单片机控制的电机交流调速系统设计.doc
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单片机控制的电机交流调速系统设计
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。
在设计中采用交流调速系统，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
目录
绪言 3
1交流调速的现状 5
2用单片机控制的交流调速 8
3系统设计的参数 16
4用单片机控制的电机交流调速系统设计 17
4.1调速系统总体方案设计 17
4.2原器件的选择 18
4.3系统主回路的设计以及参数计算 25
4.4单元模块的设计 27
4.4.1转差频率控制原理及调节器的设计 27
4.4.2PWM控制信号的产生及变换器的设计 29
4.4.3光电隔离及驱动电路设计 36
4.4.4故障检测及保护电路设计 36
4.4.5模拟量输入通道的设计 37
4.5系统软件的设计 37
4.5.1程序框图及其介绍 37
4.5.2部分子程序 42
5结束语 44
参考文献 44
致谢 44
附录 45
绪言
电气传动从总体上分为调速和不调速两大类。
按照电动机的类型不同，电气传动又分为直流和交流两大类，直流电动机在19世纪先后诞生，但当时的电气传动系统是不调速系统，随着社会化大生产的不断发展，生产技术越来越复杂，对生产工艺的要求也越来越高，这就要求生产机械能够在工作速度，快速启动和制动，正反转等方面具有较好的运行性能。
从而推动了电动机的调速不断向前发展，自从1834年直流电动机出现以后，直流电动机作为调速电动机的代表，在工业中得到了广泛的应用。
它的优点主要在于调速范围广，静差小，稳定性能好以及具有良好的动态性能，晶闸管变流装置的应用使直流拖动发展到了一个很高的水平，在可逆，可调速与高精度的拖动技术领域中相当长时间内几乎都采用直流拖动系统。
尽管如此，直流调速系统却解决不了直流电动机本身的换向问题和在恶劣环境下的不适应问题，同时，制造大容量，高转速以及高电压直流电动机也十分困难，这就限制了直流传动系统的进一步发展。
交流电动机在1885年出现后，由于一直没有理想的调速方案，只被应用于恒速拖动系统，从上世纪30年代起，不少国家才开始提出各种交流调速的原始方案，晶闸管的出现使交流电动调速的发展出现了一个质的飞跃，使得半导体变流技术的交流调速得以实现，国际上在60年代后期解决了交流电动机调速方案中的关键问题，70年代开始就实现了产品的高压，大容量，小型化，且已经逐渐取代了大部分传统的直流电动机的应用领域。
交流调速系统发展迅速的很大一部分原因在于交流电动机本身的优点：
没有电刷和换向器，结构简单，寿命长。
近年以来大功率半导体器件，大规模集成电路，电子计算机技术的发展，加上交流电动机本身的优越特性，为交流调速提供了广泛的应用前景。
目前交流电力拖动系统已具备了较宽的调速范围，较高的稳态精度，较快的动态响应，较高的工作效率以及可以在四象限运行等优越性能，其动态性能均可与直流电动机拖动系统相比美。
交流调速系统与直流调速系统相比较，具有如下特点：
（1）容量大这是电动机本身的容量所决定的。
直流电动机的单机容量能达到12—14MW，而交流电动机的容量却远远的高与此数值。
（2）转速高，而且耐压直流电动机受到换向器的限制，最高电压只能达到1000多伏，而交流电动机容量可达到6—10KV，甚至更高。
一般直流电动机最高转速只能达到3000转/min左右，而交流电动机则可以高达每分钟几万转。
这使得交流电动机的调速系统具有耐高压，转速高的特点。
（3）交流电动机本身的体积，重量，价格比同等容量的直流电动机要小，且交流电动机结构简单，坚固耐用，经济可靠，惯性小成了交流调速系统的一大优点。
（4）交流电动机的调速装置环境适应性广。
直流电动机由于结构复杂，换向器工作要求高，使用中受到很多限制，如工厂里的酸洗车间，由于腐蚀严重，使用直流电动机每周都要检查碳刷，维修起来比较困难，而交流电动机却可以用在十分恶劣的环境下不至于损坏。
（5）由于高性能，高精度，新型调速系统的出现和不断发展，交流拖动系统已达到同直流拖动系统一样的性能指标，越来越广泛的应用于国民经济的各个生产领域。
