基于单片机控制的单相变频调速系统.doc

毕业设计说毕业设计说明明书书 基于单片机控制的单相变频调速系统 系 、 部： 电气与信息工程系 专 业： 电气自动化技术 班 级： 学 号： 4 学生姓名： 指导教师： 职称 博士 完成时间： 2009-5 摘摘 要要 随着变频调速技术的发展，变频器调速已成为交流调速的主流，在化纤、 2 纺织、钢铁、机械、造纸等行业得到广泛的应用。变频器控制面板上配有键盘 及液晶显示窗口，但只能实现手工操作，为了进行自动化控制，因此引进单片 机技术，实现单片机与变频器之间的数据通信，提高变频器的控制能力和控制 范围。 利用单片机组成的变频调速控制器，可以实现从低频(12Hz)起动到 50Hz，可以消除以往工作频率 50Hz 直接起动对电机的冲击，延长电机的使用寿 命，同时由于变频器的输出电压可以自适应调节，使负载电机可以工作在额定 电压以下，不仅节能且可延长电机的使用寿命。 本文将介绍基于单片机控制的变频调速系统的设计，通过此系统控制变频 器，由变频器去控制电机的转动 关键词关键词：变频调速，单片机，电机, SIMULINK 3 Abstract With VVVF technology development, the frequency converter adjust velocity in exchange has become the mainstream, and it obtains the widely application in some professions, such as chemical fiber, textile, steel and iron, machinery, papermaking and so on. There are keyboard and liquid crystal to demonstrate window on the frequency converters control of face, but it can only realize manual operation, for realize the automatic control so we introduce SCM technology, as the result, between MCU and the frequency changer data communication can enhance the control ability and area of the frequency changer. Composed with SCM of the VVVF controller being able to start from low frequency (12Hz) to 50Hz.It can remove the working band in the past 50 Hz start the impingement to the electric motor directly. At the same time, since the frequency converter can adjust output voltage fit in with itself, making loads motor can work under fixed voltage, which not only energy conservation but also prolong the life time of the motor. The paper will describe the design of the VVVF system based on the SCM controlled, and through this systems control frequency converter, then control the motor rotating, realization simulation to mine pit in host and vice well, in order to demonstrate the process of mine pit, it can achieve a process of the five states by both manual and automatic way, real time display host and vice well depth. Keywords: VVVF，Single-Chip Computer，Motor 4 目目 录录 1 1绪绪 论论 5 1.1 选题的目的和意义5 1.2 国内外研究综述6 1.3 PWM 控制技术的原理及研究现状 8 1.4 开发工具简介 11 1.4.1 KEIL Cx51 11 1.4.2 