基于单片机的交流调速系统设计.doc

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目录

摘要 1

1、调速系统总体方案设计 2

2、系统组成及工作原理 2

3、交流电机调速硬件系统设计 4

3.1原器件的选择及其功能简介 4

3.2系统主回路的设计 9

3.3转差频率控制原理及调节器的设计 11

3.3.1转差频率控制原理 11

3.3.2调节器设计 11

3.4PWM控制信号的产生及变换器的设计 12

3.4.1与的关系及低频补偿 13

3.4.2变换器的设计 14

3.5光电隔离及驱动电路设计 17

3.8键盘显示电路的设计 19

3.9故障检测及保护电路设计 20

4、系统软件的设计 21

4.1程序框图及其介绍 21

4.2部分子程序 25

5、系统抗干扰措施 26

5.1硬件抗干扰措施 26

5.2软件抗干扰措施 27

实习小结 28

参考文献 29

附录一 30

摘要

单片机控制的变频调速系统设计思想是用转差频率进行控制。

通过改变程序来达到控制转速的目的。

由于设计中电动机功率不大，所以整流器采用不可控电路，电容器滤波；逆变器采用电力晶体管三相逆变器。

系统的总体结构主要由主回路，驱动电路，光电隔离电路，HEF4752大规模集成电路，保护电路，Intel系列单片机，Intel8253定时/记数器，Intel8255可编程接口芯片，Intel8279通用键盘/显示器，I/O接口芯片，CD4527比例分频器和测速发电机等组成。

回路中有了检测保护电路就可以使整个系统运行的可靠性有了保障。

关键词MCS-51单片机；HEF4752；8253定时器；晶闸管；整流器；三相异步电动机

Abstract

Frequencyconversionthatone-chipcomputercontroltransferspeedsystematicdesignphilosophywithtransfertodifferencefrequencycontrol.Achievethegoalofcontrollingrotationalspeedthroughchangingtheprocedure.Becausethemotorisnotbiginpowerinthedesign,therectifiercannotadoptcontrolledthecircuit,thecondenserstrainswaves;Goingagainstthebecomingdeviceadoptsthreephasesoftheelectrictransistortogoagainstthebecomingdevice.Thesystematicensemblearchitectureisbythemainreturncircuitmainly,drivethecircuit,thephotoelectricityisolatesthecircuit,HEF4752largescaleintegratedcircuit,protectsthecircuit,theIntelseriesone-chipcomputer,Intel8253timing/countdeviceof,Intel8255programmableinterfacechip,Intel8279keyboardnotincommonuse/display,I/Ointerfacechip,CD4527proportionfrequencydivisiondeviceandteststhespeedsuchcompositionasthegenerator,etc..Havethedependabilitythatcanmakethewholesystemoperateofmeasuringandprotectingthecircuittohaveguaranteeinthereturncircuit

[keywords]MCS-51；HEF4752；time/counterofl8253；selenium；rectifier；

1、调速系统总体方案设计

用工业控制计算机可谓功能强大，它有极高的速度，很强的运算能力和接口功能，方便的软件功能，但是由于成本高，体积过大，所以只用于大型的控制系统，可编程控制器则恰好相反，它只能完成逻辑判断，定时，记数和简单的运算，由于功能太弱，所以它只能用于简单的电动机控制。

在民用生产中，通常用介于工控机和可编程控制器之间的单片机作为微处理器。

本次设计就是用单片机作为电动机的控制器。

微处理器（单片机）取代模拟电路作为电动机的控制器，具有如下特点：

使电路更简单、可以实现较为复杂的控制、灵活性和适应性、无零点漂移、可以提供人机界面，多机连网工作等特点，因而采用单片机作为电动机的核心控制元件来取代模拟电路，就可以将传统的调速方案中的一些缺点避免，达到提高控制精度的目的。

在本次设计中所用到的控制方式是用转差频率闭环控制。

转速开环恒压频比的调速系统，虽然结构简单，异步电动机在不同频率小都能获得较硬的机械特性但不能保证必要的调速精度，而且在动态过程中由于不能保持所需的转速，动态性能也很差，它只能用于对调速系统的静，动态性能要求不高的场合。

