SPWM变压变频调速控制系统设计

课程设计说明书

课程名称运动控制系统设计

题目SPWM变压变频调速控制系统设计专题

学院信息工程学院

班级自动化

学号

姓名王文帅

指导教师

日期2017年 7 月 7日

课程设计任务书

课程设计名称运动控制系统设计

学生姓名王文帅学号专业班级自动化

设计题目SPWM变压变频调速控制系统设计专题

一、课程设计的目的

掌握交-直-交电压源型变频器的结构组成和工作原理，掌握变频器的主电路、控制电路、驱动电路以及保护电路的设计方法，掌握变频器主要元器件的选型方法。

二、设计内容、技术条件和要求

设计交-直-交电压源型三相SPWM变频器，整流部分为二极管三相不控整流，并由大电容滤波，获得恒定直流电压，逆变器由6个电力晶体管GTR和6个续流二极管组成，并由8051和大规模集成电路HEF4752组成SPWM变压变频调速系统的控制电路。

基本设计参数：

异步电动机额定功率11kW，额定电流22A，线电压380V，允许过载倍数=1.5，泵升电压U s=150V，逆变器输出频率范围4~60Hz，额定输出频率50Hz，负载功率因数cos ≥0.5，负载引起直流电压脉动百分比K≤5%，U in(max)=10V，

设计任务：

1.设计主电路：选择GTR开关管和滤波电容参数；

2.设计控制电路：采用大规模集成电路HEF4752，并设f smax=1000Hz，计算8253分

频系数；

3.设计驱动电路：采用分立元件或集成电路模块均可；

4.画出系统主电路图、控制电路图、驱动电路图、保护电路图（过压保护和过流保

护二选一）；

5.写出设计心得体会。

三、时间进度安排

在课程设计的两周时间内完成。

四、主要参考文献

[1] 阮毅, 陈伯时. 电力拖动自动控制系统——运动控制系统（第4版）. 北京: 机

械工业出版社.

[2] 王兆安, 刘进军. 电力电子技术（第5版）. 北京: 机械工业出版社.

[3] 童福尧. 电力拖动自动控制系统习题例题集. 北京: 机械工业出版社.

指导教师签字： 2017年6月25日

SPWM变压变频调速控制系统设计专题

一、摘要

变频调速是交流调速中的发展方向。变频调速也有多种方法，本文对目前研究领域相当活跃的正弦波脉宽调制技术(SPWM)的变频调速作了一定的研究，并进行了实践。异步电动机的调速原理是研究控制算法的基石，因文首先介绍了异步电动机的调速特性，从而展开介绍SPWM变频调速的理论基础.包括变频调速控制思想的由来，控制方法的可行性。变频调速的控制算法也有许多，本文对目前大部分通用变频器所采用的控制算法——恒压频比控制，给出了完整的硬件电路设计和软件程序流程设计。本文采用了Intel8OC196MC十六位单片机作为控制电路的CPU，采用该单片机的控制系统是本设计的硬件核心部分。因此本文先简单的介绍此单片机与该设计相关的特性，继而介绍本系统的硬件设计和软件设计。

二、关键字：变频器;恒压频比控制;正弦波脉宽调制。

三、设计目的

在电力拖动领域，解决好电动机的无级调速问题有着十分重要的意义，电机调速性能的提高可以大大提高工农业生产设备的加工精度、工艺水平以及工作效率，从而提高产品的质量和数量;对于风机、水泵负载，如果采用调速的方法改变其流量，节电效率可达20%-60%。

众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电机调速所垄断，这是和实际中交流电机的广泛使用是一对存在的矛盾，许多应用交流电机的设备为了达到调节被控对象的目的，只能采用物理的方法，例如采用风门，阀门控制流量等，这样浪费能源的问题就很突出，费用就大。而且在采用直流调速的方面由于直流电机固有的缺点—换相器和电刷的存在，使得维修工作量大，事故率高，电机的大容量使用受到限制，在易燃易爆的场合无法使用，因此开发交流调速势在必行。

四、设计说明

4.1设计内容

4.2设计参数

异步电动机额定功率11kW，额定电流22A，线电压380V，允许过载倍数=1.5，泵升电压U s=150V，逆变器输出频率范围4~60Hz，额定输出频率50Hz，负载功率因数cos ≥0.5，负载引起直流电压脉动百分比K≤5%，U in(max)=10V。

