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1、基于单片机转差频率控制的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。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，SA8282大规模集成电路，保护电路，AT89C51单片机， 8255可编程接口芯片，I/O接口芯片，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:AT89C51单片机；SA8282；转差频率；交流调速；三相异步电动机目录前言1第1章 交流调速系统的概述41.1交流调速的基本原
2、理41.2 交流调速的特点5第2章 交流调速系统的硬件设计72. 1 转差频率控制原理：72. 2 系统设计的参数72.3 用单片机控制的电机交流调速系统设计72.3.1调速系统总体方案设计72.3.2 元器件的选用92.3.3 系统主回路的设计以及参数计算122.3.4 SPWM控制信号的产生152.3.5 光电隔离及驱动电路设计172.3.6 故障检测及保护电路设计182.3.7 模拟量输入通道的设计18第3章 系统软件的设计193.1 主程序的设计193.2 转速调节程序193.3 增量式PI运算子程序203.4故障处理程序213.5 部分子程序223.5.1 AD0809的编程223.
3、5.2 8255的编程23结 论23参考文献23前 言自上个世纪90年代以来，近代交流调速步入了以变频调速为主导的发展阶段。其间，由于各种新型电力电子器件的支持，使变频调速在低压（380 V）、中小容量（200 kW以下）方面取得了较大的进展。但是面对高压（610 kV）中大容量领域，由于电力电子器件自身规律的限制，变频调速在技术上遇到了很大困难，无论是“高-低”“、高-低-高”以及“多电平串联”等方案，都在实践中暴露出技术复杂、价格昂贵、效率降低、可靠性较差等缺点。从理论上看，高压变频所面临的问题是违反电力电子器件客观规律的结果，因为目前几乎所有的电力电子器件，其材料、工艺机理都决定了其属性
4、是低压大电流的。尽管如此，高压变频的势头仍有增无减，除了客观市场需求的拉动以外（诸如高压中大容量的风机泵类节能），主要是“变频调速是唯一的最佳交流调速”理论导向的结果。根据近代交流调速理论，交流调速被划分为变频、变极和变转差率三种方案，在缺乏科学分析的条件下，认定变转差率调速是低效率的，而变极调速又属于有级调速，因此惟有变频调速最佳。而变频调速方法与变转差调速方法有本质不同，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。可以认为，变频调速是交流电动机的一种比较合理和理想的调速方法。”随着电力电子技术、微电子技术和自动控制理论的发展，交流调速技术也有了日新
5、月异的变化。可调速的高性能交流电力拖动系统在工业上的应用也越来越广。进入21世纪交流调速技术也进入了现代交流调速技术时代，现代交流调速技术也成为人类社会的重大技术进步之一。其发展速度之快、应用覆盖范围之广都是前所未有的。而且应用实践表明，采用现代交流调速技术极大的提高了传动系统的运行质量，同时，带来了巨大的经济和社会效益。第1章 交流调速系统的概述1.1 交流调速的基本原理本文以地毯背涂机为例叙述在地毯制造业上的应用。图1-1三相异步电动机结构示意图1机座；2定子铁心；3定子绕组；4转子铁心；5转子绕组;变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。常用三相交流异步电动机的结构为图
6、1所示。定子由铁心及绕组构成，转子绕组做成笼型（见图1-2），俗称鼠笼型电动机。当在定子绕组上接入三相交流电时，在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，使转子绕组产生感应电势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机转动起来。电机磁场的转速称为同步转速，用n1表示 (1-1)式中：f三相交流电源频率，一般为50Hz。p磁极对数。当p=1时，=3000r/min；p=2时，=1500r/min。可见磁极对数p越多，转速越慢。转子的实际转速n比磁场的同步转速n1要慢一点，所以称为异步电机，这个差别用转差率s表示： （1-2）当加上电源转子尚未转动
7、瞬间，n=0，这时s=1；起动后的极端情况n=，则s=0，即s在01之间变化。一般异步电机在额定负载下的s=（16）。综合式（1-1）和式（1-2）可以得出 （1-3）由式（1-3）可以看出，对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率s变化不大，则电机的转速n与电源频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。1.2 交流调速的特点对于可调速的电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两类。这主要是根据采用什么电流制型式的电动机来进行电能与机械能的转换而划分的，所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能机械能的转换装置，并对其进行控制
