课程设计（论文）-基于单片机控制的交流电机调压调速系统的设计.doc

基于单片机控制的交流电机调压调速系统的设计基于单片机控制的交流电机调压调速系统的设计 引言 近年来由于微型机的快速发展，国外交直流系统数字化已经达到实用阶段。 由于以微处理器为核心的数字控制系统硬件电路的标准化程度高，制作成本低， 且不受器件温度漂移的影响，且单片机具有功能强、体积小、可靠性好和价格 便宜等优点，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱之一。其控制软件 能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适 应、非线性、智能化等控制规律。所以微机数字控制系统在各个方面的 性能都 远远优于模拟控制系统且应用越来越广泛。 在现代工业企业中，绝大多数工作机械的运行时由电动机拖动的，因而掌 握拖动系统的调速知识是十分重要的。电动机调速分为直流调速和交流调速。 直流电动机的调速性能好，因此在调速领域中曾一直占主导地位。交流电动机 与直流电动机相比，具有结构简单、构造方便、成本低廉、运行可靠、坚固耐 用、运行效率高等许多优点，以前未得到大规模的应用，主要是由于调速困难。 随着现代科学技术的高速发展，现代电力电子技术、微电子学、现代控制理论、 微机控制技术等为交流电机调速提供了全新的理论和技术，使得交流电力拖动 系统逐步具备了宽的调速范围、高地稳速范围、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。可以说，自 20 世纪 80 年代开始 交流调速技术就已进入了一个新的时代，也就是可以与直流调速相媲美并逐渐 取而代之占据电力传动主导地位的时代。 本文主要内容是研究采用单片机控制的调压调速系统，通过软件编程控制 电动机的变压调速。 第一章第一章 绪论绪论 1.1 电动机调速系统的发展概况及趋势电动机调速系统的发展概况及趋势 在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作 用。无论是在工业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务与办公 设备中，还是在日常生活中的家用电器中，都大量地使用着各种各样的电动机。 据资料统计，现在有 90%以上的动力源来自于电动机。我国生产的电能大约有 60%用于电动机。可见，电动机与人们的生活息息相关、密不可分。 我们知道，动力和运动是可以相互转换的，从这个意义上讲，电动机是最 常用的运动源。对运动控制的最有效的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，现在国外已将电动机控制改为运 动控制。 对电动机的控制一般可分为简单控制和复杂控制两种：简单控制是指对电 动机进行启动、制动和顺序控制，这类控制可通过继电器、可编程控制器和开 关元件来实现；复杂控制是指对电动机的转速、转角、转矩、电压和电流等物 理量进行控制，而且有时往往需要非常精确。以前对电动机简单控制的应用比 较多，但是现在人们对电动机控制水平要求越来越高，使电动机的复杂控制逐 渐成为应用主流，其应用领域非常广泛。 交流调速基本上是由异步电动机调速和同步电动机调速两大部分组成。其 中，笼型异步电动机结构简单、坚固耐用、维修工作量小、运行效率高、转动 惯量小、动态响应快，因此在工艺上可以达到高电压、大容量、高转速的效果。 但是，异步电动机功率因数不高，与等容量同步电动机相比，所用变频装置容 量要偏大。尽管普通的同步电动机在结构上要比笼型异步电动机复杂，但却比 直流电动机简单，与等容量的直流电动机相比，它具有效率高、过载能力大、 体积小、转动惯量小，维护简单等优点，并且可以达到大容量、高转速和高电 压的技术工艺水平。