 f1N1KNm 即采用恒定的電動(dòng)勢頻率比的控制方式。然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢是難以直接測量的，當(dāng)電動(dòng)勢的值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓U1 Eg,則得 ：U1/ f1 = 常值，這是恒壓頻比的控制方式。低頻時(shí)，U1和Eg都較小，定子漏阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不能再忽略，這時(shí)，可以人為的把電壓U1抬高一些，以便近似的補(bǔ)償定子漏阻抗壓降。其控制特性如圖2-1所示。 1-不帶定子壓降補(bǔ)償； 2-帶定子壓降補(bǔ)償 圖2-1 恒壓頻比控制特性 (2)基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從 f1 向上增高，但電壓U1卻不能超過電機(jī)的額定電壓U1 ，最多只能保持U1 =U1 。由式Eg = 4.44 f1N1KN m可知，這將迫使磁通與頻率成反比的降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。把基頻以下和基頻以上的情況結(jié)合起來可得下圖所示的異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速控制特性。 圖2-2 異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速控制特性 如果電動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，即電機(jī)都能在溫升允許情況下長期運(yùn)行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。根據(jù)電力拖動(dòng)原理，在基頻以下，磁通恒定時(shí)轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì)；而在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時(shí)轉(zhuǎn)矩降低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”4。 恒壓恒頻時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性：根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，在下述假定條件下：(1)忽略空間和時(shí)間諧波，(2)忽略磁飽和，(3)忽略鐵損，異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路如圖2-3所示： 圖2-3 異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路圖 R1、 R2 定子每相電阻和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻； Ll1、 Ll2定子每相漏感和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感； Lm 定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的等效電感，即勵(lì)磁電感； U1、1 電動(dòng)機(jī)定子相電壓和供電角頻率； s轉(zhuǎn)差率； Eg 氣隙磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢； Es 定子全磁通的感應(yīng)電動(dòng)勢； Er 轉(zhuǎn)子全磁通的感應(yīng)電動(dòng)勢（折合到定子邊）。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)定子電壓U1和電源角頻率1都是恒定值時(shí)，電機(jī)的機(jī)械特性方程式為 (2-1)當(dāng) s 很小時(shí)，可忽略上式分母中含 s 的各項(xiàng)，則： (2-2) 即 s 很小時(shí)，轉(zhuǎn)矩近似與 s 成正比，機(jī)械特性Te = f (s)是一段直線 圖2-4 恒壓恒頻時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性當(dāng) s 接近于 1 時(shí)，可忽略式(2-1)分母中的R2，則 (2-3) 即 s 接近于 1 時(shí)轉(zhuǎn)矩近似與 s 成反比，這時(shí)，Te = f (s)是對稱于原點(diǎn)的一段雙曲線。