单片机控制变频调速的设计.docx

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1、第一章交流变频技术摘要：近年来，随着电子电力技术、信息技术、自动控制技术的迅速发展，交 流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史 革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展 趋势。交流变频调速的调速精确，速度平稳，广泛应用于各种工程中。借鉴国内外变 频调速理论和技术的诸多新的研究成果，简单阐述了电动机变频调速的原理和理论， 以及变频器的设计与实现、工程与应用，也关注应用变频器的负面影响及其对策，并 对交流变频调速技术的节能问题进行探讨。近年来，随着电子电力技术、信息技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与 控制技术成为目前发展最

2、为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即 交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。和 过去的的直流调速技术相比，现在的交流调速技术已经取得了突飞猛进的进展，改革 开放以来，我国在交流电动机系统研究上取得了巨大的进步，世界新技术也取得了巨 大的成就，这个事实证明了交流变频调速技术是举得了巨大的进展的。我国在变频技术上有很大的进步，也有很大的生产能力，目前我国有很多企业有 生产交流变频技术的能力，大部分的产品都是异步控制和矢量控制的变频器，在精度 和可靠性上效率不高，国产变频器的质量精度不高，所以市场占有度不高，主要是小 工厂的操作，国外的产品的质量要好

3、，自动化程度高，总体来说，交流变频调速的调 速精确，速度平稳。交流变频调速技术有三个优势：（1）转差频率控制、矢量变换控制和直接转矩控 制等新的交流调速理论的诞生，使交流调速有了新的理论基础，这个理论基础是的交 流变频技术的更加成熟；（2）功率晶体管、绝缘栅双极型晶体管等为主题的现代功率 较大的电子器件的出现，其开关频率、功率容量都有很大的提高，为交流调速装置奠 定了物质基础，这个些为交流变频技术的总体上、硬件上取得了巨大的进步；（3）得 益于现代微电子技术的进步，信息化时代促进了交流变频技术的变革。1.1交流变频调速技术的发展与研究现状在过去的几十年里，世界范围的工业进步的一个重要因素是工厂

4、自动化程度的不图1交-直-交电压型变频主电路逆变功率器件的选择功率器件应根据设计的要求和性能指标来选择，对于变频调速系统，一方面要求 开关频率足够高，另一方面要求有足够的输出容量，对比SCR、GTO、BJT、GTR、 IGBT、MOSFET、MCT等几种常用的新型功率半导体器件，SCR导通容易，但需强 迫换流电路使其关断；IGBT具有自关断能力，且有GTR的大容量和MOSFET的驱 动功率小、开关动作快等优点，是中小容量最为流行的器件；MCT综合了晶闸管的 高电压、大电流特性和MOSFET的快速开关特性，是极具有发展前景的大功率、高 频开关器件。对于本设计而言，选择IGBT较合适。2.2 系统

5、控制方案的确定控制电路作为交流电机变频调速系统的核心部分，在影响整个系统的性能方面占 有极其重要的地位，而控制系统的性能又取决于其运算速度和控制精度，这在某种程 度上依赖于实现该系统的电子芯片。目前,人们常常使用专用的芯片如TL494、SG3525等来产生PWM（脉冲宽度调制） 波形，并由其通过反馈信号来实现对PWM波形的宽度的调节，从而获得稳定的输出。 当控制电路设计完成后，就是一个相对独立的系统，调节、控制方式不能再更改，系统的 总体协调功能差。近几年，基于微机控制的逆变系统主要采用单片机或DSP （数字信号 处理器）控制。采用单片机的系统若使用定时器产生PWM,由于中断的特点，使输出的

6、PWM的脉宽容易发生改变，从而影响输出电压的精度。如MCS51系歹U,中断响应为 38个机器周期，用6MHz的晶振，机器周期为2 H s,逆变器工作频率为20 kHz,工作周期 50 ns，则误差范围为12 %32 %;此外，单片机对系统调节的实时性差（96系列的机型 也不能满足要求）,因此单片机构成的系统一般需要外接产生PWM的芯片，单片机主要 用于协调系统的工作及输出显示。专用DSP的系统的实时性好，但灵活性差，通用的 DSP系统总体控制、协调性能不是很好，而且DSP开发过程比较复杂，开发工具价格 昂贵。英国Marconi公司推出的、可产生三相PWM控制信号的大规模集成电路芯片 MA818