与异步电动机调速系统相比，同步电动机具有功率因数高、 效率高、调速性能好等方面的优势，尤其适用于低转速负载不断冲击的生产机 械工作环境下。在结构上，同步电动机（除永磁式外）在转子侧需加一套励磁 装置，和笼型异步电动机相比，增加了一定的维护工作量。同步电动机矢量控 制比异步电动机复杂，需准备监测转子装置或转子磁链位置。当前，异步电动 机调速和同步电动机调速在电气传动领域中都占很大比重，成为电气传动的主 流。 从 20 实际后半叶开始，控制系统硬件已由模拟技术转向数字技术。微型计 算机在性能、速度、价格、体积等方面的不断发展为现代交流调速技术实现提 供额重要保证。现在 16 位以及 32 位微处理机应用十分广泛，由于微处理机的 运算速度高且价格较低，使得交流调速系统可以采用全自动化控制，这样不仅 使传动系统获得高精度、高可靠性，还为新的控制理论与方法提供了物质基础。 从发展趋势上看，交流数字调速有以下两个发展方向：采用专用的硬件、 大规模集成电路（IC） 。研制交流调速系统专用的 IC 芯片，可以控制系统硬件小 型化、简单化。如富士电机公司推出的变频器采用专用数字信号处理器（DSP） 芯片，并采用金属化表面技术（MST） ，是变频器体积更小，可靠性更高。采 用通用计算机硬件，软件模块化、可编程化。 1.2 现代交流调速的主要类型现代交流调速的主要类型 异步电动机 目前，异步电动机应用较广泛的调速系统有如下几种典型类型。 1、 转速开环的变频调速系统 采用转速开环、恒压频比，并且带低频电压补偿的控制方式。其控制系统结构 简单、成本低、风机、水泵等节能调速常用这种系统。 2、 转速闭环转差频率控制的 PWM 变频调速系统 利用电动机稳定运行时，在转差率 S 很小的范围内，当磁通不变时，转矩与转 差角频率成正比的关系来实现电动机的较高性能的调速，但此系统动态性能还 不够理想。 3、 转速、磁链双闭环矢量控制的电流滞环型 PWM 变频调速系统 应用矢量控制理论，对转速、磁链进行分别控制，由于又采用了滞环电流跟踪 型 PWM 逆变器，使该系统动态性能好，再配有精确的磁链观测器，该系统可 达到与直流电动机调速系统相媲美的程度。 4、 异步电动机直接转矩控制系统 此系统利用直流转矩控制方法，直接在定子坐标系中计算和控制电动机的磁通 和转矩，实时控制气息磁通矢量按圆形轨迹运行，使转矩相应时间限制在一个 节拍以内，且无超调，动态性能比矢量控制还好，技术指标大大超过直流调速 系统。 5、 双馈电动机亦称同步串级调速 它是定子由电源电网供电、转子由变频器电源供电的绕线型异步电动机。 同步电动机 同步电动机调速是交流调速的量大分支之一，是近些年来发展起来的一门新技 术，在电气传动中占有很重要的地位。随着电力电子技术、微电子学、现代控 制理论、微机控制进一步发展，同步电动机调速系统将会更加完善，在国民经 济各个部门得到更广泛应用，成为取代直流调速系统的重要力量。同步电动机 调速系统目前有如下几种典型类型。 1、 永磁同步电机调速系统 此系统主要用于小于 10KW、要求有良好的静态性能和动态响应的伺服装置中。 2、 交-直-交型负载换向同步电动机控制系统 此系统又称为“无换向器电动机”,它的功率可达几十兆瓦，已实现全数字化， 可用于负载平稳的高速传动设备中。 3、 大容量交-交变频器供电的同步电动机矢量控系统 此系统用于低速大型无齿轮传动中。 4、 开关磁阻电动机调速系统 此系统是由电动机、角位移传感器、功率电路和控制电路组成的机电统一体， 各部分密切结合，缺一不可。可用于轻工、化工、冶金等行业取代直流调速系 统。 