专利名称：一种基于单片机的感应电机变频调速控制系统的利记博彩app
技术领域：
本发明属于电机控制、电力电子和微机原理的交叉技术领域，具体涉及以微芯公 司生产的16位高性能信号控制器dsPIC30F4011为控制核心，设计感应电机的变频调速控 制系统。
背景技术：
近年来随着电力电子技术、数字控制技术、控制理论的发展，特别是一些先进控制 技术的发明，交流变频调速的发展也越来越快，使交流调速得到越来越广泛的应用，其调速 性能也不断提高，克服了许多直流调速难以克服的缺点。第一代变频器采用的是恒压频比 控制方式，它根据异步电动机等效电路确定的线性进行变频调速。电压是指基波的有效值， 改变u/f只能调节电动机的稳态磁通和转矩，谈不上动态控制。第二代变频器的主要特征 是采用矢量控制方式，它参照直流电动机的控制方式，将异步电动机的定子电流空间矢量 分解为转子励磁分量和转矩分量。此控制方法的主要缺点是需要复杂的坐标变换运算，以 及需检测转速信号。因此，进一步提出无速度传感器矢量控制的方法，它根据异步电动机实 际运行的相电压和相电流，以及定转子绕组参数推算出转速观测值，以实现磁场定向的矢 量控制。由于转速观测值的精度受到所用计算参数与电动机实际运行参数之间偏差大小的 影响，所以无速度传感器矢量控制的调速精度和范围，均低于带速度编码器的矢量控制方 案。一般前者的调速精度为1%，输出额定转矩时的最低频率只能达到IHz左右，而后者调 速精度为0.01%，最低频率为0. IHz0与矢量控制并行发展的还有直接转矩控制方式，它以 异步电动机的转矩作为被控量，强调转矩的直接控制效果，并不刻意追求输出电流为正弦 波形。异步电动机的直接转矩控制是直接在定子坐标上计算磁链的幅值和转矩的大小，对 其进行直接跟踪调节，以获得迅速的动态响应，其响应速度可小到1 2ms。从转矩调控要 求看，磁链有点误差，并不会对转矩控制性能产生重大影响。这种控制方式的优点是对电动 机参数变化不敏感。近几年来，不依赖电动机模型的模糊自寻优控制、人工神经网络等智能化控制方 法开始引入到交流调速系统中，成为交流调速控制理论、控制技术新的研究发展方向。逆变器从采用晶闸管半控器件到采用GTR全控器件，其输出波形从交流方波发展 为脉宽调制(PWM)波形，大大减小了谐波分量，拓宽了异步电动机变频调速范围，并减小了 转矩的脉动幅度。然而，GTR工作频率一般在2kHz以下，载波频率和最小脉宽都受到限制， 难以得到较为理想的正弦波脉宽调制波形，使异步电动机在变频调速时产生噪声。IGBT的 工作频率可在10 20kHz之间，与GTR相比，不仅工作频率高出一个数量级，而且在电压 和电流指标均已超出GTR。由于逆变器载波频率的提高，以及可以构成特定的PWM波形，异 步电动机变频调速控制器的谐波噪声大为降低。智能功率模块(IPM)是以IGBT为开关器 件，同时含有驱动电路和保护电路的一种功率集成器件(PIC)。IPM的保护功能有过电流、 短路、欠电压、过电压和过热等，还可以实现再生制动。由IPM组成的逆变器只需对桥臂上 各个IGBT提供隔离的PWM信号即可。简单的外部电路和控制电路的集成化，使变频器体积大为减小。还有，由于功率开关器件的故障检测和保护电路接近故障点，故可以抑制故障扩 大，保证装置可靠运行。数字化使得控制器对信息的处理能力大幅度提高，许多难以实现的复杂控制，采 用微机控制器后便都解决了。高性能的矢量控制系统，如果没有微机的支持是不可能真正 实现的。此外，微机控制技术给交流调速系统增加了多方面的功能，特别是故障诊断技术得 到了完全的实现。微机控制技术及大规模集成电路的应用提高了交流调速系统的可靠性，操作、设 置的多样性和灵活性，降低了变频器调速装置的成本和体积。实践表明，调速控制装置中所 采用的微处理器的性能将直接影响到装置性能。