4.3交流电动机变频调速原理

对于笼型异步电动机来说，要调节转速，可以通过改变同步来实现。而同步速与频率有如下关系:

60/fp = n

其中：p-极对数f-供电频n-同步速由上式可知，当频率f连续可调时，电动机的同步速n也连续可调。又因为异步电动机的转子转速1n总是比同步转速n略低，所以，当n连续可调时，n1也连续可调。可见，改变电源的供电频率可以改变惦记的转速。4.4设计方案概述

变频调速中，前者主要应用于PWM斩波（DC－DC变换），后者主要应用于PWM逆变（DC－AC变换）。PWM脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波（调制波）对三角载波进行调制，以达到调节输出脉冲宽度的目的。相当于基波分量的信号波（调制波）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常的调制信号，但决不是最优信号。根据面积等效原理，PWM波形和正弦波是等效的，而这种的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM（Sinusoidal PWM）波形。

交-直-交电压源型三相SPWM变频器，整流部分为二极管三相不控整流，并由大电容滤波，获得恒定直流电压，逆变器由6个电力晶体管GTR和6个续流二极管组成，并由8051和大规模集成电路HEF4752组成SPWM变压变频调速系统的控制电路。

在三相交流电源供电的情况下，共需经过八个主要模块完成整个调速过程。首先是三相整流变压器降压，然后经二极管桥式整流，再者由电容滤波器滤波获得直流电源，最后经IGBT逆变电路逆变，得到可调交流电源。IGBT为场控输入器件，输入功率小。确定主电路模块之后，本课程设计将采用HEF4752芯片构成SPWM波形生成电路，实现PWM波的调制。并采用电流转速双闭环调制系统，同时确定保护电路模块，检测电路模块，驱动电路模块等。系统总流程图如图2.1所示。

基于课题的实现，主要从主回路设计及参数的计算，控制回路芯片的选择及其实现方法，保护回路的保护对象及其实现方式，系统的实现方案等方面进行研究，研究的思路主要是理论的提出，电路模型的建立，各种实现方式的对比，最终方案的确定。研究的方法主要以整体考虑，分块研究的方式，整体考虑系统的容量及其各个元件参数的选择，然后从每个模块着手，具体模块具体设计研究，逐步求精，最后将各个分立的模块整合实现三相交流电机SPWM变频调速系统的总体设计。

图1 SPWM变频调速系统总流程图

4.5主电路设计

主电路为AC/DC/AC逆变电路，由三相整流桥、滤波器、三相逆变器组成。三相交流电经桥式整流后，得到脉动的直流电压经电容器滤波后供给逆变器。又称间接变频器，

交-直-交变频器是目前广泛应用的通用变频器。它根据直流部分电流、电压的不同形式，又可分为电压型和电流型两种：

（ 1）电流型变频器

电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感器作为储能环节来缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压波形接近正弦波，由于该直流环节内阻较大，故称电流源型变频器。

（2）电压型变频器

电压型变频器的特点是中间直流环节的储能元件采用大电容器作为储能环节来缓冲无功功率，直流环节电压比较平稳，直流环节内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器。

由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以其主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响，它主要适用于中、小容量的交流传动系统。与之相比，电流型变频器施加于负载上的电流值稳定不变，其特性类似于电流源，它主要应用在大容量的电机传动系统以及大容量风机、泵类节能调速中。

由于交-直-交型变频器是目前广泛应用的通用变频器，所以本次设计中选用此种间接变频器，在交-直-交变频器的设计中，虽然电流型变频器可以弥补电压型变频器在再生制动时必须加入附加电阻的缺点，并有着无须附加任何设备即可以实现负载的四象限运行的优点，但是考虑到电压型变频器的通用性及其优点，在本次设计中采用电压型变频器。

1. 电压额定值的计算 UVT=(1.5~2) ×(

2.34×220×K×A+DU)

K ——电网电压升高系数，一般取K=1.1

A ——电容滤波时电压升高系数，一般取A=1.04

DU ——(可能的)泵升电压(根据设计要求取150V)

2. 电流额定值的计算 e I F I λ2=

F ——冲击电流系数，一般取F=1.4

l ——电流过载倍数

Ie ——额定电流

3. 滤波电容的计算

F U K AI C d μω610?=

A ——与负载阻抗角j 有关的系数

I ——逆变器输出相电流(A)

K ——由负载引起的直流电压脉动百分比

φ——逆变器输出最低角频率(s-1)