PROTEUS 13 1.4.3 MATLAB/SIMULINK 15 2 2 系统硬件设计系统硬件设计 9 2.1 单片机控制系统9 2.2 变频器电路12 2.3 驱动电路14 2.4 过流保护电路15 3 3 系统软件设计系统软件设计 18 3.1 主控制模块设计18 3.2 键盘模块设计18 4 4 系统测试系统测试 25 4.2 软件测试26 5 5 问题及展望问题及展望 31 5.1 已经解决的问题及解决方案31 5.2 系统中的不足及展望32 致致 谢谢 33 参考文献参考文献 34 5 1 1 绪绪 论论 1.1 选题的目的和意义 随着变频调速技术的发展，变频器调速已成为交流调速的主流，在化纤、 纺织、钢铁、机械、造纸等行业得到广泛的应用。变频器是基于电子技术、计 算机技术和自动控制理论发展起来的电子电气设备，用户可以直接操作变频器 上配有的手工操作键盘，设定运行参数，发出命令，但毕竟操作复杂，容易出 错。为了方便大数用户的使用，必须寻求另外的解决方式，采用单片机对电动 机进行控制成为实现电动机数字控制的最常用的手段。随着单片机技术的日新 月异，特别是高性能价格比的单片机涌现，使得许多控制功能及算法可以采用 软件技术来完成，为电动机的控制提供了更大的灵活性。 随着电力电子技术的日益发展和 PWM 控制技术的成熟，利用单片机组成的 变频调速控制器可以实现从低频(12Hz)起动到 50Hz，可以消除以往工作频率 50Hz 直接起动对电机的冲击，延长电机的使用寿命，同时由于变频器的输出电 压可以自适应调节，使负载电机可以工作在额定电压以下，不仅节能且可延长 电机的使用寿命。 基于单片机控制的变频调速系统是河南理工大学工矿技术开发公司委托开 发的一个项目，这个项目主要用于对矿井中主、副井提升机的模拟，以便演示 矿井的工作过程，要求以手动和自动两种方式实现，并能实时显示主、副井提 升机的深度。为此设计的控制系统，以单片机为核心，在键盘、显示和数-模转 换当中采用模块化设计，这样不但易于编程，而且方便对系统的整体调试。 项目的开发目的主要是用作教学模型，如果实现的效果好，会非常便于演 示，能够很好的配合教师教学，也能帮助学生更好地理解矿井中主、副井提升 机的工作过程，如果效果不好，也会影响教学。 通过此项目的研究，理论联系实际，丰富了自己项目开发的经验，也为社 会做出了一定的贡献，缓解教师的教学压力，活跃了课程气氛。 6 1.21.2 国内外研究综述国内外研究综述 在电气传动技术飞速发展的同时，电子技术和计算机技术的发展，使提升 机的电气控制系统更是日新月异。早在七十年代，国外就将可编程控制器应用 于提升机控制，八十年代初，计算机又被用于提升机的监视和管理。此时期一 些著名的提升机制造公司，如西门子、ABB、ALSTHOM 都利用新的技术和装备， 开发或完善了提升的安全保护和监控装置，然而，国内在提升机电控技术方面 没有多少进展，曾以很昂贵的价格从国外引进一些提升机电控设备，有的是晶 闸管数字直流调速系统，有的是交交变频的现代交流调速系统。随着变频调 速技术的发展，目前，对矿井中提升机的控制主要是通过变频器。 国外交流变频调速技术正处于高速发展阶段，法国阿尔斯通已能提供单机 容量达 3 万 kW 的电气传动设备用于船舶推进系统；意大利 ABB 公司提供了单机 容量为 6 万 kW 的设备用于抽水蓄能电站；德国西门子公司 Simovert A 电流型 晶闸管变频调速设备单机容量为 102600kVA 和 Simovert P GTO PWM 变频调速 设备单机容量为 100900kVA，其控制系统已实现全数字化，用于电力机车、 风机、水泵传动；日本富士 BJT 变频器最大单机容量可达 700kVA，IGBT 变频器 已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。然而，从总体上看我国电气 传动的技术水平较国际先进水平差距 1015 年，国内只有少数科研单位有制造 大功率变频器的技术，在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。在中 小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的 V/f 控制，仅有少量的 样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年大量进口。 随着计算机技术的发展，无论是生产还是生活当中，人们对数字化信息的 依赖程度越来越高。如果说计算机是大脑，网络是神经，那么电机传动系统就 是骨骼和肌肉。它们之间的完美结合才是现代产业发展方向。为了使交流调速 系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使 交流调速系统实现全数字化控制。 单片机已经在交流调速系统中得到了广泛地应用。