(毕业论文47页.21325字+图+程序)摘要：最近几年，随着新型电力电子器件的不断涌现和计算机技术的飞速发展，高性能的交流电动机变频调速系统得到了广泛的应用，他的显著的节能效果和灵活的运行方式，给人们留下了深刻的印象。本论文首先论述了变频调速的基础技术，简述了它在我国的发展和应用以及今后在这方面应做的工作；其次对系统的主电路、控制电路、电气控制电路以及实现控制的软、硬件进行了系统地分析，并对调速系统的实施方案进行了论证。在此基础上，调速系统主电路采用了交-直-交型电路形式，并采用IGBT作为主电路的功率开关器件；根据PWM波形的生成原理，采用C语言，从硬件和软件上探讨了基于LPC2292用于IGBT控制的数字化PWM波形产生器的实现方法；根据系统的设计要求，选择了转速负反馈控制，提高了系统的精度和稳定度；最后完成了相应的电气控制电路。经相关的实验及波形分析，表明该系统满足预期的设计要求。

关键词: 变频调速；PWM；ARM嵌入式系统

Designs based on the ARM7 computer numeral velocity modulation experiment

Abstract：In resent years, with the development of new power electronic component and computer technique, high performance AC Motor VVVF system has been applied extensively. More and more people are interesting in its striking effect on power-saving and flexible operating mode. First, the basic technique of speed control by frequency variation is introduced briefly, and then the development and application in our country is summarized and we should do in future, Second, the main circuit, control circuit, electrical control circuit and software and hardware of the control device is analyzed systematically. Based on the foregoing analyses, AC-DC-AC voltage source inverter (VSI) and IGBT devices are selected in the main circuit. According to the generating theory of PWM wave, a new method of digital PWM wave generator based on LPC2292 using C language is discussed from the point view of hardware and software. A rotate speed negative feedback control is adopted according to the design request of the system, which improves the system’s accuracy and stabilization. At last, the design of corresponding circuit of electric control is completed. It is proved by design experiments and simulation waves that this design accords with the expectable requirements.

Key words:  VVVF, pulse width modulation (PWM), ARM embedded system

目    录

第1章  绪  论 1
1.1  交流电动机调速技术的发展概况 1
1.2  交流电动机的调速方法 2
1.3  研究的目标和内容 3
第2章  变频调速的发展和优势 5
2.1  变频调速系统的发展现状与前景展望 5
2.1.1  变频调速系统的发展现状 5
2.1.2  PWM技术 5
2.1.3  高性能交流调速系统 6
2.2  交流变频调速技术的优势与应用 7
2.2.1  交流变频调速的优异特性 7
2.2.2  与其它调速方法的比较 7
第3章  变频调速系统中脉宽调制波的产生 8
3.1  主电路和逆变电路工作原理 8
3.2  变频与变压 11
3.3  SPWM 的控制模式及其实现 14
3.4  SPWM 技术的发展 16
第4章  系统硬件电路的设计 19
4.1  飞利浦LPC2292开发板 19
4.1.1  硬件与接口配置 19
4.2  主回路的设计 21
4.3  主要电路的设计 22
4.3.1  主回路电路参数的计算 22
4.3.2  整流模块环节 23
4.3.3  中间滤波环节 23
4.4  控制电路的设计 24
4.4.1  驱动电路的设计 24
4.3.3  键盘模块电路设计 25
4.3.2  显示模块电路设计 26
4.4.4  检测电路的设计 26
第5章  系统控制软件的设计 28
5.1  系统软件总体设计 28
5.2  主要软件模块 28
5.2.1  软硬件接口 28
5.2.2  SPWM产生部分 30
5.2.3  转速采样模块 36
结论 38
致谢 39
参考文献 40
附录 41
 