如果异步电动机能象直流电动机一样，用控制电枢电流的方法来控制转矩，那么就可能得到和直流电动机一样的较为理想的静，动态特性。

转差频率控制是一种解决异步电动机电磁转矩控制问题的方法，采用此控制方案的调速系统，可以获得与直流电动机恒磁通调速系统相似的性能。

为了使系统具有较好的动静态性能，满足设计要求，可将整个系统设计为转速单闭环控制系统，采用转差频率调节方式，对转速进行动态调节，考虑电动机负载为恒转距负载，在高频段，采用恒比例控制方式来做近似恒磁通控制方式；在低频，采用恒磁通补偿方法来维持磁通的恒定，实现恒磁通变频调速。

当频率高于额定转速时，维持，实现恒功率调节。

选用大规模集成电路HEF4752来产生PWM控制信号，以减轻单片机的负担，使它能够有足够的时间来完成闭环控制，系统检测和保护等任务。

2、系统组成及工作原理

霍尔电流、电压传感器检测到的逆变模块三相输出电流、电压信号，经A/D转换后送入单片机。

单片机通过8255控制PWM波发生器，产生的PWM波经光电耦合作用于逆变模块IPM，实现电机的变频调速。

控制系统各功能元件的选型与设计：

（1）、单片机选用INTEL公司生产的8051单片机，它主要通过并行8255口担负控制系统的信号处理：

接收系统对转矩、阀门开启、关闭及阀门开度等设定信号，并提供三相PWM波发生器所需要的控制信号；处理IPM发出的故障信号和报警信号；处理通过模拟输入口接收的电流、电压、位置等检测信号；提供显示电动执行机构的工作状态信号；执行控制系统来的控制信号，向控制系统反馈信号；

（2）、三相PWM波发生器PWM波的产生通常有模拟和数字两种方法。

模拟法电路复杂，有温漂现象，精度低，限制了系统的性能；数字法是按照不同的数字模型用计算机算出各切换点，并存入内存，然后通过查表及必要的计算产生PWM波，这种方法占用的内存较大，不能保证系统的精度。

为了满足智能功率模块所需要的PWM波控制信号，保证微处理器有足够的时间进行整个系统的检测、保护、控制等功能，文中选用MITEL公司生产的HEF4752作为三相PWM发生器。

HEF4752是专用大规模集成电路，具有独立的标准微处理器接口，芯片内部包含了波形、频率、幅值等控制信息。

（3）、智能逆变模块IPM为了满足执行机构体积小，可靠性高的要求，电机电源采用智能功率模块IPM。

主要适用功率小于5．5kW的三相异步电机，其额定电压为380V，功率因数为0.75。

该功率模块集功率开关和驱动电路、制动电路于一体，并内置过电流、短路、欠电压和过热保护以及报警输出，是一种高性能的功率开关器件。

（4）、电压、电流及检测检测电压、电流主要是为了计算电机的力矩，以及变频器输出回路短路、断相保护和逆变模块故障诊断。

由于变频器输出的电流和电压的频率范围为0～50Hz，采用常规的电流、电压互感器无法满足要求。

为了快速反映出电流的大小，采用霍尔型电流互感器检测IPM输出的三相电流，对于IPM输出电压的检测采用分压电路。

单片机控制系统

可编程接口芯片

定时/计数器芯片

比例分频器

比较器

输入显示芯片

键盘

显示器

PWM波形发生器

A/D转换器

放大电路

主电路

UI检测保护电路

测速电路

图1调速系统总体框图

3、交流电机调速硬件系统设计

3.1原器件的选择及其功能简介

（1）74LS138

74LS138是一种3-8译码器，有三个输入端，经译码产生8种状态。

其引脚如图6所示，译码功能如表所示，由表可知，当译码器的输入为某一个编码时其输出就有一个固定的引脚输出为低电平，其余的为高电平。

图274LS138引脚图

表174LS138真值表

输入

输出

G1

G2A/

G2B/

C

B

A

Y7/

Y6/

Y5/

Y4/

Y3/

Y2/

Y1/

Y0/

1

0

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

0

1

0

0

0

0

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1

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1

1

1

0

1

1

0

0

0

1

0

1

1

1

1

1

0

1

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0

0

1

1

1

1

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1

1

1

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0

0

1

0

0

1

1

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1

1

1

1

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0

0

1

0

1

1

1

0

1

1

1

1

1

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0

0

1

1

0

1

0

1

1

1

1

1

1

1

0

0

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

1

其它状态

1

1

1

1

1

1

1

1

（2）可编程计数/定时芯片8253

主要功能；1）一个芯片上有三个独立的16位计数器通道;

2）每个计数器都可以按照二进制或二——十进制计数；

3）每个计数器的技术速率可高到2MHz。

4）.每个通道有六种工作方式，可由程序设置和改变;

5）.所有的输入输出与TTL兼容。

30

每个通道有三条引线：

图38253引脚图

CLK：

输入脉冲线。

计数器就是对这个脉冲计数。

8253规定，加在CLK引脚的输入时钟周期不能小于380ns.