1.3 交流调速系统交流调速系统 20 世纪 70 年代以后，大规模集成电路计算机控制技术的发展，以及现代控制 理论的应用，使交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速精度、 快的动态响应以及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 与直流拖动相媲美。 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，就交流系统的目 前发展水平而言，可概括如下： （1） 已从中容量等级发展道大容量、特大容量等级，并解决了交流调速性能 指标问题，填补了直流调速系统在特大容量的空白。 （2） 可以使交流调速系统具有高的可靠性和长期连续运行的能力，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 以得到和支路调速系统的良好的性能外，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。 交流调速技术中，交流电动机的调速方法有三种：变极调速、改变转差率调速 和变频调速。 1.4 选题的科学依据、意义选题的科学依据、意义 以前电动机大多使用由模拟电路组成的控制柜进行控制，现在单片机已经 开始取代模拟电路作为电机控制器。它有如下特点： （1） 使电路更简单：在模拟电路中，为了实现控制逻辑需要采用许多电 子元件，电路比较复杂。采用单片机后，绝大多数控制逻辑可以 通过软件来实现。 （2） 可以实现比较复杂的控制：单片机具有更强的逻辑运算功能，运算 速度快、进度高，一般都有大容量的存储单元，因此有能力实现 复杂的控制等。 （3） 灵活性和适应性：单片机的控制方式是由软件完成的。如果要修改 控制规律，一般不需要改变系统的硬件电路，只需要修改程序即 可。在系统调试和升级的时候，可以不断城市选择不同的参数， 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到的 零点漂移问题。无论被控量的大与小，都可以保证足够的控制精 度。 （5） 多机联网工作，提供人机界面：新型单片机内多嵌有各种总线，可 以方便的进行联网通信，实现多机联网工作；能够和上位机进行 通信，提供可视化人机界面，方便进行调节和控制。 本课题主要涉及和研究采用单片机作为晶闸管触发器和电机控制器，最初 的电机控制器都是采用分立元件的模拟电路，后来随着技术的发展，集成 电路甚至专用电机控制电路被大量的使用。这些技术大大提高了电机控制 器的灵活性、可靠性和抗干扰能力，又缩短了新型电机控制器的陈品开发 周期，降低的研发费用，因而近年来发展较快。但专用集成电路之间并无 统一标准，所以产品及其分散，且不断地有新产品的出现。为满足一次设 计的需要，往往要花费很大的力气和时间去收集整理资料。当前电机控制 器的发展方向越来越趋于多样化和复杂化，现有的专用集成电路未必能满 足苛刻的新产品的开发要求，为此可考虑开发电机的新型单片机控制器。 现在市场上通用的地阿基控制器大多数采用单片机和 DSP.但是以前单片机 处理能力有限，对采用复杂的反馈控制系统，由于要处理的数据量大，实 时性和精度要求高，往往不能满足设计要求，其性能得到了很大的提高， 价格比 DSP 低的多，其相关的软件和开发工具越来越多，功能越来越强， 但价格却不断降低。现在越来越多的厂家采用单片机来提高性价比。 1.5 选题的研究内容选题的研究内容 本课题采用闭环控制系统设计，利用 80C51 单片机进行处理，0809 和 0832 转 换器进行模拟量和数字两之间的转换，控制触发电路，使用编码器进行测速反 馈经 0832 和给定速度经 PID 调节反馈给计算机，当电路出现过电流或者过电压 时反馈给单片机进行处理。 