單片機(jī)調(diào)速系統(tǒng)淺析

摘要近年來(lái)隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制理論三者的迅速發(fā)展，變頻調(diào)速己得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文闡述了單片機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，重點(diǎn)分析了變頻調(diào)速中的交—直—交變換以及在變換中相關(guān)問(wèn)題的解決辦法。

中圖分類號(hào):TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1 單片機(jī)調(diào)速系統(tǒng)工作原理

通過(guò)微電子器件、電力電子器件和控制技術(shù)，將供給電機(jī)定子的工頻交流電源經(jīng)過(guò)二極管整流成直流，再由GTR、IGBT、IGCT等逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電源，此電源再拖動(dòng)電機(jī)和負(fù)載。

交流電機(jī)變頻調(diào)速在頻率范圍、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、調(diào)速精度、低頻轉(zhuǎn)矩、輸出性能、功率因數(shù)、工作效率、節(jié)電降耗、使用方便等方面是以往的交流調(diào)速方式無(wú)法比擬的。它以體積小、重量輕、通用性強(qiáng)、工藝先進(jìn)、保護(hù)功能完善、設(shè)計(jì)思想豐富、可靠性高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)深受電力、冶金、礦山、石油、化工、自來(lái)水等行業(yè)的歡迎，交流變頻調(diào)速裝置是企業(yè)技術(shù)改造和節(jié)能降低的理想設(shè)備。

變頻調(diào)速系統(tǒng)中速度的檢測(cè)，常用的方式一種是采用測(cè)速發(fā)電機(jī)，其檢測(cè)信號(hào)可以通過(guò)模擬量的輸入/輸出進(jìn)入主板，經(jīng)PI調(diào)節(jié)，然后輸出控制，另外一種方式是用光碼盤進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于這種測(cè)量方式，開關(guān)量的輸入/輸出板上設(shè)計(jì)了計(jì)量檢測(cè)電路。并且在軟件設(shè)計(jì)上有可使用戶選擇適用于自己的測(cè)速方式的控制程序。

單片機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中主要完成監(jiān)控、協(xié)調(diào)和控制功能?？刂屏拷?jīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊后輸出至變頗器.變頻器根據(jù)接收到信號(hào)，經(jīng)過(guò)整流、濾波、逆變等一系列過(guò)程后，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷杭邦l率可變的電源信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。電機(jī)的啟動(dòng)、停止及加減速等由系統(tǒng)的開關(guān)量控制。A/D模塊主要完成反饋比較的功能。

交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件是由變頻調(diào)速主回路、可控硅及功率晶體管驅(qū)動(dòng)電路、SPWM脈沖形成電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)電路、輔助輸入輸出電路和電源電路等七大部分組成。

2 變頻主電路的構(gòu)成

變頻主電路為交—直—交變頻電路，中間環(huán)節(jié)采用電容器進(jìn)行濾波，構(gòu)成電壓控制型變頻電路。主要包括整流電路，電容濾波電路，GTR逆變電路及控制對(duì)象——兩相交流異步電機(jī)四部分。

2.1交-直變換特點(diǎn)

交—直變換電路主要為整流和濾波電路，其作用是把將三相或單相的交流電通過(guò)整流、濾波等過(guò)程變成相對(duì)比較平滑的直流電。(1)整流電路。由于半波整流浪費(fèi)能量較大，在實(shí)際工作中很少采用。變頻器大多采用三相橋式全波整流電路。在中、小容量的變頻器中，整流器件采用不可控的整流二極管或二極管模塊，如圖2-1所示。利用二極管整流主要是利用其單向?qū)щ娦詫㈦p向變化的交流電通過(guò)二極管后變成單向變化的直流電。由于該直流電只是在原有的基礎(chǔ)上方向發(fā)生了變化，但是波形脈動(dòng)較大，故還需要進(jìn)行濾波。(2)濾波電路。三相全波整流后的電壓波形脈動(dòng)較大，需要進(jìn)行濾波。濾波主要是利用電容或電感的沖放電特性，使相應(yīng)的波形變的平滑。常見的濾波方式有C型濾波、L型濾波、LC型濾波及型濾波等。(3)限流電路。變頻器在接入電源之前，濾波電容CF上的直流電壓UD=0。當(dāng)變頻器剛接入三相交流電源，由于電容“隔直通交”的特性，對(duì)于交流電而言，電容為一通路，這樣就會(huì)使得電流經(jīng)整流橋流至電容從而形成短路，如圖2-2(a)所示，使整流橋可能因此而受到損害。