例如由 Intel 公司 1983 年开发生产的 MCS-96 系列是目前性能较高的单片机系列之一，适用于高速、高 精度的工业控制。其高档型：8196KB、8196KC、8196MC 等在通用开环交 流调速系统中的应用较多。 7 由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。扩展 卡尔曼滤波、FFT、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等等均应用到了各 种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。因此，DSP 芯片在全数字化的高 性能交流调速系统中找到施展身手的舞台。如 TI 公司的 MCS320F240 等 DSP 芯 片，以其较高的性能价格比成为了全数字化交流调速系统的首选。最近 TI 公司 推出的 MCS320F240X 系列产品更将价格降低到了单片机的水平。 在小功率交流调速方面，由于国外产品的规模效应，使得国内厂家在价格 上、工艺上和技术上均无法与之抗衡。而在高压大功率方面，国外公司又为我 们留下了赶超的空间。首先，国外的电网电压等级一般为 3000V，而我国的电 网电压等级为 6000V 和 10000V；其次，高压大功率交流调速系统无法进行大规 模的批量生产，因为国外的劳动力成本，特别是具有一定专业知识的劳动力成 本较高。 在交流调速的研究与制造过程中，硬件的设计与组装占了相当大的比重。 电机制造以及调速装置的制造需要大批的技术熟练工人，对人员的素质也有一 定要求。而国外相关产业的人工成本相对较高，在近十年内，交流调速的制造 业有可能向发展中国家转移。对中国来说，这也是一个机遇，如果我们抓住这 个机会，再利用本身的市场有利条件，有可能在我国形成交流调速系统的制造 业中心，使我国工业上一个新的台阶。需要注意的是发达国家在高技术领域是 不会轻易放弃的，他们非常注意核心技术及软件的保护和保密，为此，必须加 大该领域的科研与开发的力度。 8 13 PWM 控制技术的原理及其研究现状控制技术的原理及其研究现状 1 PWM 调制原理调制原理 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。这种调制方法称作正 弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，简称 SPWM） ， 这种序列的矩形波称作 SPWM 波。 2. SPWM 控制方式控制方式 如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变 化，所得到的 SPWM 波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。 如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则 SPWM 波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。 单相桥式 PWM 逆变电路 （1）单极性单极性 PWM 控制方式控制方式 tO u a) b) 图6-3 O u t 信号波 载波 图6-4 调制 电路 Ud + V1 V2 V3 V4 VD1 VD2 VD3 VD4 uo R L ur uc 图6-5 uruc u O t O t uo uof uo Ud -Ud 9 （2）双极性）双极性 PWM 控制方式控制方式 SPWM 波形的生成方法分为： 1）用模拟器件实现，称为模拟控制方法； 2）用数字器件实现，称为数字控制方法。数字控制方法有分为三种： a. 微处理机通过软件生成 SPWM 波； b. 使用专门用于 SPWM 控制的集成电路芯片产生 SPWM 波形； c. 采用微处理机和专用集成电路相结合的方法，共同完成控制功能。 目前，SPWM 控制大多使用后两种方法， 二、SPWM 变频器的同步调制和异步调制 载波比 载波频率 ft 与调制信号频率 fr 之比 N，即 N = ft / fr 根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM 调制方式分为 异步调制和同步调制。 （一）异步调制 异步调制 载波信号和调制信号不同步的调制方式。 通常保持 ft 固定不变，当 fr 变化时，载波比 N 是变化的； 在信号波的半周期内，PWM 波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半 周期的脉冲不对称，半周期内前后 1/4 周期的脉冲也不对称； 当 fr 较低时，N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影 响都较小； 当 fr 增高时，N 减小，一周期内的脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的 影响就变大。 （二）同步调制 同步调制N 等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。 基本同步调制方式，fr 变化时 N 不变，信号波一周期内输出脉冲数固定； 三相电路中公用一个三角波载波，且取 N 为 3 的整数倍，使三相输出对称 3 PWM 控制技术的研究现状控制技术的研究现状 长期以来，变压变频调速虽然以其优良的性能受到瞩目，但因为主要靠 图6-6 uruc u O t O t uouof uo Ud -Ud 10 旋转变频发 电机组作为电源，缺乏理想的变频装置而未获得广泛应用。直到电力电子开 关器件问世 以后，各种静止式变压变频装置才得到迅速发展。随着电力电子技术的发展， 变频技术 也在逐步完善。1964 年，德国的 ASchonung 和 HStemmler 率先提出了 脉 变频的思想，他们把通信系统中的调制技术推广应用于交流变频器，但由于 当时开关器 件的速度慢而未得到推广。直到 1975 年才有 Bristol 大学的 SRBowes 等把 S 技术正式应用到逆变技术中，使逆变器的性能大大提高，并得到了广泛的应 用和发展， 也使 PWM 逆变技术达到了一个新高度1。 自从 1983 年 PWM 调制技术出现以来，特别是可关断开关元件的生产 成本的不断 下降，PWM 技术以其灵活多变的调频调压方式和优良性能得到了世界范围 内的广泛使 用，并仍有较大的发展势头。目前，世界上的几个主要的大电气公司所生产 的变频调速 器，基本上都是采用 PWM 调制技术，在大功率方面，考虑到开关损耗的原 因，基本上 采用阶梯波叠加的调制技术。对于电压型逆变器常用的也是应用最广泛的就 是正弦波脉 宽调制方式(SPWM)“1。它包括电压 SPWM、磁通 SPWM(空间电压矢量 SVPWM) 电流 SPWM。电压 SPWM 最大缺点是电压利用率低(输出电压有效值 只为进线电压的 0864 倍)；通常采用过调制方法克服，这使在高压时消除谐波的目的没有 达到，磁通 SPWM 即 SVPWM 具有转矩脉动小、噪声低，电压利用率高(输出电压提高 15)和谐 波电流有效值的总和接近优化(最少)的优点，因此得到广泛应用。而在电流 源逆变器中 应用较多的是梯形 PWM 和特定谐波消除 PWM(SHEPWM)逆变技术3。无 论采用什么 样的调制方式其目的都是为了能够满足电机控制的需要，消除谐波，抑制转 矩脉动和噪 声。目前，有关逆变器及控制方法的研究工作主要是针对电压型逆变器，对 电流型逆变 器研究还较少。 11 1.41.4 开发工具简介开发工具简介 用单片机组成应用系统时，其应用程序的编程、修改、调试，运行结果是否符合设计 要求，软件、硬件故障的判断以及程序固化等等问题，靠系统自身根本无法解决，必须借 助外界的帮助。在方案论证时就必须对关键性的环节进行试验、模拟；在对软件、硬件分 别调试时，有的应用程序较长，必须靠外界对程序进行机器码的翻译；在系统联调时，必 须对软件、硬件各部分进行全面测试，仔细检查样机是否达到了系统设计的性能指标，以 便充分暴露可能存在的问题。要完成以上工作必须依靠开发工具。好的开发工具能够起到 事半功倍的效果。目前支持单片机开发的工具很多，有必要选择使用。 1.4.11.4.1 KEILKEIL Cx51Cx51 单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程 序要变为 CPU 可以执行的机器码有两种方法1：一种是手工汇编，另一种是 机器汇编。目前已极少使用手工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源 程序变为机器码，用于 MCS-51 单片机的汇编软件有早期的 A51,随着单片机开 发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的 开发软件也在不断发展，Keil 软件是目前最流行开发 MCS-51 系列单片机的软 件，这从近年来各仿真厂商纷纷宣布支持 Keil 即可看出。 KEIL 目前的版本是 v8.08，它是一个基于 Windows 的软件开发平台，有一 个功能强大的编辑器、项目管理器和制作工具。uVision3 支持 8051 的所有 KEIL 工具，包括 C 编译器、宏汇编器、连接器、库管理和一个功能强大的仿真 调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境(uVision)将这些部份 组合在一起。运行 Keil 软件需要 Pentium 或以上的 CPU,16MB 或更多 RAM、20M 以上空闲的硬盘空间。 