基于单片机控制的异步电动机变频调速系统的设计摘要本文以三相交流调速系统为基础，进行了三相异步电动机变频调速的系统设计。首先，通过使用MATLAB/SIMULINK软件进行交-直-交变频调速系统模型的搭建与仿真，得出了异步电动机在正弦脉冲宽度调制（SPWM）技术下调速的结果。其次，根据所搭建的系统模型，在PROTUSE软件中设计出基于51单片机控制的SPWM变频调速系统，编制相应的软件程序并进行调试和仿真，得出了不同频率下SPWM的调制波形。最后，通过比较两种不同调速系统的仿真结果，证明了基于51单片机控制的异步电机变频调速PWM调制方法的正确性和可行性。关键字： 异步电动机；变频调速；SPWM；MATLAB/SIMULINK；单片机1概述直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生，鉴于直流传动具有优越的性能，高性能可调速传动大都采用直流电机，交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却无法与直流调速系统相匹敌。直到20世纪70年代末，由于电力电子技术尤其是大功率晶闸管（可控硅）变流技术的发展，研制出了体积小、重量轻、功率大、效率高的静止变流装置，实现了采用电力电子变流器的交流传动系统，为三相异步电动机大范围的平滑调速调节开辟了新的技术途径，才使三相异步电动机在铁路牵引中的应用得到关键性突破，从而得到极为迅速的发展。大规模集成电路和计算机控制的出现，更使高性能的交流调速系统得到发展。中国和谐号动车组使用三相鼠笼型异步电动机作为牵引动力，它要求列车运行安全、快速、稳定，因此对牵引电动机的平滑调速和自动控制非常重要，异步电动机结合电力电子技术和微机控制技术可以实现这一要求。1.1 交流调速系统异步电动机的调速方法早已为人们所熟知，基本上可以分为变极对数调速、变频调速、变转差率调速三类。这从下面的异步电动机的转速公式可以明显看出。n=1-sns=(1-s)60f1p (1)式中 n 电动机的实际转速； ns电动机的同步转速； s 转差率，s=ns-nns； f1供电频率； p 极对数。1.1.1变极调速在恒定的频率下，改变电动机定子绕组的极对数，就可以改变旋转磁场和转子的转速。若利用改变绕组的接法，使一套定子具备两种极对数而得到两个同步转速，可得到单绕组双速电机；也可以在定子内安放两套独立的绕组，从而做成三速或四速电机。为使转子的极对数能随定子极对数的改变而改变，变极电动机的转子一般都是笼型。变极调速属于有级调速，最多只能达到三、四极，而不能平滑地调速。1.1.2变频调速改变电源频率时，电动机的同步转速和转子转速将随之变化。如果电源频率可以连续调节，则电动机的转速就可以连续、平滑的调节。变频调速时希望气隙磁通m基本保持不变，这样，磁路的饱和程度、激磁电流和电动机的功率因数均可基本保持不变。如果磁通太弱，没有充分利用电动机的铁心，是一种浪费。如果过分增大磁通，会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电动机。根据三相异步电动机定子每相电动势的有效值公式E1=4.44f1N1kw1m （2）式中 E1气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值； f1供电频率； N1定子每相绕组串联匝数； kw1定子基波绕组系数； m每极气隙磁通量。故要保持m不变，应使定子端电压与频率成比例地调节，若忽略定子漏阻抗压降，即使E1f1=U1f1=常值感应电机的变频调速从调速范围、平滑性、调速前后电机的性能等方面来看都很好，但需要专门的变频电源。近年来，由于变频技术的发展，变频装置的价格不断降低，性能不断提高。1.1.3变转差率调速改变转差率的调速在调速过程中均不改变异步电动机的同步转速，而仅仅依靠改变转差率来改变电机的速度，故其调速范围是非常有限的，同时在低速时因转差率太大，效率很低，因而这些方法均不能适应机车牵引中平滑、宽广的调速要求。1.2 电力电子器件电力电子器件是对电能进行变换和控制的器件，目前所用的电力电子器件均由半导体制成，故也称电力半导体器件。在发达国家中，大约60%的电能用于电动机，由此可知，电力电子器件在电机控制电路中最常见，若想更好的控制电动机，必须使用性能优越的电力电子器件。1.2.1门极可关断晶闸管TGO自晶闸管问世后，相继产生了很多派生器件，如快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管、门极可关断晶闸管等。门极可关断晶闸管可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，故属于全控型器件。它在三相桥式全控整流电路中作为开关器件，通过同步六脉冲发生模块控制其通断，改变触发角的大小可以得到不同的电压波形，从而实现整流。1.2.2绝缘栅双极晶体管IGBT绝缘栅双极晶体管综合了电力晶体管GTR和电力场效应晶体管MOSFET的特点，因此具有开关速度快、驱动电路简单、流通能力强等优点，通常用于三相桥式逆变电路中。通过脉冲宽度调制技术控制器通断，从而实现逆变。1.3 变频器如前所述，对于异步电机的变频调速必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的工频电源，因此应该配置变压变频器，他也称变压变频（VVVF）装置。从整体上看，变压变频器可以分为交-交和交-直-交两大类。1.3.1交-交变频器交-交变频器的结构如图1所示。它只有一个变幻环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。看似简单，但所用的电力电子器件数量却很多，总体设备相当庞大。