脉冲负载下小功率变频调速控制器的开发
发布时间：2021-08-05 15:21
电动机负载在空载和带载间周期性波动时会形成脉冲型负载,比如在跑步机等运动装置中,人在走或跑时产生的负载转矩就是周期性变化的脉冲型负载转矩,主要根据负载转矩的周期、幅值和占空比三个参数来描述。在电机正常运行时,脉冲型负载会产生反复的加载与卸载作用,影响控制器的输出性能,在设计中,期望电机转速调节能够缓慢地变化,使人体的感觉微乎其微,实现舒适性控制。本文针对具有脉冲型负载转矩特性的运动装置,以交流电机驱动的电动跑步机为例,选用转速闭环的恒压频比控制变频调速技术,采用自整定模糊PID算法,利用STM32F103ZET6单片机开发了一种适用于脉冲负载的专用型交流调速控制器。通过模糊控制算法对PID参数进行在线修改,以满足负载变化对控制参数的不同要求,实现电机转速的舒适性控制。通过调速性能测试,在不同类型的脉冲负载下,电机转速超调量均在3%以内,满足跑步机的舒适度要求。本文开发的脉冲负载专用型交流调速控制器能够对电机转速实现舒适性控制,性价比较高,具有一定的应用前景,同时,该控制器在软硬件设计中对电机的异常运行采取了相应的保护措施,保障了使用者的安全。
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
变频调速系统结构图
西安石油大学硕士学位论文10图2-1转速闭环变频调速系统结构图因为驱动跑步机的电动机属于小功率三相异步电机，所以图2-1中的主电路是对输入的单相交流电进行整流、逆变，再为系统提供电能；控制电路是以单片机为主控芯片的数字电路，主要功能是根据程序指令形成控制逆变电路的脉冲信号。（1）主电路结构的选择主电路的主要功能是进行功率的转换，把工频电转换成频率、幅值可变的三相交流电，有交-交式和交-直-交式两种结构。交-交变频器在结构上虽然只有一个变换环节，但用到的电力电子器件却很多，总体设备相当庞大，而且输出功率因数低、谐波电流含量大，需要配置无功补偿设备和滤波装置，主要用于大功率、低转速调速系统[38]。交-直-交变频电路先将工频交流电整流成直流电，再逆变成频率和幅值都可控的交流电，根据中间环节采用电容或电感可分为电压源型和电流源型两类，电压源型特点是动态响应快，运行几乎不受负载功率因数和换流影响，但是出现短路时必须采取保护措施[38]。本次设计中主电路的结构选择电压源型交-直-交变频电路。（2）整流滤波环节的选择整流电路有可控和不可控两种形式，前者的特点是输出电压大小可控，但是得到的直流电压谐波大、对电网干扰大；不可控整流特点是得到的直流谐波孝电压稳定、对电网干扰较小，但是直流电压不可控[38]。考虑到对电网功率因数的影响，本次设计选择不可控整流方式，通过后面的逆变环节对直流电压进行控制。因为整流滤波之后得到的直流电压、电流信号比交流信号容易采集、处理，所以在整流滤波环节中设计直流信号检测电路，通过采集直流环节的电压值和电流值，在电路发生故障时为主控芯片提供判断依据。（3）逆变电路的选择功率器件应根据设计的要求和性能指标来选择，变频调速系统要求开?
第二章控制器设计方案的确定11功率开关器件选用IGBT，由于电容在电路接通瞬间会产生较大充电电流，所以在滤波电路之前串联限流电阻，但是长时间接入电阻会增加功率损耗、影响电路正常工作，因此经过一段时间后使用继电器将限流电阻切出。图2-2主电路结构图（4）控制电路设计方案该电路是控制器设计的核心部分，其作用是控制主电路。控制电路的控制性能与主控芯片的各方面性能和采用的控制算法息息相关，所选择的主控芯片应使软件编程简单方便，减少硬件资源的使用，便于后期升级和维护。在本次设计中，控制电路的设计方案是利用主控芯片中预先编写好的程序对各种检测信号进行处理，然后主控芯片输出控制逆变电路中电力电子器件通断的脉冲信号，因为控制器的设计不需要太多复杂的算法，也没有其它附加功能，为了降低设计成本，主控芯片选用能够直接产生控制信号的单片机。在设计中，采用光电编码器或其它器件进行转速检测，构成速度闭环控制系统。2.2.3脉宽调制方式的确定（1）脉宽调制方式的选择采用PWM控制技术时电机转矩脉动小，因为抑制输出电压谐波的同时增大了正弦基波分量，而且系统的调速性能也有所提高。PWM控制方式有五种：等脉宽PWM波控制技术最简单，但是输出电压中除基波分量外，还含有较大的谐波分量，不适于做电机调速控制；SPWM（SinusoidalPulseWidthModulation）法能够减少输出电压中的低次谐波分量，电机工作在近似正弦电压下转矩脉动孝调速范围宽；SHEPWM（SelectedHarmonicsEliminationPWM）法对不同的基波频率求出的脉冲开关时刻不同且求解复杂，不满足系统实时控制的需求；CHBPWM（CurrentHysteresisBandPWM）法精度高、响应快且比电压控制效果好，但是运算复杂；SVPWM（SpaceVectorPWM）法将逆变器和电机作为一体进?