GATE：

门控制信号输入引脚。

这是控制计数器工作的一个外部信号。

当GATE引脚为低电平时，通常都是禁止计数器工作;只有当GATE为高电平时，才允许计数器工作。

OUT：

输出引脚。

当计数到“0”时，OUT引线上必然有输出，输出信号的波形取决于工作方式。

本次设计用到芯片8253的工作方式三，当记数值N为偶数时，输出为对称方波，前N/2记数期间，OUT输出为高电平，后N/2记数期间，OUT输出为低电平。

若记数值N为奇数值时，将输出不对称方波，即在前（2N+1）/2记数期间，OUT输出高电平，后（2N-1）记数期间输出低电平。

（3）HEF4752

随着电力电子技术及大规模集成电路的发展，基于集成SPWM电路构成的变频调速系统以其结构简单、运行可靠、节能效果显著、性价比高等突出优点而得到广泛应用。

本文介绍的变频调速系统是以大规模专用集成电路HEF4752为核心构成的控制电路，由HEF4752产生的三相SPWM信号经隔离、放大后，驱动由IGBT构成的三相逆变器，使之输出SPWM的波形，实现异步电动机变频调速。

HEF4752简介HEF4752如图8所示，是采用LOCMOS工艺制造的大规模集成电路，专门用来产生三相SPWM信号。

它的驱动输出经隔离放大后，可驱动GTO和GTR逆变器，在交流变频调速中作控制器件。

图4HEF4752引脚图

主要特点如下：

1）能产生三对相位差120°的互补SPWM主控脉冲，适用于三相桥结构的逆变器。

2）采用多载波比自动切换方式，随着逆变器的输出频率降低，有级地自动增加载波比，从而抑制低频输出时因高次谐波产生的转矩脉冲和噪声等所造成的恶劣影响。

调制频率可调范围为0～100Hz，且能使逆变器输出电压同步调节。

3）为防止逆变器上下桥臂直通，在每相主控脉冲间插入死区间隔，间隔时间连续可调。

引脚说明：

HEF4752为28脚双列直插式标准封装DIP芯片，它有7个控制输入，4个时钟输入，12个驱动信号输出，3个控制输出。

各管脚功能描述如表所列。

表2HEF4752管脚功能

引脚

名 称

功    能

1

OBC1B

相换流开关信号1

2

OBM2B

相主开关信号2

3

OBM1B

相主开关信号1

4

RCT

最高开关频率基时钟

5

CW

电机换相控制信号

6

OCT

推迟输出时钟

7

K

选择互锁推迟间隔

8

ORM1

R相主开关信号1

9

ORM2

R相主开关信号2

10

ORC1

R相换流开关信号1

11

ORC2

R相换流开关信号2

12

FCT

频率时钟

13

A

复位输入控制

14

VSS

接地端

15

B

测试电路用信号

16

C

测试电路用信号

17

VCT

电压时钟

18

CSP

电流采样脉冲

19

OYC2

Y相换流开关信号2

20

OYC1

Y相换流开关信号1

21

OYM2

Y相主开关信号2

22

OYM1

Y相主开关信号1

23

RSYN

R相同步信号

24

L

停止/启动系统

25

I

选择晶闸管模式

26

VAV

平均电压

27

OBC2

B相换流开关信号2

28

VDD

工作电压（10V）

输入引脚功能

1）输入引脚I用来决定逆变器驱动输出模式的选择，当引脚I为低电平时，驱动模式是晶体管，当引脚I为高电平时，驱动模式是晶闸管。

2）输入控制信号引脚K和时钟输入引脚OCT共同决定逆变器每对输出信号的互锁推迟间隔时间。

（4）8255

8255是可编程的并行I/O接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口，三种工作方式，可通过编程改变其功能，因而使用方便，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。