第二章第二章 设计原理设计原理 2.1 交流调速方案 由电机学已知，异步电动机的转速为 1 60 1ns p f 式中， 异步电动机定子电压供电频率 1 f 异步电动机的磁极对数p 异步电动机的转差率s 所以调节交流电动机的转速有三种方案 2.1.1 改变电动机的磁极对数 通过改接定子绕组的连接方式来得到不同的极数和转速。这一方法适用与 不需要平滑调速的场合。调速时低速的人为特性较硬，静差率较高，经济性较 好。变极调速是改变异步电动机的同步转速n=60f1/P，故一般称变极调速的电 动机为多速异步电动机。 2.1.2 变频调速 通过改变定子绕组的供电频率f1是可以调速的。当转差率s一定时，电动机 转速n基本上正比f1，很明显，只要有输出频率可平滑调节的变预电源，就能平 滑、无级地调节异步电动机的转速。变频调速主要用于笼型异步电动机，性能 优异，调速范围大，平滑性高，低速特性较硬，调速过程中如保证电压频率成 正比变化，可实现恒转矩调速，并保持过载能力不变。其缺点是必须要有专用 的电源，低速时可能因转矩大为降低而带不动负载。 2.1.3 变转差率调速 0 0 S nn n n0 同步转速 常用改变转差率的方案有改变异步电动机的定子电压调速、采用滑差电动 机调速、转子电路串电阻调速以及串级调速。前两种方法适合于笼型异步电动 机，后者适合于烧线式异步电动机。这些方案都能使异步电动机实现平滑调速， 但共同的缺点是在调速过程中存在转差损耗，这消耗在转子电路中，使转子发 热，系统效率降低。 在不计定子绕组铜耗条件下，变转差率调速系统最大可能的效率定义为 输出机械功率P1和输入电功率PS之比。 21Nrs sNss MP PM 1s Mn 电动机额定电磁转矩 s 定子旋转磁场角速度 r 一 转子旋转角速度 2 转子转差角速度 随着转差率s的增大，系统效率降低。 绕线转子异步电动机一般采用转子电路串联电阻及串联电动势（即串级调速） 两种调速方法。前者损耗较大，效率低，调速指标都不高，范围不大，平滑性 差，低速特性较软，但因比较简单，在恒转矩负载下应用较多；后者（串级调 速）可用晶闸管等装置接入转子电路，达到平滑调速的目的。晶闸管串级调速 的性能优异，转差功率可反馈至电网，调速效率高，经济性较好，便于向大容 量发展，最适用于通风机负载，也可用于恒转矩负载，晶闸管等串级调速与直 流调速系统比较，在同等功率条件下，设备、指标差不多。但直流电动机用铜 量大得多，维护复杂，价格要贵23倍，在向大功率发展时，直流电动机制造 困难，而异步电动机便于制造，且采用铝导线后可节约大量的铜。如将晶闸管 串级调速与交流换向器电动机比较，后者用铜量大，换向困难，维护复杂，而 且调速性能也不如前者。 笼型异步电动机采用改变定子电压、滑差离合器及脉冲调速等调速方法，都 属于能耗转差的调速方法，其共同的特点是转差功率都消耗在笼型转子或滑差 离合器的电枢电路中，调速时发热；较为严重，效率不高。它们只能在功率不 高的生产机械上。 以上三种调速方案，变极对数P调速和变频调速属于改变同步转速n0的调速 方案，在调速过程中，转差率s是一定的，故系统效率不会因调速而降低， 而 变转差率调速属于不改变同步转速的调速方案，存在着调速范围愈宽，系统效 率愈低的问题，经济性较差。 2.2 异步电动机调压调速原理 通过改变异步电动机的定子电压进行调速，是一种比较简单的调速方法。早在二三十 年以前，人们就已经开始采用在感应电动机定子上接如调压变压器或饱和电抗器等方式对 感应电动机进行调压调速了，以饱和电抗器为例，它有一些重大的缺点：比较笨重，成本 较高，动态响应慢等等。电力电子技术的发展，开辟了调压调速的新途径。由于晶闸管调 压电路用闭环系统可实现平滑调速，得到低速硬特性与较大的调速范围，且具有结构紧凑、 轻便、成本较低，动态响应较快等优点，它已经取代了笨重的饱和电抗器等。