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1、精品学习资源课题名称 单片机掌握沟通变频调速系统系 别 机电系专 业 电气工程与自动化班 级姓 名学 号指导老师起讫时间： 2007 年 10 月 1 日 2007 年 11 月 20 日共 7 周）欢迎下载精品学习资源目录：单片机掌握沟通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）单片机掌握系统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
2、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）掌握模块的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欢迎下载精品学习资源毕业设计 论文）开题报告题目： 单片机掌握沟通变频调速系统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肯定优势但直流调速系统在 60 70 岁月快速进展起来，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 ）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
3、等方面的优越性快速取代了机组和水银整流器； 直流调速系统在 6070 岁月快速进展起来，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洁，运行牢靠，价格廉价等 优点；但是沟通电动机调速困难；自从上世纪80 岁月初沟通变频技术显现以来，使用变频调速器和调剂器来进行沟通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、绝缘栅双 极晶体管的相继显现，沟通变频调速技术得到了飞速进展；在 结合现代微处理器掌握技术、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
4、；故交 变频调速系统越来越成为当今社会，犹其在提倡节省型中国的今日！2. 本课题的设计 争论）意义 相关技术的现状和进展趋势）：交变频调速具有调速范畴宽，稳速精度高，动态响应快，运行牢靠等技 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、小型电动机采纳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单片机为主掌握器的，具有高度敏捷性和牢靠性的低价格沟通电动机变频调速系统；在本设计中以INTEL 公司的8098 单片机作主掌握器，并且采纳了功率晶体管作输出，具有完善的电流、电压、转速
5、的检测和显示，以及过压，过流爱护；另又增加了串行通讯口，采纳两线制 RS-485 通讯结构；牢靠通讯距离为 1.2km，并且可加上中继来加长距离；该系统可便利的组网掌握或组成分布式集散掌握系统，也可单独作为直接掌握器来使用；电路中仍采纳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爱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；欢迎下载精品学习资源3. 本课题的基本内容、重点和难点，拟采纳的实现手段途径）：1）交频调速的掌握2）PID 调剂器掌握系统工作3）8089 单片机的冗余技术4）实现软件与硬件的融合4.
6、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：北京航空航天高校出版社沟通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：清华高校出版社单片机外围电路设计沙占友等编著出版社：北京 - 电子工业出版社欢迎下载精品学习资源指导老师看法：指导老师：年 月 日系看法：盖章年 月 日欢迎下载精品学习资源单片机掌握沟通变频调速系统的设计摘要： 20 世纪 70 岁月后，大规模集成电路和运算机掌握技术的进展，以及现代掌握理论的应用，使得沟
7、通电力拖动系统逐步具备了宽的调速范畴、高的稳 速范畴、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；在沟通调速技术中，变频调 速具有肯定优势，并且它的调速性能与牢靠性不断完善，价格不断降低，特殊 是变频调速节电成效明显，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:In the 1970s, large-scale integrated circuits and computercontroltechnologydevelopmentandapplicationo
8、fmoderncontrol theory, making the exchange of electric drive system gradually with awide speed range, high-speed range, high stability speed accuracy andfastdynamicresponseandinareversiblefour-quadrantoperation with good technical performance, speed performance can be comparablewith the DC electric
9、drive. In exchange Speed technology, VVVF have absolute superiority, and its speed continuously improve performanceandreliability,reduceprices,especiallyenergy-savingeffectofVVVF obvious, and easy to implementprocess automation, industry by industrythefavored.Author: Yan JunKey words:SCM, converter,
10、 speed control system, redundant technology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肯定优势；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洁，运行牢靠，价格廉价等优点；但是沟通电动机调速困难；沟通变频技术显现以来，使用变频调速器和调剂器来进行沟通电动机无级调速成为可能；它具有调速范畴宽，稳速精度高，动态响应 快，运行牢靠等技术性能，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；对于国内占欢迎下载精品学习资源有率极大的中