當(dāng) s 為以上兩段的中間數(shù)值時(shí)，機(jī)械特性從直線段逐漸過渡到雙曲線段，如圖2-4。 本文設(shè)計(jì)的PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)。它的工作原理是：采用三相二級管整流電路 所示。將三相交流電變成直流電；整流后的電壓波形是脈動(dòng)的，脈動(dòng)的直流電經(jīng)過平波電抗器Ld,濾波電容C的濾波后變?yōu)殡妷汉愣ǖ闹绷麟?；通過改變IGBT的1，2；1，6；3，4；3，2；5，4；5，6；各組成交替導(dǎo)通的時(shí)間來改變逆變器輸出波形的頻率；在每組IGBT控制的周期內(nèi)，改變他們通斷的時(shí)間比，即通過改變脈沖寬度來改變逆變器輸出電壓幅值的大小。如果使每組開關(guān)元件在其控制周期內(nèi)反復(fù)通斷，多次，并使每個(gè)輸出矩形脈沖波形波電壓下的面積接近于對應(yīng)的正玄波。此時(shí)的三相正玄波就可以作為異步電動(dòng)機(jī)的供電電源，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平滑啟動(dòng)，停車和寬范圍調(diào)速7。2.2 交流調(diào)速的脈寬調(diào)制(PWM)控制技 脈寬調(diào)制技術(shù)（Pulse Width ModulationPWM）是指利用全控型電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，實(shí)現(xiàn)變壓、變頻控制并且消除諧波的技術(shù)，簡稱 PWM 技術(shù)。變頻調(diào)速系統(tǒng)采用 PWM 技術(shù)不僅能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)變壓變頻控制要求，而且更重要的是抑制逆變器輸出電壓或電流中的諧波分量，從而降低或消除了變頻調(diào)速時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高了電機(jī)的工作效率和調(diào)速系統(tǒng)性能。目前，實(shí)際工程中主要采用的 PWM 技術(shù)是正弦 PWM(SPWM)，使變頻器輸出電壓或電流波形更接近于正弦波形。SPWM 方案多種多樣，歸納起來可以分為電壓正弦 PWM、電流正弦 PWM 和磁通正弦 PWM 等三種基本類型，其中電壓正弦 PWM 和電流正弦 PWM是從電源角度出發(fā)的 SPWM，磁通正弦 PWM(也稱為電壓空間矢量 PWM)是從電機(jī)角度出發(fā)的 SPWM。正弦波 PWM 調(diào)制原理為：調(diào)制信號(hào)為正弦波的脈寬調(diào)制叫做正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)，產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波是等幅而不等寬的脈沖列，脈寬調(diào)制的方法很多，從脈寬調(diào)制的極性上看，有單極性和雙極性之分；從載波和調(diào)制波的頻率之間的關(guān)系來看，又有同步調(diào)制、異步調(diào)制和分段同步調(diào)制。圖2-512為 PWM 逆變器的主電路6。 圖2-5 PWM逆變器的主電路圖2-6所示為雙極性脈寬調(diào)制波形，圖中三角波UC 為載波，正弦波UM 為調(diào)制波，當(dāng)載波與調(diào)制波曲線相交時(shí)，在交點(diǎn)的時(shí)刻產(chǎn)生控制信號(hào)，用來控制功率開關(guān)器件的通斷，就可以得到一組等幅而脈沖寬度正比于對應(yīng)區(qū)間正弦波曲線函數(shù)值的矩形脈沖Ud 。 圖2-6 雙極性脈寬調(diào)制波形SPWM 逆變器輸出基波電壓的大小和頻率均由調(diào)制電壓來控制。當(dāng)改變調(diào)制電壓的幅值時(shí)，脈寬隨之改變，即可改變輸出電壓的大??；當(dāng)改變調(diào)制電壓的頻率時(shí)，輸出電壓頻率隨之改變。但正弦調(diào)制波最大幅值必須小于三角波的幅值，否則輸出電壓的大小和頻率就將失去所要求的配合關(guān)系。在實(shí)行 SPWM 脈寬調(diào)制時(shí)，同步調(diào)制和異步調(diào)制優(yōu)缺點(diǎn)如下： (1)同步調(diào)制 在同步調(diào)制方式中，載波比 N 等于常數(shù)，變頻時(shí)三角載波的頻率與正弦調(diào)制波的頻率同步改變，因而逆變器輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)是固定不變的。如果取 N 為 3 的倍數(shù)，則同步調(diào)制能保證輸出波形的正、負(fù)半波始終保持對稱，并能嚴(yán)格保證三相輸出波形間具有互差120o的對稱關(guān)系。