7、 (828/838),采用标准双列直插式40脚封装或44脚方形塑料封装。该芯片与 SL E4520相似,是一种通用的可编程微机控制外围芯片，虽然它必须和微处理器配合 使用，但微机的介入程度很低，它本身的功能比TL494, SG3525等要强大的多，用于控 制IGBT更是得心应手，其输出波形为纯正弦波。2.3 系统总体结构框图图2系统总体电路框图2.4 本设计所要完成的主要工作课题的目标是完成交流电机变频调速系统主电路和控制电路两部分设计。所 以，基于这种思想，本论文所做的工作包括以下几个方面：(1)对交流电机的工作原理、运行特性以及变频调速原理进行了解;(2)通过调研查找与本课题有关的资料，并

8、进行认真的分析、消化;（3）在消化吸收的基础上，根据本课题的特点，进行方案论证并确定设计方案;（4）根据确定的方案，进行主电路、控制电路（包括保护电路、触发电路、 反馈电路等）、继电器、接触器等电气控制线路以及辅助直流电源的设计；（5）在设计当中，学习SPWM波发生器MA818和单片机89E58RD2编程及 其相应的软件知识，为设计触发电路做准备；并学习常用画图软件工具以及完成有关 上交材料；（6）整体电路优化和调试；（7）完成毕业设计论文和电气原理图。2.5 本章小结本章主要根据系统设计的要求，对系统主电路和控制电路的几种可能实现的 方案进行充分的论证、分析，提出了系统采纳的方案以及说明选用

9、该方案的原因，最 终，系统主电路选用了交-直-交电压型变频主电路，控制电路利用模拟电路和数字电 路实现，采用的是闭环控制，这样，简化了电路结构，缩短了设计周期。第三章系统主电路设计3.1 主电路工作原理主电路由整流和逆变电路构成。三相交流电源经过三相全波整流、滤波、稳压, 为逆变器提供一个稳定可靠的大容量直流电源，然后由大功率开关元件按脉宽调制 (PWM)方式，将直流逆变成可变频率和电压的交流，供交流电动机变速之用。主 电路中大功率开关元件选择IGBT模块(IGBT即绝缘门极双极晶体管)，它集VMOS 管和大功率达林顿晶体管特性优点于一身，而无两者的缺点，具有高电压、大电流、 低导通电阻、高速

10、、高可靠、低开关损耗、低脉冲拖尾电流、对温度不敏感等特性。 本课题选用的是交-直-交电压型PWM变频主电路，它包括不可控整流电路、滤波电 路和三相桥式逆变电路。其结构如图3所示。3.1.1 交一直变换电路该变换电路的任务是将电源的三相交流电变换为平稳的直流电。1 .整流电路整流电路因变频电路输入功率大小不同而异。对于小功率的，输 入电源多用单相220V,整流电路用单相全波整流桥；对于大功率的，一般用三相380V 电源，整流电路为三相桥式全波整流电路。本毕业设计中选用的是2.2KW的三相交 流电动机，其额定电流为4.8A,额定电压为380V,额定频率为50HZ,额定转速为1440 转/分，属于中

11、小功率范围。整流器件采用不可控的整流二极管或二极管模块。如图4 所示。2 .整流器件的一般选择原则1)最大反向电压URM = 2Um,式中是电源线电压的振幅值(3-1)2)最大整流电流/如”IVDM = 21N ,式中为变频器的额定电流(3-2)3)整流输出的平均直流电压U” 如果电源的线电压为U厂则三相全波整流后平均直流电压的大小Ud = 1.35。2 o(3-3)1U_iUj图3系统主电路整流管D1D6组成三相整流桥，对三相交流电进行全波整流。整流后的直流 电压：U(l = 1.351/2=1.35 X 380V=315V滤波电容Cr滤除整流后的电压波纹，并在负载变化时保持电压平稳。当变频

