单片机控制交流变频调速系统.docx
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单片机控制交流变频调速系统
目录：
单片机控制交流变频调速系统设计
一 简介：
6
二变频调速系统的硬件组成：
7
（一）变频器主电路（整流电路、逆变器电路）8
（二）晶闸管及功率晶体管驱动电路8
（三）PWM脉冲形成电路9
（四）单片机控制系统10
（五）信号检测电路11
（六）转速测量电路11
（七）电源电路12
三 变频调速系统的软件组成12
（一）主程序12
（二）外部中断服务程序12
（三）串行通讯子程序13
（四）高速输入部件中断子程序13
四系统的冗余措施14
（一）输入缓冲14
（二）输出总线仲裁14
（三）单片机时钟级同步的实现16
（四）控制模块的VHDL语言描述17
五变频调速恒压供水系统应用18
（一）系统工作过程如下:
18
六设计小结19
七、设计参考资料19
毕业设计（论文）开题报告
题目：
单片机控制交流变频调速系统
1．本课题的来源、选题依据：
在传统的可调速电气传动系统中，直流电动机调速系统占绝对优势但直流调速系统在60～70年代迅速发展起来，但其造价高，且换相环节有不足，又有换向器和电刷，在运行中常出故障。
自从1958年世界上第一个晶闸管（ＳＣＲ）的面市，晶闸管就以其在功率放大倍数、快速响应性、小功耗、高效率等方面的优越性迅速取代了机组和水银整流器。
直流调速系统在60～70年代迅速发展起来，但其造价高，且换相环节有不足。
与此相反，异步电动机具有结构简单，运行可靠，价格便宜等优点。
但是交流电动机调速困难。
自从上世纪80年代初交流变频技术出现以来，使用变频调速器和调节器来进行交流电动机无级调速成为可能。
随着第三代电力半导体器件如门极可关断晶闸管ＧＴＯ、绝缘栅双极晶体管ＩＧＢＴ的相继出现，交流变频调速技术得到了飞速发展。
在结合现代微处理器控制技术、电力电子技术、电极传动技术的基础上，相继推出了一系列的变频器，且不断进行更新换代。
这些高精度、多功能、智能化的变频器将调速效率和精度提高到了前所未有的水平。
故交变频调速系统越来越成为当今社会，犹其在倡导节约型中国的今天！
2．本课题的设计（研究）意义（相关技术的现状和发展趋势）：
交变频调速具有调速范围宽，稳速精度高，动态响应快，运行可靠等技术性能，已逐步取代直流电动机调速系统。
然而目前的变频器大部分都是线路复杂，价格昂贵，常用于大、中功率的电动机。
对于国内占有率极大的中、小型电动机采用这类变频器无疑是难以普及的。
鉴于这种情况，我们设计了此种由8098单片机为主控制器的，具有高度灵活性和可靠性的低价格交流电动机变频调速系统。
在本设计中以INTEL公司的8098单片机作主控制器，并且采用了功率晶体管作输出，具有完善的电流、电压、转速的检测和显示，以及过压，过流保护。
另又增加了串行通讯口，采用两线制RS-485通讯结构。
可靠通讯距离为1.2km，并且可加上中继来加长距离。
该系统可方便的组网控制或组成分布式集散控制系统，也可单独作为直接控制器来使用。
电路中还采用了美国达拉斯公司最新生产的时钟芯片DS-12887，内含128字节的不挥发RAM，可以记录下电动机过流过压保护时的时间和电流电压数据，供查询使用，且满足各种不同地场合。
3．本课题的基本内容、重点和难点，拟采用的实现手段（途径）：
（1）交频调速的ＰＷＭ控制
（2）PID调节器控制系统工作
（3）8089单片机的冗余技术
（4）实现软件与硬件的融合
4．文献综述（列出主要参考文献的作者、名称、出版社、出版时间以及与本课题相关的主要参考要点）：
单片机应用设计200例张洪润，刘秀英出版社：
北京航空航天大学
出版社
交流调速系统陈伯时等编 出版社：
工业机械出版社
