理工科毕业设计

摘要

本文采用交-直-交变频调速来实现电机很大范围内的速度的自动平滑的调节。首先介绍了变频调速的发展现状与趋势，接下来对变频的工作原理进行了分析，包括：整流环节、滤波环节和逆变环节。然后，设计了系统的主电路，包括过压保护环节、整流环节、滤波环节和逆变环节，并对元件进行选型。本设计的核心是控制系统的设计，控制部分采用的控制芯片是电机专用单片机87C196MC，此单片机可以产生脉冲信号（SPWM）控制智能功率模块IPM的开关时间，实现对电动机进行调速的目的。控制部分的硬件电路包括：87C196MC的控制电路、系统的测速电路和系统的测流电路。其中测速电路选用的是光电码盘，测流环节用的是霍尔传感器，其输出的是电压信号方便单片机读取转换。最后是对系统的软件设计并给出了部分程序的流程图。

本文所设计系统的特点是选用了智能功率模块（IPM）代替IGBT电路来实现逆变。由于智能功率模块集成了各种保护，从而大大简化了硬件电路，提高了系统的性能并且控制方便。本文设计的是转速闭环调速系统，可以提高转速的稳定性。

关键词：87C196MC 智能功率模块变频调速

Abstract

This article adopts the AC-DC-AC inverter for motor very wide range of speed automatic smoothing adjustment. It describes inverter development status and trends, the next conversion work analysis, links, including: rectification filter and invert. Then, the design of the system's main circuit, including the overvoltage protection link, rectification filter and links, invert, and component selection. The core of this design is the design of control systems, control part of control chip is motor dedicated microcontroller 87C196MC, the SCM can produce a pulse signal (SPWM) control IPM switch time, achieve the purpose of electric motor speed control. The control segment hardware circuit including: 87C196MC of control circuits, systems and speed to the circuit and system of measuring flow circuit. Where speed circuit selection is encoder, measuring flow links using a Hall sensor, its output is a voltage signal convenient single-chip reads conversion. Last is a system of software design and gives some of the programs of the flowchart.

This article is designing the system is characterized by the use of IPM (IPM) instead of IGBT Inverter circuit to implementation. Because smart power module integrates the various protection, which can greatly simplify hardware circuit, improves system performance and control. This article is designed for speed control system, you can increase the speed and stability.

Keywords：87C196MC intelligent power module frequency conversion

1 绪论

1.1 选题的背景和意义

交流变频调速技术是微机技术、电力电子技术和电机传动技术的综合应用，是强弱电混合、机电一体的综合性技术。其实质是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，其基本原理是通过整流桥将工频交流电压变为直流电压，再由逆变器转换为频率、电压可调的交流电压作为交流电机的驱动电源，使电动机获得无级调速所需的电压和电流，是一种无附加转差损耗的高效调速方式之一。变频调速技术之所以在能源危机中应运而生，就是因为它能根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速、减速，从而大幅度提高工作效率。因而被国内外公认为最有发展前途的调速方式，成为节电、改善工艺流程以及提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。

掌握变频调速技术是将其应用到工程实践中的理论基础，同时也是保证构成的变频调速系统具有高性价比、最简捷的外围电路、最佳的性能指标的技术基础。所以掌握变频调速技术不仅可以解决就业问题，而且也将成为创业的一种资本。

1.2 什么是变频调速

变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：

n =60 f（1-s）／p （1-1）

（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。

三相异步电动机转速公式为：n=60f/p(1-s) 从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可太到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步

转两种。在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。

1.3 变频调速的发展概况

1.3.1 变频调速在我国的发展概况

在电气传动领域，人们关心的是如何合理地使用电动机以节约电能和有目的地控制机械的运转状态（位置、速度、加速度等），在实现电能-机械能之间的转换过程中达到优质、高产、低耗的目的。近年来交流调速最活跃、发展最快的就是变频调速技术，是交流调速的基础和主干内容，其根本原因在于变频调速在节能和调速特性优于其他调速方式，当然，电力电子器件发展、计算机技术、自动控制技术的迅速发展也为它的实现提供了基础。

我过关于变频调速的研究始于20世纪60年代初期，当时典型的技术是交-交变频器供电的交流变频调速传动；继此之后80年代主体技术为电压或电流型六脉冲逆变器供电的交流变频调速传动；从90年代中期至今，随着电力电子器件、调制技术以及控制技术的发展,BJT(IGBT)PWM逆变器供电的交流变频调速空前发展，并得到广泛应用，而随着SPWM的发展，变频系统的有点越来越突出，应用也越来越广。

