维普资讯 http://www.cqvip.com 过程控制 石 油 化 工 自 动 化，２００８，３：４２ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ ＩＮ ＰＥＴＲＯ—ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＩＮＤＵＳＴＲＹ 基于ＳＰＷＭ变频调速系统的研究和设计 李学华，白珍龙，王艳，陈凌 （青岛大学，山东青岛 ２６６０７１） 摘要：在分析单相电机的优缺点的基础上，结合单片机优良的控制性能，采用ＳＰＷＭ控制方法，利用三相逆变电路来控 制单相电机，实现了电机的变频调速。通过实验证明这种方法可以达到理想效果。 关键词：正弦脉冲调制（ＳＰＷＭ）；单相电机；单片机 中图分类号：ＴＭ９２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００７—７３２４（２００８）０３—００４２—０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＶＶＶＦ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＰＷＭ Ｌｉ Ｘｕｅｈｕａ，Ｂａｉ Ｚｈｅｎｌｏｎｇ，Ｗａｎｇ Ｙａｎ，Ｃｈｅｎ Ｌｉｎｇ （Ｑｉｎｇｄａｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ，２６６０７１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ ｍｏｔｏｒ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｆｉｒｓｔ．Ｗｉｔｈ ＳＰＷＭ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｅｘｌｌｅｎｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｓＰＩＣ ＶＶＶＦ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｈａｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｉｓ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｐｅｒｆｅｃｔ ｅｆｆｅｃｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＰＷＭ；ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ ｍｏｔｏｒ；ｄｓＰＩＣ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ １ 引 言 一４．４４ｆ Ｎ ｋＮｓｆｍ一４．４４ Ｎ ｋＮ ｆｍ一 目前变频调速的研究主要集中在三相电机上， 对单相电机的研究重视不够，使得它与三相电机控 Ｎ。ｋＮ ｆ ／√２ （２） 制技术相比还不成熟，以前主要通过调节端电压和 将式（２）代入式（１）得到： 改变极对数的方法来调速。调速效果远远不能满 足生产和生活需要。由于变频调速技术在异步感 Ｔ 一 ３ ２ 。 应电机调速系统中具有优异的调速性能，促使人们 燕 （３） 越来越多地把目光集中在单相电机变频调速上。 在这里定义转差角频率为 一Ｓ０．１ ，设Ｋ 一 目前随着变频调速技术的日益成熟，其在单相电机 号 Ｎ２。 ２。从而可以得到转矩和转差角频率的关 中应用也逐渐开展起来。笔者采用正弦脉冲调制 （ＳＰＷＭ）调制方式实现了单相电机变频调速，这 系式： 种技术相比传统的控制方式来说具有结构简单、运 —行可靠、节能效果显著、性价比高等突出优点。 Ｋ 燕 （４） ２转差频率控制系统 如果电机稳态运行时，转子转速和定子磁链转 人们在设计控制系统时都希望电动机能够稳 速非常接近，转差Ｓ很小，从而转差角频率 。相对 定运转在理想状态，但在实际的现场中往往遇到负 于 也很小，可以认为ｃｕ Ｌ 《Ｒ 则转矩公式可 载突然增加或减轻这种变化过程，将导致转子转速 简化： 和定子磁链转速之间形成一定的差值，这一差值就 》Ｋ ／Ｒ （５） 是转差。通过控制转差频率来控制电动机的转矩 进而使转速稳定的控制系统就是转差频率控制系 此时如果能想办法保持 不变，则转矩和转 差角频率之问满足正比关系，控制转差角频率就可 统。其理论依据如下。 异步电动机的电磁转矩公式： 收稿日期：２００８—０１—０４（修改稿）。 －ｓ （ ） ㈩ 作者简介：李学华（１９８２），男，青岛大学在读硕士，研究方向 为单相电机的变频控制。 维普资讯 http://www.cqvip.com