12、器通电时，瞬间冲击电流较大，为了保护电路元件，加限流电阻Ra。延 时一段时间后，通过控制电路使开关K闭合，将限流电阻短路。电源指示灯DS除了指示电源通断外，还可以再电源断开时，作为滤波电容Cr 放电通路和指示。滤波电容Cr容量通常很大；所以放电的时间较长，几百伏的高 电压会威胁人员安全，因此，在维修时，要等指示灯熄灭后进行。Rc是制动电阻。电动机在制动过程中处于发电状态，由于电路时处于在断开情 况下，增加的电能无处释放，使电路电压不断升高，将会损坏电路元件。所以，应 给一个放电通路，使这部分再生电流消耗在电阻Rc上。制动时，通过控制电路使 开关Tc导通，形成放电通路。3.1.2 直-交变换电路

13、逆变开关管T1-T6组成三相逆变桥，讲直流电逆变成频率可调的矩形波交流 电。逆变管可以选择绝缘栅双极晶体管IGBT。续流二极管D7D12的作用是：当逆变开关管由导通状态变为截止时，虽然 电压突变降为零，但由于电动机线圈的电感作用，储存在线圈冲的电能开始释放，续 流二极管提供通道，维持电流继续在线圈中流动。另外，当电动机制动时，续流二极 管为再生电流提供通道，使其回流到直流电源。电阻R1R6,电容C1C6,二极管D13D18组成缓冲电路，来保护逆变开关 管。由于开关管在开通和关断时，要受集电极电流Ic和发射极间电压Vee的冲击， 因此要通过缓冲电路进行缓解。当逆变开关管关断时，Vee迅速升高，I

14、e迅速降低， 过高增长率的电压对逆变开关管造成危害，所以通过在逆变开关管两端并联电容（C1C6）来减小电压增长率；当逆变开关管开通时，Vee迅速降低，而Ie则迅速升高, 并联在逆变开关管两端的电容（C1C6）由于电压降低，将通过逆变开关管放电，这 将加速电流Ie的增长率，造成逆变开关管的损坏。所以增加电阻（R1R6）,限制 电容的放电电流。可是当逆变开关管关断时，该电阻又会阻止电容的充电。为了解决 这个矛盾，在电阻两端并联二极管（D13D18）,使电容在充电时，避开电阻，通过 二极管充电，在放电时，实现缓冲功能。3.2 系统主电路参数设计与选择由图4可知，主电路由整流电路和IGBT逆变电路构成

15、，它是本系统的功率驱动 单元，由不可控整流环节、中间直流环节、和逆变环节构成。系统所用参数如下:电动机参数：电动机型号：Y100L-2型，2P=4,也=2.2KW ,4=4.84,如=88%, cosep = 0.84, nN = 1440%11n,4（过载能力倍数）=2.3Kq （启动转矩倍数）=2.2, Kf （启动电流倍数）=7.0电源电压：380V ,频率： 50HZ逆变部分采用IGBTSPWM型逆变器，% 控制方式，过载倍数4 = 1.5/分钟。3. 2.1整流二极管模块选择.参数计算(3-4)(3-5)2）流过二极管电流有效值1）通过二极管的峰值电流L=n= 6x4.8。68A式中

16、，乙为电机最大负载电流峰值，其值一般取为（56）八。3）二极管电流定额Idn=L = Lx 14.1A（3-6）4）二极管的电压定额 4 =（23）Um =（23卜反。2/=(2-3)x72x380 1074,8V(3-7)根据电网电压，考虑到其峰值、波动、闪电、雷击等因素，实取。=1200丫。3. 2. 2滤波电容的选择1 .参数计算(3-8)(3-8)1）当没有滤波电容时，三相整流输出直流电压为=迤。/ =1.35x380 p 513 V712)加上滤波电容后，的最大线电压可达到交流线电压的峰值UDCP =42Ut = V2x 380 537V(3-9)2 .元件选取滤波电容理论上越大越好

17、，考虑到价格和体积，电容也不能选得太大；事 实上，中间直流滤波电容的容量是从限制电压波动的角度来选择的，因此，选用一个 2200冲电容器。3. 2. 3限流电阻的参数选择图3中Ra为变频电路启动时的限流电阻，由于变频电路通电瞬间,滤波电容相当 于短路，因而，冲击电流很大，故需加电阻R，来限流，实际上当电容充电时，R,和。构 成的回路是一个典型的一阶惯性环节，其时间常数T =故在零初始状态下，电容上电压的相应方程式为Uc=UDC(l-e-1/T)(3-10)当t=4T时，1=92.8%。4，故可选取充电时间为t, =4T=4RC。假若要求充电时间k = 30s,那么(3-11)R 二力=-一3.