8、以产生所需要的转速。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1214MW，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610KV，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
9、。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
10、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
11、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。6第2章 交流调速系统的硬件设计2.1 转差频率控制原理：当稳态气隙磁通恒定时异步电机的机械特性参数表达式为： (2-1)当实际转差额定空载转速相比很小时（），,可以从式中约去，这样式(2-1)可以简化为：其中 (2-2)从式(2-2)中可得，当转差频率较小且磁通恒定时，电机的电磁转矩T与成正比。这时只要控制转差频率就能控制转矩T，从而实现对转速的控制。若要使转差频率较小，只要有提供异步电动机的实际转速反馈即可实现。若要保持为恒值，即
12、保持励磁电流恒定，而励磁电流与定子电流有如下关系， （2-3）因此若，按照上述规律变化，则恒定，即恒定。转差频率控制策略是：利用测速环节得到转速与转速给定、比较，限制输出频率，使转差率 (即)不太大；控制定子电流，使得励磁电流保持恒定；这时控制实现调速。系统原理图如图2-l所示。 图2-l 转差频率控制变频调速系统原理图从图2-1可知系统由速度调节器、电流调节器、函数发生器、加法器，整流与逆变电路，PWM控制电路，异步电动机及测量电路等组成，其中异步电动机由SPWM控制逆变器供电。转速调节器ASR的输出是转差频率给定值,表转矩给定。函数发生器输入转差频率产生。信号，并控制定子电流。以保持为恒值
13、；加法器对转差频率和转速信号求和得到变频器的输出频率。从而实现三相异步电机变频调速。2.2 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（2.251HZ），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。2.3 用单片机控制的电机交流调速系统设计2.31 调速系统总体方案设计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。
14、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。调速系统总体结构图见图2-2所示。 图2-2 调速系统总体结构图如图2-2所示，系统主电路由二极管整流电路、SPWM逆变器和中间直流电路等组成，都是电压源型的，采用大电容C1滤波，同时兼具无功功率交换大的作用。为了避免大电容在合上电源开关后通电的瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入电抗，刚通上电源时，由L1限制充电电流，
15、然后经过一段时间延时，L失去限流作用，使电路正常供电。2.32元器件的选用1. 8255的资料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2-3所示。由图可知，8255共有40个引脚，各引脚功能如下：图2-3 8255引脚图2. ADC0809的资料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2-4所示。由引脚可见，ADC0809共有28个引脚，采用双插直列示封装图2-4 ADC0809 引脚图3. SA
16、8282的资料SA8282是MITEL公司推出的一种用于三相SPWM波发生和控制的集成电路，它与微处理器接口方便，内置波形ROM及相应的控制逻辑，设置完成后可以独立产生三相PWM波形，只有当输出频率或幅值等需要改变时才需微处理器的干预，微处理器只用很少的时间控制它，因而有能力进行整个系统的检测、保护和控制等。基于SA8282和89C51的变频器具有电路简单、功能齐全、性能价格比高、可靠性好等优点。图2-5 SA8282的引脚排列图4. AT89C51的资料AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Rea
17、d Only Memory）的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图2-6所示 图2-6 AT89C51的管脚排列图2.33 系统主回路的设计以及
