运动控制系统 课程设计说明书 课题名称： 小容量异步电动机变压变频调速系统 学生学号： 2010500238 专业班级： 电气自动化04班 学生姓名： 杨彬 学生成绩： 指导教师： 文小邻 王振 课题工作时间： 2013-6-20 至 2013-6-30 武汉工程大学教务处 制 填写说明： 1. 一、二、三项由指导教师在课程设计（学年论文）开始前填写并交由学生保管； 2. 四、五两项由学生在完成课程设计后填写，并将此表与课程设计一同装订成册交给指导教师； 3. 成绩评定由指导教师按评定标准评分。 4. 此表格填写好后与正文一同装订成册。 一、课程设计的任务和要求 1．要求 设计一个变压变频调速系统，系统包括速度设定、速度显示、速度测量、速度控制、正反转控制、声光报警等，且根据交流异步电动机的容量采用由三相二极管整流桥、电容滤波、基于全控型开关器件IGBT或MOSFET的三相PWM逆变桥构成的主电路给异步电动机供电。已知 （1）异步电动机：额定容量PN =3KW，额定电压UN =380V，额定电流IN =6.9A，额定转速为nN =1400 r/min，额定频率fN =50Hz，定子绕组Y联接。由实验测得定子电阻Rs =1.85Ω，转子电阻Rr =2.658Ω，定子自感Ls =0.294H，转子自感L r =0.2898H，定、转子互感L m =0.2838H，转子参数已折算到定子侧，系统转动惯量J =0.1284kg.m2。 （2）变频电源主要技术指标： 1）输入电压额定值：三相、380VAC、50Hz， 2）效率：80%以上， 3）额定输出容量：4KVA或250VA， 4）额定输出电压：三相、380VAC， 5）输出频率：5~400Hz， 6）控制方式：开环恒压频比控制方式/转速闭环转差频率控制方式，SPWM或SVPWM脉冲产生方式。 2．任务 （1）完成系统理论与仿线）进行系统参数计算； 2）利用Matlab/Simulink建立系统的仿真模型，并对系统的稳态和动态性能进行仿线）完成系统电气原理图的设计（包括电路原理图设计、参数计算、元器件选型） 1）主电路的设计； 2）单片机控制电路的设计 a. 单片机基本系统；com2 ^% c# K1 b. A/D接口电路； c. 编码器脉冲输入接口电路； d. 开关量输入输出电路；地大学的精品教学课件，课程设计，毕业设 @+ e. 电压、电流采样电路（2路交流电压，2路交流电流，1路直流电压，1 路直流电流，1路交流电压同步信号检测电路）；设计,毕业设计论文,习 f．控制系统供电电源电路；  g. PWM控制脉冲产生、光电隔离放大电路及驱动电路；: ~) A8 [ p- s0 T# ]: W大学设计,大 h．给定输入通道（拨码开关、模拟旋钮和串行通信接口电路等）； j．缓冲电路； k．过流、过压、过温保护电路； m．逻辑保护电路设计（其输入信号为6路PWM脉冲信号和过流、过压、欠压保护电路的输出信号，输出信号为一路高或低电平信号用于封锁6PWM信号，以免造成主电路出现短路、直通事故）。 （3）PCB板的设计、制作与调试（根据时间选做） （4）系统软件设计 1) 转速开环恒压频比控制软件设计（含频率给定、升降速时间给定、电压频率关系曲线、SPWM或SVPWM脉冲信号产生软件）,习题答案,课件PPT,精 2） b# H, i e$ a??y??G; j1 {转速PI控制算法程序；课件- E, nj9 n h5 l 3）电压和电流采样程序； I( B0 Z! W0 4）电机转速采样程序； 5）键盘与显示软件设计。 6 x- e j# ]: m. n e I免费提供全国各地大学的精品教学课件，课程设计，毕业设计，论文资源!为大学生学习交流提供课程设计,毕业设计论文,习题答案,课件PPT的下载社区课程设计, 指导教师签字： 教研室主任签字： 2012年 月 日 2012 年 月 日 二、进度安排 第一阶段：选择课程设计题目，明确课程设计任务和要求，查阅参考资料。 第二阶段：进行理论分析，完成系统参数计算、系统仿真建模与分析，进行主电路和控制电路原理图设计、制作与调试，进行系统软件设计等。 第三阶段：总结课题内容、撰写课程设计报告。 第四阶段：准备和参加课程设计答辩。 三、应收集资料及主要参考文献 1. 罗飞.电力拖动与运动控制系统[M]. 北京：化学工业出版社，2007. 2. 阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统[M]. 北京：机械工业出版社，2011. 3. 王兆安.电力电子技术[M]. 北京：机械工业出版社，2004. 4. 王浩洋. 基于DSP的5KVA变频电源研制[D].北京：北京交通大学硕士论文，2010. 5. 张勇. 基于DSP的矿用电机车变频调速系统研究与设计[D].合肥：安徽理工大学硕士论文，2009. 6. 杨亮. 基于DSP的交流异步电动机变频调速技术研究[D]. 合肥：安徽工程大学硕士论文，2010. 7. 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. 8. 李新君. 基于DSP的风机变频调速装置的研制. 湘潭：湖南科技大学硕士论文，2008. 四、课程设计（学年论文）摘要（中文） 本文设计了一种使用sa4828芯片生成SPWM的开环变频调速系统。 本论文首先简要阐述了变频调速的基础技术，如变频调速下电动机的机械特性、SPWM 控制方法的理论依据及单片机实现等。接着介绍了设计变频调速系统所牵涉到的系统软硬件，并对整个系统的主电路、各种保护电路、控制电路及实现控制的软件都进行了系统的分析。 主电路部分给出了整流、滤波、逆变器、IGBT 驱动电路的外围器件各个环节的参数的计算。设计时强调了系统工作的安全性，给出了具体的系统保护电路，介绍了其工作原理，并给出了比较重要的参数。控制电路以单片机作为实现SPWM 算法的运算核心，强调单片机电机控制的实时性，及人机交互。 本文同时还探讨了设计数字化系统所必须注意的电磁兼容性要求，给出了系统的软件、硬件、保护电路和软件抗干扰的设计方法。实验结果表明，这些设计使系统能够可靠工作，运行状态良好，达到了设计目的。 