18、5KQ/4c 4x2200x10一6故Ra上消耗的功率为：Pr =5=。9,40W(3-12)瞅8(实际上，假若不是经常性的冲放电时，Ra的瓦数可选小一些，以减小设备的体积。 实选限流电阻扁为：3.5KQ/9W。4. 2. 4逆变器功率器件IGBT选择IGBT是场控大功率器件，具有自关断能力，开关速度高，所以，使用IGBT 可使逆变器结构小巧。但它热时间常数小，承受过载能力差；因此，在实际的应用时, 应从负载最严重的情形来选择功率器件。本系统中，最严重的情况是异步电动机的启 动电流为额定电流的(1.22.0倍，且要考虑电流峰值。1. IGBT集电极电流。计算公式为Ic = (1.2 2.0)乙

19、=(1.2 2.0人回 4”(3-20)式中，底一电机过载倍数，一般小于2.7。/V电机额定电流所以，Ic =(1.2- 2.0)/, = (1.2 2.0)72/ 4 = (1.2- 2.0)V2 x 2.3x4.8 44.15考虑安全裕量，实取50A。2. IGBT的耐压值U“sIGBT关断时的峰值电压为:U CESP=(。八 xL15 + L%)xi = (650xl. 15 +150)X1.1=987.25V(321)式中，1.15为过压保护系数，。为安全系数，一般取1.1, 150由L%.引起的尖峰电压。令UcesUcesp，并向上靠拢，IGBT的实际电压等级应取1200V。3.3本

20、章小结本章首先介绍了主电路的基本结构，对主电路中的整流电路、滤波电路、逆变电 路的工作原理进行了分析；然后，根据系统参数要求，对主电路中元器件参数进行了 分析、计算，并根据计算结果选择了元器件。第四章 系统控制电路设计控制电路和保护电路是整个系统的控制核心，主要是逆变器的控制电路设计 （主要是SPWM的产生控制和IGBT驱动控制）。它作为交流电机变频调速系统的 核心部分，在影响整个系统的性能方面占有极其重要的地位，它主要是向变频主电路 提供各种控制信号，以使主电路安全、可靠的工作。4.1 触发控制电路框图1X331X3 至axtv04ICCa AA断提高。工厂里的生产线一般包括一个或多个可变速

21、的电机传动装置,用于大功率传 送带、机械手、桥式吊车、钢材扎制生产线以及塑料和合成纤维生产线等。50年代 以前，所有这些应用都需要使用直流电机传动，交流电机由于其固有的以同步或几乎 同步于电源的频率运行，所以难以真正的调节或平滑的改变速度。然而，直流传动存 在的诸如运行中产生火花、对环境要求叫高、电刷易于磨损、维护麻烦等等的自身结 构上的问题促使人们不断寻求更好的解决问题的方法。一般来说，交流传动与相当的 直流传动相比通常有价格方面的优势，而且具有较少维护、较小的电机尺寸和更高的 可靠性。然而对这些传动系统可利用的控制灵活性是非常有限的，而且它们的应用主 要局限在风机、泵和压风机等应用方面，其

22、速度只需要粗略调节而对暂态响应和低速 特性没有严格要求。用于机床、高速电梯、测功器、矿井提升机等的传动装置，有更 加复杂的要求，而且必须提供允许调节多个变量的灵活性，例如速度、位置、加速度 和转矩等。这样的高性能应用，一般在速度闭环下要求高速段保持高于0.5%的调速 精度和至少20： 1的宽调速范围，以及高于50rad/s的快速暂态响应。以前，这样的 传动装置几乎全部是直流电机的应用领域，并根据具体应用的需要配置各种结构的 AC-DC变换器。然而，采用适当控制的感应电动机传动在高性能应用上已胜过直流 传动，并且交流传动更加广泛的应用于计算机外围设备的传动、机床和电动工具、机 器人和自动装置的传

