苏ICP备112451047180号-6
基于matlab的交流电机调速系统仿真
摘 要
本文讲述了一种采用专用集成电路SA4828设计电机变频调速的方法。系统主要包括主电路和控制电路，其中主电路采用交-直-交控制方式，即先将交流电经过整流，滤波转变为直流电，再将直流电经逆变转变为频率可调的交流电。整流部分用的是三项桥式整流电路，逆变电路用的是三项桥式逆变电路。控制电路由MCS-52系列的89C52单片机、SA4828三相SPWM产生器和一些外围扩展芯片构成，其控制电路简单、控制方式灵活、输出波形优点多的特点得到了充分体现，利用相应的软件，实现电机的调速要求。驱动电路采用MC3PHAC芯片。文章主要内容包括：SA4828的特性介绍及变频系统的主电路，控制电路，驱动电路，保护电路，调速系统及软件编程设计方法和仿真，所设计的系统实现了变频调速的全数字化控制，可靠性高。
关键词 单片机；SA4828；变频调速；SPWM；电动机
Design and Simulation of variable frequency speed controlsystem for three-phase AC motor
ABSTRACT
A method of variable frequency adjustable speed was introduced with a special integrated circuit SA4828 motor. The system includes the main circuit and control circuit, the main circuit adopts the AC-DC-AC control mode, namely the first alternating current through rectifying, filtering into DC, then the DC inverter into the adjustable frequency AC. The rectifier part with is the three bridge rectifier circuit, inverter circuit is used in the three bridge inverter circuit. The control circuit is composed of 8052 chip microprocessor of MCS-52 series and SA4828 three-phase SPWM generator and some peripheral chips, the control circuit is simple, flexible control mode, the output waveform characteristics of advantages have been fully reflected, the relevant software, realize the motor speed control requirements. Driving circuit uses the MC3PHAC chip. The main content of this paper includes: the main circuit, introduces the characteristics and frequency system SA4828 drive circuit, protection circuit, control system and software programming design method and simulation. The system realizes the full digital control, high reliability.
KEY WORDS SCM; SA4828; Frequency control; SPWM; Motor
1绪论
1.1课题研究的背景
电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速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，广泛的适用范围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。电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3部分组成，电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态，实现电能-机械能的转换，达到优质、高产、低耗目的。电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能(节约15%～20%或更多)，改善产品质量，提高产量。在我国60%的发电量是通过电动机消耗的，因此调速传动是一个重要行业，已经得到国家重视，目前已有一定规模[1]。
交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术，变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。