【参考文献】：
期刊论文
[1]变频器行业经济运行分析及未来展望[J]. 董天舒. 电器工业. 2019(12)
[2]变频器应用现状及发展趋势[J]. 肖海乐,顾月刚. 电子技术与软件工程. 2018(20)
[3]变频器应用现状与发展趋势[J]. 刘玉丛. 电子技术与软件工程. 2018(17)
[4]三相异步电机的矢量控制系统[J]. 李瑾. 湖北工程学院学报. 2018(03)
[5]智能化感应电机变频调速系统的设计[J]. 朱宗震,王超超,张鹏. 中国新技术新产品. 2018(07)
[6]西门子低压变频器（G120）在石油化工行业的应用[J]. 毛忠新. 石油化工自动化. 2017(05)
[7]浅谈高性能变频器的应用市场[J]. 邹红飞. 电世界. 2017(10)
[8]三相交—交矩阵式变换器及其在电气传动中的应用[J]. 邓钦瑞. 电子技术与软件工程. 2017(16)
[9]变频器市场,稳中求变[J]. 宋慧欣. 自动化博览. 2017(04)
[10]高效能电机系统可靠运行与智能控制基础研究进展[J]. 夏长亮,王东,程明,黄进,李勇. 中国基础科学. 2017(01)
博士论文
[1]异步电机高性能变频器若干关键技术的研究[D]. 王斯然.浙江大学 2011
硕士论文
[1]基于可拓控制策略的异步电机节能控制系统研究[D]. 李道成.东北石油大学 2018
[2]三相异步电动机变频调速系统控制策略的研究[D]. 黄天翔.天津理工大学 2018
[3]脉冲负载下低输入电流脉动直流电源的研究[D]. 吴小帆.哈尔滨工业大学 2017
[4]小功率脉冲负载交流调速控制器的开发[D]. 张涛.西安石油大学 2016
[5]基于μC/OS-Ⅱ的电动跑步机控制系统的研究与设计[D]. 宋文龙.太原理工大学 2016
[6]基于串励电机的跑步机控制器设计[D]. 章细福.哈尔滨工业大学 2010
[7]电动跑步机电控系统的研制[D]. 李国强.山东大学 2008
[8]电动跑步机数字直流调速系统的研究[D]. 韩修恒.山东大学 2007
本文编号：3323990
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
变频调速系统结构图
西安石油大学硕士学位论文10图2-1转速闭环变频调速系统结构图因为驱动跑步机的电动机属于小功率三相异步电机，所以图2-1中的主电路是对输入的单相交流电进行整流、逆变，再为系统提供电能；控制电路是以单片机为主控芯片的数字电路，主要功能是根据程序指令形成控制逆变电路的脉冲信号。（1）主电路结构的选择主电路的主要功能是进行功率的转换，把工频电转换成频率、幅值可变的三相交流电，有交-交式和交-直-交式两种结构。交-交变频器在结构上虽然只有一个变换环节，但用到的电力电子器件却很多，总体设备相当庞大，而且输出功率因数低、谐波电流含量大，需要配置无功补偿设备和滤波装置，主要用于大功率、低转速调速系统[38]。交-直-交变频电路先将工频交流电整流成直流电，再逆变成频率和幅值都可控的交流电，根据中间环节采用电容或电感可分为电压源型和电流源型两类，电压源型特点是动态响应快，运行几乎不受负载功率因数和换流影响，但是出现短路时必须采取保护措施[38]。本次设计中主电路的结构选择电压源型交-直-交变频电路。（2）整流滤波环节的选择整流电路有可控和不可控两种形式，前者的特点是输出电压大小可控，但是得到的直流电压谐波大、对电网干扰大；不可控整流特点是得到的直流谐波孝电压稳定、对电网干扰较小，但是直流电压不可控[38]。考虑到对电网功率因数的影响，本次设计选择不可控整流方式，通过后面的逆变环节对直流电压进行控制。因为整流滤波之后得到的直流电压、电流信号比交流信号容易采集、处理，所以在整流滤波环节中设计直流信号检测电路，通过采集直流环节的电压值和电流值，在电路发生故障时为主控芯片提供判断依据。（3）逆变电路的选择功率器件应根据设计的要求和性能指标来选择，变频调速系统要求开?