當(dāng)輸出頻率很低時(shí)，由于相鄰兩脈沖間的間距增大，諧波會(huì)顯著增加，使電機(jī)產(chǎn)生較大的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較強(qiáng)的噪聲。 (2)異步調(diào)制 異步調(diào)制是逆變器的整個(gè)變頻范圍內(nèi)，載波比 N 不等于常數(shù)。一般在改變調(diào)制信號(hào)頻率時(shí)保持三角載波頻率不變，因而提高了低頻時(shí)的載波比。這樣輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖可隨輸出頻率的降低而增加，相應(yīng)的可減少電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與噪聲，改善了系統(tǒng)的低頻工作性能。 異步調(diào)制方式的缺點(diǎn)是當(dāng)載波比 N 隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時(shí)，它不可能總是 3 的倍數(shù)，勢必使輸出電壓波形及其相位都發(fā)生變化，難以保持三相輸出的對稱性，因而引起電機(jī)工作不平穩(wěn)。 (3)混合調(diào)制 混合調(diào)制綜合了上面兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，把整個(gè)變頻范圍劃分為若干頻段，在每個(gè)頻段內(nèi)都維持載波比 N 恒定，而對不同的頻段取不同的 N 值，頻率低時(shí)，N 取大些，一般大致按等比級數(shù)安排。產(chǎn)生 SPWM 調(diào)制信號(hào)主要有三種方法： (1)采用分立元件的模擬電路法，缺點(diǎn)是精度低、穩(wěn)定性差、實(shí)現(xiàn)過程復(fù)雜以及調(diào)節(jié)不方便等，該方法目前基本不用。 (2)采用專用集成電路芯片產(chǎn)生 SPWM 信號(hào)，如常用的 HE4752 芯片等 這些芯片的應(yīng)用使變流器的控制系統(tǒng)得以簡化，但由于這些芯片本身的功能存在不足之處，致使它們的應(yīng)用受到限制4。 (3)單片機(jī)數(shù)字編程法，其中高檔單片機(jī)將 SPWM 信號(hào)發(fā)生器集成在單片機(jī)內(nèi)，使單片機(jī)和 SPWM 信號(hào)發(fā)生器容為一體，從而較好地解決了波形精度低、穩(wěn)定性差、電路復(fù)雜、不易控制等問題，并且可以產(chǎn)生多種 SPWM 波形，實(shí)現(xiàn)各種控制算法和波形優(yōu)化, Intel 公司推出的 16 位單片機(jī) 8XC196MC 就是這樣一種具有高性能的特別適用于 PWM 控制技術(shù)的單片機(jī)。 其中SPWM 的數(shù)字控制有自然采樣法和規(guī)則采樣法兩種，其中自然采樣法計(jì)算比較復(fù)雜，不適合用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，一般采用規(guī)則采樣法，具體的原理如下所述： 圖2-7所示為規(guī)則采樣 I 法。它是在三角波每一周期的正峰值時(shí)找到正弦調(diào)制波上的對應(yīng)點(diǎn)，即圖中 D 點(diǎn)，求得電壓值ucd 。用此電壓值對三角波進(jìn)行采樣，得 A、B 兩點(diǎn)。就認(rèn)為他們是 SPWM 波形中脈沖的生成時(shí)刻，A、B 之間就是脈寬時(shí)間t2。規(guī)則采樣 I 法的計(jì)算顯然比自然采樣法簡單，但從圖中可以看出，所得的脈沖寬度將明顯的偏小，從而造成較大的控制誤差。這是由于采樣電壓水平線與三角載波的交點(diǎn)都處于正弦調(diào)制波的同一側(cè)造成的。 為了減小誤差，可對采樣時(shí)刻作另外的選擇，這就是圖2-7所示的規(guī)則采樣 II法。圖中仍在三角載波的固定時(shí)刻找到正弦調(diào)制波上的采樣電壓值，但所取的不是三角載波的正峰值，而是其負(fù)峰值，得圖中 E 點(diǎn)，采樣電壓為uce。在三角載波上由uce水平線截得 A、B 兩點(diǎn)，從而確定了脈寬時(shí)間。由于 A、B 兩點(diǎn)坐落在正弦調(diào)制波的兩側(cè)，因此，減少了脈寬生成誤差，所得的 SPWM 波形也就更準(zhǔn)確了。 由圖可以看出，規(guī)則采樣法的實(shí)質(zhì)是用階梯波代替正弦波，從而簡化了算法。只要載波比足夠大，不同的階梯波都很逼近正弦波，所造成的誤差就可以忽略不計(jì)了。在規(guī)則采樣法中，三角載波每個(gè)周期的采樣時(shí)刻都是確定的，都在正峰值或負(fù)峰值處，不必作圖就可計(jì)算出相應(yīng)時(shí)刻的正弦波值，因而脈寬時(shí)間和間歇時(shí)間可以很容易計(jì)算出來。