Ud ——直流侧电压(V)

4. 主电路图

图2 系统主电路图

4.6驱动电路设计

驱动电路，位于主电路和控制电路之间，用来对控制电路的信号进行放大的中间电路（即放大控制电路的信号使其能够驱动功率晶体管），称为驱动电路。

驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号，对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号，以保证器件按要求可靠导通或关断。

驱动电路总体由六个驱动电路组成，可分离，可集成AM1,BM1,CM1。AM2，BM2，CM2分别来自HEF4752V 的PWM 主激励输出端。AM1，BM1，CM1组成上桥臂组驱动，

AM2，BM2，CM2则为下桥臂组驱动电路。

图3 驱动电路图

数字控制是SPWM目前常用的控制方法。可以采用微机存储预先计算好的SPWM数据表格，控制时根据指令调出;或者通过软件实时生成SPWM波形;也可以采用大规模集成电专用芯片产生SPWM信号。随着微电子技术的发展，开发出一些专门用于发生控制信号的集成电路芯片，配合微处理器进行控件生成SPWM信号方便得多。国内制的电动机微机控制系统，大多采用8031, 8098等。由于这些芯片并非为电机控制设计的，为了实现电动机控制的某些功能，不得不增加较多的外器件必须以多片集成电路方能构成完整的控制系统。

图4 M57215BL驱动电路原理图

4.7控制电路设计

1、控制器的选择

8XC196MC单片机是Intel公司专门为电机高速控制设计的一种16位微控制器，其后缀

MC正是电机控制(Motor Controller)的缩写，它己被广泛的应用。 8OC196MC的基本结构主要包括算术、逻辑运算部件RALU，寄存器集，内部A/D转换器，PWM发生器，事件处理阵列EPA，三相互补5PWM输出发生器以及看门狗、时钟、中断控制逻辑等.

2、80C196MC单片机的波形发生器

片内波形发生器WFG(WaveForm Generator)是80C196MC独具的特点之一。这一外设装置大大简化了用于产生SPWM波形的控制软件和外部硬件，特别适应于控制三相交流感应电机。

图5 波形发生器框图

三相SPWM波形是由U，V ,W 三个单相SPWM波形生成器构成的，其中一相电路的原理图如图3-7所示，它由脉宽发生，死区脉宽发生，脉冲合成及保护电路等单元电路构成。WFG可以产生独立的三对PWM波形，但它们有共同的载波频率、无信号时间和操作方式一旦启动之后，WFG只要求CPU在改变PWM的占空比时加以干预。

从功能上看波形发生器可以分为三个部分，时基发生器、相位驱动通道和控制电路。

4.8 HEF475的介绍

HEF4752是采用LOCMOS工艺制造的大规模集成电路，专门用来产生三相SPWM 信号。它的驱动输出经隔离放大后，可驱动GTO和GTR逆变器，在交流变频调速中作控制器件。HEF4752为28脚双列直插式标准封装DIP芯片，它有7个控制输入，4个时钟输入，12个驱动信号输出，3个控制输出。

图6 HEF4752的引脚图

(1) 主激励输出所用引脚是，引脚2, 引脚3, 引脚8, 引脚9 引脚22, 引脚21。接到三相逆变器6个开关器件的驱动输入端。第一个字母表示相序。数字1、2分别表示上、下桥臂开关元件的PWM 激励信号。

(2) 辅助激励输出（换向开关驱动输出）：引脚1、10、11、19、20、27。当逆变器由晶闸管作开关器件时，提供强迫换流信号。第二个字母C 表示辅助输出。

(3) 4个时钟输入。引脚12(FCT)、引脚17(VCT)、引脚4(RCT)、引脚6(OCT)。

(4) 7个控制输入。引脚13(A)、引脚15(B)、引脚16(C)、引脚25(I)、引脚7(K)、引脚24 (K)、引脚5(CW)。

(5) 3个控制输出。引脚18(CSP)、引脚23(RSYN)、引脚26(Vav)。

(6) 2个电源线。分别是引脚14(Uss)、引脚28(Udd)。

HEF4752的调制方式为不同于三角波-正弦波调制法的双边缘正弦调制。采用从载波脉冲两端改变脉冲宽度的双边缘正弦调制。具有在于可获得两倍载波频率的输出线电压脉冲，从而可减小低速时的脉动转矩的优点。

