毕业设计（论文）-基于单片机的三相异步电动机节能控制方法的研究.doc

基于单片机的三相异步电动机节能控制方法的研究 基于单片机的三相异步电动机节能控制方法的研究学生姓名： 指导教师： 所在院系： 所学专业： 研究方向： 摘 要三相交流异步电动机是一种将电能转化为机械能的电力拖动装置。它主要由定子、 转子和它们之间的气隙构成。对定子绕组通上三相电源后，产生旋转磁场并切割转子,获得转矩。三相交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强及使用、安装、维护方便等优点，被广泛应用于各个领域。但在很多行业中电动机的使用并不合理，电机常常工作在轻载甚至空载状态下，这使得电动机的功率因数和效率很低， 不仅浪费了大量电能，而且降低了电网的供电质量。本论文重点研究：电机轻载时降低定子电压提高功率因数的电机节能方式。调压节能的主回路一般都采用晶闸管调压电路由六只两两反并联的晶闸管组成，串接于电动机的三相供电线路上。用单片机控制晶闸管触发角的大小，调节交流电动机定子电压以减少电机的铁损及励磁电流，从而提高功率因数及运行效率。关键词：三相异步电动机 调压节能 单片机 晶闸管AbstractThree-phase ac induction motor is a kind of energy into mechanical energy of electric drive device. It mainly consists of stator and rotor and between them the air-gap constitutes. General of the stator winding, after three phase power of rotating magnetic field generated and cutting rotor, obtain torque. Three-phase ac asynchronous motor has simple structure, reliable operation, price cheap, overload ability and use, installation, maintenance convenience etc, are widely used in every field. But in many industries motor use did not reasonable, motors often work in light load even under no-load condition, which makes motor power factor and efficiency is very low, not only wastes a lot of energy, and reduces the grid power supply quality. This paper focuses on the research: motor stator voltage decrease when light load of motor improving power factor. Energy way The surge of main loop energy commonly pressure regulating circuit using thyristor by six two LiangFan parallel thyristor composition, strung meet in the three-phase power supply lines motor. Using single-chip microcomputer control thyristor trigger Angle alpha size, adjust ac motor stator voltage to reduce the iron loss and motor excitation current, so as to improve the power factor and operation efficiency. Key words: Three-phase asynchronous motor Microcontroller Pressure regulating energy-saving Thyristor 目录摘要IAbstractII1.前言11.1节能的必要性11.2电动机节能控制的基本方法22.异步电机损耗分析及调压节能基本原理52.1 交流异步电机的能耗与效率的分析52.1.1能耗分析52.1.2电机的功率关系62.1.3效率与功率因数关系82.2降压节能原理92.2.1降压节能概述92.2.2不同负载情况下的降压节能分析92.2.3异步电动机降压节能估算132.2.4降压节电实用场合143.节能控制系统的硬件设计153.1节能控制系统总体方案设计153.1.1开关元件的选择153.1.2主控芯片的选择163.1.3片机最小系统173.1.4供电电源的设计183.2系统主要功能模块电路设计193.2.1复位电路设计193.2.2 功率因数检测电路设计203.2.3 电压电流检测电路设计223.2.4触发电路设计233.2.5三相不平衡保护电路设计243.2.6键盘及显示电路设计253.3系统的硬件抗干扰技术264.系统举例与分析284.1检测目的284.2 接线图284.3空载时降压对电机功率因数的影晌294.4不同负载率下电效果295.总结31参考文献32致 谢33- IV -1.前言1.1节能的必要性在世界范围内，21世纪潜伏着严重的能源危机，资源的消费速率远远超过了资源的再生能力，有限的储量和无限的需求使发生全球性能源危机的可能性一直存在。石油、天然气、煤炭等可燃矿物燃料占世界能源消费的90%以上，这些亿万年生成的地下资源储量有限，与消费速率相比是不可再生的，资源耗尽是不可避免的。能源短缺的后果极其严重，它不但可能导致能源危机和引发经济危机，甚至酿成国际军事冲突。20世纪50一60年代以发达国家为主体的西方世界实行的能源“流体化革命”，为它们的经济发展带来了空前的繁荣。