為此，在整流橋和濾波電容器之間，接入一個(gè)限流電阻RL，起到一個(gè)限流的作用，如圖2-2(b)所示，以消除剛接通電源時(shí)的沖擊。

(a)未限流的情形 (b) 限流后的情形

圖2-2限流電路

限流電阻RL如果常時(shí)間接在電路內(nèi)，會(huì)影響直流電壓UD和變頻器輸出電壓的大小，同時(shí)，也增大了電路的損耗。所以，當(dāng)UD增大到一定程度時(shí)，必須把RL短路掉。短路所用器件大多由晶閘管或接觸器構(gòu)成，在容量較小的變頻器中，也常由繼電器的觸點(diǎn)構(gòu)成，如圖2-2(b)所示

2.2 直-交變換

逆變橋電路由圖2-3(a)中的開關(guān)器件 V1～V6構(gòu)成，其功能是把直流電轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的三相交流電。目前，中小容量的變頻器中，開關(guān)器件大多使用IGBT管。

(1)反向二極管的作用。圖2-3中，每個(gè)逆變管旁邊，都反并聯(lián)一個(gè)二極管(VD7～VD12)。其作用是:當(dāng)負(fù)載是電感元件時(shí)當(dāng)母線上大容量的逆變器發(fā)生故障時(shí)，直流母線上會(huì)產(chǎn)生巨大的反向浪涌能量，此時(shí)，我們需要給這些能量提供一個(gè)瀉放通道，否則巨大的能量將擊穿或燒毀小逆變器。而這個(gè)通道就需要二極管來(lái)構(gòu)成，故應(yīng)為續(xù)流二極管。

(a)逆變橋電路(b)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)的電流波形

圖2-3逆變橋與反向二極管的作用

在電子變流電路中，整流部分單相橋式整流是實(shí)際應(yīng)用最多的單相整流電路。而三相橋式整流是電力系統(tǒng)特別是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)用最多的方式。這兩種電路都要接入續(xù)流二極管。其作用大致是一樣的，以單相橋式電路為例說(shuō)明:當(dāng)可控整流橋接入感性負(fù)載時(shí)，由于電感電流不能突變，在可控硅關(guān)斷期內(nèi)，必須在負(fù)載兩端接入續(xù)流二極管以保持電感電流的通路，以防止可控硅關(guān)斷時(shí)在電感負(fù)載兩端產(chǎn)生危險(xiǎn)的過(guò)電壓和可控硅能夠換相導(dǎo)通。然而發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)用較多的三相橋式整流電路有三相半控橋與三相全控橋電路之分。因此為了保證整流元件可靠換流，半控橋需要在感性負(fù)載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管，而全控橋不需要這樣做。當(dāng)導(dǎo)通角改變時(shí)，半控橋的平均電壓和線電流的變化較全控橋慢。

(2)逆變管的驅(qū)動(dòng)。GTR對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求:從截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高柵極電壓uG1的上升率，以縮短開通時(shí)間;從導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加入負(fù)偏壓uG2，以加快關(guān)斷過(guò)程。

3 小結(jié)

單片機(jī)變頻控制是工業(yè)過(guò)程控制中一個(gè)重要參數(shù)，它從原始的電子線路PID控制到計(jì)算機(jī)智能控制系統(tǒng)，已使變頻過(guò)程控制系統(tǒng)達(dá)到自動(dòng)化、智能化，比過(guò)去單純采用電子線路進(jìn)行PID調(diào)節(jié)的控制效果要好許多。目前，我國(guó)的變頻調(diào)速市場(chǎng)逐漸增長(zhǎng)，需求量日益廣泛。因而，對(duì)于變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的研究具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]李全利，遲榮強(qiáng).單片機(jī)原理及接口技術(shù).高等教育出版社.

[2]胡崇岳.現(xiàn)代變頻技術(shù).北京機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[3]李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù).北京航空航天大學(xué)出版社，1999.

[4]付家才.單片機(jī)控制工程實(shí)踐技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社.

[5]竇振中.PIC系列單片機(jī)原理和程序設(shè)計(jì).北京航空航天大學(xué)出版社，2000.

[6]謝自美.電子線路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、測(cè)試.華中科技大學(xué)出版社.

[7]楊文龍.單片機(jī)原理及應(yīng)用.西安電子科技大學(xué)出版社.