（6）交流调速装置能显著的节能。
工业上大量使用的风机，水泵，压缩机类负载都是靠交流电动机拖动的，这类装置的用电量占工业用电量的50%，以往都不对电动机调速，而仅采用挡板，节流阀来控制风量或流量。
大量的电能被白白的浪费掉，如果采用交流电动机调速系统来改变风量或流量的话，效率就会大大的提高，从各方面来看，改造恒速交流电动机为交流调速电动机，有着可观的能源效益。
交流电动机因其结构简单，运行可靠，价格低廉，维修方便，故而应用面很广，几乎所有的调速传动都采用交流电动机。
尽管从1930年开始，人们就致力于交流调速系统的研究，然而主要局限于利用开关设备来切换主回路达到控制电动机启动，制动和有级调速的目的。
变极对调速，电抗或自藕降压启动以及绕线式异步电动机转子回路串电阻的有级调速都还处于开发的阶段。
交流调速缓慢的主要原因是决定电动机转速调节主要因素的交流电源频率的改变和电动机的转距控制都是非常困难的，使交流调速的稳定性，可靠性，经济性以及效率均不能满足生产要求。
后来发展起来的调压，调频控制只控制了电动机的气隙磁通，而不能调节转距。
转差频率控制在一定程度上能控制电动机的转距。
1交流调速的现状
随着电力电子技术，计算机技术的不断发展和电力电子器件的更新换代，变频调速技术得到了飞速的发展。
据资料显示，现在有90%以上的动力来源来自电动机。
我国生产的电能60%用于电动机，电动机与人们的生活息息相关，密不可分，所以要对电动机的调速有足够的重视。
我们都知道，动力和运动是可以相互转化的，从这个意义上说电动机也是最常见的运动源，对运动控制的最有效方式是对运动源的控制。
因此，常常通过对电动机的控制来实现运动控制。
实际上国外已将电动机的控制改名为运动控制。
对电动机的控制可以分为简单控制和复杂控制两大类。
简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。
这类控制可以通过继电器，可编程器件和开关元件来实现。
复杂控制是指对电动机的转速，转角，转距，电压，电流等物理量进行控制。
而且有时往往需要非常精确的控制。
以前，对电动机的简单控制的应用较多，但是，随着现代化步伐的前进，人民对自动化的需求也越来越高。
使电动机的复杂控制逐渐成为主流，其应用领域极为广泛。
在军事和雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳的控制等。
工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，绕线机，泵和压缩机，轧机主传动等设备的控制。
计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，绘图仪，打印机，复印机等的控制；音像设备和家用电器中的录音机，数码相机，洗衣机，冰箱空调，电扇等的控制，我们统统称其为电动机的控制。
交流调速控制作为对电动机控制的一种手段。
作用相当明显，这里就不再多做介绍，就交流调速系统目前的发展水平而言，可概括的如下：
（1）已从中容量等级发展到了大容量、特大容量等级。
并解决了交流调速的性能指标问题，填补了直流调速系统在特大容量调速的空白。
（2）可以使交流调速系统具有高的可靠性和长期的连续运行能力，从而满足有些场合不停机检修的要求或对可靠性的特殊要求。
（3）可以使交流调速系统实现高性能、高精度的转速控制。
除了控制部分可以得到和直流调速控制同样良好的性能外，异步电动机本身固有的优点，又使整个系统得到更好的动态性能。
采用数字锁相控制的异步电动机变频调速系统，调速精度可以达到0.002%。
根据异步电动机的转速表达式n=（1-s）60f/p=n0。
可知，当极对P不变时，均匀的改变定子供电的频率f，则可以连续的改变异步电动机的同步转速n0。
达到平滑调节电动机实际运行转速n的目的。
这种调速方法称为变频调速。
变频调速具有很好的调速性能，应用相当广泛，是交流调速的主流。
保持V1/F1=常数的恒压频比控制方式在忽略定子阻抗压降后可得到V1/F1=C1Φm，式中C1=4.44Kn1N1为常数，因此，在变频时要维持磁通恒定，只要使V1与F1成比例的改变即可。