1、建立源文件 使用菜单“File-New”或者点击工具栏的新建文件按钮，即可在项目窗口 的右侧打开一个新的文本编辑窗口，在该窗口中输入以下汇编语言源程序。保 存该文件，注意必须加上扩展名(汇编语言源程序一般用 ASM 或 A51 为扩展名)。 2、建立工程文件 12 在项目开发中，并不是仅有一个源程序就行了，还要为这个项目选择 CPU，确定编译、汇编、连接的参数，指定调试的方式，有一些项目还会有多个 文件组成等，为管理和使用方便，Keil 使用工程(Project)这一概念，将这些 参数设置和所需的所有文件都加在一个工程中，只能对工程而不能对单一的源 程序进行编译和连接等操作。 点击“Project-New Project.”菜单，出现一个对话框，要求给将要建 立的工程起一个名字，不需要扩展名。输入一个名字，点击“保存”按钮，出 现第二个对话框，这个对话框要求选择目标 CPU(即所用芯片的型号)。如果选 择 Atmel 公司的 89C51 芯片，点击 ATMEL 前面的“+”号，展开该层，点击其中 的 89C51,然后再点击“确定”按钮，回到主界面，此时，在工程窗口的文件页 中，出现了“Target1” ，前面有“+”号，点击“+”号展开，可以看到下一层 的“Source Group1” ，点击“Source Group1”使其反白显示，然后，点击鼠标 右键，出现一个下拉菜单，选中其中的“Add file to Group Source Group1 ” ，出现一个对话框，要求寻找源文件，浏览找到所需的文件，将它加 入项目。 工程建立好以后，还要对工程进行进一步的设置，以满足要求。 13 1.4.21.4.2 PROTEUSPROTEUS PROTEUS 系统包括 ISIS.EXE(电路原理图设计、电路原理仿真)、 ARES.EXE(印刷电路板设计)两个主要程序三大基本功能。其中最令人称赞的是 电路原理仿真功能，除有普通分离器件、小规模集成器件的仿真功能以外，还 具有多种带有 CPU 的可编程序器件的仿真功能；具有多种总线、存储器、RS232 终端仿真功能；具有电动机、液晶显示器等特殊器件的仿真功能；对可编程器 件可以灵活地外挂各种编译、编辑工具，使用非常方便。具有多种虚拟仪器帮 助完成实时仿真调试；具有传输特性、频率特性、电压波动分析、噪声分析等 多种图形分析工具、可以完成电路参数和可靠性分析。 电路原理图是有电子器件符号和连接导线组成的图形。在图中器件有编号、 名称、参数等属性，连接导线有名称、连接的器件引脚等属性。电路原理图的 设计就是放置器件并把相应的器件引脚用导线连接起来，并修改器件和导线的 属性。 1、建立设计文件 打开 ISIS 系统，选择文件菜单中的新建，打开图纸选择窗口，选择合适的 图纸类型，确认后自动建立一个缺省标题(UNTITLED)的文件，再选择文件菜单 的另存为，建立自己名称的设计文件。 2、放置对象 根据对象的类别在工具箱选择相应模式的图标。 根据对象的具体类型选择子模式图标 如果对象类型是元件、端点、管脚、图形、符号或标记，从选择器里选 择你想要的对象的名字。对于元件、端点、管脚和符号，可能首先需要从库中 调出。 如果对象是有方向的，将会在预览窗口显示出来，你可以通过点击旋转 各镜象图标来调整对象的朝向。 最后，指向编辑窗口并点击鼠标左键放置对象。对于不同的对象，确切 14 的步骤可能略有不同，但你会发现和其它的图形编辑软件是类似的，而且很直 观。 3、放置连线 如果你想让 ISIS 自动定出走线路径，只需单击另一个连接点。另一方面， 如果你想自己决定走线路径，只需在想要拐点处点击鼠标左键。当你连接了一 条线之后，将鼠标移到另一个器件引脚，双击就可以画出同样的一条线。 在电路设计好后，放置信号源，在 Design 菜单下，选择 Configure Power Rails 弹出对话框，可以选择网络标号所对应的电压(如设置 GND，VCC 的电压 值等)，这样可以给调试带来很大的方便。当虚拟仪器连接好后，编辑窗口左下 角的可以帮助启动仿真过程，所对应的功能分别是：执 行、单步执行、暂停、停止。 15 1.4.31.4.3 MATLAB/SIMULINKMATLAB/SIMULINK MATLAB 是 Matrix Laboratoy 的缩写，它涉及的应用领域宽广，功能强大， 可形象地称之为“虚拟科学实验室”。它主要适用于线性代数、矩阵处理、数值 分析、控制系统的仿真与设计、系统辨识与建模。为信息处理及其他学科研究 提供了强有力的研究工具。MATLAB 软件使用方便，输入简捷，运算高效，内 容丰富，并且很容易由用户自行扩展，编程效率大大提高，使使用者能够腾出 大量的编程时间，集中主要精力于自己感兴趣的问题，深入研究和创造性的工 作。因此，当前已成为发达国家进行科学研究和大学教学最常用的必不可少的 科研和教学工具1。 