电机变频控制系统设计【文献综述】

文献综述

电气工程及其自动化

电机变频控制系统设计

一、前言

在现代工业和经济生活中，随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，变频器作为高新技术、节能技术已经广泛应用于各个领域。它依靠电力半导体器件的通、断作用将固定频率、电压的交流电变换为频率、电压都连续可调的交流电的装置，主要用于对异步电动机的调速控制。而变频调速就是利用变频器产生可变频率、可变电压的交流电源向交流电动机供电而实现的交流调速。它具有节能、易操作、便于维护、控制精度高等优点。[1-3]本设计通过DSP编程等知识实现远程终端与多个变频器的驱动与控制功能，从而实现PC机能远程控制电机的启停、加减速、正反转等各种运行状态。涉及了电子技术、自动控制、变频调速系统设计、PWM控制技术以及DSP的控制系统等知识。

二、主题

变频器技术是强弱电混合、机电一体化的综合性技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变）问题，同时又要处理信息的收集、变换和传输问题。在巨大电能转换的功率部分要解决高电压、大电流的技术问题，及新型电力电子器件的应用问题，而在信息的收集、变换和传输的控制部分，则主要解决控制的硬件、软件问题。变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术,已经渗透到经济领域的所有技术部门中。[1.5.6.8]目前变频器的发展趋势是朝着智能、操作简便、功能健全、安全可靠、环境低噪、低成本和小型化的方向发展。[2]

变频器是由主回路和控制回路两大部分组成的。主回路由整流器(整流模块)、滤波器(滤波电容)和逆变器(大功率晶体管模块)三个主要部件构成。其中逆变器是变频器的核心部分，它可由不同器件做成，如高频变频器用功率MOS晶体管，大容量变频器用GTO晶闸管，中小型变频器用IGBT晶体管等。控制制回路则由单片机、驱动电路和光电隔离电路构成。[4]现代通用变频器的控制电路电路大都是以微机为核心的数字电路。[1.3.7]控制电路的主要作用是将检测电路得到的各种信

号送至运算电路，使运算电路能够根据要求为变频器主电路提供必要的门极（基极）驱动信号，并对变频器以及异步电动机提供必要的保护。[7]

异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的，在调速中从高速到低速都可以保持较小的转差率，因而消耗转差功率小，效率高。[4,13]随着电力电子技术和微机应用的不断发展，能够提供一种合乎异步电动机调速要变频电源装求的置，与结构简单的异步电动机组成调速系统，在调速性能上已能和直流电动机调速系统相媲美。目前异步电动机的变频调速越来越受到人们的注意，已经在很多领域得到了应用。异步电动机用变频器调速时，需要根据电动机特性对供电电压、电流、频率进行适当的控制[7,13]。控制方式大体可分为开环控制和闭环控制两类。作为开环控制的有V/f控制方式；闭环控制有转差频率控制和矢量控制等方式。从历史发展来看各种控制方式，是按V/f控制、转差频率控制、矢量控制的顺序发展起来的。在对电动机的控制性能方面，越是后来的控制方式、性能越优良，特别是矢量控制，可以实现与直流电动机电枢电流控制方式相匹配的传动性能。[13]在通用变频器中，目前比较常用的控制模式有U/f 模式、矢量控制模式和直接转矩控制模式三大类，其中 U/f控制又称VVVF控制，是一种比较简单的控制方式。它的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时进行控制。通过保持U/f恒定使电动机获得所需的转矩特性。这种方式控制电路的成本低，多用于精度要求不太高的通用变频器。[4]

PWM脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波对三角载波进行调制，达到调节输出脉冲宽度的一种方法，所谓的相当于基波分量的信号波并不一定指正弦波，在PWM优化模式控制中可以是预畸变的信号波。正弦信号波是一种最通俗的调制信号，但决不是最优信号。而三角载波也只是为了形象说明调制原理而借用或用模拟电路产生PWM脉冲时必须采用的波形，在用数字化控制技术产生PWM脉冲时，三角载波实际上是不存在的，完全由软件代替了，这样既可减少硬件投资又能提高系统可靠性。不同信号波调制后生成的PWM脉宽对变频效果，比如输出基波电压幅值、基波转短、脉动转矩、谐波电流损耗、功率半导体开关器件的开关损耗等的影响差异很大。[15]PWM控制技术就是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术。[14]变频器的控制接口用于变频器与外部交换信息。开关量输入接口接收外部的逻辑控制命令，如起动、停止、旋转方向控制、运行方式切换等；模拟量输入接

口接收外部参数，如频率设定、信号反馈等；开关量输出接口向外部发送变频器运行、故障等状态信号；模拟量输出接口向外部提供变频器的频率、电流等运行参数。变频器的控制接口数量不多，当需要交换的信号和数据数量很大时，需要采用通信方式实现。[1]现场总线技术是当今自动化技术研究的热点之一, 它应用于工业现场可以在微机集控设备之间实现双向串行多节点数字通讯. 它把单个分散的被控设备作为网络节点,以现场总线为纽带,把所有被控设备连接成可以相互沟通信息、共同完成自动控制任务的网络系统,具有分散控制、系统结构简单、节约硬件设备、易于安装维护等优点。[20]Modbus协议是一种可靠而有效通用串行通信协议,它可以把 PLC、PC机、终端设备和其他监视器、感应器、控制设备结合起来形成分布式控制系统。[19]

DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。[16-18]作为一种特殊的单片机，DSP也是将中央处理器、控制单元以及外围设备集成到一块芯片上。不同于普通单片机的是，DSP采用了多组总线技术实现并行运行机制，从而极大地提高了运行速度。[18]采用DSP编程等知识应用PWM控制技术和MODBUS总线设计技术来实现变频调速即实现对电动机的启停、加减速、正反转等运行功能。三、总结

本毕业设计课题电机变频控制系统设计涉及了电子技术，自动控制，变频器和变频调速的相关知识，DSP编程知识，MODBUS现场总线的知识，通过对变频器和变频器调速技术的认识来了解电机变频控制的发展现状并掌握变频器的工作原理，通过电子技术知识的掌握来设计各个电路，通过DSP编程知识和MODBUS现场总线的设计来利用变频器来驱动控制多个电机的运行状态，此次课题的设计能培养我把理论和实际结合起来，能让我更深刻的掌握所学的知识，能培养我对所学知识的运用的能力，此次的设计对我来说是个挑战也对我以后会很有帮助。

参考文献：

[1]王树.变频调速系统设计与应用[M].北京:机械工业出版社，2005.

[2]薛晓明.变频器技术与应用[M].北京:北京理工大学出版社，2009.

[3]姚锡禄.变频器控制技术与应用[M].福建：福建科学技术出版社，2005.

[4]冯垛生，张淼.变频器的应用与维护[M].广州：华南理工大学出版社，2001.