8255的引脚图如图9所示。

引脚说明

由图可知，8255共有40个引脚，各引脚功能如下：

D0—D7：

三态双向数据线，与单片机数据总线相连，用来传递数据信息。

CS/：

片选信号线，低电平有效，表示芯片被选中。

图58255引脚图

RD/：

读出信号线，低电平有效，控制数据的读出。

WR/：

写入信号线，低电平有效，控制数据的写入。

Vcc：

+5V电源。

PA7—PA0：

A口输入/输出线。

PB7—PB0：

B口输入/输出线。

PC7—PC0：

C口输入/输出线。

RESET：

复位信号线。

A1—A0：

地址线，用来选择8255内部端口。

本次设计用到8255的工作方式0，且A口作为输入，B口，C口作为输出。

8255地址口的选定：

片选CS/，地址选择端A1，A0。

分别接于P0.7,P0.1,P0.0其它地址线全悬空。

显然只要保证P0.7为低电平时，选中该8255，若P0.1,P0.0再为“00”选中8255的A口，同理P0.1,P0.0为“01”，“10”，“11”分别选中B口，C口及控制口。

若地址用16位表示，其他无用端全选为1，则8255的A，B，C J及控制口地址可为FF7CH，FF7DH，FF7FH，如果无用位为“0”，则4个地址为0000H，0001H，0002H，0003H，只要保证CS/，A1，A0的状态，无用位设为“0”，或“1”无关。

掌握了确定地址的方法，地址便可以灵活的选出了。

（5）ADC0809

ADC0809是一种逐次逼近式8路模拟输入，8位数字量输出的A/D转换器。

其引脚如图10所示，由引脚可见，ADC0809共有28个引脚，采用双插直列示封装，其引脚主要功能如下：

图6ADC0809引脚图

IN0—IN7：

8路模拟信号输入端。

D0—D7：

8位数字量输出端。

A，B，C与ALE：

控制8路模拟通道的切换，A，B，C分别与三根地址线或数据线相连，三者编码对应8个通道地址口。

C，B，A=000—111分别对应IN0—IN7通道地址。

OE，START，CLK为控制信号端，OE为输出允许端。

START为启动信号输入端，CLK为时钟信号输入端。

VR（+）和VR（-）为参考电压输入端。

ADC0809虽然有8路模拟通道可以同时输入8路模拟信号，但每个瞬间只能转换一路，各路之间的切换由软件变换通道地址实现。

（6）8279

8279是一种通用可编程键盘，显示器接口芯片。

如图11所示，它能完成键盘输入和显示控制两种功能，键盘部分提供一种扫描方式，对键盘不断扫描，自动消抖，自动识别出按下的键并给出编码，能对双键或N键同时按下进行保护。

8279的组成：

1）I/O控制及数据缓冲器

2）控制和时序寄存器及定时控制

3）扫描计数器

4）回复缓冲器，键盘抖动及控制

5）FIFO/传感器RAM及其状态寄存器

6）显示RAM和显示地址寄存器

3.2系统主回路的设计

3.2.1主回路的结构

系统主回路是交—直—交电压型变频电路，其图12如下所示：

图7系统主回路电路图

整流采用三相桥式不可控整流器，，，组成滤波电路，，，三个元件和一起构成尖峰电压吸收电路（又称直流侧阻容吸收电路），用以削弱因逆变器换流而引起的尖峰电压，采用的是GRT三相桥式PWM逆变器。