电工与电子技术实训周乐挺主编出版社：
电子工工程出版社
单片机原理及应用技术黄仁欣主编出版社：
清华大学出版社
单片机外围电路设计沙占友等编著出版社：
北京-电子工业出版社
指导教师意见：
指导教师：
年月日
系意见：
盖章
年月日
单片机控制交流变频调速系统的设计
摘要：
20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。
在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。
作者：
严俊
关键词：
单片机，变频器，调速系统，冗余技术
Abstract:
Inthe1970s,large-scaleintegratedcircuitsandcomputercontroltechnologydevelopmentandapplicationofmoderncontroltheory,makingtheexchangeofelectricdrivesystemgraduallywithawidespeedrange,high-speedrange,highstabilityspeedaccuracyandfastdynamicresponseandinareversiblefour-quadrantoperationwithgoodtechnicalperformance,speedperformancecanbecomparablewiththeDCelectricdrive.InexchangeSpeedtechnology,VVVFhaveabsolutesuperiority,anditsspeedcontinuouslyimproveperformanceandreliability,reduceprices,especiallyenergy-savingeffectofVVVFobvious,andeasytoimplementprocessautomation,industrybyindustrythefavored.
Author:
YanJun
Keywords:
SCM,converter,speedcontrolsystem,redundanttechnology
一 简介：
在传统的可调速电气传动系统中，直流电动机调速系统占绝对优势。
但是直流电动机结构复杂，价格高，又有换向器和电刷，在运行中常出故障。
与此相反，鼠笼式异步电动机具有结构简单，运行可靠，价格便宜等优点。
但是交流电动机调速困难。
交流变频技术出现以来，使用变频调速器和调节器来进行交流电动机无级调速成为可能。
它具有调速范围宽，稳速精度高，动态响应快，运行可靠等技术性能，已逐步取代直流电动机调速系统。
然而目前的变频器大部分都是线路复杂，价格昂贵，常用于大、中功率的电动机。
对于国内占有率极大的中、小型电动机采用这类变频器无疑是难以普及的。
鉴于这种情况，我们设计了此种由8098单片机为主控制器的，具有高度灵活性和可靠性的低价格交流电动机变频调速系统。
在本设计中以INTEL公司的8098单片机作主控制器，并且采用了功率晶体管作输出，具有完善的电流、电压、转速的检测和显示，以及过压，过流保护。
另又增加了串行通讯口，采用两线制RS-485通讯结构。
可靠通讯距离为1.2km，并且可加上中继来加长距离。
该系统可方便的组网控制或组成分布式集散控制系统，也可单独作为直接控制器来使用。
电路中还采用了美国达拉斯公司最新生产的时钟芯片DS-12887，内含128字节的不挥发RAM，可以记录下电动机过流过压保护时的时间和电流电压数据，供查询使用。
二变频调速系统的硬件组成：
8098单片机变频调速系统框图如图1所示。
图18098单片机变频调速系统框图
由系统框图所示，交流变频调速系统的硬件是由变频调速主电路（整流电路、逆
