基于8051的spwm变频调速系统设计.doc

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1、第1章引言1.1电机调速发展现状和趋势电机调速是电力电子技术应用的最大领域之一，具有极大的吸引力，同时也具有较强的挑战性。它的市场异常庞大，据报道，世界上大约有100亿以上各种电机在工作。近年来，我国空调一年的产量已经超过1000万台，仅此一项市场已非常庞大。另外，其应用面极其广泛，例如机床、电动工具、电力机车、机器人、家用电器、计算机的驱动器、汽车、船舶、轧钢、造纸和纺织行业等等。同时，电机行业也是一个比较老的行业，其在工业上已应用了一个多世纪，虽然随着新材料的使用、计算机技术的发展，电机建模的改进和电机计算机辅助设计软件的不断推出，电机在功率密度、效率、可靠性等方

2、面已与最初的电机有了很大的改进，但相对的变化比较缓慢。直流电机由于其便于控制和控制精度比较高的特点，在很长一段时间内被广泛应用，被人们认为难以被其它电机所取代，但随着电力电子技术的发展，各种新型器件和先进的控制方法在电机调速变换器系统中的应用，在很多的场合直流电机正逐渐被交流异步电机所代替，有人认为，在二十一世纪，直流电机将会在传动领域逐渐消失，而交流异步电机和其它类型电机的应用范围将逐渐增加。同步电机效率高，可工作在功率因素为1的工作状况下，在响应要求不高的场合，可以采用结构简单、成本低的变换器系统给它供电，正由于其具有上述优点，虽然同步电机价格比较高，但仍具有相当

3、的竞争力。永磁同步电机因为具有比较高的效率，虽然其控制需要加装轴位置传感器，并且难以工作在弱磁调速区，但对于长期运行是有利的。无刷直流电机在近些年来永磁体价格有所下降，虽然价格仍比较高，但在低惯量、小尺寸的应用场合，优点比较显著，目前在中小功率范围应用比较普遍。另一种开关磁阻电机(SRM)，由于结构简单、价格低廉，但必须加装位置检测装置，转矩脉动和噪声也比较大，若对位置估测和转矩脉动和噪声问题有比较好的解决方案，这种电机有可能是交流异步电机的竞争对手。从前面几种电机特点的叙述我们可以看出，与其它几种电机相比，交流异步电机结构简单，使用与维护方便，运行可靠、价格低廉，并

4、具有比较满意的运行特性和比较高的效率，在传动领域具有重要的地位。由于在电力电子技术发展的初期，难以研制出实用的高性能的交流异步电机调速系统，在很长一段时间内，调速精度要求比较高的的传动系统，无法使用交流异步电动机调速系统。随着电力电子技术、大规模集成电路和微控制器技术的发展，特别是近些年来，在信息产业的推动下，微电子技术、电力电子技术和控制技术取得了翻天覆地的变化。很多以前无法实现的交流异步电机控制方法均可以通过微控制器或专门的集成电路实现。例如变频调速控制中的磁场定向矢量控制、直接转矩控制等，使交流异步电机的调速性能己几乎可以与直流电机的调速性能比美。交流异步电机调

5、速方式是按照交流电机转速公式建立的，其转速为:从公式可以看出，改变极对数p、改变转差率s和调节频率f均可以调速，但是变极调速是有级调速，无法实现无级调速。只有调节转差率或调节频率才能够无级调速。调节转差率的调速方法有很多种，例如:定子调压调速、电磁调速(滑差电机)、转子变电阻调速等等，但是这些调速方法多数是耗能型调速方法，或者可靠性比较差。只有变频调速方法调速范围宽，性能良好，并且具有较高的力能指标，是一种比较理想的调速方法。1964年，原联邦德国学者提出正弦脉宽调制技术使变频调速方法的性能指标大大提高，减小了输出谐波含量，提高了效率，电机运转更加平稳，噪音也大大减小

6、，这种方法在二十世纪七十年代和八十年代被迅速推广，提出了众多的实现模式。现在的交流电机变频调速系统大多数是采用PWM调制的方式来实现各种控制方法。交流异步电机变频调速系统种类非常繁多，也有着各种各样的分类方法。从控制方法实质的角度可以将交流电机调速系统分为标量控制方法和矢量控制方法。标量控制方法包括通常所说的电压源供电、电流源供电的交流异步电机系统中的转速闭环控制、转差频率控制的变频调速控制系统，它们的控制方法均属于标量控制方法，只控制变量的大小，给定指令和反馈信号是与变量有关的直流量，具有比较大的偏差，只适合于动态和静态性能要求不高的场合。而矢量控制方法是将复杂的异

7、步电机控制数学模型进行了解耦变换，将交流异步电机的转速和磁链控制完全解耦，使交流异步电机控制等效于直流电机的控制，是交流异步电机调速理论和技术上的一大进步。由于矢量控制方法需要实现转子参数辩识，控制系统比较复杂，在近几年才逐渐进入实用，目前变频调速系统仍旧是以标量控制方法的系统为主。随着电力电子技术的发展变频调速系统性能逐渐改进，而成本不断下降，在另一方面，全球性的能源危机使人们对能源的绿色利用越来越重视，对于消耗了30%左右能量的电机，其驱动电源也越来越引起人们的重视，每一台电机配备一个变频调速驱动电源，正获得越来越多的认同和采用，同时对变频调速驱