3.2.2参数计算和元件选择

1）大功率开关管

SPWM正弦脉宽调制方法的直流利用率为0.866，即。

为了使逆变器输出380V的线电压，要求直流侧的电源电压：

考虑到大功率的晶体管的管压降等，取，则大功率晶体管的参数为，。

选择晶体管模块QCA50A—100A三块，作为大功率开关管。

QCA50A—100A为两单元组件，c-e极带反向续流二极管，绝缘式结构，其极限参数为：

，它的内部结构图如图13所示。

图8QCA50A—100模块内部结构

2）三相整流桥

整流桥输入侧电压为：

，直流侧功率可估算如下：

取电动机的效率为0.82，则电动机的输入功率为。

取逆变器的效率为0.93，则直流侧的功率为：

，故直流侧电流：

。

整流二极管最高反压：

。

基于以上数据，选用MDS型三相整流桥模块，其最大输出电流为40A，最高耐压为1000V。

3）LC滤波器

取，其最大耐压。

选择两只2200uF，耐压在500V以上的电容器并联使用。

滤波电感在这里主要用来限制电流脉动（PWM变频调速系统不存在电流不连续问题）和短路电流上升率，按照晶体管三相桥式整流电路限制电流脉动的电感量算式估计如下（取）

考虑到电动机和整流变压器存在一定的电感量，取实际的串联电感为100mH。

选择两台电感量各为50mH，额定电流不小于6.4A的电抗器串联。

4）直流侧阻容吸收电路

按照晶体管三相桥式整流电路直流侧组容吸收电路参数式进行估算：

其中，选择系列纸电容。

的额定功率取为2W，选择RJ系列金属膜电阻。

选用2CP1G，额定电流，最高耐压800V。

5）大功率晶体管阻容吸收电路

取电动机起制动电流为额定电流的3倍，即关断时间，升泵电压，则：

的耐压值与GRT相同，取为的电容，阻值取为100欧。

3.3转差频率控制原理及调节器的设计

3.3.1转差频率控制原理

由电机学的知识可知：

其中：

图9系统控制结构图

电动机正常运行时，，这时有。

所以：

当采用恒磁通控制方式进行变频调速时，近似恒定，近似恒定，这时有，其中近似为一常数，T近似的正比于转差频率。

因此，通过对转差频率控制，就可以达到控制电动机转距的目的，从而调节电动机的转速。

3.3.2调节器设计

本系统采用增量式转差频率调节方式，转差调节器设计为带有死区的调节器，即：

因，所以与之和反映了频率，即为频率指令信号。

控制结构框图和控制曲线如下图所示。

为死区，它是为了避免因量化误差，舍入误差引起系统运行不平衡而引起的。

ΔUnAΔUnB（–ΔUnA–ΔUnB）为线性调节区，当∣ΔUn（K）∣>ΔUnB时，输出限幅，用以现在转差频率的最大增量，亦即限制的最大增量，亦即限制的最大增量，防止系统过冲，提高系统的稳定性。

Δ决定系统的积分系数（）,它由电位器给定，通过A/D转换器转换后输入。

当ΔUnB确定后，通过调节电位器，就能改变积分系数，整定方便。

ΔUnA的值根据静态精度要求和实际系统工作时的最低转速来确定，ΔUnB、ΔUsM通过实验确定。

图10控制结构框图和曲线图

a）控制结构框图b）控制曲线

3.4PWM控制信号的产生及变换器的设计

在本系统中，控制信号用HEF4752大规模集成块来产生。

要使HEF4752正常工作，必须提供4路时钟信号和4个开关信号。

将HEF4752的Ⅰ端接地，使HEF4752工作在晶体管模块式，将K端接+5v电源，使每两路互补信号之间有较大的输出延迟，CW端，L端分别接8255C口的PC1、PC0。

这样剩下的只有4个控制端了。

FCT端为频率控制端，VCT端为电压控制端，逆变器的输出频率和电压就是通过控制着两个端输入的方波信号频率来控制的。

而电动机转速的调节是通过调频，调压实现的。

所以，必须在转差调节器与HEF4752之间正比的方波信号为FCT和VCT时钟信号。

3.4.1与的关系及低频补偿

考虑到8098单片机中A/D转换器分辨率为10位，所以频率指令信号用10位二进制数来表示。

频率指令信号、频率与的关系如下：

所以有=168Uf1，Uf1=20f1。

当f1=50Hz时，Uf1=1000Hz，=168000Hz。

为了使成立，必须满足，故取

=168000Hz/0.5=336000Hz

在f1=2050Hz范围内，维持=336000Hz不变，这样可自动维持U1/f1=常数。

在020Hz范围内，引入低频补偿，以维持磁通恒定。

低频补偿的思想是：

在低频段，按一定规律减少，使比值增大，从而使U1=K相对增大，以补偿定子绕组电阻上的压降，维持磁通恒定。

低频补偿曲线如图11所示，

补偿的规律如下：

取fVCT0=fVCT（nom）/4=8400Hz

当f1=20Hz时，有

fVCT=fVCT0+20Hz=fVCT（nom）

所以可解得

=（fVCT（nom）–fVCT0）/20Hz=（336000–84000）/20=12600

下面来简单估算一下，看取fVCT0=84000Hz、=12600是否合适。

额定状态有

U1=KfFCT/fVCT≈0.5K=380V

所以K=760，U1=760*fFCT/fVC