随着大功率半导体器件的出现和电力电子技术的不断进步，应用半导体变 流装置供电的现代交流电机调速系统性能的优化，调速系统结构的复杂程度不 断增加，这给分析、研究和设计带来了难度。但是 MATLABSIMULINK 的出 现解决了这一问题，它的特点是将专家系统与仿真结合起来，使系统仿真具有 智能功能，它由系统进行构模、实验设计、仿真运行、仿真结果分析和修改模 型等，从而可以大大缩短研究的时间和研究经费。在此基础上，还将进一步发 展为智能化的仿真环境。 本文就是通过六部分主要讲解 VVVF 变频调速的仿真模块的建立及其应用 研究。这六部分分别是：1. 概述；2. SPWM 变频调速系统的基本原理及 SIMULINK 基本原理；3. 主电路仿真模块的建立；4. 控制电路仿真模块的建 立；5. SPWM 变频调速系统仿真模型的建立；6. SPWM 变频调速系统仿真模型 应用研究。Matlab 具有友好的工作平台和编程环境、简单易学的编程语言、强 大的科学计算和数据处理能力、出色的图形和图像处理功能、能适应多领域应 用的工具葙、适应多种语言的程序接口、模块化的设计和系统级的仿真功能等， 诸多的优点和特点。 支持 Matlab 仿真是 Simulink 工具箱，Simulink 一般可以附在 Matlab 上同 时安装，也有独立版本来单独使用。但大多数用户都是附在 Matlab 上，以便能 更好地发挥 Matlab 在科学计算上的优势，进一步扩展 Simulink 的使用领域和功 能。 近几年来，在学术界和工业领域，Simulink 已经成为动态系统建模和仿真 领域中用最为广泛的软件之一。Simulink 可以很方便地创建和维护一个完整地 模块，评估不同地算法和结构，并验证系统的性能。由于 Simulink 是采用模块 16 组合方式来建模，从而可以使得用户能够快速、准确地创建动态系统的计算机 仿真模型，特别是对复杂的不确定非线性系统，更为方便。 Simulink 模型可以用来模拟线性和非线性、连续和离散或者两者的混合系 统，也就是说它可以用来模拟几乎所有可能遇到动态系统。另外 Simulink 还提 供一套图形动画的处理方法，使用户可以方便的观察到仿真的整个过程。 Simulink 没有单独的语言，但是它提供了 S 函数规则。所谓的 S 函数可以 是一个 M 函数文件、FORTRAN 程序、C 或 C+语言程序等,通过特殊的语法 规则使之能够被 Simulink 模型或模块调用。S 函数使 Simulink 更加充实、完备， 具有更强的处理能力。 同 Matlab 一样，Simulink 也不是封闭的,他允许用户可以很方便的定制自 己的模块和模块库。同时 Simulink 也同样有比较完整的帮助系统，使用户可以 随时找到对应模块的说明，便于应用。 综上所述，Simulink 就是一种开放性的，用来模拟线性或非线性的以及连 续或离散的或者两者混合的动态系统的强有力的系统级仿真工具。 目前，随着软件的升级换代，在软硬件的接口方面有了长足的进步，使用 Simulink 可以很方便地进行实时的信号控制和处理、信息通信以及 DSP 的处理。 世界上许多知名的大公司已经使用 Simulink 作为他们产品设计和开发的强有力 工具。 一个典型的 Simulink 模型包括如下三种类型的元素： 信号源模块 被模拟的系统模块 输出显示模块 如图 7.1.1 所示说明了这三种元素之间的典型关系。系统模块作为中 心模块是 Simulink 仿真建模所要解决的主要部分；信号源为系统的输入，它包 括常数信号源函数信号发生器（如正弦和阶跃函数波等）和用户自己在 Matlab 中创建的自定义信号或 Matlab 工作间中三种。输出模块主要在 Sinks 库中。 Simulink 模型并不一定要包含全部的三种元素，在实际应用中通常可以缺 少其中的一个或两个。例如，若要模拟一个系统偏离平衡位置后的恢复行为， 就可以建立一个没有输入而只有系统模块加一个显示模块的模型。在某种情况 下，也可以建立一个只有源模块和显示模块的系统。若需要一个由几个函数复 合的特殊信号，则可以使用源模块生成信号并将其送入 Matlab 工作间或文件中。 Simulink 4 把功能块分成 9 类，分别放置在 9 个库中，如图 7.2.1 所示：源 模块库(Sources)、输出显示库(Sinks)、离散模块库(Discrete)、连续模块库 (Continuous)、非线性模块库(Nonlinear)、数学函数库(Math)、通用函数及列表 库(Functions and Tables)、信号处理及系统类模块库(Signal and Systems)和子系 统模块库(Subsystems)。 