此时，由公式n0=（1-s）60f1/p得，所以，带负载时转速降落Δn为Δn=sn0=60f1s/p,将异步电动机的转矩公式T=3PU12R¹2/{2SF1П[（R1+R¹2/S）2+（X1+X¹2）2]}近似处理后得，可以导出，由此可见，当为恒值时，对于同一转矩，是基本不变的。
也就是说，在恒压频比条件下改变频率时，机械特性基本是批心平行上下移动的，频率降低，转速下降，太小将限制调速系统的带负载能力，所以在低频时，采用定子压降补偿法来适当的提高电压，以增强带负载的能力。
从而达到比较满意的效果。
保持=常数的恒磁通控制方式对于=常数的控制方式，无法保证最大的转距。
对于要求调速范围的的恒转距负载，则希望在整个调速范围内不变，即使保持恒定。
可采用=常数的恒磁通控制方式。
保持=常数，此时，机械特性曲线形状不变，不同定子频率下的机械特性曲线平行，且最大转距保持不变，但由于异步电动机的感应电动势不好测量和控制，所以在实际应用中，采用电压补偿的方法来达到维持最大转距的目的。
考虑到低频空载时，由于电阻压降减小，应减少补偿量，否则将使电动机中增大，导致磁路过饱和而带来的问题，故与的曲线是折线。
保持=常数的恒功率控制方式变频调速时，在定子频率大于额定频率的情况下，若仍按照上述方法进行控制，则定子电压要高于额定电压，这是不允许的。
所以当在频率超过额定频率时，往往使定子电压不再升高，而保持为额定电压不变，这样一来，气隙磁通就就会小于额定磁通，从而导致转距减少，保持=常数时的恒功率控制方式所要求的电压与频率的协调关系。
可知，，忽略时；。
额定转距（式中为过载倍数），对于恒功率调速，有，可得出，只要满足=常数的条件，即可达到恒功率调速。
恒电流控制方式在变频调速时，保持异步电动机的定子电流为恒值，称为恒流控制方式。
的恒定是通过PI调节器的电流闭环调节作用来实现的。
恒流变频调速与恒磁通变频调速的机械特性基本一样。
都属于恒转距调速，在变频调速时，最大转距是不变的，由于恒流控制限制了，所以恒流时的最大转距要比恒磁通时小得多，使过载能力降低。
因此，这种控制方式只适用于负载不大的场合。
2用单片机控制的交流调速
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：
（1）使电路更简单模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路更复杂，采用微处理器后，绝大多数控制逻辑可通过软件来实现。
（2）可以实现较为复杂的控制微处理器具有更强的逻辑功能，运算速度快，精度高，有大容量的存储单元。
因此，有能力实现复杂的控制。
（3）灵活性和适应性微处理器的控制方式是有软件来实现的，如果需要修改控制规律，一般不必改变系统的硬件电路，只须修改程序即可，在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便。
（4）无零点漂移，控制精度高数字控制不会出现模拟电路中经常遇见的零点漂移问题，无论被控量是大还是小，都可以保证足够的控制精度。
（5）可以提供人机界面，多机连网工作。
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。
在设计中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。
转速开环恒压频比调速系统虽然结构简单，异步电动机在不同的频率下都能够获得较硬的机械特性曲线，但是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要的转距，动态性能也很差，它只能用于对调速系统的动静态性能要求都不高的场合。
如果异步电动机能像直流电动机一样，用控制电枢电流的方法来控制转距，那么就能够得到和支流电动机一样的动静态性能。
转差频率控制是一种解决异步电动机电磁转距控制问题的方法，采用这种控制方案的调速系统，可以获得与直流电动机恒磁通调速相似的性能。
转差频率控制的基本概念，原理
由式可以得出异步电动机的机械特性方程式令式中，它是转差频率。
又由式即：
所以：
式中