变器电路）、可控硅及功率晶体管驱动电路、ＰＷＭ脉冲形成电路、单片机控制
系统、信号检测电路、转速测量和电源电路等七大环节组成
（一）变频器主电路（整流电路、逆变器电路）
变频器主电路为交－直－交电压型变频器电路。
整流器由6个晶闸管组成三相可控桥式整流电路，将三相交流电整流后再由电容滤波，为变频调速主回路提供直流电源，且经由这6个晶闸管控制的导通与截止来实现电源的软开关。
逆变器功率元件由VT1至VT6支功率晶体管组成。
VD1至VD6支二极管组成功率晶体管的保护部分。
由于采用二极管不可控整流产生恒定直流电源，功率因数问题用这种方法就可以解决。
用PWM逆变器，输出电压是一系列脉冲，调节脉冲宽度就可以调节输出电压值。
假如脉冲宽度按正弦分布，则输出电压中谐波可以大大减少。
谐波减少的成度还取决于逆变器功率开关的开关频率。
因此，PWM逆变器中很少采用像晶闸管之类开关频率低的半控型器件作为开关器件，而是采用开关频率高的全控型器件如GTR、GTO、MOSFET、IGBT等。
同时调频调压都集中在逆变器一侧，控制也简化了。
因此，这种结构成为当前中小型交—直—交变频器中普遍采用的一种结构形式。
由于PWM逆变器具有许多优点，所以在中小型变频器中得到普遍采用。
电压型PWM变频器主电路的原理图如图2所示。
交—直—交变频器主要适用于中小功率、转速较高、负载较平稳的场合。
图2变频器主电路原理图
（二）晶闸管及功率晶体管驱动电路
晶闸管驱动电路采用型号为MOC3021的6支光电耦合器件组成，该器件是双向晶闸管输出型的光电耦合器，作用是隔离单片机主控系统和触发外部的晶闸管。
功率晶体管基级驱动电路采用MPD1203厚膜集成电路，以简化系统结构，提高系统可靠性。
MPD1203集成电路集光电隔离与驱动电路于一身，为GTR提供正或负的基级电流，控制GTR的导通或关断。
它与软件结合形成所谓软开关。
（三）PWM脉冲形成电路
正弦PWM脉冲信号采用大规模集成电路HEF4752产生，它是专门设计用来产生正弦脉宽调制信号的大规模集成电路。
HEF4752集成电路输出3对互补的脉宽调制驱动波形，由它们去驱动三相逆变桥功率元件产生对称的三相输出。
当控制端Ｉ为低电平时，输出波形适宜驱动晶体
管逆变器，当控制输入端I为高电平时，适宜于驱动晶体管逆变器。
输入端CW用于控制相序。
当CW为高电平时，相序为RYB,当CW为低电平时，相序为RBY，用于控制电机的旋转方向。
当输入端Ｌ为低电平时，封锁所有的脉宽调制驱动输出，它的作用除了起停电机外，还可方便地用于过流保护。
为了避免逆变桥中同一相上下2支开关元件同时导通引起短路，在它们切换时，插入互锁推迟间隔，以确保有足够的换相时间。
在HEF4752集成电路中，由推迟间隔选择端Ｋ和时钟输入OCT一齐决定推迟间隔的长短。
当Ｋ为高电平时，推迟间隔时间Ｔb=16/Foct（s）;当Ｋ为低电平时，Ｔb=8/Foct（s）。
三相PWM输出波形的频率、电压和每周期的脉冲数，分别由3个时钟输入FCT，VCT，OCT决定。
它的输入由8098单片机改变计数常数，经可编程计数器8254输出方波信号获得。
采用专用PWM芯片HEF4752,使系统可靠性好，应用方便，编程简单。
在大规模集成电路HEF4752控制电路中采用载频信号Uc与参考信号Ur相比较的方法产生基极驱动信号。
这里采用单极性等腰三角形；Ur采用可变的直流电压。
在Ur与Uc波形的交点处发生调制信号，部分脉冲调制波形如下图所示。
图3PWM脉冲形成过程
（四）单片机控制系统
单片机控制系统组成框图如图4所示。
图4 单片机控制系统组成框图
从图4可知，本系统由8098，EPROM2764，RAM6264和74LS373构成主体部分。