由圖可得規(guī)則采樣法 II 的計(jì)算公式： (2-4) (2-5)若變頻調(diào)速系統(tǒng)用于三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速還應(yīng)形成三相的 SPWM 波形。即使三相正弦調(diào)制波在時(shí)間上互差2 /3，而三角載波是共用的，這樣就可在同一個(gè)三角載波周期內(nèi)獲得圖5 中所示的三相 SPWM 脈沖波形。在圖2-8 中，每相的脈寬時(shí)間ta 、tb 和tc 都可用公式計(jì)算： 圖2-7 生成SPWM波形的規(guī)則采樣法 圖2-8 三相SPWM波形即： (2-6) 三相脈寬時(shí)間的總和為： (2-7)三相間歇時(shí)間總和為： (2-8)在數(shù)字控制中用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)產(chǎn)生 SPWM 波形就是基于上述的采樣原理和計(jì)算公式。3. 閉環(huán)調(diào)速的實(shí)現(xiàn) 3.1 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖3-1 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 注釋：系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖所示的就示系統(tǒng)的閉環(huán)控制部分，這部分通過轉(zhuǎn)速檢測電路把實(shí)際的轉(zhuǎn)速反饋回計(jì)算機(jī)，然后通過進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，再通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行，使得輸出速度與用戶輸入速度相一致，完成速度閉環(huán)控制的目的。通過這部分可以使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速得到更精確的控制，在這部分當(dāng)中具體涉及到的轉(zhuǎn)速檢測部分見第1章的介紹，轉(zhuǎn)速反饋見后面介紹3。 3.2 工作原理的介紹 閉環(huán)控制就是反饋控制，它是自動(dòng)控制系統(tǒng)最基本的控制方式，也是應(yīng)用最廣泛的一種控制方式，它是按偏差進(jìn)行控制的，其特點(diǎn)是不論什么原因使被控量離期望值出現(xiàn)偏差時(shí)，必定會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的控制作用去減小或消除這個(gè)偏差，使被控量與期望值趨于一致，在本文中這個(gè)反饋量就是速度，閉環(huán)控制中的差值就是e(k)=e(用戶)-e(實(shí)際)，即進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)的就是這個(gè)偏差，使它盡量減小到0，即用戶輸入速度與實(shí)際速度相一致，在本文中實(shí)現(xiàn)這一部分功能的就是PID調(diào)節(jié)。 3.2.1 PID應(yīng)用的介紹 PID控制算法介紹：在數(shù)字計(jì)算機(jī)中，PID控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)，也必須用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，用求和代替積分，用差商代替微商，使PID算法離散化，將描述連續(xù)-時(shí)間PID算法的微分方程，變?yōu)槊枋鲭x散-時(shí)間PID算法的差分方程。 (1)PID算法分為：位置式PID控制算法；增量式PID控制算法；速度式PID控制算法三種，這三種算法的選擇，一方面要考慮執(zhí)行器件的形式，另一方面要分析應(yīng)用時(shí)的方便性。位置算法的輸出除非用數(shù)字式控制閥可直接連接外，一般須經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換為模擬量，并通過保持電路，把輸出信號(hào)保持到下一個(gè)采樣周期的輸出信號(hào)到來時(shí)為止；增量算法的輸出可通過步進(jìn)電機(jī)等累積機(jī)構(gòu)化為模擬量，而速度算法的輸出須采用積分式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 (2)本系統(tǒng)采用了增量式PID控制算法，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對值，而是控制量的增量（例如去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）時(shí)，需要用PID的“增量算法”。