近10年来，变频技术的应用在我国有很大的发展，并取得了良好的效果可以说，变频技术已为大多数用户所接受，但是不能不指出，我国在变频技术的应用方面，与发达国家的水平尚有很大差距，目前，我国在用的交流电动机使用变频调速运行的仅6%左右，而下业发达国家已达(60%~70%)，日本在风机、水泵上变频调速的采用率已达10% ,而我国还不足0.01%.在日本，空调器的70%采用了变频调速，而我国才刚刚起步。从这个现实出发，变频技术尚有很大的发展空间，应该锲而不舍地做好推广应用工作。而且随着控制技术和控制手段的不断提高，变频调速又由变压变频控制的变频调速发展到了矢量控制变频调速，通过控制交流电动机里相当于并励直流电动机励磁绕组的磁通变化，提高变频器的恒转矩输出范围和动静态特性，使得交流电动机变频调速系统的性能超过了直流电动机调压调速系统的性能。为了简化控制系统，减少设备故障率，在矢量控制变频调速的基础上又发展了无速度传感器的矢量控制变频调速。在一些对动静态特性要求不太高的应用中，无速度传感器的矢量控制变频调速己完全可以和有速度传感器的矢量控制变频调速相媲美。矢量控制对交流电机调速具有划时代的意义。变频调速是电机调速的最佳方式，是企业技术改造和产品更新换代的理想设备，是工业自动化系统必不可少的组成部分，是实现生产过程和管理自动化的前提，也是信息化发展的先决条件。在我国传统产业中，采用直流电机拖动的调速系统约占调速系统总量的85%~90%，而交流调速系统仅占10%~15%。效率低、质量差、消耗大、故障率高己成为制约企业发展的瓶颈。因此，必须积极推广先进的交流变频调速技术，用先进的设备武装传统产业，促进自动化、工业化和信息化的进一步发展[2]。
1.2课题研究的目的和意义
采用变频调速传动系统的主要目的，一是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求；二是为了节约能源、降低生产成本。
笼式三相异步电动机结构相比绕线式异步电机而言结构简单、运行可靠、重量轻、最为关键的是价格要相对便宜和节能，从而使用量很大，但其主要问题是调速问题一直得不到很好的解决。正由于此，通过此课程设计，来加深对三相异步电机的变频变压调速问题的认识，深化理论知识的学习。任何一个课题的完成都意味着汗水，都需要付出不懈的努力与宝贵的时间，是一次检验自己的机会，此次课题需要运用到大量的理论知识，需要我们查询很多的书籍与资料，温故而知新，将理论与实际结合起来，用实际行动创造可能，创造价值，锻炼自己独立思考的能力。一个成功的课题必定会有一定的难度，若想成功，必定会经历一些困难，经历一些磨难，但这些困难与磨难最终必将成为你日后成功路上的垫脚石，深化对异步电机调速系统的认识。通过对MATLAB的仿真研究，可以很直观的得到各个参数的波形图，进而能够加深对异步电机变频调速的认识，对日后的更深一步的研究会有很大的帮助这次课题研究对于我来说有着很大的意义，不仅可以使我们在学校中的理论知识得到在实践中的应用，而且又能够清楚的认识到理论与实际的差别与距离，能够使我们在课程的设计中起主导地位，也能使我们获得意想不到的收获，以该活动为载体，通过设计和运行，以及反复的运行与调试，我的动手能力会得到很好的提高，也能加深理论方面相关知识的学习，是对自己理论所学的检测，更是对自己的一次挑战，让自己深刻认识到自己的不足与优势，可以强化优势，不断学习，弥补劣势，为以后更深一步的学习做好铺垫，打好基础[3]。
结束语
本论文的主要内容在于：利用单片微机和集成芯片配合产生SPWM波形控制逆变开关的通断，控制算法容易实现，实现了全数字化控制，结构简单，与采用模拟器件相比，减少了生产成本，性能良好；具有易于改变控制算法、程序易于移植、控制精度高、可靠性好等优点，采用变频技术后，可以节省大量的能源，有良好的经济价值和环保效果。这种系统在电力电子设备与人们生活日益密切的今天有着广泛的应用。
这次仿真的结束，我又学习了一种课题的实验方法，恒压频比的转速工作方式基本上能满足大多数场合的交流电动机调速控制系统的要求，并且使用十分方便，为通用变频器的基本模式。采用恒压频比控制方式，在基频以下调速时可以保持电动机气隙磁通基本保持恒定，在相同转矩条件下电动机的转差率基本保持不变，所以电动机有较硬的机械特性，这点可以从仿真波形中看出来，从而使电动机有较好的调速性能。但是如果频率较低，定子阻抗压降所占比重就会变大，电动机难以保持气隙磁通恒定不变，电动机的最大转矩将随频率的下降而减小。为了保持电动机在低频低速时仍有较大的输出转矩，需要进行低频电压的补偿，在低频时适当提高定子电压，使V-F曲线不经过原点，这样就能基本上保持电动机仍有较大的转矩。
通过对MATLAB学习使我了解到了电力电子器件以及电力电子变流技术在实际生活中的重要作用，并且通过实际的运用MATLAB仿真软件建立电力电子功能电路模型来实现功能的仿真，对常用的GTR、GTO、MOSFITIGBT等电力电子器件在MATLAB中的实现以及其在常用到的变换器与仿真模型实现过程有实际的体验
通过毕业设计，真正的学习到了不少东西，让自己知道了工科学生扎实的基本功是必不可少的，对于创新能力的培养和加强得引起高度的重视，光课堂的学习是不够的，自学是提高的一个途径，能够将所学到的知识和自学的新知识柔和在一起已证明我们具有一定的能力。
参考文献
[1] 陈伯时.自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,1981.
[2] 陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统第3版[M].北京：机械工业出版社, 2007.
[3] 洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京:机械工业出版社, 2006.
[4] 任彦硕.自动控制原理[M].北京:机械工业出版社,2006.
[5] 黄俊,万兆安.电力电子变流技术[M].西安:电力出版社,1999.