第二章控制器设计方案的确定11功率开关器件选用IGBT，由于电容在电路接通瞬间会产生较大充电电流，所以在滤波电路之前串联限流电阻，但是长时间接入电阻会增加功率损耗、影响电路正常工作，因此经过一段时间后使用继电器将限流电阻切出。图2-2主电路结构图（4）控制电路设计方案该电路是控制器设计的核心部分，其作用是控制主电路。控制电路的控制性能与主控芯片的各方面性能和采用的控制算法息息相关，所选择的主控芯片应使软件编程简单方便，减少硬件资源的使用，便于后期升级和维护。在本次设计中，控制电路的设计方案是利用主控芯片中预先编写好的程序对各种检测信号进行处理，然后主控芯片输出控制逆变电路中电力电子器件通断的脉冲信号，因为控制器的设计不需要太多复杂的算法，也没有其它附加功能，为了降低设计成本，主控芯片选用能够直接产生控制信号的单片机。在设计中，采用光电编码器或其它器件进行转速检测，构成速度闭环控制系统。2.2.3脉宽调制方式的确定（1）脉宽调制方式的选择采用PWM控制技术时电机转矩脉动小，因为抑制输出电压谐波的同时增大了正弦基波分量，而且系统的调速性能也有所提高。PWM控制方式有五种：等脉宽PWM波控制技术最简单，但是输出电压中除基波分量外，还含有较大的谐波分量，不适于做电机调速控制；SPWM（SinusoidalPulseWidthModulation）法能够减少输出电压中的低次谐波分量，电机工作在近似正弦电压下转矩脉动孝调速范围宽；SHEPWM（SelectedHarmonicsEliminationPWM）法对不同的基波频率求出的脉冲开关时刻不同且求解复杂，不满足系统实时控制的需求；CHBPWM（CurrentHysteresisBandPWM）法精度高、响应快且比电压控制效果好，但是运算复杂；SVPWM（SpaceVectorPWM）法将逆变器和电机作为一体进?
【参考文献】：
期刊论文
[1]变频器行业经济运行分析及未来展望[J]. 董天舒. 电器工业. 2019(12)
[2]变频器应用现状及发展趋势[J]. 肖海乐,顾月刚. 电子技术与软件工程. 2018(20)
[3]变频器应用现状与发展趋势[J]. 刘玉丛. 电子技术与软件工程. 2018(17)
[4]三相异步电机的矢量控制系统[J]. 李瑾. 湖北工程学院学报. 2018(03)
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[6]西门子低压变频器（G120）在石油化工行业的应用[J]. 毛忠新. 石油化工自动化. 2017(05)
[7]浅谈高性能变频器的应用市场[J]. 邹红飞. 电世界. 2017(10)
[8]三相交—交矩阵式变换器及其在电气传动中的应用[J]. 邓钦瑞. 电子技术与软件工程. 2017(16)
[9]变频器市场,稳中求变[J]. 宋慧欣. 自动化博览. 2017(04)
[10]高效能电机系统可靠运行与智能控制基础研究进展[J]. 夏长亮,王东,程明,黄进,李勇. 中国基础科学. 2017(01)
博士论文
[1]异步电机高性能变频器若干关键技术的研究[D]. 王斯然.浙江大学 2011
硕士论文
[1]基于可拓控制策略的异步电机节能控制系统研究[D]. 李道成.东北石油大学 2018
[2]三相异步电动机变频调速系统控制策略的研究[D]. 黄天翔.天津理工大学 2018
[3]脉冲负载下低输入电流脉动直流电源的研究[D]. 吴小帆.哈尔滨工业大学 2017
[4]小功率脉冲负载交流调速控制器的开发[D]. 张涛.西安石油大学 2016
[5]基于μC/OS-Ⅱ的电动跑步机控制系统的研究与设计[D]. 宋文龙.太原理工大学 2016
[6]基于串励电机的跑步机控制器设计[D]. 章细福.哈尔滨工业大学 2010
[7]电动跑步机电控系统的研制[D]. 李国强.山东大学 2008
[8]电动跑步机数字直流调速系统的研究[D]. 韩修恒.山东大学 2007
本文编号：3323990
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