23、动、电动汽车和电器火车传动等等。经过近三十年的发展，交流调速电气传动已上升为电气调速的主流，正在越来越 广泛的领域取代传统的直流调速传动。其中变频调速是交流电机调速中发展最快、最 活跃的一支。它以其优异的调速和起、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果及 其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式，成为现代调速传动的主 流。在冶金、交通、机械、电子、石油化工、纺织、制药、造纸、家用电器、电力牵 引等工业领域得到了广泛的应用，产生了巨大的经济效益。同时变频调速传动系统无 论在性能、装置体积、设备维护还是在节能乃至环保等方面也都体现了巨大的优势。交流传动得以飞速发展，得益于以下几个方面：1

24、、电力电子功率器件的发展2、控制理论的发展3、PWM技术的发展图4触发控制电路结构框图4.2 SPWM的生成原理以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角形作为载波，并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波，当调制波与载波相交时， 由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时,亥I,从而获得在正弦波调制波的半个周期 内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这SPWM 波SP序列的矩形波称作图5 SPWM生成原理仍采用传统的三角波和正弦波叠加原理，且采用双极性规则采样法

25、n,由于每个 周期的采样时刻都是固定的(图中E点)，根据脉冲电压对三角载波的对称性，假设A相电压瞬时电压表达示为U= Sin(Wj t)o可得脉宽时间：ta2=T/2l+MSin（we）t =T/2 1+MSin（ w J120）t ,2 =T/21+MSin（w 工 +120）而间隙时间：RESETSYSTEMBUSSYSTEMBUScs MOTEL INTAR FACECLOCK-总线译码R3R4立化器M始存T2初寄24位控制寄存器分频器相 控 逻 辑地址发生器数据缓冲器 输出封锁锁存器脉冲 延迟电路脉冲 延迟电路脉冲 延迟电路红黄蓝调制波EPROMSET TRIPTRIP图5MA818内

26、部结构框图MA818主要由三部分组成:第一部分为接收并储存微处理器命令的控制字部分。 它主要由总线控制，总线译码,暂存器RO、RI、R2,虚拟寄存器R3、R4及24位初始化 寄存器和24位控制寄存器组成;第二部分为从EPROM中读出正弦调制波形的数据 部分。它由地址发生器和数据缓冲器组成；第三部分为三相输出控制电路及输出脉冲 锁存电路。每相输出控制电路又由脉冲删除电路和脉冲延迟电路组成。脉冲延迟电路 能在同一相的两个开关器件进行开、关切换时，提供一个较短的延迟时间，以使导通 信号滞后于关断信号，从而避免同一相上的开关器件发生直通短路现象。脉冲删除电 路能保证使最小输出脉冲大于器件的开关时间，而

27、将更窄的脉冲删除掉。2.工作原理MA818在工作之前，两个24位寄存器（初始化寄存器和控制寄存器）要先从微 机中输入命令字。MOTEL总线的宽度为8位，向24位寄存器输送数据时，要分三次 分别送到RO、RK R2寄存器中,再通过向虚拟寄存器R3、R4的写指令命令分别完成 从R（）、RI、R2向控制寄存器和初始寄存器传送数据。MA818采用规则采样法产生SPWM波形。它内部具有一个地址发生器和一个输入数 据缓冲器，能从外部微机系统PROM/EPROM中直接读取用户按要求定义的各种精确 的、用于产生SPWM脉冲序列的调制波形，并与三角载波比较，从而产生所需要的SPWM波形。在调制波形的正半周（01

28、80 ）,波形被分割为768个8位采样值进 行存储，幅值范围为0255。768个采样值从0180按线性增长，其角度分辨率 为0.23。在调制波形的负半周（180360 ）,MA818对0180内的768个采 样值取反，从而得到全360的调制波形。768个采样值分成1536个4位采样值存储, 其中低4位部分分别存储在0000H0300H单元中，高4位部分分别存储在0400H 0700H单元中,MA818自动地读取这两个部分，并在内部拼成一个8位采样值。这样,MA818只需要4根数据线既可完成从外部 PROM/ E2PROM中读取采样值。4.4单片机SST89E58RD2的特性SST87E58RD

29、2是一款80c51 微控制器，包含32KB+8KB FLASH和256+768B的数 据RAM。SST89E58RD2的典型特性是他的x2方式选项，利用该特性，设计者可使应 用程序以传统的80C51时钟频率（每个机器周期包含12个时钟）或x2方式（每个机器 周期包含6个时钟）的时钟频率运行。FLASH程序存储器支持传统的并行编程，也支持串行在系统编程（ISP）。ISP 允许在软件控制下对成品中的器件进行重复编程，SST89E58RD2也可采用在应用中 编程（IAP）,允许随时对两片FLASH程序存储器重新配置，即使应用程序正在运行 时也不例外。SST89E58CD2特性如下： 80C51核心处