18、参数计算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2-7如下所示：图2-7 系统主回路电路图整流采用三相桥式不可控整流器，L、C1、C2组成滤波电路，Rb用来吸收制动能量。整流逆变电路采用的是GRT三相桥式PWM逆变器。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QCA50A100A三块，作为大功率开关管。QCA50A100A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
19、参数为：,，它的内部结构图如图2-8所示。图2-8 QCA50A100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
20、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，取实际的电感为100mH。选择一台电感量为100mH，额定电流不小于6.4A的电抗器L。3. 调节器的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： （2-4）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2-9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。为线性调节区，当时，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。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。
21、当确定后，通过调节电位器，就能改变积分系数，整定方便。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，,通过实验确定。a) 控制结构框图 b） 控制曲线图2-9 控制结构框图和曲线图2.34 SPWM控制信号的产生在本系统中，控制信号用SA8282大规模集成块来产生。电动机转速的调节是通过调频，调压实现的。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波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），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刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间
22、宽的一系列等幅不等宽的矩形波。如图2-11为其调制原理图。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。正弦调制波在半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也在正负之间变化，也称为双极性控制方式。将三相电压和幅值为频率为的三角载波分别送到三个独立的比较器，比较器的输出一方面接到相应的上桥臂开关作为驱动信号，另一方面经过反相后接到相应的下桥臂开关作为驱动信号，在系统主回路电路图图2-10中参考波是U相，则其直接输出将驱动V1开关，反相输出驱动V4开关。将三相参考波和载波放在同一个坐标系上，则如图2-11所示，以为例，
23、当时，为高电平，则驱动V1导通，V4截止，图2-10 SPWM调制原理图图2-11 SPWM逆变器电压波图形；当时，为低电平，V1截止，V4导通，输出都波形为双极性。更为实际的是SPWM逆变器往往加上调节器，加上调节器后，实际的是输出电压与参考电压或指令电压比较后作为调节器的输入，其输出形成相应的,，这样输出总是跟随者指令电压变化。在模拟电子电路中，采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现SPWM的双极性控制；改成数字控制后，开始时只是把同样的方法数字化，称做“自然采样法”而在工程上，采用的是简化后的“规则采样法”。在本设计中，SA8282控制脉冲波的输出采用数字方法，数字方法是按照不同的
24、数字模型用计算机算出各切换点并将其存入内存 然后通过查表及必要的计算生成波，从而实现以软件方式控制的，在SA8282的ROM中储存有脉冲表，SA8282可通过查表得知应该输出的脉冲的频率与幅值，从而可以控制电机的转速与输出转矩。AT89C51则通过检测电路检测的图2-12 AT89C51与SA8282连接电路图数据通过P0口向SA8282的AD口传送数据，使SA8282输出相应的脉冲波，从而达到转差频率控制电动机的交流调速。2.35光电隔离及驱动电路设计SA8282输出的PWM控制信号功率很小，无法直接驱动GTR，要经过脉冲功率放大才能驱动GTR，脉冲功率放大电路选用模块EX359。该模块是一
25、图2-13 EX359驱动模块内部结构个带有光隔离的功率放大电路，其电源电压为12V，输入信号5V，输出电压（对应GTR导通）和-2V（对应GTR关断），工作频率为2.5，可驱动50A以下的逆变器，其内部电路如图2-13所示。2.36故障检测及保护电路设计故障检测及保护电路如图2-14所示，该电路采用电阻取样的电压、电流保护电路，通过调节电位器RP1、RP2来设定最大的允许电压、电流值。电路中C1、C2接8255的C 口中的PC2、PC3，O端接SA8282的CLK。图2-14 过电流，过电压保护电路控制端这样保护电路可通过门1输出控制信号的封锁SA8282输出的PWM控制信号，断开主回路电源