发明内容本发明目的是克服现有调速系统的不足，提供一种基于单片机的感应电机变频调 速控制系统。本发明采用高性能微处理器可以简化装置结构、完善装置功能、实现复杂有效的 控制策略以及提高控制装置的可靠性。美国MicrochipTechnology公司的数字信号控制器 dsPIC30F4011是电机控制的专用芯片，内嵌DSP内核，具有相当快的数据处理能力和丰富 的输入输出设备及接口电路，因而本发明选用它作为核心控制器件来构成控制回路。在主 回路中，采用IR公司的智能功率模块(IPM) IRAMSI0UP60A[40]为逆变开关器件，构建了异 步电动机的变频调速控制系统。本发明的技术方案本发明提供的基于单片机的感应电机变频调速控制系统是一个典型的交一直一 交变压变频结构，整个控制系统以dsPIC30F4011芯片为核心，包括主电路、辅助电源电路， 控制部分，过电流保护电路，转速检测电路以及其他外围电路，具体组成如下主电路以220V交流供电，经过单相桥式不可控整流电路和电容滤波，得到平滑 的直流电压供给IPM模块和辅助电源电路使用；IPM模块逆变电路是变频控制最主要的部分之一，它的主要作用是将直流中间 电路输出的直流电压(电流)转换为所需频率的交流电压(电流)，给异步电动机供电。 逆变电路由六个开关器件组成，与开关器件并联的快速恢复二极管用于处理无功电流， 称为续流二极管。逆变部分IGBT位于逆变桥上，其输入端与电解电容并联，起到缓冲波 动和干扰的作用，考虑到经济性安全系数不必取得太大。IR公司生产的智能模块(IPM) IRAMSI0UP60A[40]，它的耐压值为600V，额定电流为10A。它是向第四代器件功率集成电路 (PIC)的过渡产品，是微电子技术和电力电子技术相结合的产物。IPM具有以下特点⑴开 关速度快，驱动电流小，控制驱动更为简单；(2)采用了隔离技术，散热更加均勻，体积更加 紧凑；(3)集成度高，它在片内集成了驱动电路、保护电路、甚至光耦，大大缩短开发时间； (4)内含电流传感器，可以高效迅速地检测出过电流和短路电流，能对功率芯片给予足够的 保护，故障率大大降低；(5)保护功能丰富，如电流保护、电压保护、温度保护等一应俱全， 实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，既减小了体积、减轻了重量，又提高 了可靠性；(6)由于在器件内部电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化，所以浪涌电 压，门极振荡，噪声引起的干扰等问题能得到有效的控制；⑵很高的性价比，IPM的售价已
4经逐渐接近IGBT，而采用IPM后的开关电源容量、驱动功率容量的减小和器件的节省以及 综合性能的提高等因素使得IPM构成的变频器性价比已经高于IGBT构成的变频器，有很好 的经济性。控制部分以dsPIC30F4011芯片为核心，外加相电流检测电路、速度检测电路、串 口通讯电路、按键和故障保护电路；由dsPIC30F4011芯片输出六路PWM脉冲信号用于控制 IPM模块逆变部分，得到三相可控交流电供给异步电动机；dsPIC30F4011芯片内集成了一款专用电机控制模块叫MCPWM模块，这一设置大大 简化了产生PWM波形的控制软件和外部硬件，通过编程可产生独立的、具有相同频率和工 作方式的三相6路PWM波形，并由RE 口直接输出6路PWM信号给逆变器，且三相互补不重 叠。我们只需定义各个寄存器值便可以产生理想的PWM信号，同时为防止同一桥臂上两个 功率管发生直通造成短路，该发生器还可通过编程设置死区互锁时间。故障保护电路将故障综合后的故障信号送入控制部分，任何一个故障发生，控制 部分便关闭PWM脉冲信号。电流检测电路在直流母线上串一个很小的功率电阻，通过该功率电阻把电流信 号转换成电压信号，然后再通过运算放大器对信号进行放大后送入控制部分；过流是引起 功率驱动器被烧坏和损坏的主要原因之一。在主电路进行电流检测时，一旦检测到主电路 的电流过流，应该立即封锁控制信号输出，通知控制部分关闭PWM并报警。转速检测电路是电机自带的测速发电机来实现的。整流电路一般分为可控整流和不控整流，其中可控整流又分为全控整流和半控整 流。在全控整流电路中，整流器件全部有晶间管或其他可控器件组成，半控整流电路则由二 极管和晶间管混合组成；不可控整流电路全部由整流二极管组成。本发明的整流部分全部 应用整流二极管进行单相不可控桥式整流，这样可有效抑制可控整流中因相控角的变化而 引起的谐波，同时也能提高调速装置的功率因数。装置中dsPIC30F4011芯片需要+5V供电电源，而智能模块IPM需要+15V电源，所 以设计辅助电源来满足此要求，选用了 ST公司生产的VIPER12A芯片，它可以把约300V的 直流电转换为+15V直流电，然后再用LM7805把+15V转换为+5V电源，以提供给各个芯片。