30、理单元；5V的工作电压，操作频率为0-40MHZ； 64KB的片内FLASH程序存储器，具有ISP （在系统编程）和IAP （在应用中编 程）功能；通过软件或ISP选择支持12时钟（默认）或6时钟模式；SPI （串行外围接口）和增强型UART；PCA （可编程计数器阵列），具有PWM和捕获/比较功能;4个8位I/O口 （P0-P3） , 1 个4位I/O口 （P4）；3个16位定时器/计数器；可编程看门狗定时器（WDT）；10个中断源，4个中断优先级；2个DPTR寄存器；低EMI方式（ALE禁能）；兼容TTL和CMOS逻辑电平；士占中热加il.4.5开关成电过电源:成驱动各开关器件JIGBT专

31、用驱动集能驱动150A/600V或者图6 EXB841功能图EXB841的功能图如图6所示，它主要有输入隔离电路、驱动放大电路、过流检 测与保护电路以及电源电路组成。其中输入隔离电路是由高速光电耦合器组成，可隔 离交流2500V的信号。过流检测与保护电路是根据IGBT栅极驱动电平和集电极电压 之间的关系，检测是否有过流现象存在。如果过流，保护电路将慢速关断IGBT,以 防止过快关断引起因电路中电感产生的感应电动势升高，使IGBT集电极电压过高而 损坏IGBToEXB引脚定义如下：引脚1用于连接反偏置电源的滤波电容；引脚2和引脚9 分别是电源和地；引脚3为驱动输出；引脚4用于连接外部电容器，以防

32、止过流保护 误动作（一般场合不需要这个电容）;弓I脚5为过流保护输出；引脚6为IGBT集电 极电压监视端；引脚14和引脚15为驱动信号输入端；其余不用。4. 6 A/D转换器在电动机的控制过程中，常需要将一些过程信号送回单片机进行处理，如输出 转速信号、输出电压信号、输入电流信号等。因为单片机只能处理数字信号，如果电 动机的这些过程信号是模拟量，必须先经过A/D转换，再将转换所得到的数字信号 送入单片机处理。所以A/D转换在电动机控制中常常是不可缺少的。A/D转换器即模拟、数字转换器，是将输入的模拟信号的器件。本设计中选择的 是ADC0809型号，它是8位CMOS逐次逼近式A/D转换器，由8位

33、A/D转换器、8 通道多路转换器与微处理器兼容的控制逻辑组成。8通道多路转换器能够直接连通8 个单端模拟信号中任何一个。（1） A/D0809的功能特点： 8位分辨率。 模拟输入范围为05V,单一+5V供电。具有锁存控制的8路模拟开关。,可锁存三态输出，输出与TTL兼容。 最大不可调误差小于+1LBS或者-1LBS。 不必进行零点和满度调整。 转换速度取决于芯片的时钟频率。时钟频率范围在101280KHZ；当 CLK=500KHz时，转换速度为128小（2）引脚功能介绍：IN0-IN7： 8路输入通道的模拟量输入端口。D0D7 ： 8位数字量输出端口。START和ALE： START为启动控制

34、输入端口，ALE为地址锁存控制信号端口。 这两个信号端可连接起来同时控制，当输入一个正脉冲，便立即启动A/D转换。EOC和OE： EOC为转换结束信号脉冲输出端口，OE为输出允许控制端口。EOC 电平由低变高表示A/D转换。0E端的电平由低变高，则打开三态输出锁存器，将转换 结果的数字量输出到数据总线上。该信号可连接在一起，方便控制。REF(+),REF(-),Vcc, GND： REF(+)和REF(-)为参考电压输入端，Vcc为主电源输 入端，GND为接地端。通常REF(+)和Vcc、REF(-)和GND连接在一起。CLK：时钟输入端。ADDA , B, C： 8路模拟开关的三位地址选通输