关键词：变压变频， 正弦波脉宽调制， 电压型逆变器 五、课程设计（学年论文）摘要（英文） An open-loop virable frequency virable speed (VVVF) controlling system isdesigned in this paper. Basic techniques of VVVF are introduced, such as mechanical characteristics of motor under VVVF control, fundamental theories which Sinusoidal Pulse-Width Modulation (SPWM) control algorithm are based on, and SCM realization of SPWM, etc. Software and hardware used in this design are specified, as well as the resulting design of main circuit, protecting circuit and control circuit forthe system. Parameter calculations of rectification, filter, inverter, driving circuits of Insulated-Gate Bipolar Transistor (IGBT), and peripheral circuits are discussed in the design of main circuit. Efforts are made to increase system safety, such as designing of a protecting circuit. Design theory and important parameters of the protecting circuit are described. In the control circuit, microcomputer is used for realizing SPWM algorithm. This controller is chosen to provide real time control and a machine-human interface. Electromagnetism Compatibility (EMC) of digital system is also discussed inthis paper. A design method of hardware and software, protection circuit and crosstalk reduction is proposed. A reliable system is developed and verified. Key words: VVVF, SPWM, voltage inverter 六、成绩评定 指导教师评语： 指导教师签字： 2012 年 月 日 项目 评价 项目 评价 调查论证 工作量、工作态度 实践能力 分析、解决问题能力 质量 创新 得分 七、答辩记录 答辩意见及答辩成绩： 答辩小组教师（签字）： 2012 年 月 日 总评成绩： （教师评分×75%+答辩成绩×25%） 课程设计评审标准（指导教师用） 评价内容 具 体 要 求 权重 调查论证 能独立查阅文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。 0.1 实践能力 能正确选择研究（实验）方法，独立进行研究工作。如装置安装、调试、操作。 0.2 分析解决问题能力 能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题；能正确处理实验数据；能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。 0.2 工作量、工作态度 按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。 0.2 质量 综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文结果有应用价值。 0.2 创新 工作中有创新意识；对前人工作有改进或独特见解。 0.1  三相交流电机SPWM 变频调速系统 SPWM of Variable Frequency Speed Adjusting of Asynchronous Electromotor System 学 生 姓 名: 杨彬 指 导 教 师: 文小玲 王振 摘 要 本文设计了一种使用sa4828芯片生成SPWM的开环变频调速系统。 本论文首先简要阐述了变频调速的基础技术，如变频调速下电动机的机械特性、SPWM 控制方法的理论依据及单片机实现等。接着介绍了设计变频调速系统所牵涉到的系统软硬件，并对整个系统的主电路、各种保护电路、控制电路及实现控制的软件都进行了系统的分析。 主电路部分给出了整流、滤波、逆变器、IGBT 驱动电路的外围器件各个环节的参数的计算。设计时强调了系统工作的安全性，给出了具体的系统保护电路，介绍了其工作原理，并给出了比较重要的参数。控制电路以单片机作为实现SPWM 算法的运算核心，强调单片机电机控制的实时性，及人机交互。 本文同时还探讨了设计数字化系统所必须注意的电磁兼容性要求，给出了系统的软件、硬件、保护电路和软件抗干扰的设计方法。实验结果表明，这些设计使系统能够可靠工作，运行状态良好，达到了设计目的。 关键词：变压变频， 正弦波脉宽调制， 电压型逆变器 Abstract An open-loop virable frequency virable speed (VVVF) controlling system isdesigned in this paper. Basic techniques of VVVF are introduced, such as mechanical characteristics of motor under VVVF control, fundamental theories which Sinusoidal Pulse-Width Modulation (SPWM) control algorithm are based on, and SCM realization of SPWM, etc. Software and hardware used in this design are specified, as well as the resulting design of main circuit, protecting