关键字 |
| 感应电机，驱动器，ZigBee，交流驱动系统，逆变器，PWM |
介绍 |
| 三相电压馈电脉宽调制逆变器最近在多兆瓦工业驱动应用中很受欢迎。这种流行的主要原因是在串联设备之间易于共享大电压，并且与两电平逆变器相比，输出的谐波质量得到了改善。变速驱动器是一种用于提供连续范围过程速度控制的设备(与变速箱或多速电机中的离散速度控制相比)，并且能够调节感应电机(IM)的速度和扭矩。本课题旨在利用ZigBee无线控制协议对三相感应电机的转速进行控制。ZigBee无线技术是一套基于IEEE 802标准的小型、低功率数字无线电协议的高级通信规范。 |
| ZigBee的目标是需要低数据速率、长电池寿命和安全网络的应用。ZigBee在全球范围内的工作频率为2.4GHz。ZigBee的传输范围在10到75米(33到246英尺)之间，最高可达1500米。它的规范旨在比蓝牙等其他wpan更简单、更便宜。 |
| 异步电动机的速度控制有几种方法，如变频、变极、变定子电压、变转子电阻、恒V/f控制、滑差恢复法等，其中应用最广泛的是恒V/f调速法。在这种方法中，V/f比保持恒定，从而保持磁化通量恒定，使最大转矩保持不变，从而消除磁饱和问题。 |
| 客观的 |
| 本文讨论了交流传动系统的无线调速问题。该系统包括三相感应电机的转速控制，为了控制感应电机的转速，我们使用了接近传感器。 |
| 本系统采用数字控制器dsPIC30F4011控制系统运行。控制单元从接近传感器采集三相感应电机的转速值，并对其进行处理。该dsPIC30F4011控制器被编程为根据从传感器获得的速度值产生正弦PWM脉冲。控制器处理来自传感器的信息，检查是否达到期望的速度，然后根据反馈值产生PWM脉冲。控制单元处理来自传感器的信息后，将数据发送到显示器。 |
| 项目的实施在框图中显示。直流电源应用于单片机。DSPIC30F4011控制器共产生6个脉冲数。三相逆变器用于获取三相输入。在这个逆变器中有三个分支。每个分支属于每个阶段。每个分支有两个设备。三相逆变器输出为变电压、变频率。速度控制是通过使用ZigBee收发器改变系统的频率来完成的。三相电机的转速是变化的。 If we change the frequency alone it will affect the torque of the motor. To avoid this we will change the voltage proportional to the frequency changes. This type of control maintains the motor speed constantly. The PWM pulses are given to input of optocoupler. Optocoupler is used to isolate between control circuit and inverter circuit. DC supply is applied to inverter circuit. Optocoupler output signal is inverted from original PWM input signal. Optocoupler output is given to driver circuit through NOT gate (NOT gate output signal same as the original input signal). Load is connected across the inverter circuit terminals. The PI controller is used to maintain the constant motor speed and motor speed is display to LCD. |
硬件设计 |
| 交流驱动系统的无线调速由DSPIC30F4011控制器、传感器单元、显示单元、电源单元和ZigBee收发器组成。微处理器从接近传感器获取三相感应电机的转速值，并以此为基础向逆变器产生PWM脉冲。 |
| 3.1框图 |
| 交流传动系统无线调速原理框图如下图所示。它包括DSPIC30F4011控制器、传感器单元、显示单元、电源单元、光耦合器、ZigBee收发器驱动单元。在这里，个人计算机和ZigBee收发器通过控制部分的RS232连接。 |
| 3.2单片机 |
| 数字控制器DSPIC30F4011是一种通用的16位数字控制器，用于将数字信号处理器的计算能力和PIC单片机的控制能力相结合，实现精确控制。DSPIC30F4011具有高性能改良的RISC CPU。该控制器具有C编译器优化的指令集架构，具有灵活的寻址模式。该控制器通过采集传感器的转速值，产生PWM脉冲来控制电机的转速。 |
| 3.3接近传感器 |
| 感应式接近传感器耦合在三相感应电机轴附近，用于感应电机的旋转，并将数值传递给DSPIC30F4011控制器。 |
| 3.4显示单元 |
| LCD显示单元用于显示传感器发送给单片机的数据。LCD显示8行，每行21个字符。 |
| 3.5驱动单元 |
| 触发电路只不过是一个开关，它通过打开/关闭来警报感应电机的电源，应用来自控制器的ccpl引脚的门脉冲。 |
| 3.6 ZigBee模块 |