簡化示意圖和控制算法如下： 圖3-2 增量式PID控制算法的簡化示意圖由位置算法求出 (3-1)再求出 (3-2)兩式相減，得出控制量的增量算法 (3-3)式(3-3)稱為增量式PID算法。對增量式PID算法（3-1）歸并后，得： (34)其中： 從(3-4)已看不出是PID的表達(dá)式了，也看不出P、I、D作用的直接關(guān)系，只表示了各次誤差量對控制作用的影響。從式(3-4)看出，數(shù)字增量式PID算法，只要貯存最近的三個(gè)誤差采樣值e(k)、e(k-1)、e(k-2)就足夠了。 所以: u(k)u(k-1); e(k-1)e(k-2); e(k)e(k-1) 最后輸出u(k)由計(jì)算機(jī)來加載PWM,進(jìn)行調(diào)速。（具體的見3.2.2 調(diào)速閉環(huán)控制介紹。） 3.2.2 調(diào)速閉環(huán)控制介紹 本文中關(guān)于PID控制調(diào)速部分實(shí)際上就是上面介紹的用u(k)來加載PWM的過程，它的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-3所示： 圖3-3 調(diào)速閉環(huán)控制動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖在本系統(tǒng)中閉環(huán)控制起到了使系統(tǒng)調(diào)速達(dá)到更快速，更精確的目的，具體的調(diào)速原理如下： 當(dāng)用戶由鍵盤輸入想要達(dá)到的速度后，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理送到主芯片C8051，然后控制8253給HEF4752送控制字，達(dá)到調(diào)速目的，其中在不斷的轉(zhuǎn)速檢測閉環(huán)反饋的過程中進(jìn)行著不斷的PID比較調(diào)節(jié)和加載PWM，在經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后會(huì)輸出一個(gè)u(k)，它的范圍為(-5V，+5V)，這個(gè)u(k)就對應(yīng)一個(gè)實(shí)際的頻率，即用戶可以進(jìn)行識(shí)別調(diào)制的頻率，我們可以考慮到精確度把它對應(yīng)著實(shí)際頻率等份的越多越精確，在這里考慮到計(jì)算問題，我們把它們對應(yīng)著分成了100等份，但是這個(gè)頻率卻不是計(jì)算機(jī)所直接控制的頻率，計(jì)算機(jī)主要控制PWM的專用芯片HEF4752的FCT，VCT，RCT，OCT，來驅(qū)動(dòng)IPM中的IGBT導(dǎo)通時(shí)間的長短，這樣就可達(dá)到改變加在電機(jī)定子上的實(shí)際電壓的多少，達(dá)到調(diào)速的目的，所以再K斜率選中后我們剩下的就是來調(diào)頻率了，即主要由計(jì)算機(jī)來查表調(diào)用fFCT和fVCT就可以了，所以根據(jù)原理我們把u(k)分成了100等份，對應(yīng)100份頻率，列表，這樣輸出的u(k)是多少對應(yīng)著查表就可以知道現(xiàn)在的實(shí)際頻率了，或輸入實(shí)際的頻率就可以知道輸出的u(k)的大小了，再列表對應(yīng)加在電機(jī)上的實(shí)際電壓U實(shí)，送入HEF4752的四個(gè)輸入信號(hào)FCT，VCT，RCT，OCT，其中主要為FCT，VCT，用計(jì)算機(jī)調(diào)用表中的值就可以進(jìn)行閉環(huán)調(diào)速的控制了，其中各個(gè)對應(yīng)關(guān)系為：u(k)f實(shí)際；f實(shí)際U實(shí)；fFCTf實(shí)際；fVCTf實(shí)際但由于計(jì)算復(fù)雜，在實(shí)際列表中我們只列出了一些，并且表3-1如下所示：表3-1 調(diào)速對應(yīng)表Uk(V)-5-4.9-4.8-4.7-4.6.0. 5電機(jī)實(shí)際頻率f（Hz）01234.50. 100加在電機(jī)上的實(shí)際電壓U(v)512.52027.535.380. 380對應(yīng)fFCT（kHz）0.842.97365.10727.24089.3744.107.52. 214.2fFCT對應(yīng)的8253的16進(jìn)制2E8AD237A656542B.21. . 2F對應(yīng)的fVCT（kHz）3Hz2.835.668.4911.32.141.3 . 