第３期 李学华等．基于ＳＰＷＭ变频调速系统的研究和设计 以达到控制转矩的效果了。 那么，剩下的问题就是怎样保持 不变，由 式（２）可得要想保持 不变，必须保持Ｅ ／厂 为恒 定值，这里Ｅ 为定子感应电动势，厂 为定子频率， 但在实际的系统中Ｅ 很难检测和控制，可以用定 子相电压 来近似代替Ｅ ，因为两者之间满足 下式： Ｕ 一Ｅ ＋ＩｓＲ。 （６） 式中工 ——定子相电流； Ｒ。——定子电阻。 在中高速情况下由于定子电阻上的压降相对 于定子电压己， 来说很小，可以忽略不计，所以可 以用恒己， ／厂 来代替Ｅ ／＾，但在低速时定子压降 占很大比例，这样定子相电压己， 不能代替Ｅ ，所 以恒己， ／厂 不能代替恒Ｅ ／厂 ，也就不能保持磁通 不变，电机输出转矩变小，了带载能力，设计中 要考虑对其进行补偿的问题。 ３ 系统组成及基本算法 ３，１ 硬件设计 系统的硬件包括主回路部分和控制回路部分。 主回路部分的设计任务主要是主电路拓扑、功率器 件参数计算及其选择，保护电路设计。控制回路部 分以微芯公司的１６位单片机ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１为核 心，构成１个数字控制系统。整个系统的原理如 图１所示。 图１ 系统原理 ３．１．１主电路设计 主电路为交一直一交变频电路，主要包括整流 电路、滤波电路、逆变电路以及控制对象——两相 交流异步电动机四部分ｌ＿１ ］。 ａ）整流电路。对于整流电路，一般可分为可 控与不可控２种。可控的整流器会使供电电网的 功率因数随系统的输出频率降低而变坏，并产生高 次谐波，整流效果较差。此外由于可控整流器价格 较高，系统实现成本高。所以笔者选用不可控整流 桥ＫＢＪ１５０６，能承受最大峰值电压为６００ Ｖ、最大 平均电流为１５ Ａ。 ｂ）滤波电路。一般滤波电路分为电容滤波和 电感滤波，前者应用于小功率电路，后者应用于大 功率电路。此课题负载功率仅为几百瓦，可以采用 电容进行滤波。由于输入为２２０ Ｖ单相电，整流滤 波后的电压值约３１０ Ｖ，所以电解电容选用４００ Ｖ／ １ ０００ Ｆ即可。 ｃ）逆变电路。逆变器采用ＩＲ公司生产的 ＩＲＡＭＳ１０ＵＰ６０Ｕ智能模块，承受最大电压６００ Ｖ， 平均电流１０ Ａ，并且内部集成了ＰＷＭ驱动电路 和各种保护电路。 ３．１．２控制电路设计 ａ）控制芯片ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１内部嵌入了１个 １６位ＣＰＵ和１个高速ＤＳＰ引擎，从而把单片机 的控制能力和ＤＳＰ的数字运算能力有效地结合起 来，是性价比较高的一种选择。它具有５个１６位 定时器，４个输入通道捕获口，４个输出比较／标准 ＰＷＭ通道，６个电机控制ＰＷＭ通道，每路ＰＷＭ 输出引脚驱动电流为２５ ｍＡ，为防止同一桥臂２个 功率管发生直通造成短路，该发生器还通过编程设 置死区互锁时间，是个电机控制的专用芯片。 ｂ）控制策略。电机的转速通过测速发电机输 出的脉冲频率来计算获得，参考速度通过外部电位 器的调节得到。二者之问的差值经过ＰＩ调节器后 转化为参考转差频率，这里需要加个限幅环节是为 了防止加到定子上的电压过大而导致对电机的损 害。所得参考转差频率与实际转速相加后就获得 了定子参考频率。它同时也决定了正弦波的频率， 这里采用事先设定好了的Ｖ／ｆ曲线来求得电压 值，对于Ｖ／ｆ曲线的设定一般要考虑所带负载的 特性，不同类型的负载曲线有所区别，不过对于恒 转矩部分的斜率一般参考电机额定电压和额定频 率进行设定。然后把这两个量送入ＰＷＭ环节进 行比较就可以得到ＳＰＷＭ开关信号 。整个转差 频率控制系统设计如图２所示。 图２ 转差频率控制系统 对于单相电机低速性能不好的难题，可以采用 定子电压补偿来解决，该课题采用检测电流与定子 维普资讯 http://www.cqvip.com 石油化工自动化 电阻的乘积来实现实时补偿。 ３．２软件设计 ４实验结果 选用的单相电机参数如下。 额定电压：１５０ ＶＡＣ；额定电流：３ Ａ，额定功 系统软件由主程序、ＰＷＭ子程序、故障中断 子程序、显示子程序、Ａ／Ｄ采样子程序等组成ｌ＿４］。 ３．２．１ 主程序 率：４５０ Ｗ，极数：６ Ｐ。 图４是逆变桥一组上下桥臂的ＰＷＭ波形，由 主程序完成系统的初始化，并根据显示模式计 算要显示的数据并送显示等。故障中断子程序中 视故障性质完成白处理或故障报警，封锁触发脉 图可以读出死区时间为２ ｍｓ左右，能够防止上下 桥臂直通烧毁ＩＧＢＴ。 冲 。主程序如图３所示。 