[6] 李有善.自动控制原理[M].北京:国防工业出版社,1998.
[7] 顾绳谷.电机及拖动基础[M].北京:机械工业出版社,1999.
[8] 黄忠霖.控制系统MATLAB计算机仿真[M].北京:机械工业出版社,2001.
[9] 彭洪才.电机原理及拖动[M].北京:机械工业出版社,1996.
[10] 天作华,田学中,翁正新.工程控制基础[M].北京:清华大学出版社,2007.
[11] 陈伯时.双闭环调速系统的工程设计[J].电气传动,1999(5):6-7.
[12] 李仁定.电机的微机控制[M].北京:机械工业出版社,1999.
[13] 陈敏训.近代电机调速技术[J].上海宝钢集团教育培训中心,2004(5):36-39.
[14] 金磨,齐永杰.电机软起动器的探讨[J].变频器世界,2001(9):3-4.
[15] 李维波.MATLAB在电气工程中的应用[M].北京:中国电力出版社,2007.
[16] 郑健超.电力前沿技术的现状和前景[J].中国电力,1999(5):8-9.
[17] 王立乔,王长永.基于相移SPWM技术的级联型多电平变流器[J].高电压技术,2002(2):13-14.
[18] H.D.Cho,Y.T.Jun,M.Y.Yang. Five-axis CNC Milling for Effective Machining of Sculptured Surfaces[J]. International Journal of Production Research, 2009(6):15-19.
[19] A.K.Srivastava,S.C.Veldhuis,M.A.Elbestawit. Modelling Geometric and Thermal Errors in a Five-axis CNC Machine Tool [J].International Journal of Machine Tools & Manufac –ture.2008(8):13-18.
目 录
摘 要
本文讲述了一种采用专用集成电路SA4828设计电机变频调速的方法。系统主要包括主电路和控制电路，其中主电路采用交-直-交控制方式，即先将交流电经过整流，滤波转变为直流电，再将直流电经逆变转变为频率可调的交流电。整流部分用的是三项桥式整流电路，逆变电路用的是三项桥式逆变电路。控制电路由MCS-52系列的89C52单片机、SA4828三相SPWM产生器和一些外围扩展芯片构成，其控制电路简单、控制方式灵活、输出波形优点多的特点得到了充分体现，利用相应的软件，实现电机的调速要求。驱动电路采用MC3PHAC芯片。文章主要内容包括：SA4828的特性介绍及变频系统的主电路，控制电路，驱动电路，保护电路，调速系统及软件编程设计方法和仿真，所设计的系统实现了变频调速的全数字化控制，可靠性高。
关键词 单片机；SA4828；变频调速；SPWM；电动机
Design and Simulation of variable frequency speed controlsystem for three-phase AC motor
ABSTRACT
A method of variable frequency adjustable speed was introduced with a special integrated circuit SA4828 motor. The system includes the main circuit and control circuit, the main circuit adopts the AC-DC-AC control mode, namely the first alternating current through rectifying, filtering into DC, then the DC inverter into the adjustable frequency AC. The rectifier part with is the three bridge rectifier circuit, inverter circuit is used in the three bridge inverter circuit. The control circuit is composed of 8052 chip microprocessor of MCS-52 series and SA4828 three-phase SPWM generator and some peripheral chips, the control circuit is simple, flexible control mode, the output waveform characteristics of advantages have been fully reflected, the relevant software, realize the motor speed control requirements. Driving circuit uses the MC3PHAC chip. The main content of this paper includes: the main circuit, introduces the characteristics and frequency system SA4828 drive circuit, protection circuit, control system and software programming design method and simulation. The system realizes the full digital control, high reliability.