模模 块块 名名说说 明明 源模块显示模块系统模块 17 Clock显示或者提供仿真时间显示或者提供仿真时间 Constant产生一个常数值信号产生一个常数值信号 Digital clock产生数字采样时间信号产生数字采样时间信号 Digital pulse generator 产生数字脉冲信号产生数字脉冲信号 From file从文件读取数据输入从文件读取数据输入 From work space从工作间定义的矩阵读从工作间定义的矩阵读 入数据入数据 Pulse generator产生脉冲信号产生脉冲信号 Ramp产生产生“斜坡斜坡”信号信号 Random number产生正态分布的随机信产生正态分布的随机信 号号 Repeating sequence产生周期序列信号产生周期序列信号 Signal generator信号发生器信号发生器 Sine wave正弦波信号正弦波信号 Step产生一个阶跃信号产生一个阶跃信号 Uniform random number 产生均匀分布的随机信产生均匀分布的随机信 号号 表表 1 Source 库库 模模 块块 名名说说 明明 Bus selector有选择的输出信号有选择的输出信号 Configurable subsystem 代表任何一个从指定的库中选择的代表任何一个从指定的库中选择的 模块模块 Data store memory定义共享数据存储空间定义共享数据存储空间 Date store read从共享数据空间读数据并输出从共享数据空间读数据并输出 Date story write写数据到共享数据存储空间写数据到共享数据存储空间 Date type conversion将信号转换为其它数据类型将信号转换为其它数据类型 Demux将一个向量信号分解输出将一个向量信号分解输出 Enable为子系统增加激活断口为子系统增加激活断口 From从一个从一个 Goto 模块接受信号模块接受信号 Goto传递信号到传递信号到 From 模块模块 Goto tag visibility定义定义 Goto 模块标记的可视域模块标记的可视域 Ground将末连接的输入端接地将末连接的输入端接地 模模 块块 名名说说 明明 Hit crossing检测过零点检测过零点 IC设置一个信号的初始值设置一个信号的初始值 Inpl为子系统建立一个输入端口或建立为子系统建立一个输入端口或建立 18 一个外部入口一个外部入口 Merge将几个输入量合并为一个标量的输将几个输入量合并为一个标量的输 出串出串 Modelinfo显示模型信息显示模型信息 Mux将几个输入信号合成一个向量信号将几个输入信号合成一个向量信号 Out 1为子系统建立一个输出端口或建立为子系统建立一个输出端口或建立 一个外部出口一个外部出口 Probe信号的宽度，采样时间及信号类型信号的宽度，采样时间及信号类型 Subsystem子系统模块子系统模块 Terminator结束一个未连接的输出端口结束一个未连接的输出端口 Trigger为子系统增加触发端口为子系统增加触发端口 Width输入向量的输出宽度输入向量的输出宽度 Selector在输入信号中选择并输出在输入信号中选择并输出 表表 2 Signal and Systems 库库 19 2 2 系统硬件设计系统硬件设计 单片机变频调速系统的硬件是由单片机控制系统、变频器电路、数/模转换 电路、信号检测电路和电源电路等五大部分组成，其系统框图如图 2-1 所示。 图 2-1 变频调速系统框图 2.12.1 单片机控制系统单片机控制系统 单片机控制系统由 AT89C51，复位电路，时钟电路，键盘电路构成，其系 统组成框图如图 2-2 所示。 图 2-2 单片机控制系统框图 AT89C51 是采用高性能的静态 80C51 设计由先进 CMOS 工艺制造并带有非易 失性 Flash 程序存储器全部支持 12 时钟和 6 时钟操作。它片内有 8KB 的 20 ROM、256 字节的 RAM、有 32 条 I/O 口线、3 个 16 位定时/计数器、6 输入 4 优 先级嵌套中断结构、1 个串行 I/O 口(可用于多机通信 I/O 扩展或全双工 UART) 以及片内振荡器和时钟电路。此外，由于器件采用了静态设计，可提供很宽的 操作频率范围(频率可降至 0)。可实现两个由软件选择的节电模式-空闲模式和 掉电模式。空闲模式冻结 CPU，但 RAM、定时器、串口和中断系统仍然工作。掉 电模式保存 RAM 的内容，但是冻结振荡器，导致所有其它的片内功能停止工作。 由于设计是静态的，时钟可停止而不会丢失用户数据。运行可从时钟停止处恢 复。 2.1.1 时钟信号的产生 单片机工作所需的同步时钟信号由以下两种方法获得： 第一：由单片机片内时钟电路结合外部晶振、电容产生； 第二：直接从单片机外部引入脉冲信号。 