本发明的优点和积极效果本发明以微芯公司生产的16位高性能信号控制器dsPIC30F4011为控制核心，基 于矢量控制电机励磁，进行调速。采用美国MicrochipTechnology公司的数字信号控制器dsPIC30F4011是电机控 制的专用芯片，内嵌DSP内核，具有相当快的数据处理能力和丰富的输入输出设备及接口 电路。所说的DsPIC30F4011内集成了一款专用电机控制模块叫MCPWM模块，这一设置大大 简化了产生PWM波形的控制软件和外部硬件，通过编程可产生独立的、具有相同频率和工 作方式的三相6路PWM波形，并由RE 口直接输出6路PWM信号给逆变器，且三相互补不重 叠。只需定义各个寄存器值便可以产生理想的PWM信号，同时为防止同一桥臂上两个功率 管发生直通造成短路，该发生器还可通过编程设置死区互锁时间。采用IR公司的智能功率模块(IPM) IRAMSI0UP60A为逆变开关器件，构建了异步电 动机的变频调速控制器，具有以下特点(1)开关速度快，驱动电流小，控制驱动更为简单； (2)采用了隔离技术，散热更加均勻，体积更加紧凑；(3)集成度高，它在片内集成了驱动电
5路、保护电路、甚至光耦，大大缩短开发时间；(4)内含电流传感器，可以高效迅速地检测出 过电流和短路电流，能对功率芯片给予足够的保护，故障率大大降低；(5)保护功能丰富， 如电流保护、电压保护、温度保护等一应俱全，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种 智能功能，既减小了体积、减轻了重量，又提高了可靠性；(6)由于在器件内部电源电路和 驱动电路的配线设计上做到优化，所以浪涌电压，门极振荡，噪声引起的干扰等问题能得到 有效的控制；(7)很高的性价比，IPM的售价已经逐渐接近IGBT，而采用IPM后的开关电源 容量、驱动功率容量的减小和器件的节省以及综合性能的提高等因素使得IPM构成的变频 器性价比已经高于IGBT构成的变频器，有很好的经济性。
图1为控制系统总体结构；图 2 为 dsPIS30F4011 结构框图；图3为逆变电路IPM内部结构和外部连接图；图4为转速检测硬件电路图。图5为整流电路结构图；图6为用VIPER12A组建的整个辅助电源电路；图7为电流采样电路；图8为电流检测电路。
具体实施方式实施例1 下面结合附图对本设计做进一步描述控制系统总体结构如图1所示，主电路以 220V交流供电，经过单相桥式不可控整流、电容滤波，得到平滑的直流电压供给IPM模块和 辅助电源电路使用。逆变电路部分，是由dsPIC30F4011输出六路PWM脉冲信号控制IPM模块，得到三 相可控交流电供给异步电动机。控制部分，是以dsPIC30F4011芯片为核心，外加相电流检测电路、速度检测电路、 串口通讯电路、按键和故障保护电路。故障保护电路将故障综合后的故障信号送入控制部分，任何一个故障发生，便关 闭 PWM。过电流检测电路是通过电阻把电流信号转换成电压信号，然后再通过运算放大器 对信号进行放大后送入控制芯片。转速检测电路是通过电机自带的测速发电机来实现的。如图2为dsPIC30F4011结构框图。dsPIC30F系列CPU模块采用16位改进型哈佛 结构，并带有增强型指令集，包含对DSP的有力支持。CPU指令宽度24位，PC宽度为23位， 可寻址高达24X4M位程序空间。共有16个16位工作寄存器，每个寄存器都可作为数据、地 址或地址偏移寄存器。该系列数字信号控制器具有丰富的指令集，包括多种寻方式，且大多 为单周期指令，大大加快了单片机的运行速度。指令主要分为MCU类型和DSP类型两大类， 这两类指令可以有机地集合到构架中，并在同一个执行单元中执行。它还支持C语言编译