35、入端，以选择对应的输入通道。 其他地址分别为二进制数000111 (对应C,B,A)时，对应的输入通道IN0IN7选通。4.7本章小结本章对控制电路进行了具体的分析、设计，主要包括以下几个方面的内容：1 .触发电路框图. SPWM的生成原理2 . MA818结构及工作原理.单片机SST89E58RD2的特性3 .驱动电路设计. A/D转换器通过对以上电路的设计，设计了一种交流电动机变频调速系统的控制回路，并给 出了系统设计上述电路所需的软硬件。第五章软件设计5.1 数字PID控制5.1.1 PID控制原理系统偏差一般定义为系统给定量与输出反馈量之差，将偏差的比例(P)、积 分(I)、微分(D)

36、通过线性组合构成控制器的调节器，是控制系统中技术成熟、应 用最为广泛的一种调节器。实际运行经验和理论分析均表明，运用这种控制规律对许 多工业过程进行控制时，都能得到满意的效果。特别当用计算机实现PID控制时，不 是简单地把模拟PID控制规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能相结合, 使PID控制更加灵活，更能满足生产过程提出的要求，即用软件来实现PID控制， 即数字PID控制。在工业控制系统中，常采用 PID 控制规律为 忒，)=KpeQ) + % e)dt + Td。 (1)式中Kp式比例系数；Ti是积分常数；Td是微分常数；uo是控制常量.但由于计算机控制室一种采样控制，它只能根据采

37、样时刻的偏差值控制空置量， 而不能像模拟控制那样连续输出控制量，进行连续控制。式(1)中的积分项和微分 项不能直接使用，必须进行离散化处理。以T作为采样周期，k作为采样序号，则离 散采样时间kT对应着连续时间3用求和的形式代替积分，用增量的形式代替微分, 可作如下近似变换：tkT (k=0, 1,2, )dee(k l)7f ek - ek xdtT - T上式为表方便，将类似e (kT)简化成ek等，等到离散的PID表达式：T ktuk = Kpek + ej + r(ek - ek_1) + (2)Ti j=oT本设计中采用增量式PID控制，增量式PID是指数字控制的输出只是控制量的增 量

38、当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可以使用增 量式PID控制算法进行控制。增量式PID 控制算芹可用过式(2 )进行推导而得出：% = uk uk- = Kp ek- + 染/ + %(/ - 2/_i + ek_2) = Aek + Bek_x + Cek_2 - -(3) Ti T式中：A=Kp(l +工+ 2),B=-Kp (1+2% ) ,C=Kp%.Ti TTT由上式可以看出，如果控制系统采用恒定采样周期T, 一旦确定A,B,C,只要使用前后3次测量值的偏差，就可以由上式求出控制增量。5.1.2 增量式PID控制算法子程序(a)程序框图程序如下:PID1: MO

39、VR0,#52HMOV RI, #49HLCALL FSUBMOV RI, #46HLCALL FSTRMOV RI, #4CHMOV R2, #06HLCALL LPDMMOV RO, #46HMOV RI, #4CHLCALL FMULMOV RI, #4CHLCALL FSTRMOV RI, #4FHMOV R2, #09HLCALL LPDMMOV RO, #43HMOV RI, #4FHLCALL FMUL;计算G；存入46H48H;取A值，存入4cH4EH;计算；存入4cH4EH;取B值，存入4FH51H；计算B_LCALL FSTR存入4FH51HMOVRO, #4CHMOVRI

40、, #4FHLCALL FADDMOV RI, #4CHLCALL FSTR；存入4cH4EHMOVRI, #4FHMOVR2, #0CHLCALL LPDMMOV RO, #40HMOV RI, #4FHLCALL FMULMOV RI, #4FHLCALL FSTRMOV RI, #4FHMOV RO, #4CHLCALL FADDMOV RI, #4CHLCALL FSTRMOV40H,43HMOV41H,44HMOV42H,45HMOV43H,46HMOV44H,47HMOV45H,48HMOV A, 4CHMOV C, A.7MOVF0,C;取C值，存入4FH51H;计算C_2；存入