283fVCT對應(yīng)的16進(jìn)制32DCD5DCE6E749A2C4.47.23 注釋：在調(diào)速的過程中主要是來設(shè)定HEF4752的四路時(shí)鐘，所以根據(jù)實(shí)際情況需要在這里我們進(jìn)行一設(shè)計(jì)些說明，其中有些在HEF4752芯片介紹時(shí)已經(jīng)做了說明。(1)fFCT的設(shè)置 設(shè)定輸出頻率fout與變換次數(shù)D有關(guān)系，fout=0.25HzD取D為1-255之間的整數(shù)，則fout的范圍為0.25Hz,63.75Hz，由式fFCT=3360fout得 fFCT的范圍為0.84KHz,214.2KHz,所以在計(jì)算中，我們對應(yīng)不同的頻率來設(shè)置不同fFCT，把它分成了100份。(2)fVCT的設(shè)置 在一般情況下，電動(dòng)機(jī)的額定電壓Un=380V,額定頻率fn=50Hz則fVCT的標(biāo)稱值fVCT（nom）可接下式計(jì)算，即： fout(m)=fn0.624Ud/Un=500.6241.35380/380=42.1(Hz) fvct(nom)=6720fout(m)=672042.1=283(KHz)式中的Ud為逆變器直流側(cè)的電壓，fout(m)為臨界輸出頻率，電動(dòng)機(jī)低頻或高頻工作時(shí)，fvct取小于fvct(nom)的適當(dāng)值，以補(bǔ)償U(kuò)out,維持電機(jī)工作在恒磁通狀態(tài)。而中間頻率對應(yīng)的fvct(nom)。該控制器的低頻補(bǔ)償范圍為0.25-6Hz,而在本文中我們?nèi)?Hz作為低頻補(bǔ)償。(3)fRCT的設(shè)置 實(shí)例表明，IGBT的開關(guān)頻率，以取1KHz左右比較合適，若取frct=400kHz,則由fRCT=280fc.max得fc.max=1.43KHz，fc.max=0.6fc.max0.86KHz，逆變器得實(shí)際開關(guān)頻率，被限制在0.86KHz-1.43KHz范圍內(nèi)。(4)fOCT的設(shè)置 為了防止逆變器同一橋臂上下開關(guān)元件在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生直通現(xiàn)象，須設(shè)置延遲時(shí)間Td，通常在fout=10Hz的時(shí)候，取Td=4s,因該控制器K接高電平，故fout=16/Td,得fout=10Hz時(shí)，foct=4MHz. 關(guān)于系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)見附錄流程圖和控制程序，主芯片C8051控制8253，再由8253控制HEF4752產(chǎn)生PWM，由PWM去驅(qū)動(dòng)IPM，最后控制加在電機(jī)上的U的通斷的時(shí)間長短，完成調(diào)速的整個(gè)過程。 3.3 閉環(huán)控制的優(yōu)勢 閉環(huán)控制系統(tǒng)是按反饋控制方式組成的反饋控制系統(tǒng)，具有抑制任何內(nèi)，外擾動(dòng)對被控制量產(chǎn)生影響的能力，有較高的控制精度，是一種重要的并被廣泛應(yīng)用的控制方式。 在本系統(tǒng)中由于采用了閉環(huán)控制，使得變頻調(diào)速的響應(yīng)速度更快，更精確，效率高，功率因數(shù)可達(dá)到0.98，而且實(shí)現(xiàn)了電機(jī)從0r/min軟啟動(dòng)，無啟動(dòng)沖擊電流，從而延長了電機(jī)的使用壽命，又采用了PID算法，使得整個(gè)系統(tǒng)的誤差小，真正的按照用戶的需求成功的完成了調(diào)速過程，而且又采用了計(jì)算機(jī)控制，整個(gè)系統(tǒng)的性能得到了很大的提高3。4. 系統(tǒng)所用到的芯片介紹 在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中用到了一些芯片，它們使得整個(gè)系統(tǒng)簡單了不少，關(guān)于它們的具體介紹如下： 4.1 C8051芯片引腳圖（如圖4-1）引腳功能介紹 MCS-51是標(biāo)準(zhǔn)的40引腳雙列直插式集 圖4-1 8051芯片成電路芯片，引腳分布如上圖： P0.0P0.7 P0口8位雙向口線（在引腳 的3932號(hào)端子）。 P1.0P1.7 P1口8位雙向口線(在引腳的18號(hào)端子)。 P2.0P2.7 P2口8位 雙向口線(在引腳的2128號(hào)端子)。 P3.0P3.7 P2口8位雙向口線(在引腳的1017號(hào)端子)。 P0口有三個(gè)功能: (1)外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)做數(shù)據(jù)總線（如圖1中的D0D7為數(shù)據(jù)總線接口） (2)外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線（如圖1中的A0A7為地址總線接口） (3)不擴(kuò)展時(shí)，可做一般的I/O使用，但內(nèi)部無上拉電阻，作為輸入或輸出時(shí)應(yīng)在外部接上拉電阻。 