6器编程，易于开发。dsPIC30F系列CPU内部自带存储容量大，RAM最高可达64KB。数据空间 可作为32K字或64K字节寻址，并分为两块X和Y数据存储器。每个存储器块有各自的地址 发生单元(AGU)。MCU类指令只能通过X存储器AGU进行操作，可将整个存储器空间作为一 个线性空间访问。某些带双操作数的DSP类型指令通过X和Y的AGU读两个操作数。另外， 可将数据存储器空间的高32KB映射到8位程序空间可视性页面(PSVPAG)。DsPIC30F4011 内集成了一款专用电机控制模块-电机控制脉宽调制(CPwM)模块，这一设置大大简化了产 生PWM波形的控制软件和外部硬件，通过编程可产生独立的、具有相同频率和工作方式的 三相6路PWM波形，并由RE 口直接输出6路PWM信号给逆变器，且三相互补不重叠。我们 只需定义各个寄存器值便可以产生理想的PWM信号，同时为防止同一桥臂上两个功率管发 生直通造成短路，该发生器还可通过编程设置死区互锁时间。如图3所示逆变电路是变频控制最主要的部分之一，主要作用是将直流中间电 路输出的直流电压(电流)转换为所需频率的交流电压(电流)，给异步电动机供电。逆 变部分由六个开关器件组成，与开关器件并联的快速恢复二极管用于处理无功电流，称为 续流二极管。逆变部分IGBT的电压选择与整流二极管最大的不同是，整流二极管的输入直 接与电网相连，电网易受到外界的干扰，因此选择的安全系数口较大；而IGBT位于逆变桥 上，其输入端与电解电容并联，起到缓冲波动和干扰的作用，考虑到经济性安全系数不必取 得太大，IGBT的额定电压U可以按式(3)来选择U 彡(UdcXL 15+150) Xa式中Udc是直流侧电压；1. 15是过电压系数；150是由i g引起允许的尖峰电压；
a是安全系数，一般取1. 1。对单相交流220V输入电压，Udc = 311V，这样得IGBT的额定电 压U彡558V。额定电流值Ic，可按式⑷选择
权利要求
一种基于单片机的感应电机变频调速控制系统，其特征在于，该系统包括主电路、辅助电源电路、控制部分，电流检测电路、转速检测电路以及其他外围电路，具体组成如下主电路以220V交流供电，经过单相桥式不可控整流电路和电容滤波，得到平滑的直流电压供给IPM模块和辅助电源电路使用；IPM模块逆变部分变频控制最主要的部分之一，它的主要作用是将直流中间电路输出的直流电压换为所需频率的交流电压，给异步电动机供电；逆变部分由六个开关器件组成，与开关器件并联的快速恢复二极管用于处理无功电流，称为续流二极管；逆变部分IGBT位于逆变桥上，其输入端与电解电容并联，起到缓冲波动和干扰的作用，考虑到经济性安全系数不必取得太大；控制部分以dsPIC30F4011芯片为核心，外加相电流检测电路、速度检测电路、串口通讯电路、按键和故障保护电路；逆变电路是由dsPIC30F4011输出六路PWM脉冲信号用于控制IPM模块，得到三相可控交流电供给异步电动机；dsPIC30F4011芯片内集成了一款专用电机控制模块叫MCPWM模块，这一设置大大简化了产生PWM波形的控制软件和外部硬件，通过编程可产生独立的、具有相同频率和工作方式的三相6路PWM波形，并由RE口直接输出6路PWM信号给逆变电路，且三相互补不重叠；故障保护电路将故障综合后的故障信号送入控制部分，任何一个故障发生，控制部分便关闭PWM；电流检测电路在直流母线上串一个功率电阻，通过该功率电阻把电流信号转换成电压信号，然后再通过运算放大器对信号进行放大后送入控制部分；在主电路进行电流检测时，一旦检测到主电路的电流过流，应该立即封锁控制信号输出，通知控制部分关闭PWM并报警；转速检测电路是通过电机自带的测速发电机来实现的。
全文摘要
一种基于单片机的感应电机变频调速控制系统。该系统包括主电路、辅助电源电路、逆变电路、控制部分，过流保护电路、转速检测电路以及其他外围电路。该系统以微芯公司生产的16位高性能信号控制器dsPIC30F4011为控制核心，基于矢量控制电机励磁，进行调速。美国MicrochipTechnology公司的数字信号控制器dsPIC30F4011是电机控制的专用芯片，内嵌DSP内核，具有相当快的数据处理能力和丰富的输入输出设备及接口电路；IR公司的智能功率模块(IPM)IRAMSIOUP60A为逆变开关器件，构建了异步电动机的变频调速控制系统，具有驱动简单、易于实现的特点。
文档编号H02P27/06GK101977016SQ201010515170
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月22日 优先权日2010年10月22日
发明者吴凤英, 周雪松, 李季, 贾丽英, 问虎龙, 马幼捷 申请人:天津理工大学