我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。在

变频调速方面，国内虽然投入了一定的人力和物力，但由于力量分散，并未形成一定的技术规模和生产规模，再加上相关产业的落后，使得至今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上20世纪80年代中后期的水平。随着改革开放，经济高速发展，形成了一个巨大的市场，很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活的需要。国内许多合资公司生产着国际上最先进的产品，国内的成套部门在自行设计制造的成套装置中采用进口外国公司先进设计和装置，自行开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。虽然取得很大的成绩，但产品的可靠性和工艺水平与国外还有差距，并且国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性还很严重。

目前国内变频调速方面主要的产品状况如下:

(1) 在中、小功率变频调速中主要是IGBT的PWM逆变器供电的交流变频调速设备。这类设备的市场很大，总容量占的比例虽然不大，但台数多，需求增长快。产品应用的范围从单机到全生产线;控制方式从简单的u/f控制到高调速性能的矢量控制，但目前u/f控制占主体，矢量控制数量还比较少，此类产品和质量还不能满足市场的需要，每年要大量进口。此类国内产品中合资企业生产的比重较大。

(2) 电流源型晶闸管逆变器供电的交流变频调速设备。这类产品在大容量风机、泵、压缩机和轧机传动方面有很大的需求，国内有能力制造的单位不多。目前功率装置有国内自行生产，数字化控制装置的控制设备由国外进口，应用软件由国内自行开发设计。

(3) 交-交变频器供电的交流调速设备。这类产品在轧机和矿井卷扬传动方面由较大的需求，虽然需求台数不多，但该类装置功率大，国内只有极少数科研单位由能力制造。目前最大容量可做到7000KW至8000KW.此类产品主要靠进口，目前的国内产品的生产状态是功率装置由国内自行生产，数字控制装置的控制设备由国外进口，应用软件由国内自行开发设计，但系统可靠性方面与国外还有很大的差距。

1.3.2 国外交流变频调速技术的现状

国外交流变频调速技术的发展主要体现在以下几个方面：

（1）控制理论和控制技术的发展。矢量控制、直接转矩控制、模糊控制、神经网络、专家系统、自适应控制、预测控制、解耦控制、微分几何学、随机控制等控制理论为高性能变频器提供了理论基础。

（2）功率开关器件和微电子技术的发展。功率开关器件由最初的半控型发展到现在的全控型，功率开关器件和变频调速技术相辅相成、互相促进、共同发展。国外的电力电子功率开关器件正向低开关损耗、高开关频率、低开关电压、高功率等方面的发展。

（3）功能更强大，智能化程度更高。新一代的变频器由于有功能很强的微处理器支持，除能完成电动机变频调速的基本功能外，还具有内置的可编程、参数辨识等功能。

（4）通信能力强。新型变频器一般都带有的通信接口，可以实现上位工控机对变频的1对1或1对32的通信功能，可将上位机的运行指令下达，或将变频器的运行状态上传。

（5）朝大功率、大容量方面发展。高电压、大功率器件SCR、GTO、IGBT、IGCT、HV-IGBT的生产及其串联、并联技术发展迅速，促进了高电压、大中功率变频器产品的生产和应用。

（6）生产社会化、专业化。通用变频器相关配套器件社会化、专业化生产，小功率通用变频器已实现全数字化，采用IGBT的通用变频器已成系列产品，正向软件化、网络化、智能化为基础的高动态性能方向发展。

（7）更加绿色环保。新型变频器设计都已极力减小谐波和电磁污染。

（8）结构更加优化。新型变频器已做到结构紧凑化、标准化，体积最小化。

1.3.3 变频调速技术的发展趋势

在20世纪90年代初，有人提出了网络控制系统的概念。网络控制系统又称为网络化的控制系统或分布式网络控制系统，即在网络环境下实现的控制系

统，是指在某个区域内一些现场检测、控制及操作设备和通信线路的集合，用以提供设备之间的数据传输，使该区域内部同地点的设备和用户实现资源共享和协调操作。网络控制系统的主要优点在于可以实现资源共享、价格低、重量轻、能耗小、安装方便、容易维护。智能化的机器人现在已经出现了，虽然还不是太理想，但已经给我们提供了极大的方便。我深信随着变频调速技术、计算机技术、微电子技术、信息技术、网络技术和传感器技术等的飞速发展，网络化、智能化无疑成为了变频调速控制系统发展的必然趋势。