第1章  绪  论

1.1  交流电动机调速技术的发展概况
在电力电子技术发展之前，直流电机几乎占垄断地位。对于直流电机，只要改变电机的电压或者是励磁电流就可以实现电机的无级调速，且电动机的转矩容易控制，具有良好的动态性能。但是直流电动机也有其本身固有的缺点:结构复杂、重量大、价格高;电刷易磨损、维修不方便;对环境要求高，不适合用于易燃、易爆及有腐蚀性气体的场合。这些都与现代调速系统要求的可靠性、可使用性、可维护性相矛盾，因此直流电动机已经难以适应现代电气传动的要求了。 
交流电动机特别是鼠笼式异步电动机，结构简单，坚固耐用，制造方便，价格低廉，容量没有限制，而且维修方便，对环境要求不高等优点，在工农业生产中得到了广泛的应用。但同时交流电机本身是一个非线性、强耦合的多变量系统，其可控性较差;而随着现代交流电机的调速控制理论和电力电子变流技术的发展，交流电机调速取得了突破性的进展，电气传动交流化的时代随之到来。 
交流异步电机调速系统种类繁多，常见的有:降电压调速；绕线转子异步电机串级调速;变磁极对数调速;变压变频调速。
现目前，在上述的调速方式中，变频调速己经成为异步电动机最主要的调速方式，在很多领域都得到了广泛的应用；而且随着一些新的交流电机调速理论，如矢量控制和直接转矩控制和现代电力电子技术(IGBT，IPM)以及高效的处理器等相关技术的发展，它将在很长一段时间内主导电气传动领域，并向更高性能、更大容量以及智能化方向发展。
在大功率交一交变频调速技术方面，法国阿尔斯通公司已能提供用于船舶推进系统单机容量达3万KW的电气传动设备;在大功率无换向器电机变频调速技术方面，ABB公司能提供用于抽水蓄能电站单机容量为6万KW的设备；在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司电流型晶闸管变频器调速设备单机容量为10-2600KVA;在小功率变频调速技术方面，日本富士公司双极晶体管（BJT）变频器最大单机容量可达700KV。
总的看来，我国电气传动的技术水平较国际先进水平还有一定的距离。在大功率交一交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，在数字化及系统可靠性方面与国外有相当差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组启动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬方面有很大需求。中小功率变频技术方面，国产大部分产品都是普通的恒V/f控制，控制芯片采用的大都是单片机，小部分的产品采用数字信号处理器（DSP）来控制。 
1.2  交流电动机的调速方法
三相异步电动机转速公式为：
n=60*f/p(1-s)
从上式可见，改变供电频率f、电动机的磁极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。
    在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子磁极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。
    从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法如串级调速等。具体的调速方法如下：
一、变磁极对数调速方法
    这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子磁极对数达到调速目的，特点如下：具有较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，效率高； 接线简单、控制方便、价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。
二、变频调速方法
    变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。其特点为效率高，调速过程中没有附加损耗，应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高；技术复杂，造价高，维护检修困难。适用于要求精度高、调速性能较好场合。
三、串级调速方法
    串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为：可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高； 装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70％－90％的生产机械上；调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。
四、绕线式电动机转子串电阻调速方法
    绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上，属有级调速，机械特性较软。
五、定子调压调速方法
    当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子的电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联压敏电阻,调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。
六、电磁调速电动机调速方法
    电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源三部分组成。直流励磁电源功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成，改变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。电磁调速电动机的调速特点：装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便；调速平滑、无级调速；对电网无谐波影响；速度失大、效率低。本方法适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械。
1.3  研究的目标和内容
   随着计算机技术的飞速发展，以微处理器为核心的全数字化控制电路已被广泛采用。ARM处理器因其具有卓越的性能和显著优点，已成为高性能、低功耗、低成本嵌入式处理器的代名词。一些基于ARM7内核的微控制器都可支持DSP运算并能够达到较高的运算指标，用32位微控制器作为整个系统的CPU，能够弥补单DSP芯片在控制方面的不足，节约成本并降低系统的复杂性。同时，在一定程度上可取代由8位和16位单片机构成的双CPU控制的异步电机调速系统，在低成本的变频调速系统中有着良好的发展前景。
本论文的题目是《基于ARM7的计算机数字调速实验设计》。系统以Philips 公司LPC2292为控制核心，并在此基础上进行数字化PWM交流变频调速系统的研究。
本文的主要内容:
  以Philips 公司LPC2292为处理器设计控制电路，它包括SPWM模块、驱动模块、转速检测和显示模块等。
基于ARM7平台用C语言编制程序实现三相正弦波SPWM脉宽调制，生成PWM波并实现对异步电机的变频调速，并检验硬件电路的可靠性。