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基于单片机的变频调速系统的组成和应用(三)
系统采用增量式转差频率调节方式,转差调节器设计为带有死区的调节器,即:
(2-1)
控制结构框图和控制曲线如下图2-9所示。为死区,它是为了避免因量化误差,舍入误差引起系统运行不平衡而引起的。为线性调节区,当时,输出限幅,用以现在转差频率的最大增量,亦即限制的最大增量,防止系统过冲,提高系统的稳定性。决定系统的积分系数,它由电位器给定,通过AD转换器转换后输入。当确定后,通过调节电位器,就能改变积分系数,整定方便。的值根据静态精度要求和实际系统工作时的最低转速来确定,,通过实验确定。
a) 控制结构框图 b) 控制曲线
图2-9 控制结构框图和曲线图
2.3.4 SPWM控制信号的产生
系统中,控制信号用SA8282大规模集成块来产生。电动机转速的调节是通过调频,调压实现的。以正弦波作为逆变器输出的期望波形,以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波(Carrier wave),并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波(Modulation wave),当调制波与载波相交时,由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻,从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。
如图2-10为其调制原理图。按照波形面积相等的原则,每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等,因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。正弦调制波在半个周期内,三角载波在正负极性之间连续变化,则SPWM波也在正负之间变化,也称为双极性控制方式。
将三相电压和幅值为频率为的三角载波分别送到三个独立的比较器,比较器的输出一方面接到相应的上桥臂开关作为驱动信号,另一方面经过反相后接到相应的下桥臂开关作为驱动信号.
逆变器的输出波形都为双极性。更为实际的是SPWM逆变器往往加上调节器,加上调节器后,实际的是输出电压与参考电压或指令电压比较后作为调节器的输入,其输出形成相应的, ,,这样输出总是跟随者指令电压变化。
图2-10 SPWM逆变器电压波图形 图2-11 AT89C51与SA8282连接电路图
在模拟电子电路中,采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现SPWM的双极性控制;改成数字控制后,开始时只是把同样的方法数字化,称做“自然采样法”而在工程上,采用的是简化后的“规则采样法”。
SA8282控制脉冲波的输出采用数字方法,数字方法是按照不同的数字模型用计算机算出各切换点并将其存入内存 然后通过查表及必要的计算生成PWM波,从而实现以软件方式控制的,在SA8282的ROM中储存有脉冲表,SA8282可通过查表得知应该输出的脉冲的频率与幅值,从而可以控制电机的转速与输出转矩。如图2-11所示,AT89C51则通过检测电路检测的。数据通过P0口向SA8282的AD口传送数据,使SA8282输出相应的脉冲波,从而达到转差频率控制电动机的交流调速。
2.3.5光电隔离及驱动电路介绍
SA8282输出的PWM控制信号功率很小,无法直接驱动GTR,要经过脉冲功率放大才能驱动GTR,脉冲功率放大电路选用模块EX359。该模块是一个带有光隔离的功率放大电路,其电源电压为12V,输入信号5V,输出电压(对应GTR导通)和-2V(对应GTR关断),其内部电路如图2-12所示。
图2-12 EX359驱动模块内部结构
2.3.6故障检测及保护电路介绍
故障检测及保护电路如图2-14所示,该电路采用电阻取样的电压、电流保护电路,通过调节电位器RP1、RP2来设定最大的允许电压、电流值。电路中C1、C2接8255的C 口中的PC2、PC3,O端接SA8282的CLK。
图2-13 过电流,过电压保护电路控制端
这样保护电路可通过门1输出控制信号的封锁SA8282输出的PWM控制信号,断开主回路电源。A1、A2接8255的C 口中的PC4、PC5,通过PC4、PC5输入故障信号,用以检测故障类型。
2.3.7 模拟量输入通道的介绍
选用的AT89C51单片机没有模数转换器所以需要在外部电路中加上模数转换电路。经过考虑选用的是ADC0809芯片。它能完成8路模拟量的转换,为了削弱反馈信号中的交流分量,在需在反馈信号输入前加一RC滤波电路。
第3章 系统软件的设计介绍
3.1 主程序的设计
主程序框图如图3-1所示。先进行芯片初始化,然后,清系统工作区,开放89C51外部中断,启动软件定时器10ms(采样周期)。所以,系统初始化完毕,进入控制循环:测速→中断服务(,和,运算,查表求出)→可逆切换程序→输出控制量→测速。
图3-1 系统主程序框图
3.2 转速调节程序
转速调节程序即为软件定时器O的中断服务程序,其程序框图如图3-2所示。在转速调节程序中,完成转速、的采样,进行PI运算,求出频率指令信号,然后查表求得分频系数。
图3-2 转速调节程序框图
3.3 增量式PI运算子程序
增量式PI运算子程序框图如图3-3所示,它包括按图所示控制曲线计算转差频率增量, 由求出转差频率控制量,再由求出频率指令信号,再由AT89C51单片机向SA8282发出调频指令。
图3-3 增量式PI运算子程序框图
3.4故障处理程序
故障处理程序即为89C51外部中断服务程序,其程序框图如图3-4所示。
图3-4 故障处理程序
第4章 变频调速系统的应用
变频系统越来越广泛地送用在机械纺织化工、造纸冶金贪食品等各个行业以及风机水泵等的节能场合,并取得显著的经济效益。
4.1二次方转矩负载的应用
大量应用的流体输送设备,大都属于二次方转矩负载类型;较高粘滞系数物料的搅拌机,在中速和高速下也有二次方转矩负载特性。次方转矩类负载有一个非常明显的共同特点那就是机械轴功率随转速的下降而急剧降低,因此,调速系统输入的电功率也急剧降低,除节能因素外,这类负载还有过载的可能性小,低速下对转速要求不高,通过限制最高转速能够限制最大输出电流特性。
4.2位能负载的应用
起重机、提升机、电梯等都属于位能性恒转矩负载。位能负载调速的应用价值主要体现在抑制机械和电气冲击造成的有害影响,在变頻调速系统设计中,需要注意的主要方面是低速下的转矩输出能力机械制动配合关系以及位能功率的释放问题。位能负载的一个重要特征,就是在没有转速时也有负载转矩存在,并且是全部的负载转矩,因此,在低速和零達情况下,也要求电动机的转矩输出能力能够承担全部负载转矩(1位能性负载变頻调速中要考虑的共性问题有:要求很好的低速转矩性能;控制模式适合采用矢量拉制或者直接转矩控制;需要逻辑控制设备来解决与机械制动机构的配合关系,全額配置制动电路;根据操作频繁程度决定制动方式等。
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