1.4 本文所作的主要工作

本文采用的的控制芯片Intel公司生产的电机专用单片机87C196MC，该单片机是变频调速的核心，此单片机可以产生脉冲信号（SPWM）控制智能功率模块IPM的开关时间，实现电动机调速的目的。论文中所作的工作如下：

(1)阐述了变频调速的工作原理，给出了系统的设计方案，介绍了系统结构、系统组成。

（2）采用速度闭环对系统进行控制，建立了系统的数学结构图，建立了各环节的数学模型。

（3）以87C196MC单片机作为控制器设计出了系统的硬件电路，主要包括包括单片机的晶振电路、单片机的复位电路、显示电路、WG脉冲的放大隔离电路、单片机对智能功率模块的封锁电路、测速电路和测流电路。

（4）系统中用的电动机为BPY系列的5.5KW，额定电压为380V，额定电流为11.6A。

2 变频的原理

2.1 变频的基本结构

变频根据变流环节可以分为交-交变频和交-直-交变频两种方式，交-直-交变频又可分为电压型和电流型两类。交-交变频器与交-直-交变频器主要特点比较见表2-1，电压型与电流型交-直-交变频器主要特点比较见表2-2。

换能方式

换流方式

电源电压换流强迫换流负载换流元件数量

较多较少

元件利用率

较低较高

调频范围输出最高频率为电压频率

的1/2到1/3

频率调节范围宽

电源功率因数较低如用可控整流桥调压，则低

频低压时功率因数较低，如

用斩波器或是PWM方式调压

则功率因数较高

适用场合低速大功率传动各种传动装置，稳频稳压电

源和不间断电源

节

输出电压波

形

取决于负载，异步电机为正弦波 矩形波 输出电流 矩形 取决于逆变器电压与负载

电动机电势，有较大的谐

波分量

输出功态阻抗

大 小

再生制动 方便，主电路不需要附加设备 需要在电源侧设置反并联

逆变器

过流保护及短路保护

容易 困难

动态特性 快 较慢，如用PWM 则快

对晶闸管要求 耐压高，对关断时间无严格要求 耐压一般较低，关断时间要求短

线路结构 较简单 较复杂

适用范围 单机，不频繁切换的多机传动 多机传动、稳频稳压电源

及不间断电源

通过比较可知，交

-直-交变频的电路较简单并且可以在范围内调速，所以本设计采用交-直-交的变频方式。又因电压型变频器的输出波形为矩形且输出功态阻抗小，所以选用电压型。

下面来着重讲下交-直-交电压型变频的原理。交-直-交变频的框图如下

电

网

图2-1 交-直-交变频的框图

2.2 整流环节的工作原理

整流环节是把交流变为直流的电路。整流电路的分类:按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。按电路结构可分为桥式电路和零式电路。按交流输入相数分为单相电路和多相电路。

2.2.1 电容滤波的单相不可控整流电路

电容滤波的单相不可控整流电路如图2-2所示

图2-2 电容滤波的单相桥式不可控整流电路

假设该电路已工作于稳态，同时由于实际中作为负载的后级电路稳态时消耗的直流平均电流是一定的，所以分析中选择电阻R作为负载。

该电路的基本工作过程是，在u

2正半周过零点至ωt=0期间，因u

2

小于u

d

，

故二极管均不导通，此阶段电容C向R放电，提供负载所需电流，同时u

d

下降。

至ωt=0之后，u

2将超过u

d

，使得VD1和VD4导通，u

d

= u

2

，交流电源向

电容充电，同时向负载R供电。

设VD1和VD4导通的时刻与u

2过零点相距δ角，则u

2

如下式所示

u

2=2U

2

sin（ωt+δ）（2-1）

在VD1和VD4导通期间，以下方程式成立

??