在中小容量。 且对性能指标的要求不十分高的场合，得到了广泛的应用。 调压调速即通过调节通入异步电动机的三相交流电压大小来调节转子转 速的方法。交流异步电动机的电磁转矩表达式为： 2 2 1 1 2 2 0 2 112 s TN m s r Um r xxr 式中: s 一一电机转差率 m1 一一电机定子的相数 0 一一转子同步机械角速度 r1 一一定子绕组电阻 x1 一一定子绕组漏电抗 r21 一一折算到定子边的转子电阻 x21 一一折算到定子边的转子漏电抗 其他参数恒定的情况下，电磁转矩T与定子的相电压有效值U1平方成正比。在一 定的负载转矩下，定子的相电压有效值U1的变化引起电动机转差率S的变化，而 同步转速你n未变，则电动机的转速发生变化。 在调定子相电压有效值时，交流异步电动机的临界转差率Sm和同步转速n都不变， 使电动机在恒定负载下的调速范围只在0-SM之间，如下图图1-1。从图中还可以看 到，如果是风机性负载，其调速范围就可以大一些。 图1-1 当今用于交流调压调速系统中的电动机一般是采用高转子电阻的交流力矩电动机。因为这 种电动机的转子绕组电阻r2很大，这样就增加了交流异步电动机的临界转差率Sm, 有时甚至接近1，采用交流力矩电动机进行调压调速，扩大了调速范围，交流力 矩电动机机械特性见图1-2所示： 0 S A B C 0.5U 1N U1N 0 0.7U2N Te TL 图1-2 调压调速过去常用的方法是在异步电动机定子回路串入饱和电抗器LS，或在定 子侧加自耦调压器TU。晶闸管出现以后，由于它几乎不消耗铜、铁材料，体积 小、重量轻、控制方便，因此晶闸管组成的调压器，现已成为交流调压器的主 要形式。如下图1-3所示： 图1-3 晶闸管调压器通常采用相位控制。这种控制方式中，控制晶闸管的触发角， 就可以对输出交流基波电压有效值进行控制，对不同的触发角，负载电压波 形Ur=f(t)不同，触发角越大，负载上的电压面积越小，负载上的交流基波电 压有效值越低，从而起到了调整交流电压的作用。当然，负载上的电压波形除 了含有基波电压外，还含有高次谐波成分，这对电网造成谐波污染。 在晶闸管调压调速系统中，晶闸管可借负载电流过零进而自行关断，不需 要另加换流装置，故线路简单、调试容易、成本低廉，调压调速在低速时由于 电动机的转差损耗增大，致使电动机发热严重。因此，改变定子电压的调速方法一 般适用于高转差笼型异步电动机，也可用于绕线转子异步电动机，在其转子电路中可串联 一段电阻。如果用于普通的笼型异步电动机，则必须在低速时欠载运行，或短时工作。在 低速时可用他扇冷却方式，以改善电动机的发热情况。调压调速多用于一些调速范围 不大（S较小）或属于短时工作制以及短时重复工作制中、小功率调速系统中。 例如：电梯、起重机械等。 改变定子电压调速方法的缺点是，调速时的效率较低，功率因数比转子串联电阻是更 低。调压调速也称为降压调速，因为异步电动机的工作电压不允许超过额定值，调节电压 需在额定电压以下进行。其一般采用笼式交流异步电动机，用晶闸管可控硅调压电路调节 其定子电压，从而实现调速。 第三章第三章 控制系统控制系统 31 闭环控制系统闭环控制系统 异步电动机变电压调速时，若采用普通的电动机则调速范围很窄，采用高转子电阻的力矩 电动机时，调速范围虽然可以大一些，但机械特性变软，负载变化时的静差率太大。开环 控制很难解决这个问题。对于恒转矩性质的负载，调速范围要求在 D1 时，一般采用带转 速负反馈的闭环控制系统如下图所示： 调速性能要求不高时也可以用定子电压反馈代替转速反馈信号。 上图（b）所示的是（a）所示的闭环调速系统的静特性。如果该系统带负载 T 在 A 点运行 时，当负载增大引起转速下降时，反馈控制的作用能提高定子电压，从而在新的一条机械 特性上找到工作点 A1，同