单片机内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚 XTAL1，其输 出端为引脚 XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1 和 XTAL2 之间跨接晶体振荡器和微 调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。 只要在单片机的 XTAL1 和 XTAL2 引脚外接晶体振荡器就构成了自激振荡器 并在单片机内部产生时钟脉冲信号。电容器 C1 和 C2 的作用是稳定频率和快速 起振，电容值在 530pF,典型值为 30pF。外部时钟方式是把外部已有的时钟信 号引入到单片机内。此方式常用于多片单片机同时工作，以便于各单片机的同 步。一般要求外部信号高电平的持续时间大于 20ns，且为频率低于 12MHz 的方 波。 时钟电路是采用内部方式，即在 AT89C51 的 XTAL1 和 XTAL2 端外接石英晶 体作为定时元件，内部反相放大器自激振荡，产生时钟。此处选用的石英频率 为 fOSC=6MHz，小电容为 22pF，则得到的时钟频率为 6MHz。其接线图如图 2-3 所示。 21 图 2-3 时钟电路图 2.1.2 复位信号及其产生 a）对复位信号的要求 复位信号是一个高电平有效信号，有效时间应持续 24 个振荡脉冲周期。 b）单片机片内复位电路逻辑结构 图 24 单片机复位电路逻辑结构图 2.13 复位方式 复位操作有上电复位和手动复位两种方式，此电路采用按键手动复位， TESET 引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间应持续 24 个振荡脉冲周期（即 2 个机器周期）以上，此电路使用频率为 12MHz 的晶振， 则复位信号持续时间应超过 2s 以上才有效。整个复位电路包括内外 2 部分。 外部分电路产生的复位信号 （RESET）送施密特触发器，再由骨复位电路 在每 个周期的 S5P2 时刻对施密特触发器的输出进行采样。然后才得内部复位打操作 所需要的信号。 复位电路接成按钮式的，从 RST 引脚接入 AT89C51，其接线图如图 2-4 所 示。复位信号是高电平有效，并且高电平有效的持续时间应为 24 个振荡周期以 上。复位以后，07H 写入栈指针 SP，P0 口P3 口均置 1,程序计数 PC 和其他特 殊功能寄存器 SFR 全部清零。 D D1 1 D2D2 RST/VRST/VPD PD V VCC CC V VSS SS RAMRAM 斯密特触发器斯密特触发器 复位电路复位电路 22 图 2-5 复位电路图 2.22.2 变频器电路变频器电路 图 2-5 变频器主电路为交直交电压型变频器电路，具体做法是把交流电网 (380V 或 220V)经过整流器变换为直流电源，然后再经逆变器变换为电压、频率 可调的变频电源。整流器由 6 个晶闸管组成三相可控桥式整流电路，将三相交 流电整流后再由电容滤波，为变频调速主回路提供直流电源，且经由这 6 个晶 闸管控制的导通与截止来实现电源的软开关。逆变器功率元件由 GTR1 至 GTR6 6 支功率晶体管组成，D13 至 D18 6 支二极管组成功率晶体管的保护部分。 9 在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，希望保持电机中每极 磁通量为额定值，并保持不变。如果磁通太弱，即电机出现欠励磁，将会影响 电机的输出转矩，由 TMCm mI 2 COS 5 (式中Tm：电磁转矩，m：主磁通，I 2：转子电流，COS ：转子回路功率 因素，CT：比例系数)，可知，电机磁通的减小，势必造成电机电磁转矩的减 小。 由于电机设计时，电机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通， 将使电机铁心出现饱和，从而导致电机中流过很大的励磁电流，增加电机的铜 23 损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电机。因此，在改变电机频率时， 应对电机的电压进行协调控制，以维持电机磁通的恒定。 为此，用于交流电气传动中的变频器实际上是变压（Variable Voltage， 简称 VV）变频（Variable Frequency，简称 VF）器，即 VVVF。所以，通常也 把这种变频器称 VVVF 装置或 VVVF。 2.32.3 驱动电路设计驱动电路设计 设计的驱动电路如图 5 所示，它由驱动脉冲放大和 5V 基准两部分组成。脉 冲放大包括光耦 Vo1，R1和R2，中间级的 VT1，推挽输出电路 VT2和 VT3，对高频 干扰信号进行滤波的C1；5V 基准部分包括R4，VZ1和C2，它既为 MOS 管提供5 V 的偏置电压，又为输入光耦提供副边电源。其工作原理是： 1）当光耦原边有控制电路的驱动脉冲电流流过时，光耦导通，使 VT1基极 电位迅速下降，VT1截止，导致 VT2导通，VT3截止，电源通过