????????=+=?t u i c d t c Ud U Ud 02/1)0(sin 22)0(δ （2-2） 式中，U d （0）为VD1、VD4开始导通时刻的直流侧电压值。

将u2带入并求解得

i c =2ωCU 2cos （ωt+δ） （2-3）

而负载电流为

i r = u 2/R=2U 2sin （ωt+δ）/R （2-4）

于是

i d = i c + i r （2-5） 由上面的分析可得，空载时，放电时间常数为无穷大，输出电压最大，U d =2U 2。输出电流平均值I R = U d /R 。在稳态时，电容C 在一个电源周期内吸收的能量和释放的能量相等，其电压平均值保持不变。相应的，流经电容的电流在一个周期内的平均值为零，即I d =I R 。同时二极管所承受的反向电压最大值为变压器二次电压最大值，即2U 2。

2.2.2 电容滤波的三相不可控整流电路

在电容滤波的三相不可控整流电路中，最常用的是三相桥式结构，图2-3给出了其电路图如下

图2-3 电容滤波的三相不可控整流电路

该电路中，当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压中的最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电，U

d

按指数规律下降。

设二极管在距线电压过零点δ角处开始导通，并以二极管VD6和VD1开始同时导通的时刻为时间零点，则线电压为

U

ab =6U

2

sin（ωt+δ）（2-6）

而相电压为

U

a =2U

2

sin(ωt+δ-6/π) （2-7）

在ωt=0时，二极管VD6和VD1开始同时导通，直流侧电压等于u

ab

；下一次同时导通的一对管子是VD1和VD2，直流侧电压等于u ac。这两段导通过

程之间的交替有两种情况，一种是在VD1和VD2同时导通之前VD6和VD1

是关断的，交流侧向直流侧的充电电流i

d

是断续的。另一种是VD1一直导通，

交替时由VD6导通至VD2导通，i

d

是连续的。介于两者之间的临界情况是，VD6和VD1同时导通的阶段与VD1和VD2同时导通的阶段在ωt+δ=3

2π处

恰好衔接了起来，i

d

恰好连续，由前面所述“电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件，即

3=RC ω （2-8）

所以RC ω大于3是电流i d 断续的条件，而RC ω小于等于3是电流i d 连续的条件。

主要的数量关系

① 输出电压平均值 空载时，输出电压平均值最大，为U d =6U 2=2.45 U 2。随着负载加重，输出电压平均值减小，至3=RC ω进入i d 连续情况后，输出电压波形成为线电压的包络线，其平均值为U d =2.34 U 2。可见，U d 在2.34 U 2到2.45 U 2之间变化。

与电容滤波的单相桥式不可控整流电路相比，U d 的变化范围小得多，当负载加重到一定程度后，U d 就稳定在2.34 U 2不变了。

②电流平均值 输出电流平均值I R 为

I R = U d /R （2-9）

与单相电路情况一样，电容电流i c 平均值为零，因此

I d = I R （2-10）

在一个电源周期中，i d 有6个波头，流过每一个二极管的是其中的两个波头，因此二极管电流平均值为I d 的1/3。

③二极管承受的电压 二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为6U 2。

2.3 逆变的工作原理分析

在生产实践中，存在着与整流过程相反的要求，即要求把直流电转变成交

流电，这种对应于整流的逆向过程，定义为逆变（Invertion）。把直流电逆变成交流电的电路常称为逆变点电路。当交流侧和电网连接时，这种逆变电路称为有源逆变电路。有源逆变电路常用于直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等方面。对于可控整流电路而言，只要满足一定的条件，就尅工作于有源逆变状态。此时，电路形式并未发生变化，只是电路工作条件转变，因此将有源逆变工作作为整流电路的一种工作状态进行分析。有些教材为了叙述方便，将这种既工作在整流状态又工作在逆变状态的整流电路称为交流电路.如果交流电路的交流侧不与电网连接，而直接接到负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载，称为无源逆变。2.3.1 逆变电路的基本工作原理