41、4FH51H；计算；存入4cH4EH；更新；更新；取即数符号；存入F0；取氏阶数符号，为负，转向PIDJ12;否则为正。屏蔽高2位；存入R7;阶数为负时；屏蔽高2位;存入R7；皿-1;A%是否为0,等于0退出；取A、B、C值子程序JBANLMOVPIDJ12 ： CLRINCANLMOVDL1： DJNZDECCJNECJNERETLPDM： MOVLPDMO： MOVMOVCMOVINCINCDJNZRETOM： DBDBDBA.6, PIDJ12A,#3FHR7, AAAA, #3FHR7, AR7, DL14EHA, 4EH, PID1A, 4DH, DL1R7, #03HA, R2A,

42、 A+PCR1, AR2RIR7, LPDMOXXH, XXH, XXHXXH, XXH, XXHXXH, XXH, XXH5.2数字滤波技术在电动机数字闭环控制系统中，测量值y是通过对系统的输出量进行采样而 得到的。它与给定值r(t)之差形成偏差信号”，所以，测量值y是决定偏差大小的重 要数据。测量值如果不能真实地反映系统的输出，那么这个控制系统就失去它的作用。在实际中，对电动机输出的测量值常混有干扰噪声，它们来自于被测信号的形4、微处理器和专用集成电路(ASIC)的发展我国变频调速技术的应用，是一个由试验到实用，由辅助系统到生产装置，由考 虑节能到全面改善工艺水平，由开环手动控制到闭环自动

43、控制，由低压中小容量到高 压大容量的过程。多年来，国家有关部门一直致力于变频调速技术的开发及推广应用, 并给予重点扶持，并将推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投 资方向。国家成立了风机水泵节能中心，开展信息咨询和培训。在国家经贸委小“九 五”资源节能综合利用工作纲要中，变频调速己被列入重点组织实施的10项资源节 约综合利用技术改造示范工程之一。变频调速技术的应用范围已发展到新阶段。在石 油、石化、机械、冶金等行业都得到了大量使用和整套装置系统使用，取得了节能、 增产的显著效果。变频调速技术己成为节约能源及提高产品质量的有效措施。实践的 结果证明，节电率一般在10%30%,有的

44、高达40%,更重要的是生产中一些技术 难点也得到解决。1.2变频调速技术的优点和发展方向交流异步电动机调速系统种类繁多，常见的有：降压调速，电磁转差离合器调速, 饶线转子异步电机串级调速，变极对数调速和变压变频调速。而由电机学可知，交流 异步电机的转速公式如下：p(l-s)其中：n是异步电动机转速，p是异步电动机的极对数，s是异步电动机的转差率, f是供电电源的频率。(1) 改变极对数作几挡的有级调速，该种电机通用性差，并且结构复杂、价格高、维护性差。(2) 改变电动机，即在转子上串电阻，因饶线式电机的结构限制，通常为 有级调速。(3) 当极对数不变时，电动机转子转速n与定子电源频率f成正比。

45、因此通 过连续改变定子电压供电频率f就能平滑、无级地调节异步电动机的转速，这种调速成过程和传送过程。用混有干扰的测量值作为控制信号，将引起系统误动作，在有微分控该问 比重顺序 出， 并且 平均存放旧数据XI-91Xi-8YI-7YI-5YI-4Xi-QYl-PYI-1新数据XI虑波就可以解决 任有用信号中的采样时刻的先后 先采样的数据移 ，是有n个数据， 均值，这个算术1指向采样数据(a)程序框图程序如下：SMFM： MOV A, RO(b)算法原理图；将ROR3中的数据暂存R4R7MOVMOVMOVMOVMOVMOVMOVMOVMOVMOVR4, AA, RIR5, AA, R2R6, AA

46、, R3R7, AA, RIA, R3RO, A:R0指向第2个数据存放的首地址MOV A, R2DEC AMOV B, R3MUL ABMOV R3, ALCALL XFER;数据个数减1;（数据个数-1） *字长；存入R3;移动数据SMFM1：SMFM2：MOVMOVMOVMOVA, R7R3, AA, R4RO, ALCALL XFERMOV R0, #00HDEC R2MOVA, R5MOVRI, AMOVA, R7MOVR3, AMOVA, R4MOVRO, ACLRCMOVA,R1MOVA,R0MOVR0, AINCROINCRIDJNZ R3, SMFM2MOVA,R0ADDCA,#00H;移入新数据;新数据高字节后的单元预清0;开始求和运算。数据个数减1;累加;存累加结果MOVSM