| ZigBee收发模块包括ZigBee发射机和ZigBee接收机。Xbee射频模块设计用于在ZigBee协议中运行，并支持低成本、低功耗无线传感器网络的独特需求。这些模块需要最小的功率，并在远程设备之间提供可靠的数据传输。模块的工作频率为ISM 2.4 GHz。它在100-200米范围内运行。接收模块由与计算机系统连接的Xbee射频模块组成。ZigBee模块接收到的监测数据直接传输到计算机系统。 |
设计方法 |
| 电感和电容的值在很大程度上取决于电动机的额定值，而电动机的转速是要调节的。因此电机的额定值为，三相感应电机，功率0.75KW，星形连接，转速1390转/分，电压415V，电流1.80 A，频率50Hz，效率75%。为了便于设计计算，假定射穿占空比D=总时间段的5%。 |
| 从整流器输出和所需的逆变器输入，可以用以下关系计算升压因子。 |
 （1） |
| 逆变器的升压因子B为 |
 (2) |
| 其中D为贯穿占空比，T0为开关周期T的贯穿时间间隔，N1和N2分别为变压器T1和T2的匝数比。由(2)可知，B主要依赖于D、N1和N2，因此通过调节小贯穿占空比的变压器匝数比，可以获得较高的升压能力。由于射穿占空比小，可以提高调制指数(M)，从而提高输出电能质量。 |
| 确定增压系数后，可由式(2)计算匝数比N1和匝数比N2。由于我们认为网络是对称的，所以取N1和N2两个量相同。 |
| 电容的设计主要依赖于纹波电压。我们知道电容纹波电压是整个电容电压的1到10%。为了减少波纹，假设ΔVc1和ΔVc2分别是Vc1和Vc2的1%。通过在有源和穿射状态下应用KVL，可以计算出电容器上的电压，并由 |
 （3） |
| 求出电容器上的电压后，就可以从下列公式中求出电容器的值。 |
 （4） |
 （5） |
| 其中Im1和Im2为磁化电流，两者之和等于负载电流。由于电路是对称的，取两个电容器的值相同。变压器的磁化电感可由下式计算。 |
 (6) |
 (7) |
| 交流驱动系统电路的输出给三相异步电动机。三相逆变器有两种类型:120°模式电压源逆变器和180°模式电压源逆变器。采用120°模电压源逆变器进行仿真。 |
| 4.1 PI控制器 |
| 在接口电路和控制操作软件的设计中，考虑到采样时间较短，以达到较好的性能。为了使控制算法实时可执行，开发了一种简单的PI控制算法。使用定时器溢出中断代替轮询，以帮助缩短计算时间。 |
| 通过编写汇编语言程序，完成了PI控制器的实现。在分析和理论意义上，完全从性能和物理实现的角度选择数字控制器参数 |
| PI -controller的输出为V0 |
 (8) |
 (9) |
| PI算法使用一种新的工具直接从微控制器生成类似模拟的输出，而不使用任何DAC(数模转换器)。这种技术被称为PWM(脉冲宽度调制)。在PWM中，方波以恒定的频率产生，方波的通断时间的变化改变了平均输出，即占空比的变化改变了平均输出。占空比与平均输出电压的关系如下式: |
 (10) |
| 利用PI算法的特点，微控制器产生具有变占空比的PWM信号，在电机上产生有效的控制动作信号，类似于PI控制器的输出信号，使电机达到稳态状态，稳态误差变为零。采用试错法确定了p K和i K的值，以获得较好的瞬态响应，且超调量接近于零。采用基于单片机的PI控制器，实现了电机的准确快速定位。 |
| 4.利用MATLAB 7.10 Simulink对基于DSPIC30F4011单片机的三相感应电机转速控制进行了仿真研究。Simulink是一个用于动态系统建模、仿真和分析的软件包。图5.1为交流传动系统无线调速仿真电路图。 |
用mat lab软件进行仿真的结果 |
| 利用MatLab软件设计了交流传动系统无线调速的原理图，并通过编译软件完成了代码的编写。这里的结果用三幅图表示，6.1)三相异步电机转速的模拟结果，6.2)逆变器输出波形，6.3)脉宽调制的模拟波形。 |
交流驱动系统无线调速硬件 |
| 本节提供了交流驱动系统无线调速的硬件图像。图7.1所示为与三相感应电机连接的单片机部分和逆变器部分。 |
| 图7.2所示为交流驱动系统无线调速控制部分，其中包括通过RS232串口电缆与计算机系统连接的ZigBee收发器部分。 |
结论 |
| 在MATLAB中对交流驱动系统的无线调速电路进行了仿真，得到了理想的调速效果。因此，在硬件上进一步实现。硬件采用ZigBee协议将PWM控制信号从微控制器传送到逆变器，逆变器的控制信号是基于载波的正弦PWM。因此，通过设计的硬件设置，可以有效地控制电机的转速(1390rpm)。 |
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数字一览 |
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| 图3.1 |
图4.1 |
图5.1 |
图6.1 |
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| 图6.2 |
图6.3 |
图7.1 |
图7.2 |
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参考文献 |
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- www.datasheetcatalog.com。
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