KEY WORDS SCM; SA4828; Frequency control; SPWM; Motor
1绪论
1.1课题研究的背景
电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速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，广泛的适用范围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。电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3部分组成，电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态，实现电能-机械能的转换，达到优质、高产、低耗目的。电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能(节约15%～20%或更多)，改善产品质量，提高产量。在我国60%的发电量是通过电动机消耗的，因此调速传动是一个重要行业，已经得到国家重视，目前已有一定规模[1]。
交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术，变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。
近10年来，变频技术的应用在我国有很大的发展，并取得了良好的效果可以说，变频技术已为大多数用户所接受，但是不能不指出，我国在变频技术的应用方面，与发达国家的水平尚有很大差距，目前，我国在用的交流电动机使用变频调速运行的仅6%左右，而下业发达国家已达(60%~70%)，日本在风机、水泵上变频调速的采用率已达10% ,而我国还不足0.01%.在日本，空调器的70%采用了变频调速，而我国才刚刚起步。从这个现实出发，变频技术尚有很大的发展空间，应该锲而不舍地做好推广应用工作。而且随着控制技术和控制手段的不断提高，变频调速又由变压变频控制的变频调速发展到了矢量控制变频调速，通过控制交流电动机里相当于并励直流电动机励磁绕组的磁通变化，提高变频器的恒转矩输出范围和动静态特性，使得交流电动机变频调速系统的性能超过了直流电动机调压调速系统的性能。为了简化控制系统，减少设备故障率，在矢量控制变频调速的基础上又发展了无速度传感器的矢量控制变频调速。在一些对动静态特性要求不太高的应用中，无速度传感器的矢量控制变频调速己完全可以和有速度传感器的矢量控制变频调速相媲美。矢量控制对交流电机调速具有划时代的意义。变频调速是电机调速的最佳方式，是企业技术改造和产品更新换代的理想设备，是工业自动化系统必不可少的组成部分，是实现生产过程和管理自动化的前提，也是信息化发展的先决条件。在我国传统产业中，采用直流电机拖动的调速系统约占调速系统总量的85%~90%，而交流调速系统仅占10%~15%。效率低、质量差、消耗大、故障率高己成为制约企业发展的瓶颈。因此，必须积极推广先进的交流变频调速技术，用先进的设备武装传统产业，促进自动化、工业化和信息化的进一步发展[2]。
1.2课题研究的目的和意义
采用变频调速传动系统的主要目的，一是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求；二是为了节约能源、降低生产成本。
笼式三相异步电动机结构相比绕线式异步电机而言结构简单、运行可靠、重量轻、最为关键的是价格要相对便宜和节能，从而使用量很大，但其主要问题是调速问题一直得不到很好的解决。正由于此，通过此课程设计，来加深对三相异步电机的变频变压调速问题的认识，深化理论知识的学习。任何一个课题的完成都意味着汗水，都需要付出不懈的努力与宝贵的时间，是一次检验自己的机会，此次课题需要运用到大量的理论知识，需要我们查询很多的书籍与资料，温故而知新，将理论与实际结合起来，用实际行动创造可能，创造价值，锻炼自己独立思考的能力。一个成功的课题必定会有一定的难度，若想成功，必定会经历一些困难，经历一些磨难，但这些困难与磨难最终必将成为你日后成功路上的垫脚石，深化对异步电机调速系统的认识。通过对MATLAB的仿真研究，可以很直观的得到各个参数的波形图，进而能够加深对异步电机变频调速的认识，对日后的更深一步的研究会有很大的帮助这次课题研究对于我来说有着很大的意义，不仅可以使我们在学校中的理论知识得到在实践中的应用，而且又能够清楚的认识到理论与实际的差别与距离，能够使我们在课程的设计中起主导地位，也能使我们获得意想不到的收获，以该活动为载体，通过设计和运行，以及反复的运行与调试，我的动手能力会得到很好的提高，也能加深理论方面相关知识的学习，是对自己理论所学的检测，更是对自己的一次挑战，让自己深刻认识到自己的不足与优势，可以强化优势，不断学习，弥补劣势，为以后更深一步的学习做好铺垫，打好基础[3]。
结束语
本论文的主要内容在于：利用单片微机和集成芯片配合产生SPWM波形控制逆变开关的通断，控制算法容易实现，实现了全数字化控制，结构简单，与采用模拟器件相比，减少了生产成本，性能良好；具有易于改变控制算法、程序易于移植、控制精度高、可靠性好等优点，采用变频技术后，可以节省大量的能源，有良好的经济价值和环保效果。这种系统在电力电子设备与人们生活日益密切的今天有着广泛的应用。
这次仿真的结束，我又学习了一种课题的实验方法，恒压频比的转速工作方式基本上能满足大多数场合的交流电动机调速控制系统的要求，并且使用十分方便，为通用变频器的基本模式。采用恒压频比控制方式，在基频以下调速时可以保持电动机气隙磁通基本保持恒定，在相同转矩条件下电动机的转差率基本保持不变，所以电动机有较硬的机械特性，这点可以从仿真波形中看出来，从而使电动机有较好的调速性能。但是如果频率较低，定子阻抗压降所占比重就会变大，电动机难以保持气隙磁通恒定不变，电动机的最大转矩将随频率的下降而减小。为了保持电动机在低频低速时仍有较大的输出转矩，需要进行低频电压的补偿，在低频时适当提高定子电压，使V-F曲线不经过原点，这样就能基本上保持电动机仍有较大的转矩。
通过对MATLAB学习使我了解到了电力电子器件以及电力电子变流技术在实际生活中的重要作用，并且通过实际的运用MATLAB仿真软件建立电力电子功能电路模型来实现功能的仿真，对常用的GTR、GTO、MOSFITIGBT等电力电子器件在MATLAB中的实现以及其在常用到的变换器与仿真模型实现过程有实际的体验
通过毕业设计，真正的学习到了不少东西，让自己知道了工科学生扎实的基本功是必不可少的，对于创新能力的培养和加强得引起高度的重视，光课堂的学习是不够的，自学是提高的一个途径，能够将所学到的知识和自学的新知识柔和在一起已证明我们具有一定的能力。
参考文献
[1] 陈伯时.自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,1981.