外围扩展有键盘和数码显示接口芯片8279、并行输入输出芯片8255、时钟芯片DS12887、定时器计数器接口芯片8254、双四选一模拟开关4052、锁存器74LS373和串行RS-485标准通讯驱动接口芯片75176构成一个完整的变频调速中心控制系统。
系统内由8279构成了32位数码管显示和四乘五键盘矩阵。
32位数码显示分别显示6位时间、4位给定转速、4位实际转速、4位运行频率、2位运行指示和1个3位的运行电压、3个3位的运行电流。
键盘矩阵分别有0至9共10个数字键和8个功能键与2个备用键。
并行输入输出接口8255的Ｐc7与Ｐc6两个口作为双四选一开关4052的控制信号。
ＰA口作为输入口，用光电耦合器隔离，输入8路状态量。
ＰB口作为输出口，经MC1413隔离驱动后，经过继电器输出7路开关量。
这一部分主要是作为扩展系统时使用。
DS12877是一片内带锂电池、晶振的时钟芯片。
它可以为系统提供一个时间基准。
在电动机电流过大保护时可以记录下时间。
并且此芯片内有128字节的不掉电RAM，可以在停电后保持数据不丢失。
所以把系统运行中的一些参数储存在这里，如键盘输入的给定转速、最大电流等。
8254是1个内含3路16位可编程计数器定时器。
8098单片机定时对频率给定信号进行采样，根据A/D转换的结果或键盘的设定，或从上位机通过串行通讯口设定的转速，经软件处理为适合8254可编程计数器的计数常数。
8254装入由单片机送出的计数常数后便产生相应频率的方波信号。
单片机一旦改变送出的计数常数，就可以改变8254输出的方波信号的频率。
这个方波信号作为PWM芯片HEF4752的时钟输入FCT。
因此，调节频率给定信号，也就是改变了8254的计数常数，也即改变了HEF4752的时钟输入FCT的频率，从而改变逆变器输出的频率，实现电动机的变频调速。
双四选一模拟开关4052是作为8098模拟输入的扩展来使用的。
因为8098有4路10位的模数转换输入，其中的ACH4与ACH5通过外接可调模拟电压作为频率给定和V/F调节。
ACH6与ACH7通过4052扩展为8路模数转换。
其中4路接一个电压与3个电流信号，另4路可根据不同需要作不同的用途。
8098单片机通过74LS373锁存与74LS274驱动后控制整流晶闸管与HEF4752的５脚、24脚来实现电动机的启停控制与正反转控制。
75176是RS-485标准的通讯驱动芯片。
在2400波特时有效距离为1200m，用于系统中有上位机时，8098单片机与上位机之间的通讯。
上位机可通过串行口向单片机下达开关机等命令与各种运行参数，也可随时得到现场的各种数据与电动机运行参数，实现两级控制。
8098单片机的辅助输入输出电路是由8255组成的并行输入输出接口和模数转换电路未用完的模拟输入口组成。
主要是为了保证系统的灵活性。
（五）信号检测电路
信号检测电路主要完成电动机的电压、电流和电动机的转速信号的采集。
这部分工作分别由相应的传感器完成。
比较理想的是采用霍尔器件的电流、电压传感器和霍尔转速传感器。
由于这一部分早已成为商品模块，有统一的接口标准，只存在不同应用的选型问题，所以在这里不再一详述。
（六）转速测量电路
转速成测量电路与信号检测电路通常在一起，它们都是通过对信号的采集，再经过各级运放完成对信号的PID闭环控制。
如下图5所示：
图5信号检测与转速测量原理方框图
（七）电源电路
电源是系统极其重要的一部分，是基础的基础。
由于关于电源部分的设计早已成型，故而在本文中没有出现。
三 变频调速系统的软件组成
变频调速系统软件主要由主程序、外部中断服务程序、显示子程序、串行通讯子程序、键盘输入子程序和高速输入部件中断子程序等组成。
各程序模块功能如下:
（一）主程序
主程序的作用是首先完成各个部件的初始化工作，设定好各个中断向量，为各个部件以后的工作做好基础。