11、、小型电动机采纳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 单片机为主掌握器的，具有高度敏捷性和牢靠性的低价格沟通电动机变频调速系统；在本设计中以INTEL 公司的 8098 单片机作主掌握器，并且采纳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，过流爱护；另又增加了串行通讯口，采纳两线制RS-485通讯结构；牢靠通讯距离为 1.2km，并且可加上中继来加长距离；该系统可便利的组网掌握或组成分布式集散掌握系统，也可单独作为直接掌握器来使用；电路中仍采纳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
12、记录下电动机过流过压爱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，沟通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、脉冲形成电路、单片机掌握系 统 、 信 号 检 测 电 路 、 转 速 测 量 和 电 源 电 路 等 七 大 环 节 组 成欢迎下载精品学习资源一）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，将三相沟通电整流后再由电容滤波，为变频调速主回路供
13、应直流电源，且经由这 6 个晶闸管掌握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支二极管组胜利率晶体管的爱护部分；由于采纳二极管不行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，调剂脉冲宽度就可以调剂输出电压值；假如脉冲宽度按正弦分布，就输出电压 中谐波可以大大削减；谐波削减的成度仍取决于逆变器功率开关的开关频率； 因此， PWM逆变器中很少采纳像晶闸管之类开关频率低的半控型器件作为开关器件，而是采纳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
14、在逆变器一侧，掌握也简化了；因此，这种结构成为当前中小型交直交变频器中普遍采纳的一种结构形式；由于PWM逆变器具有很多优点，所以在中小型变频器中得到普遍采纳；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纳型号为 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纳MPD1203厚膜集成电路，以简化系统结构，提高系统牢靠性； MPD1203集成电路集光电隔离与驱动
15、电路于一身，为GTR供应正或负的基级电流，掌握 GTR的导通或关断；它与软件结合形成所谓软开关；欢迎下载精品学习资源 ； 当为低电平常，b=8/Focts ；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打算；它的输入由 8098 单片机转变计数常数，经可编程计数器 8254 输出方波信号获得；采纳专用PWM芯片 HEF 4752,使系统牢靠性好，应用 便利，编程简洁；在大规模集成电路HEF4752掌握电路中采纳载频信号Uc 与参考信号 Ur 相比较的方法产生基极驱动信号；这里采纳单极性等腰三角形；Ur 采纳可变的直流电压；在 Ur 与 Uc
16、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；欢迎下载精品学习资源图 3 PWM脉冲形成过程四）单片机掌握系统单片机掌握系统组成框图如图 4 所示；图 4单片机掌握系统组成框图从图 4 可知，本系统由 8098，EPROM276，4RAM6264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掌握系统；系统内由 8279 构成了 32 位数码管显示和四
17、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 c7 与 c6 两个口作为双四选一开关4052 的掌握信号； A口作为输入口，用光电耦合器隔离，输入8 路状态量； B 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；它可以为系统供应一个时间基准；在电动机
18、电流过大爱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，依据 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；单片机一旦转变送出的计数常数，就可以转变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 FC
19、T；因此，调剂频率给定信号，也就是改欢迎下载精品学习资源变了 8254 的计数常数，也即转变了 HEF4752的时钟输入 FCT的频率，从而转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；由于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 调剂； 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 路可依据不同需要作不同的用途；8098 单片机通过 74LS373锁存与 74LS274驱动后掌握整流晶闸
20、管与 HEF4752的脚、 24 脚来实现电动机的启停掌握与正反转掌握；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，实现两级掌握；8098 单片机的帮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敏捷性；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；比较抱负的是
21、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 闭环掌握；如下图 5 所示：图 5 信号检测与转速测量原理方框图欢迎下载精品学习资源七）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，故而在本文中没有显现；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、
22、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第一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洁，只视作为电动机停止的掌握；当外部中断发生时，第一通过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）串行通讯子程序欢迎下载精品学习资源串行通讯子程序用在有上位
23、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治理好4 个输入中断；当输入中断发生时，依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欢迎下载精品学习资源图 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掌握模块中；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，接收核心掌握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