由于异步电动机机械特性曲线上有一最大值，当转差频率小于临界转差频率（对应于电磁转距最大的转差率）时，电动机运行在稳定工作区，电动机的电流比较小；当转差率大于临界转差率时，电动机进入不稳定工作区，电动机的电流增大，转距减小。
所以在调速过程中要使电动机的转差频率小于临界转差率。
也就是说，异步电动机稳定工作时的转差率很小，从而也很小，可以认为，，所以可近似写成。
此式表明，在转差频率很小的范围内，只要能够保持气隙磁通不变，异步电动机的转距就近似与转差频率成正比，这就是说，在异步电动机中控制，就能和直流电动机中控制电流一样，能够达到控制转距的目的。
控制转差频率就代表了控制转距，这就是转差频率控制的基本原理。
转差频率控制的基本规律
上面只是近似找到了转距与转差频率的正比关系，可以用它表明转差频率控制的基本原理，但是这一正比关系必须有两个条件才能成立。
首先转差频率必须较小，即控制系统必须对限幅，使其满足；其中，对应于最大转距时的转差频率。
这就是转差频率控制的基本规律之一。
对限幅的功能由转速调节器来实现。
上述的第二个条件是气隙磁通必须保持恒定。
异步电动机可以控制的量是定子电流，而中包括励磁电流分量和负载电流分量，只有保持励磁电流分量恒定，才能使气隙磁通恒定，而和均难以直接测量，若能找到，和之间的函数关系。
当负载改变引起变化时，只要调节，使保持不变，问题就解决了。
图1转差频率控制的基本规律
根据并联支路的分流公式
取等式两侧向量的副值相等，得：
令常数，可以看出图1，它具有如下性质：
（1），当=0时，，在理想空载时定子电流等于励磁电流；
（2），若值增大，定子电流也相应增大；（3），当时，，这是曲线的渐近线；（4），为正负值时，的对应值不变，左右对称。
上述关系表明：
只要对定子电流和的关系符合图1或符合的规律，就能保持气隙磁通恒定，这就是转差频率控制的基本规律之二，它有函数电流发生器来实现。
总结起来，转差频率控制的基本规律是：
（1）在的范围内，转距基本上与成正比，条件是气隙磁通恒定。
（2）定子电流和的关系符合图1或式子的规律，就能够保证气隙磁通恒定。
转差频率控制的变频调速系统实现上述转差频率控制的转速闭环变频调速结构原理图如图2所示，可以看出该系统具有以下特点：
（1）采用电流源变频器，使控制对象具有较好的动态响应，而且便于回馈制动，这是提高系统动态性能的基础。
（2）和直流电动机双闭环调速系统一样，外环是转速环，内环是电流环，转速调节器的输出是转差频率给定值，代表转距给定。
（3）转差频率的控制作用分两路，分别作用在可控整流器和逆变器上。
前者通过函数发生器，按的大小产生相应的信号，再通过电流调节器控制定子电流，以保持恒定，另一路按产生对于于定子频率的控制电压，决定逆变器的输出频率。
（4）转速给定信号，，都反向，相序鉴别器判断的极性以决定环形分配器的输出相序，而信号本身则经过绝对值变换器决定输出频率的大小，这样就很方便的实现了异步电动机的可逆运行。
调速系统的工作原理
（1）起动过程起动过程如图2所示。
首先说明起动过程是一个恒定子电流，恒转差角频率起动的过程，转速给定信号由电位器设定，作为转速调节器的输入信号，在起动瞬间（对应于图中的A点电动机的转速），而测速发电机TG输出信号，
图2调速系统的工作原理图
转速调节器的输入信号最大，其输出最大达到限幅值而转速调节器的输出信号送给了电流函数发生器，所以此时函数发生器的输出达到最大值，因而其输出也达到最大给定值，接下去的电流调节环的速度比转速调节环的速度快得多，可以认为，转速过度过程中实际定子电流始终跟踪了，而在起动过程中由于电动机转速还没有达到给定值，转速调节器输出不会从限幅值退下来，转差频率给顶值一直保持不变，也一直保持不变。
所以可以认为起动过程是一个恒定子电流，恒转差频率驱动过程。
由式子可知，定子电流，转差频率恒定，则励磁电流也恒定，因此气隙磁通恒定。
图三中，A点对应于起动瞬间，由于电动机的转速为0（W=0），所以按产生的对应于顶子额定电流为，记为，如果逆变器输出频率保持不变，则电动机的工作点将沿着这条曲线达到B点，记此时的异步电动机的转速为，假如控制系统此时对其进行采样，按产生的定子频率为，由于电动机的转速不能突变，因此电动机的工作点移到了这条曲线上的C点。