α0

β0δ1δ2δ3

图7 4752调制方式时序图

参数设计：调制比：AB V U U =η 其中U 为逆变器输出线电压有效值，ab U 为电动机额定线电压有效值，改变调制比v η，就可以改变逆变器输出电压U 。

ηV 与时钟FCT 和VCT 的“频率比”成正比。

如满足：5.0≤VCT FCT f f ，则有VCT FCT V f f 2=η，则 32.3 6.1*10380

v η-== 。有图5.3可见：当固定VCT f 时，调制比V η与FCT f 成正比关系，而FCT f 又与逆变器输出频率OUT f 成正比关系。所以：调节FCT f 可调电机转速，并实现

out

f U =常值的“恒磁通控制”。

图 8 fvct 与Ffct

4.9 保护电路设计

1、过电流保护

IGBT 的过流保护电路可分为2类：一类是低倍数的（1.2～1.5倍）的过载保护；一类是高倍数（可达8～10倍）的短路保护。对于过载保护不必快速响应，在检测输入端或直流环节的总电流时，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT 驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。这种过载电流保护，一旦动作后，要通过复位才能恢复正常工作。IGBT 能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该IGBT 的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。如饱和压降小于2V 的IGBT 允许

承受的短路时间小于5μs，而饱和压降3V的IGBT允许承受的短路时间可达15μs，4～5V时可达30μs以上。存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的平方加大，造成承受短路的时间迅速减小。过电流保护的电路图如图4所示。

图9 过流保护电路

2、IGBT开关过程中的过电压保护

关断IGBT时，它的集电极电流的下降率较高，尤其是在短路故障的情况下，如不采取软关断措施，它的临界电流下降率将达到数kA/μs。极高的电流下降率将会在主电路的分布电感上感应出较高的过电压，导致IGBT关断时将会使其电流电压的运行轨迹超出它的安全工作区而损坏。所以从关断的角度考虑，希望主电路的电感和电流下降率越小越好。但对于IGBT的开通来说，集电极电路的电感有利于抑制续流二极管的反向恢复电流和电容器充放电造成的峰值电流，能减小开通损耗，承受较高的开通电流上升率。一般情况下IGBT开关电路的集电极不需要串联电感，其开通损耗可以通过改善栅极驱动条件来加以控制。

3、启动限流保护

启动电机时，产生的大电流会对电力电子器件和控制回路造成巨大的冲击，为避免启动大电流对系统的破坏，启动限流保护电路设计如图4.6.3所示。

图10 启动限流保

五、设计心得体会

本次课程设计是在系统的学习完《电力拖动自动控制系统-运动控制系统》这门课以后所做的有关交流部分控制设计，在本次设计中，通过对交流电动机变频调速系统主电路的设计以及对电路元件参数的计算与选择，了解了交流调速系统设计的全过程，巩固和加强了本专业的专业理论知识；同时设计也满足了现代工程设计的要求，达到了预期的目标。在设计过程中，调速控制系统中的触发控制电路的设计是本设计的重点和难点。设计触发电路的目的是通过驱动、放大电路控制系统主电路中功率开关元件的通断，使系统装置可靠工作。

通过本次课程设计，让我们对SPWM变压变频调速控制系统各个部分都有所认知。同时也可以通过课程设计，了解理论知识哪些方面比较薄弱，及时查漏补缺通过课程设计将所学到的专业知识联系在一起，我们明白了理论知识的重要性和应用范围的宽广，加深了对专业、对工程设计的理解。让我更加明白了在生产实际中，不能对书面的知识生搬硬套，要具体问题具体分析，才能正确快速的解决问题。另外，还让我懂得了在设计制造的道路上，需要不断地探索与创造，坚持不懈，持之以恒。这次的设计经历让我受益匪浅。

总之，通过本课题的锻炼，我学习到了电机控制中一种先进的法，让我在计算机的学习上迈出了一大步，在今后学习和工作中，我会吸取实验过程中的经验教训，对单片机进行更深入的研究和开发。

六、参考文献

[1] 阮毅, 陈伯时. 电力拖动自动控制系统——运动控制系统（第4版）. 北京: 机

械工业出版社.

[2] 王兆安, 刘进军. 电力电子技术（第5版）. 北京: 机械工业出版社.

[3] 童福尧. 电力拖动自动控制系统习题例题集. 北京: 机械工业出版社.

[4] 林渭勋现代电力电子电路[M]浙江：浙江大学出版社2002．7-59—69