24、心掌握模块包 括输入缓冲、输出总线仲裁、电源掌握、时钟产生、复位电路和报警掌握输出 六个部分；一）输入缓冲为了排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；采纳输入缓冲，可以实现单片机和外围电路的输入隔 离；二）输出总线仲裁欢迎下载精品学习资源该总线仲裁是建立在全部单片机在时钟级上同步的基础上，通常采纳总线 表决法；对不同输出总线被当作出错而封止，全部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纳软件比较，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、
25、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X1X2X3QE1E2E300000000010001010001001111001000100101101011010011111000明显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 打算；仲裁器除了 n 根输出线，同时仍对每个位单元的状态位进行规律组合输出正常、出错、失败三个状态指示；失败信号也用作报警爱护掌握输出，或重新复位输出；失败输出有效时输出失效；欢迎下载精品学习资源在 8089 单片机的系统中，假如将仲裁器的三个总线某一时刻
26、输入看作为n 位二进制变量 X，Y，Z；FPGA技术的进展，使得设计中的比较、决策等数字电路的设计实现变得特别简洁，而且系统简明牢靠；假如采纳中规模集成电路来实现的话，将相当烦琐和复杂；在此不再具体分析三）单片机时钟级同步的实现系统的全部单片机必需达到时钟级的同步；同一时钟是实现时钟同步的第一步；时钟发生电路在掌握模块内产生并送 到各单片机的时钟输入端，要求单片机可外接时钟输入；时钟同步并不简洁， 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；其次步是实现机器周期脉冲同步， 808
27、9 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；不论是单字节指令仍是双字节指令，指令周期均是机器周期的1、2、4 倍；要同步单片机节拍，必需同步机器周期；考虑到上电时间上可能产生的差异，采纳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欢迎下载精品学习资源入，全部单片机上电后的内部分频电路起始点一样，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
28、的情形下，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；复位信号由核心掌握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，全部单片机程序从起始位置开头执行；单片机时钟级同步的实现主要依靠电源掌握、时钟产生、复位电路三部分硬件；1 电源掌握三个单片机的供电电源由掌握模块掌握；主控远件需要保证足够电流容量，可采纳功率三极管或场效应管实现；不能采纳继电器在，以防止触点电源跳变；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才能，并可被掌握模块掌握；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
29、度上满意单片机复位要求，驱动才能满意多单片机需要；复位电路同样是受控于掌握模块，用以实现单片机同步；4 报警与掌握不同状态下核心掌握模块有不同的信号输出，反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临时连续工作，等到系统闲暇或许可时进行纠错；红灯输出时系统立欢迎下载精品学习资源即进入爱护状态，输出端出现高阻状态，需要时可以立刻纠错，复原系统；系统复原需要对掌握模块进行复位，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规律；掌握模块的复位，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）掌握模块的 V
30、HDL语言描述本掌握模块主要采纳 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，不同的出错情形，总线过程终止，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；由于专业学问有限，不能编写程序掌握；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敏捷应用于各种不同场合，下面以自来水恒压供水掌握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固度；由于每天的不同时刻用水量不同，供水管网供水压力变化很大；在以往是实行
31、专人值守，人工调剂的方法来实现压力的稳固，因此存在很大的缺陷；采纳单片机掌握的变频调速系统掌握可以实现恒压供水；图 10自来水恒压供水掌握系统由图 10 所示的自来水恒压供水掌握系统可知，单片机系统输出三路开关量信号经由 P40 到 P45 掌握相应的电动机 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欢迎下载精品学习资源力；电动机 DJ4 直接由变频调速系统主回路掌握；一）系统工作过程如下 :第一通过键盘输入设定的母管压力，储备到DS128
32、87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肯定的运算后掌握电动机的起停或转速；当母管压力低时，掌握DJ4 的转速提高来提高母管压力；假如 DJ4 的速度已经达到最高而母管压力没有达到设定值，就依据P31 到P33 送入的开关状态信号来判定 DJ1至 DJ3的启停状态，通过 P40到 P45再启动一台电动机来提高母管压力；并再次调剂DJ4 的转速来使母管压力达到设定值；当母管压力高时，掌握过程相同，只是把启动电动机变为停止电动机，如此过程周而复始以达到母管压力的恒定，便可实现无人值守的高牢靠性的恒压供水；另外，仍
33、可以通过串行通讯口把母管压力与电动机的状态送入上位机，直接利用上位机丰富的软件资源，便利地完成各种报表与汇总统计，做好历史资料；单片机掌握沟通系统的设计到此完成；六 设计小结经过 7 周的毕业论文设计，最终完成了单片机掌握沟通变频调速系统设计，虽然没有达到指导老师的设计要求，但仍是努力完成了，感觉收成颇多，通过本次 PLC掌握系统的课程设计，使我对单片机掌握沟通变频调速系统设计方案的基本过程的设计方法、步骤、思路、有肯定的明白与熟悉；在毕业论文设计过程中，我基本能依据规定的程序进行，先针对试验及学习到的变频器和单片机的特点收集、调查有关资料，然后进入草案阶段，在经过黄卫庭老师指导，再进行几次方案的争论、修改，再争论、再修改，最终定案；设计方案确定后，又在老师指导下进行扩初具体设计；欢迎下载精品学习资源七、设计参考资料单片机应用设计 200 例张洪润，刘秀英出版社：北京航空航天高校出版社沟通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出版社：清华高校出版社单片机外围电路设计沙占友等编著出版社：北京 - 电子工业欢迎下载