[2] 陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统第3版[M].北京：机械工业出版社, 2007.
[3] 洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京:机械工业出版社, 2006.
[4] 任彦硕.自动控制原理[M].北京:机械工业出版社,2006.
[5] 黄俊,万兆安.电力电子变流技术[M].西安:电力出版社,1999.
[6] 李有善.自动控制原理[M].北京:国防工业出版社,1998.
[7] 顾绳谷.电机及拖动基础[M].北京:机械工业出版社,1999.
[8] 黄忠霖.控制系统MATLAB计算机仿真[M].北京:机械工业出版社,2001.
[9] 彭洪才.电机原理及拖动[M].北京:机械工业出版社,1996.
[10] 天作华,田学中,翁正新.工程控制基础[M].北京:清华大学出版社,2007.
[11] 陈伯时.双闭环调速系统的工程设计[J].电气传动,1999(5):6-7.
[12] 李仁定.电机的微机控制[M].北京:机械工业出版社,1999.
[13] 陈敏训.近代电机调速技术[J].上海宝钢集团教育培训中心,2004(5):36-39.
[14] 金磨,齐永杰.电机软起动器的探讨[J].变频器世界,2001(9):3-4.
[15] 李维波.MATLAB在电气工程中的应用[M].北京:中国电力出版社,2007.
[16] 郑健超.电力前沿技术的现状和前景[J].中国电力,1999(5):8-9.
[17] 王立乔,王长永.基于相移SPWM技术的级联型多电平变流器[J].高电压技术,2002(2):13-14.
[18] H.D.Cho,Y.T.Jun,M.Y.Yang. Five-axis CNC Milling for Effective Machining of Sculptured Surfaces[J]. International Journal of Production Research, 2009(6):15-19.
[19] A.K.Srivastava,S.C.Veldhuis,M.A.Elbestawit. Modelling Geometric and Thermal Errors in a Five-axis CNC Machine Tool [J].International Journal of Machine Tools & Manufac –ture.2008(8):13-18.
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
1 绪论 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 课题研究的目的和意义 2
2 三相交流电机变频调速系统的组成及工作原理 3
2.1 变频调速系统工作原理 3
2.2 系统框图 4
3 系统硬件电路的设计 5
3.1 主电路的设计 5
3.1.1 主电路介绍 5
3.1.2 整流电路 5
3.1.3 电容滤波 6
3.1.4 逆变电路 6
3.2控制电路的设计 6
3.2.1 驱动模块的选择 6
3.2.2 单片机的选取 8
3.2.3 SA4828芯片的介绍 9
3.3 外围设备简介 10
3.3.1 串口通信 10
3.3.2 LED显示器 11
3.3.3保护电路 12
3.3.4 A/D转换器的选择 12
3.4 系统硬件原理图 13
4 系统软件的设计 14
5 系统的仿真及结果分析 17
5.1 Simulink简介 17
5.2 仿真模型的建立 17
5.3 MATLAB模块选用以及参数设置 18
5.4仿真结果图形及其分析 24
结束语 28
致 谢 29
参考文献 30
附 录 31