开始 初始化，设置内存及端口 显示子程序 调Ａ／Ｄ转换子程序 查表计算ＳＰＷＭ 调用中断服务子程序 动电机 Ｙ —］ 启动定时器 图３主程序流程 ３．２．２ ＳＰＷＭ的生成 调节电位器，把此模拟量通过Ａ／Ｄ转换成数 字量送入１６位比较器，微处理器给定并送出１６位 载波比给载波比分频器，经分频后送入相位发生 器，生成一相正弦调制波信号的取数地址；另一相 可以在得到的这组地址上加上９０度所对应的偏移 地址来获得，对于１６位单片机来说这个地址是 ０ｘ４０００。与此同时从电位器采样值再通过设定的 压频比曲线计算得到所需的电压值，此值与查表得 到的正弦／余弦值相乘可以转换为占空比送入 ＰＤＣｘ寄存器，从而控制其中１个桥臂的通断。因 为这里是用三相逆变桥来控制单相电机，有１组桥 臂需要用占空比为５０ 的ＰＷＭ波来驱动，它相 当于提供了一个零参考点。ＳＰＷＭ波可采用规则 采样法，以三角波的中值点作为采样点，假设 ＰＷＭ波脉宽ｔ，则： ｔ—Ｔ（１＋Ｍｓｉｎ（ｃｏｔ ））／２ （７） 式中 丁——三角波周期； Ｍ一调制度； 正弦波的角频率； ￡。——采样时刻。 源程序从略。 图４调制基波 图５是一相脉冲ＳＰＷＭ波形，频率是１６ ｋＨｚ， 脉冲宽度按正弦波幅值变化。 图５ 输出一相ＳＰＷＭ脉冲波形 图６是加到电机定子端电压和电流波形，两相 电压为６０ Ｖ，并且互差９０度相移，电流频率为 ３５ Ｈｚ，非常接近正弦波，能够很好地驱动电机的 运行。 图６ 两相定子波形 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 李学华等．基于ＳＰＷＭ变频调速系统的研究和设计 ４５ ＧＥ Ｆａｎｕｃ智能设备在上海召开新闻发布会 ２００８年５月２３日，中国・上海ＧＥ Ｆａｎｕｃ智能设备，ＧＥ企业解决方案旗下的一员，今天召开为期半天的新闻发布会， 活动将包括参观ＧＥ中国科技园和聆听集团高管们的精彩演讲。 “ＧＥ Ｆａｎｕｃ为市场提供着独特而灵活的解决方案及先进的、高可靠性的技术，以确保客户能获得长期的成功”，ＧＥ Ｆａｎｕｃ首席营销官Ｅｄ Ｍａｒｔｉｎ先生说道。与Ｅｄ Ｍａｒｔｉｎ先生一同主持这次盛会的还有大中华区总经理黄家裕先生、全球市 场营销传播总监Ｊａｙ Ｓｗｅｎｓｏｎ先生、全球汽车／健康医疗／消费品行业市场总监Ｌｉｎｄａ Ｏｎｎｅｎ女士和全球基础设施市场总监 Ｍａｒｃｅｌ ＶａｎＨｅｌｔｅｎ先生等。他们介绍了嵌入式系统，消费品和基础设施行业的解决方案以其相应的市场战略，来自公司 ＯＥＭ市场部门的团队还与观众就解决方案展开了深入的探讨。 “嵌入式计算机正在变得更加精巧且集成度更高，数据传输也将变得更为快速安全”。Ｓｗｅｎｓｏｎ先生说道：“ＧＥ Ｆａｎｕｃ 正与中国的ＯＥＭ以及总包商们一起致力于开发采用新技术和平台的全新一代系统。这在航天系统中已经得到了初步的 成功，我们将一个高性能的ＡＦＤＸ电子设备总线放入一个ＥＸｐｒｅｓｓＣａｒｄ，该卡能插入笔记本电脑中。通过使用开放型的标 准技术，ＧＥ Ｆａｎｕｃ为中国用户提供了现成的先进技术包，使他们能够加快把终端产品推向市场的速度并且方便地通过新 技术进行升级换代”。 “在中国这个新兴市场中，新一代富起来的消费者对汽车和消费品的需求正在日益增长，”Ｏｎｎｅｎ女士谈到，“在这个竞 争激烈的市场中，如何高效地生产出高质量的产品是很重要的。同时，随着中国汽车厂商不断增加对西方的出口，提供产 品生产履历信息以证明产品质量也成为一种越来越紧迫的需求。ＧＥ Ｆａｎｕｃ智能设备能够提供模块化并且可升级的解决 方案，可以对生产工艺、设备效率、质量控制和生产履历进行跟踪，这些方案能够帮助中国汽车和消费品生产企业提升生产 力，也被称为第一时间及时操作的装配解决方案。” Ｖａｎ Ｈｅｌｔｅｎ先生探讨了ＧＥ Ｆａｎｕｃ在中国的一个倍受关注的行业——污水处理行业中所做出的努力。“ＧＥ Ｆａｎｕｃ智 能设备将会在未来的几年里为水处理厂、海水淡化厂以及输水系统提供所需的专业技术，致力于减少非消费性用水，即处 理过但不能被消费者使用的水的数量。”ＧＥ Ｆａｎｕｃ目前正在开发使用Ｐｒｏｆｉｃｙ过程控制系统的专业水处理库，为水处理工 厂提供操作简便的系统以帮助他们减少水处理的执行时间。同时，ＧＥ Ｆａｎｕｃ还宣布开始重点为海水淡化厂提供卓越的自 动化解决方案。 Ｖａｎ Ｈｅｌｔｅｎ先生还表示，ＧＥ Ｆａｎｕｃ的设备现正应用于潮汐能、风能和生物能源等领域，公司提供的解决方案可以用于 远程管理和优化能源资产，其控制系统还可以直接应用在利用能源发电的设备中。“ＧＥ Ｆａｎｕｃ具有控制能源资产的合适 设备，可以通过我们的ＨＭＩ产品来监控这些资产并使用生产管理产品对其进行优化”。 通用电气发那科自动化有限公司