其缺点是输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，因此必须配置滤波和无功补偿设备。由于这类变频器最高输出频率不超过电网频率的1/31/2，所以一般用于大功率、低转速的调速系统。1.3.2交-直-交变频器交-直-交变压变频器的结构如图2所示。它先将工频交流电源通过整流器变换成直流电，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流电。由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式变压变频器。在早期的交-直-交变压变频器中，整流器采用半控型电力电子器件晶闸管（SCR），组成可控整流器，实现整流与调压；逆变器也采用晶闸管，实现逆变调频。当全控型电力电子器件（GTO/IGBT）获得广泛应用后，出现了由开关器件组成的脉宽调制（PWM）逆变器，兼顾调压与调频，而整流器只需要二极管组成的不可控整流器就够了。1.4 脉冲宽度调制技术PWM脉冲宽度调制技术是伴随电力电子器件的发展而产生的一种开关技术，其在逆变电路中应用最广泛，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分是PWM型逆变电路，PWM控制技术正是有赖于逆变电路中的应用才会发展得比较成熟。从而确定了它在电力电子技术的重要地位。1.4.1 正弦脉冲宽度调制技术SPWM脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，称为SPWM波形，产生这种SPWM波形的技术就是SPWM技术。在三相桥式全控逆变电路中，用SPWM波形控制IGBT的通断，即可实现逆变。要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述脉冲宽度即可。同样，改变调制的周期，就可以改变输出电压的频率。1.4.2 空间矢量调制技术SVPWMPWM控制技术用于交流电动机的调速中，其最终目的并非使输出电压为正弦波，而是使电动机的磁链成为圆形的旋转磁场，从而使电机产生恒定的电磁转矩。磁链的轨迹是通过交替使用不同的电压空间矢量得到的，针对这种目的，产生了空间矢量调制技术。1.5 微机控制单片机是单片微型计算机的简称，是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出接口、定时器/计数器、中断系统等主要功能部件集成在一块半导体芯片上的数字电子计算机。单片机的形态只是同一块芯片，但是它已具有微型计算机的组成结构和功能。单片机的结构特点决定了单片机主要用于控制，所以又称微控制器（MCU）或嵌入式控制器（ECU）。1.5.1单片机MCU单片机的发展经历了从4位、8位、16位、32位、64位五个阶段， 16位、32位单片机在比较复杂的控制系统中才有应用，最常用的是8位单片机，代表产品为Intel公司的MCS-51系列。单片机用于三相异步电机变频调速通常有两种方式，第一种是通过SPWM原理，设计出正弦波电路和三角波电路，通过两者比较产生SPWM波形。第二种方案是采用SPWM集成芯片HEF4752或MA818等。1.5.2数字信号处理器DSP 随着微电子技术的发展，出现了多种用于电动机调速控制的专用单片微处理器，如TI公司的TMS320芯系列，这些微处理器一般具有以下功能，有PWM波生成硬件及较宽的频率调制范围；为了对变压变频调速系统的运行参数（如电压、电流、转速等）进行实时检测和调整与故障保护，微处理器具有很强的中断功能与较多的中断通道，；具有将外部的模拟量控制信号及通过各种传感器送来的反馈。检测信号进行AD转换的接口，且一般为8位转换器；具有较高的运算速度，能完成复杂运算的指令、内存容量较大；有用于外文通信的同步、异步串行接口的硬件或软件单元。由于这些功能的支持，所以这种微处理器能方便地用于开发基于PWM控制技术的电动机调速系统，微处理器除能产生可调频率的PWM控制信号外，还能完成必要的保护、控制等功能。现代SPWM变压变频器的控制电路大多数是以微处理器为核心的数字控制电路。2交流异步电动机变频调速原理及方法2.1 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机由定子、转子、气隙三部分组成，通过定子绕组的三相电流产生旋转磁场，再利用电磁感应原理，在转子内感生电流，由气隙磁场和转子感应电流相互作用产生电磁转矩，以进行能量转换。正常情况下，感应电机的转子转速总是略低或略高于旋转磁场转速（同步转速ns）。异步电机按照绕组类型分为笼型异步电动机和绕线型异步电动机。2.1.1等效电路 通过电机学的知识，对异步电动机电路进行了频率归算和绕组归算，得到异步电动机的T型等效电路，如图3所示。图3 异步电动机的T型等效电路根据该等效电路可以写出以下电压方程式U1=-E1+I1(r1+jx1) （3）E2=I2(r2s+jx2) （4）式中 U1电源向电压； I1定子电流； I2归算到定子侧的转子电流； s 转差率； r1x1定子绕组电阻及漏阻抗； r2x2归算到定子侧的转子电阻及漏阻抗； rmxm激磁电阻及电抗。2.1.2转矩计算 根据电机原理和等值电路可知，通过空气气隙传入转子的电磁功率为Pe=mE2I2cos2 （5）式中 cos2=r2sr2s2+x22 转子的功率因数。电动机的电磁转矩为Te=Pes=mE2I2cos22ns60=mp2f1E2I2cos2 （6）式中 ns电动机的同步转速； s电动机的同步角速度。2.1.2机械特性2.1.3调速原理2.2正弦脉冲宽度调制技术SPWM2.2.1 SPWM原理早期的交直交变压变频器输出的交流电压波形都是六拍阶梯波或矩形波，这是因为当时的变频器只能采用晶闸管，其关断的不可控性和较低的开关频率导致逆变器的输出波形含有较大的低次谐波