以图2-4的单相桥式逆变为例说明其最基本的工作原理.图中S

1、S

2

、S

3

、

S

4是桥式电路的四个桥臂，它们由电力电子器件及其辅助电路组成。当开关S

1

、

S

4闭合，S

2

、S

3

断开时，负载电压u

为正；当开关S

1

、S

4

断开，S

2

、S

3

闭合

时，负载电压u

为负。这样，就把直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。这就是逆变电路最基本的工作原理。

图2-4 单相桥式逆变电路

当负载为电阻时，负载电流i

0和电压u

的波形相同，相位也相同。当负载

为阻感时，i

0相位滞后于u

，两者波形的形状也不同，图2-5给出的就是阻感

负载时的i

0波形。设t

1

时刻以前S

1

、S

4

导通，u

和i

均为正。在t

1

时刻断开

图2-5 逆变电路的波形

S

1、S

4

，同时合上S

2

、S

3

，则u

的极性立刻变为负。但是，因为负载中有电

感，其电流方向不能立刻改变而仍维持原方向。这时负载电流从直流电源负极

流出，经S

2、负载和S

3

流回正极，负载电感中储存的能量向直流电源反馈，

负载电流逐渐减小，到t

2时刻降为零，之后i

才反向并逐渐增大。S

2

、S

3

断开，

S

1、S

4

闭合时的情况类似。上面是S

1

、S

2

、S

3

、S

4

均为理想开关时的分析，

实际电路要复杂一些。

2.3.2 三相电压型逆变电路

图2-6 三相电压型桥式逆变电路

采用IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路如图2-6所示，可以看成由三个半桥逆变电路组成。

图2-6电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了分析方便，画出串联的两个电容器并标出了假想中点N’。和单相半桥、全桥逆变电路相同，电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式也是180°导电方式，即每个桥臂的导电角度为180°，同一相（即同一半桥）上下两个桥臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120°。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此也称为纵向换流。

下面来分析电压型三相桥式逆变电路的工作波形。对于U相输出来说，当

桥臂1导通时，u

'

UN =Ud/2,当桥臂4导通时，u

'

UN

=- Ud/2。因此u

'

UN

的波形是幅

值为Ud/2的矩形波。V、W两相的情况和U相类似，u

'

VN 、u

'

WN

的波形和u

'

UN

相

同，只是相位相差120°。u

'

UN 、u

'

VN

、u

'

WN

的波形如图2-7的a、b、c所示。

图2-7 电压型三相桥式逆变电路的工作波形

负载线电压u

UV 、u

VW

、u

WU

可由下式求出

'

'VN

UN

UV

u

u

u-

=（2-8）

'

'WN

VN

VW

u

u

u-

=（2-9）

'

'UN

WN

WU

u

u

u-

=（2-10）

依照上面各式可画出u

UV

的波形如图2-7d。

设负载中点N与直流电源假想中点N’之间的电压为

'

NN

u,则负载各相的相电压分别为：

''NN UN UN u u u -= （2-11）

''NN VN VN u u u -= （2-12）

''NN WN WN u u u -= （2-13）

把上面各式相加并整理可求得

)(3/1)(3/1''''WN VN UN WN VN UN NN u u u u u u u ++-++= （2-14）

设负载为三相对称负载，则有0=++WN VN UN u u u ,故可得

)(3/1''''WN VN UN NN u u u u ++= （2-15）

因此，'NN u 的波形也是矩形波（如图2-7e 所示），并且其频率为'UN u 频率的3倍，幅值为其1/3。

输出线电压的有效值U UV 为

U UV =?π

ωπ2022/1t d u UV =0.816U d （2-16） 负载相电压的有效值U UN 为

U UN =?π

ωπ2022/1t d u UN =0.471 U d （2-17） 2.3.3 SPWM 调制原理

SPWM 的概念 在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调制。

一个连续函数是可以用无限多个离散函数逼近或替代的，因而可以设想用多个不同幅值的矩形脉冲波来替代正弦波，如图2-8所示。图中，在一个正弦半波上分割出多个等宽不等幅的波形(假设分出的波形数目n=12)，如果每一个矩形波的面积都与相应时间段内正弦波的面积相等，则这一系列矩形波的合成

面积就等于正弦波的面积，也即有等效的作用。为了提高等效的精度，矩形波的个数越多越好，显然，矩形波的数目受到开关器件允许开关频率的限制。

图2-8与正弦波等效的等宽不等幅矩形脉冲波序列

3 系统的主电路的设计

3.1 系统的总体框图

本设计所采用的变频方式时交-直-交的变频方式，其中逆变部分采用的是智能功率模块IPM（intelligent power module）和单片机87C196MC控制的变频调速系统。该系统主要具有下列功能：

1.电机的运行控制：转速给定、调速、起动停止、正反转、制动等。

2.运行状态显示：转速显示。

3.系统的过流保护、过压保护等保护措施。

系统的总体框图如下：

图3-1 系统的总体框图

3.2 系统的主电路的设计

系统的主电路主要有过压保护电路、整流电路、滤波电路、逆变电路等组