26、。A1、A2接8255的C 口中的PC4、PC5，通过PC4、PC5输入故障信号，用以检测故障类型。2.37 模拟量输入通道的设计由于本次设计中选用的AT89C51单片机没有模数转换器所以需要在外部电路中加上模数转换电路。经过考虑选用的是ADC0809芯片。它能完成8路模拟量的转换，为了削弱反馈信号中的交流分量，在需在反馈信号输入前加一RC滤波电路，取，对应的时间常数为。第3章 系统软件的设计3.1 主程序的设计主程序框图如图3-1所示。先进行芯片初始化，然后，清系统工作区，开放89C51外部中断，启动软件定时器10ms(采样周期)。所以，系统初始化完毕，进入控制循环：测速中断服务（,和,运算
27、，查表求出）可逆切换程序输出控制量测速。 图3-1 系统主程序框图3.2 转速调节程序转速调节程序即为软件定时器O的中断服务程序，其程序框图如图3-2所示。在转速调节程序中，完成转速、的采样，进行PI运算，求出频率指令信号，然后查表求得分频系数。图3-2 转速调节程序框图3.3 增量式PI运算子程序增量式PI运算子程序框图如图3-3所示，它包括按图所示控制曲线计算转差频率增量, 由求出转差频率控制量，再由求出频率指令信号,再由AT89C51单片机向SA8282发出调频指令。 图3-3 增量式PI运算子程序框图3.4故障处理程序故障处理程序即为89C51外部中断服务程序，其程序框图如图3-4所示
28、。 图3-4 故障处理程序3.5 部分子程序3.51 AD0809的编程对0809的编程，采用延时的方法Main: MOV R1, #DATA MOV DPTR, #7FF8H MOV R7, #08HLOOP: MOVX DPTR, A MOV R6, #0AHDLAY: NOP NOP NOP DJNZ R6,DLAY MOVX A,DPTRMOV R1,A INC DPTRINC R1DJNZ R7,LOOP3.52 8255的编程工作在方式0，C口作为输出 。MOV A,#90HMOV DPTR,#0FF7FHMOVX DPTR, AMOV DPTR,#0FF7CHMOVX A,DPT
29、RMOV DPTR,#0FF7DHMOV A,#DATA1MOVX DPTR,#0FF7EHMOV A,#DATA2MOVX DPTR,A结 论变频调速这一技术正越来越广泛的深入到行业中。它的节能、省力、易于构成自控系统的显著优势应用变频调速技术也是改造挖潜、增加效益的一条有效途径。尤其是在高能耗、低产出的设备较多的企业，采用变频调速装置将使企业获得巨大的经济利益，同时这也是国民经济可持续发展的需要。 在毕业设计这段时间中,通过多次的修改，终于圆满完成了此次毕业设计。此次毕业设计，我学到并掌握PWM技术的主体思路和方法。同时，也锻炼了我的学习能力、工作能力，并培养了我的吃苦精神、合作精神，为我
30、即将走向工作岗位打下了良好的基础。存在的不足之处请老师加以指导。参考文献1 张和生电机学系统理论D 太原：太原理工大学，19982 刘家钰,齐春松. 电厂风机(泵)变频调速技术经济分析a. 电厂高压电动机变频调速装置c. 中国电力技术协会,中国电力器乐联合会科技服务中心3 白恺.火力发电厂大型电动机应用变频调速技术的可行性a. 电厂高压电动机变频调速装置c. 中国电力技术协会,中国电力器乐联合会科技服务中心4 罗春民.我国变频调速技术的发展概况J.广东科技，2007,(04)5 顾绳谷.电机及拖动基础M.北京：机械工业出版社，2004.6 王兆安，黄俊.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2
31、005.7 陈振民.晶闸管交流调压调速在低速风洞中的应用J.振动、测试与诊断，1998，第15卷第4期：52-55.8 刘祖润，胡俊达.毕业设计指导C.北京：机械工业出版社，1995.9 机械电子工业部，天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册C.北京：机械工业出版社，1990.10 王桂良，孙明义.单片微机实用技术M.成都：四川大学出版社，2003.11 刘竞成.交流调速系统M.上海：上海交通大学出版社，198412 刁永锋，王得生.单片机控制双向晶闸管三相调压接口电路J.四川师范学院学报，1994，第15卷第4期：360-363.13 毕大强.实心转子感应电动机设计方法与调压调速控制的研究D.北：机械工业出版社，1998.14 刘凤君正弦波逆变器M北京：科学出版社，200215 徐志跃基于SA4828的变频器设计J电气传动，2006.16 吴忠智,吴加林.中高压大功率变频器应用手册M.北京.机械工业出版社,2003.242012届 分类号：TH703单位代码 ：10452本科专业职业生涯设计基于单片机控制的交流调速系统设计姓 名 李家龙 学 号 20080780238 年 级 2008级 专 业 电气工程及其自动化 系（院） 汽车学院 指导教师 霍建振 2011 年 12 月 23 日评阅意见： 指导老师签名： 日期： 2014年 月 日 1