circuit and control circuit forthe system. Parameter calculations of rectification, filter, inverter, driving circuits of Insulated-Gate Bipolar Transistor (IGBT), and peripheral circuits are discussed in the design of main circuit. Efforts are made to increase system safety, such as designing of a protecting circuit. Design theory and important parameters of the protecting circuit are described. In the control circuit, microcomputer is used for realizing SPWM algorithm. This controller is chosen to provide real time control and a machine-human interface. Electromagnetism Compatibility (EMC) of digital system is also discussed inthis paper. A design method of hardware and software, protection circuit and crosstalk reduction is proposed. A reliable system is developed and verified. Key words: VVVF, SPWM, voltage inverter 目录 摘 要 XI Abstract XII 目录 1 1绪论 1 1.1 电力半导体及交流变频调速技术发展概述 1 1.2 交流变频调速的机械特性 2 1.3 变频调速技术未来的发展方向 3 1.4 本课题的研究内容及意义 4 3.SPWM变频调速系统的硬件设计 5 3.2 保护电路的设计 5 3.2.1 过压欠压过热保护电路 5 3.2.2 短路保护电路.....................................................................................6 4 结束语 7 参考文献 8 1绪论 交流变压变频技术自 20 世纪六七十年代获得突破性进展以来，一直受到高度重视，人们不断发明控制性能更佳的新控制方法。随着电力半导体器件的发展，交流电动机的速度控制产生了一场深刻的革命，而各种高性能微处理器的应用，更促使这场革命迅速步入全数字化进程，以各种电力半导体器件构成的变频器驱动交流电动机的调速系统正在取代包括直流电动机调速系统在内的各种调速系统。变频调速以其调速精度高、速度控制范围广、响应速度快、保护功能完善，过载能力强、节能显著、使用维护方便等优点，已经广泛的用于电力、运输、制造等国民经济领域。能显著、使用维护方便等优点，已经广泛的用于电力、运输、制造等国民经济领域。 1.1 电力半导体及交流变频调速技术发展概述 电力半导体的革命开始于 1956 年贝尔实验室发明的晶闸管，由晶闸管构成的静止变频电源输出方波或阶梯波的交变电压，取代旋转变频机组实现了变频调速，然而晶闸管属于半控型器件，门极可以控制导通，但不能控制关断，因此由普通晶闸管组成的逆变器用于交流调速必须附加强迫换相电路。 70 年代以后，功率晶体管（GTR）、门极关断晶闸管(GTO)、功率 MOS 场效应晶体管（POWER MOSFET）、绝缘门极双极型晶体管（IGBT）、MOS 控制晶闸管（MCT）等先后问世，这些器件都是既能控制导通又能控制关断的自关断器件，故称为全控器件。它不在需要强迫换相电路，使得逆变器构成简单、结构紧凑。IGBT 由于兼有 MOSFET 输入阻抗高、驱动功率小和 BJT 导通压降低的双重优点，使之成为了现代电力电子的主导器件。与 IGBT 相对应，MCT和集成门极换流晶闸管（IGCT）都是 MOSFET 和 GTO 的复合，综合了晶闸管的高电压、大电流特性和 MOSFET 的快速关断特性，是极有发展前景的大功率、高频功率开关器件。 现在，电力电子器件正在向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。80年代以后出现的功率集成电路（Power IC－PIC）,集功率开关器件、驱动电路、保护电路、接口电路于一体，目前已广泛用于交流调速的智能功率模块（Intelligent Power Module-IPM）采用 IGBT 作为功率开关，含有电流传感器、驱动电路及过载、短路、超温、欠电压保护电路，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，即减少了体积和重量，又提高了可靠性，使用和维护都更加方便，是功率器件的重要发展方向。 电力半导体的发展是交流变频调速技术发展的物质基础。20 世纪 60 年代以后，电力电子学、微电子技术和现代电机控制理论的发展，为交流电气产品的开发创造了有利的条件，使得交流传动逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态相应及四象限运行等良好的技术性能。现代电机控制理论的发展，一方面不断地有技术指标极其苛刻的特殊应用要求，另一方面有要求提高性能、降低损耗、减少成本。微电子技术和计算机技术的飞速发展，以及控制理论的完善、仿真工具的日渐成熟，使交流变频调速获得了比直流调速更为广阔的应用空间。现代电气传动领域已经步入交流调速取代直流调速的时代。 1.2 交流变频调速的机械特性 在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通Φm为额定值不变。磁通太弱没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；若要增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热损害电机。三相异步电动

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