单片机控制变频调速的设计.

毕业综合实践论文

姓名：武德军

学号：10140233

系部：电子电气工程系

专业：电气自动化技术

班级：电气1034

题目：单片机控制变频调速的设计指导教师：韩亮

前言

最近几年，随着新型电力电子器件的不断涌现和计算机技术的飞速发展，高性能的交流电动机变频调速系统得到了广泛的应用，它的显著的节能效果和灵活的运行方式，给人们留下了深刻的印象。

本论文首先论述了变频调速的基础技术，简述了它在我国的发展和应用以及今后在这方面应做的工作；其次对系统的主电路、控制电路、电气控制电路以及实现控制的软、硬件进行了系统地分析，并对调速系统的实施方案进行了论证。在此基础上，调速系统主电路采用了交-直-交型电路形式，并采用IGBT作为主电路的功率开关器件；根据SPWM波形的生成原理，从硬件和软件上探讨了基于MA818，用于IGBT控制的数字化PWM波形产生器的实现方法；根据系统的设计要求，选择了转速负反馈控制，提高了系统的精度和稳定度；最后完成了相应的电气控制电路。

经相关的实验及仿真波形分析，表明该系统满足预期的设计要求。

第一章交流变频技术 (5)

1.1交流变频调速技术的发展与研究现状 (5)

1.2变频调速技术的优点和发展方向 (5)

1.3相关技术分析 (8)

1.4本章小结 (9)

第二章系统方案 (11)

2.1 系统主电路方案的确定 (11)

2.2 系统控制电路方案的确定 (13)

2.3 系统总体结构框图 (14)

2.4本设计所要完成工作 (15)

2.5本章小结 (15)

第三章系统主电路设计 (16)

3.1 主电路工作原理 (16)

3.2 系统主电路参数设计与选择 (18)

3.3 本章小结 (21)

第四章系统硬件设计 (22)

4.1 触发控制电路框图 (22)

4.2 SPWM生成原理 (22)

4.3 MA818结构及工作原理 (24)

4.4 单片机89e28rd2特性 (25)

4.5 驱动电路EXB841介绍 (26)

4.6 A/D转换 (27)

4.7本章小结 (28)

第五章软件设计 (29)

5.1 数字PID控制 (29)

5.2数字滤波技术 (33)

5.3模数转换方式........................................ .. (36)

5.4 MA818编程......... .. (37)

5.5.本章小结 (39)

第六章结论 (40)

参考文献 (41)

结束语 (42)

附录 (43)

第一章交流变频技术

1.1 交流变频调速技术的发展与研究现状

在过去的几十年里,世界范围的工业进步的一个重要因素是工厂自动化程度的不断提高。工厂里的生产线一般包括一个或多个可变速的电机传动装置,用于大功率传送带、机械手、桥式吊车、钢材扎制生产线以及塑料和合成纤维生产线等。50年代以前，所有这些应用都需要使用直流电机传动，交流电机由于其固有的以同步或几乎同步于电源的频率运行，所以难以真正的调节或平滑的改变速度。然而，直流传动存在的诸如运行中产生火花、对环境要求叫高、电刷易于磨损、维护麻烦等等的自身结构上的问题促使人们不断寻求更好的解决问题的方法。一般来说，交流传动与相当的直流传动相比通常有价格方面的优势，而且具有较少维护、较小的电机尺寸和更高的可靠性。然而对这些传动系统可利用的控制灵活性是非常有限的，而且它们的应用主要局限在风机、泵和压风机等应用方面，其速度只需要粗略调节而对暂态响应和低速特性没有严格要求。用于机床、高速电梯、测功器、矿井提升机等的传动装置，有更加复杂的要求，而且必须提供允许调节多个变量的灵活性，例如速度、位置、加速度和转矩等。这样的高性能应用，一般在速度闭环下要求高速段保持高于0.5%的调速精度和至少20：1的宽调速范围，以及高于50rad/s的快速暂态响应。以前，这样的传动装置几乎全部是直流电机的应用领域，并根据具体应用的需要配置各种结构的AC-DC变换器。然而，采用适当控制的感应电动机传动在高性能应用上已胜过直流传动，并且交流传动更加广泛的应用于计算机外围设备的传动、机床和电动工具、机器人和自动装置的传动、电动汽车和电器火车传动等等。

经过近三十年的发展，交流调速电气传动已上升为电气调速的主流，正在越来越广泛的领域取代传统的直流调速传动。其中变频调速是交流电机调速中发展最快、最活跃的一支。它以其优异的调速和起、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式，成为现代调速传动的主流。在冶金、交通、机械、电子、石油化工、纺织、制药、造纸、家用电器、电力牵引等工业领域得到了广泛的应用，产生了巨大的经济效益。同时变频调速传动系统无

论在性能、装置体积、设备维护还是在节能乃至环保等方面也都体现了巨大的优势。

交流传动得以飞速发展，得益于以下几个方面：

1、电力电子功率器件的发展

2、控制理论的发展

3、PWM 技术的发展

4、微处理器和专用集成电路(ASIC)的发展

我国变频调速技术的应用，是一个由试验到实用，由辅助系统到生产装置，由考虑节能到全面改善工艺水平，由开环手动控制到闭环自动控制，由低压中小容量到高压大容量的过程。多年来，国家有关部门一直致力于变频调速技术的开发及推广应用，并给予重点扶持，并将推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向。国家成立了风机水泵节能中心，开展信息咨询和培训。在国家经贸委小“九五”资源节能综合利用工作纲要中，变频调速己被列入重点组织实施的10项资源节约综合利用技术改造示范工程之一。变频调速技术的应用范围已发展到新阶段。在石油、石化、机械、冶金等行业都得到了大量使用和整套装置系统使用，取得了节能、增产的显著效果。变频调速技术己成为节约能源及提高产品质量的有效措施。实践的结果证明，节电率一般在10％～30％，有的高达40％，更重要的是生产中一些技术难点也得到解决。

1.2 变频调速技术的优点和发展方向

交流异步电动机调速系统种类繁多，常见的有：降压调速，电磁转差离合器调速，饶线转子异步电机串级调速，变极对数调速和变压变频调速。而由电机学可知，交流异步电机的转速公式如下：

公式（1-1）

其中：n 是异步电动机转速，p 是异步电动机的极对数，s 是异步电动机的转差率，f 是供电电源的频率。

（1） 改变极对数作几挡的有级调速，该种电机通用性差，并且结构复杂、

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