按以上的方法分析下去，可以知道异步电动机的工作点将沿着ABCD……移动，最终达到稳定工作点N。
以上分析中，控制系统对转速进行采样的时刻时间断的，如果控制采用连续系统方法，则电动机的转速变化将立即通过控制系统改变控制器的输出频率。
这样，沿着ABCD……的连线将趋向于沿着ACEG……这条曲线，而这条曲线说明在异步电动机起动过程中，电磁转距保持不变，这一结论可以从上面的定子电流，转角频率，气隙磁通恒定。
负载变化
图3负载变化图
负载变化如图3所示，负载变化时，若转速给定信号为，电动机工作点为N，当负载变化从增加为时，电动机的转速W将逐渐降低，测速发电机输出信号减少，转速调节器增大，按产生的对应于定子频率由于增大而增大，控制电压增大，决定了逆变器的输出频率增加，电动机的机械特性曲线上移，最终电动机在新的工作点处稳定工作。
调速过程
如果不改变，但转速给顶信号从增大到时，速度调节器的输入为正值，其输出将增大，按产生的对应于定子频率，由于增大而增大，控制电压增大，决定了逆变器的输出频率增加，电动机的机械曲线上移，当增大时，电动机的工作点将瞬间地从点转到对应的特性曲线上的A点，在A点电磁转距，因而电动机将加速，转速上升，按产生的对应于定子频率由于增大而增大，逆变器的输出频率增加，电动机的机械特性曲线上移，只要，定子频率将不断增大，电动机的工作点将沿着图中的A到曲线运动，到了点时，电动机的转速，电磁转距，电动机将在点上稳定运行，这就完成了电动机的加速过程。
电动机反转
当转速给定信号反相时，速度调节器输出负限幅值，，按产生的对应于定子频率由于变负而减小逆变器的输出频率降低，电动机的机械特性曲线下移，电动机以最大制动转距减少到零。
当转速接近于零时，按产生的对应的由正值变负时，通过相序鉴别器使环形分配器的相序改变，电动机实现反向运行。
近似动态结构
转差频率控制系统的动态性能虽比转速开环系统有较大提高，但是在采用经典线性控制理论和工程设计方法分析和设计，仍要作较大的近似处理。
在建立转差频率控制系统的动态结构图时，仍做如下处理：
（1）忽略异步电动机的铁损。
（2）忽略异步电动机旋转电动势对系统动态过程的影响，或者说，忽略哦率和转速对电压控制系统的影响。
（3）认为组成系统的各环节的输入输出关系都是线性的。
（4）认为磁通在动态过程中保持不变。
参照转速开环的变频调速系统的动态结构图，可以画出转差控制系统的近似动态结构图，如图4所示：
图4近似动态结构图
以上就本次变频设计的控制方法规律等做了介绍，它就是本次设计的理论部分。
3系统设计的参数
对一台三相异步电动机调速系统进行设计。
异步电动机的参数：
，接法，
采用转差频率控制方法，由单片机组成核心。
调速范围（），无级调速，静差率。
根据对象参数，完成各功能单元的结构设计，参数计算。
4用单片机控制的电机交流调速系统设计
4.1调速系统总体方案设计
图5调速系统总体框图
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，采用这种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；在低频段，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。
由于电动机功率不大，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，51-单片机，8253定时/记数器，8255可编程接口芯片，8279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。
4.2原器件的选择
（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674LS138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
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0
0
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