然后就不停的进行模数转换和数据处理，同时等待各中断的到来，转入相应的中断服务子程序。
主程序框图如图6所示。
图6 主程序框图
（二）外部中断服务程序
外部中断服务程序的功能比较简单，只视作为电动机停止的控制。
当外部中断发生时，首先通过74LS373使可控整流器关断，然后清除8254中的数据来关断功率晶体管。
完成停止电动机的过程。
外部中断服务程序框图如图7所示。
（三）串行通讯子程序
串行通讯子程序用在有上位机或数台机器联用时。
该子程序框图如图8所示。
图7 外部中断服务程序框图
（四）高速输入部件中断子程序
高速输入部件中断子程序的作用是管理好4个输入中断。
当输入中断发生时，根据不同引脚中断的发生，由不同的处理子程序分别完成转速的测量，键盘的中断输入，时钟的更新等工作。
高速输入部件中断子程序框图如图9所示。
图8串行通讯子程序框图
图9 高速输入部件中断子程序框图
四系统的冗余措施
整个冗余设计的电路被置于一个核心控制模块中。
图中8089单片机1、2、3被假定为冗余的三个单片机，它们的输入总线并联，接收核心控制模块中输入缓冲的输出。
输出总线分别接到模块的输出总线仲裁器。
核心控制模块包括输入缓冲、输出总线仲裁、电源控制、时钟产生、复位电路和报警控制输出六个部分。
（一）输入缓冲
为了消除输入端并联输入阻抗带来的影响，在输入端增加了一级缓冲器，减小外围电路的影响。
采用输入缓冲，可以实现单片机和外围电路的输入隔离。
（二）输出总线仲裁
该总线仲裁是建立在所有单片机在时钟级上同步的基础上，通常采用总线表决法。
对不同输出总线被当作出错而封止，所有的输出皆不相同同是失败状态，无表决输出。
表决的实现当然不能采用软件比较，以三个单片机系统的一位为例介绍表决方法。
假设位输入变量X1、X2、X3，输出Q，状态指示：
正常N、X1出错E1、X2出错E2、X3出错E3。
真值表如表1所示，位仲裁单元如图2所示。
表1真值表
X1
X2
X3
Q
E1
E2
E3
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
1
0
0
0
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
0
0
0
1
0
0
1
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
0
0
1
1
1
1
1
0
0
0
显然以上位单片机用数字电路难实现，后面给出整体的VHDL语言描述。
总线仲裁由多个这样的位单元组成，个数由单片机输出总线的最大数n决定。
仲裁器除了n根输出线，同时还对每个位单元的状态位进行逻辑组合输出正常、出错、失败三个状态指示。
失败信号也用作报警保护控制输出，或重新复位输出。
失败输出有效时输出失效。
在8089单片机的系统中，如果将仲裁器的三个总线某一时刻输入看作为n位二进制变量X，Y，Z。
FPGA技术的发展，使得设计中的比较、决策等数字电路的设计实现变得非常容易，而且系统简明可靠。
如果采用中规模集成电路来实现的话，将相当烦琐和复杂。
在此不再详细分析
（三）单片机时钟级同步的实现
系统的所有单片机必须达到时钟级的同步。
。
同一时钟是实现时钟同步的第一步。
时钟发生电路在控制模块内产生并送到各单片机的时钟输入端，要求单片机可外接时钟输入。
时钟同步并不容易，8089系列单片机上电后振荡器起振输出，ALE脉冲由时钟经分频电路得到，一旦形成，机器周期脉冲和时钟脉冲相位关系固定，不受复位电路影响，直到电源掉电为止。
第二步是实现机器周期脉冲同步，8089一个机器周期包括6个状态周期，每个状态周期包括2个节拍，对应2个时钟节拍有效期。
也就是说一个机器周期包括12个振荡周期，指令工作在时钟节拍上，同时更是同步工作在机器周期上。