P1口只做I/O口使用：其內(nèi)部有上拉電阻。 P2口有兩個(gè)功能: (1)擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線使用 (2)做一般I/O口使用，其內(nèi)部有上拉電阻；P3口有兩個(gè)功能 : 有內(nèi)部EPROM的單片機(jī)芯片(例如8751)，為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編程電源，這些信號(hào)也是由信號(hào)引腳的形式提供的， 即：編程脈沖：30腳（ALE/PROG），編程電壓(25V)：31腳(EA/Vpp) 接觸過工業(yè)設(shè)備的兄弟可能會(huì)看到有些印刷線路板上會(huì)有一個(gè)電池，這個(gè)電池是干什么用的呢？這就是單片機(jī)的備用電源，當(dāng)外接電源下降到下限值時(shí)，備用電源就會(huì)經(jīng)第二功能的方式由第9腳(即RST/VPD)引入，以保護(hù)內(nèi)部RAM中的信息不會(huì)丟失2。 ALE/PROG 地址鎖存控制信號(hào): 在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ALE用于控制把P0口的輸出低8位地址送鎖存器鎖存起來，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。PORG為編程脈沖的輸入端，在8051單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)4KB或8KB的程序存儲(chǔ)器(ROM)，ROM的作用就是用來存放用戶需要執(zhí)行的程序的，通過編程脈沖輸入才能寫進(jìn)去。PSEN 外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào):在讀外部ROM時(shí)PSEN低電平有效，以實(shí)現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。 (1)內(nèi)部ROM讀取時(shí)，PSEN不動(dòng)作； (2)外部ROM讀取時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期會(huì)動(dòng)作兩次； (3)外部RAM讀取時(shí)，兩個(gè)PSEN脈沖被跳過不會(huì)輸出； (4)外接ROM時(shí)，與ROM的OE腳相接。 EA/VPP 訪問和序存儲(chǔ)器控制信號(hào) : (1)接高電平時(shí)： 擴(kuò)展外部ROM：當(dāng)讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)器超過0FFFH(8051)1FFFH(8052)時(shí)自動(dòng)讀取外部ROM。 (2)接低電平時(shí)：CPU讀取外部程序存儲(chǔ)器(ROM)。 在前面的學(xué)習(xí)中我們已知道，8031單片機(jī)內(nèi)部是沒有ROM的，那么在應(yīng)用8031單片機(jī)時(shí)，這個(gè)腳是一直接低電平的。 (3)8751燒寫內(nèi)部EPROM時(shí)，利用此腳輸入21V的燒寫電壓。RST 復(fù)位信號(hào)XTAL1和XTAL2 :外接晶振引腳。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此二引腳用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用于接外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。VCC：電源+5V輸入 VSS：GND接地。 在本文中C8051是單片機(jī)控制系統(tǒng)的核心，由C8051來完成所有的信號(hào)處理，并以它為中心進(jìn)行內(nèi)存擴(kuò)展，擴(kuò)展了8K的內(nèi)部存儲(chǔ)器EPROM和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM。 4.2 PWM的專用芯片HEF4752 HEF4752是采用LOCMOS工藝制造的大規(guī)模集成電路，專門用來產(chǎn)生三相SPWM信號(hào)。它的驅(qū)動(dòng)輸出經(jīng)隔離放大后，可驅(qū)動(dòng)GTO,GTR和IGBT逆變器，在交流變頻調(diào)速中作控制器件8。 引腳圖如下圖4-2所示 圖4-2 HEF4752引腳圖主要特點(diǎn)如下：(1)能產(chǎn)生三對相