不论是单字节指令还是双字节指令，指令周期均是机器周期的1、2、4倍。
要同步单片机节拍，必须同步机器周期。
考虑到上电时间上可能产生的差异，采用先上电后加时钟脉冲的方法。
上电时确保时钟输入端没有干扰脉冲引入，所有单片机上电后的内部分频电路起始点一致，然后加入时钟脉冲，各单片机获得同步的机器周期。
第三步是同步指令周期。
指令的同步需要依靠复位电路来实现。
在时钟脉冲正常输入和分频电路正常工作的情况下，复位操作是在复位端加上至少2个机器周期的复位电平而实现的。
复位信号由核心控制器发出送至每片单片机。
复位后，统一了片内主要寄存器内容，所有单片机程序从起始位置开始执行。
单片机时钟级同步的实现主要依靠电源控制、时钟产生、复位电路三部分硬件。
1电源控制
三个单片机的供电电源由控制模块控制。
主控远件需要保证足够电流容量，可采用功率三极管或场效应管实现。
不能采用继电器在，以避免触点电源跳变。
2时钟产生
晶体振荡器输出脉冲作为单片机时钟，中间增加可控的缓冲级。
缓冲级可以增加时钟信号的输出负载能力，并可被控制模块控制。
3复位电路
三个单片机的复位端并联接至同一个复位端。
复位信号在信号极性和脉冲宽度上满足单片机复位要求，驱动能力满足多单片机需要。
复位电路同样是受控于控制模块，用以实现单片机同步。
4报警与控制
不同状态下核心控制模块有不同的信号输出，异常状态同时也是报警信号。
正常状态输出绿灯，出错状态输出黄灯，失败状态输出红灯。
黄灯输出时系统可以暂时继续工作，等到系统空闲或许可时进行纠错。
红灯输出时系统立即进入保护状态，输出端呈现高阻状态，需要时可以马上纠错，恢复系统。
系统恢复需要对控制模块进行复位，复位脉冲可以是自身的失败状态输出，也可以是出错脉冲输出和其他信号的组合逻辑。
控制模块的复位，实际是对8089单片机重新进行时序对齐和复位单片机程序。
（四）控制模块的VHDL语言描述
本控制模块主要采用VHDL语言进行描述。
主要是设定为8位地址、信号出错、失败输出复位、时钟输入-电源、时钟、复位输出，给出出错信号，不同的出错情况，总线过程结束，等待外部复位启动，失败输出，停止电源、时钟、复位输出，设定几秒后输出电源信号和输出时钟信号，复位信号回到高电平，后输出复位信号。
由于专业知识有限，不能编写程序控制。
五变频调速恒压供水系统应用
本文所述的变频调速系统可灵活应用于各种不同场合，下面以自来水恒压供水控制系统为例来说明其应用特点。
自来水供水系统一个重要的指标是供水管网供水压力的稳定度。
因为每天的不同时刻用水量不同，供水管网供水压力变化很大。
在以往是采取专人值守，人工调节的方法来实现压力的稳定，因此存在很大的缺陷。
采用单片机控制的变频调速系统控制可以实现恒压供水。
图10 自来水恒压供水控制系统
由图10所示的自来水恒压供水控制系统可知，单片机系统输出三路开关量信号经由P40到P45控制相应的电动机DJ1到DJ3。
从DJ1到DJ3输入的3路反映开关状态的信号经P31到P33引入单片机系统。
母管压力通过压力变送器变为电信号，经P59送入单片机系统，并经模数转换得到母管压力。
电动机DJ4直接由变频调速系统主回路控制。
（一）系统工作过程如下:
首先通过键盘输入设定的母管压力，存储到DS12887内，母管的实际压力经压力变送器变换为电信号，经P59送入单片机系统。
经过A/D转换后，实际的母管压力与设定的母管压力经一定的运算后控制电动机的起停或转速。
当母管压力低时，控制DJ4的转速提高来提高母管压力。
如果DJ4的速度已经达到最高而母管压力没有达到设定值，就根据P31到P33送入的开关状态信号来判断DJ1至DJ3的启停状态，
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