20世纪70年代以来，以发达国家为主体的西方世界，组建了多种国际能源和环保机构，彼此磋商，相互协调，不断调整能源战略，非常引人注目的把节约能源置于突出地位，并制定了一系列法规、标准和政策，推动能源开发和能源节约，鼓励节能研究和开发高新节能产品，强化民众的节能意识和环保意识，大力培育节能市场，特别是积极研究更适应可持续发展要求的资源配置方法和管理方式。随着我国工农业生产的迅速发展，电能的需求量越来越大，开发和节约能源已成当务之急。交流异步电动机，由于其结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、运行可靠、很少需要维护及可用于恶劣环境等优点，在工业、农业、交通运输、国防军事和日常生活中得到了广泛的应用，当前的大部分的工业拖动都是以交流异步电动机作为动力，包括风机、水泵、油泵、压缩机等，其耗电巨大，特别是石油化工行业，风机泵类的耗电量占其总耗电量的so%以上。这些异步电动机一般都是按照设计的负载进行选择的，但在实际使用中，大都经常处在轻载，甚至在空载下运行。因此，“大马拉小车”的现象几乎是很普通的，如煤矿常用的胶带输送机、刮板机、绞车、压风机、机床等设备在大部分运行时间中，电动机的负荷变动都较大，其平均输出功率与最高输出功率之比一般为0.30.4，有的还更低。电动机的负载率低，效率不高，电能的浪费现象十分严重。1996年国家统计局统计数字表明，我国全国年发电量的60%为各种电机设备所消耗，其中ookw以内的中小功率异步电动机耗能占总电机耗能的70%，即消耗了4200亿度电。按我国今年国家规定0.5元瓜wh的电价计算，其折合人民币210亿元如果这些异步电动机能够节电10%，就可节约21亿元人民币。2002年家电力部统计数字表明，火力发电每kwh需投资约1元;三峡水电每kwh需投资约1.13元，建设周期13一17年;核电每kwh需投资2一3元:其他能源(人阳能、风能海洋能等)每kwh需投资3一5元。若仅按中小功率异步电动机节电10%计算，其年节电量相当于三峡电站的半年发电量，可节约国家投入电站建设资金50亿元左右，为国家节约大量能源和费用。因此在目前我国工业生产不断发展，能源日趋紧张，环保要求日趋高涨的情况下，提高电机运行效率可以极大缓解能源紧张状况，提高国民经济效益，具有十分重要的现实意义。1.2电动机节能控制的基本方法异步电动机运行时，一般有三种方式可以达到节能的目的：一是变频节能；二是降低定子电压节能；三是优化电动机本体设计节能。本论文将重点研究：电机轻载时降低定子电压提高功率因数的电机节能方式。调压节能的主回路一般都采用晶闸管调压电路由六只两两反并联的晶闸管组成，串接于电动机的三相供电线路上，如图1.1所示。用单片机控制晶闸管触发角的大小，调节交流电动机定子电压以减少电机的铁损及励磁电流，从而提高功率因数及运行效率。 图 1.1 晶闸管调压主电路为了提高电机的工作效率，多年来世界各国从电机的设计制造、电机的选择使用、电网供电管理等几个方面入手，作了大量研究工作，取得了较好的成果。其中从电机的设计制造方面人手，开发出了高效节能电动机，使效率显著提高，可大量节能。但这种电机造价较高，而且经济效果较大地取决于负载的情况，即对于长期工作于额定负载、连续运行的应用场合，其节能效果能达到最佳。但对大多数电机用户来说，怎样使现有设备上的电机工作于效率较高的状态显得更为现实。在我国，根据统计分析，风机泵类机械设备每年耗电量占全国发电量的31%其中变负荷运行占70%，仅上海的总负荷容量为40一50万kw，如果调速节能，每年可以节能6亿kwh，相当于一台10万kwh火电机组的年发电量。可见其节能潜力巨大，这是在各种节能改造中经济效益最好的方法。国外从六、七十年代就开始了中小型异步电动机的节能研究，1975年美国宇航局工程师FraJ吐Nola为减少航天飞机上泵和风扇能耗而研制的功率因数控制器，即在定子电压一定的情况下，只要负载率小于额定负载率，交流异步电动机的功率因数基本是和它的负载率成一一对应的关系。这种装置的工作原理是通过检测功率因数作为控制输入电压信号，并通过该类装置控制定子端电压来调节输入功率，使其随负载的变化而变化。该类装置空载时节电率为40%左右，总节电率大致为20%左右，功率因数得到改善。调速技术在当今得到充分的发展和很好的应用。从本质上讲只有两大类:一是不改变电机中的旋转磁场的同步转速ns而调节转差率s，这种调速方法简单，设备价格便宜，易于维护，所以广泛应用于一些调速范围不大，电机容量较小的场合。例如:晶闸管调压调速、转子串电阻调速;另一类是调节电机的旋转磁场的同步速度ns，例如:变频调速、变极调速等。从控制性能和控制方法来说，变频调速节能是最有前途的控制方法，发展也较快，例如PWM控制、直接转矩控制、矢量变换控制等方法的应用使电动机的运行性能得到很大的提高。在发达的国家其在调速中占主要地位，但是在我国应用缓慢，主要原因是由于价格太贵，以调查数据表明:三相异步电动机在容量、规格、性能和重量相似的情况下，中国的电动机产品价格是西欧的1/3一1/5，而变频器的价格却是西欧的3一5倍;另外我国的电力电子器件和变频器制造技术也与国外有差距，产品合格率低，故障率高，维修困难;当设备的运行性能要求不高时，变频器节能的优点也难以体现。当改变电动机定子的输入电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同的转速。其主要装置是一个能提供电压变化的电源，自动地改变电源电压以适应负载的要求。晶闸管调压调速线路简单，运行可靠，维护方便。非常适合于变负载类系统节能改造。特别是高压大电流地可控硅元件的发展应用，使调压调速的闭环控制实现容易。这方面的研究也正在得到深入的研究。其中，改变输入电压节能的一个关键电力电子器件的性能对节能控制器的发展有直接的影响。电力电子技术是以实现功率变换、能量传递为主要任务的现代工业电子技术，其应用贯穿在电能的获取、传输、变换和利用的每一个环节，发挥着不可替代的重要作用。近年来，电力电子技术得到迅猛发展，通过电力电子技术处理的电能在整个国民经济总耗电量中所占的比例越来越大，发达国家现在电能的75%左右经过电力电子技术变换和控制后使用。电力电子技术已取得十分辉煌的成就，但它仍是一门方兴未艾的技术。电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础，电子电子器件制造技术的每次重大进步都对电力电子技术的发展产生深远影响。迄今为止，用于制造电力电子器件的材料都是硅半导体材料。对于新的材料，如碳化硅等材料的研究已经进行多年，不久的将来可能回取得突破，采用碳化硅制成的电力电子器件压降小、损耗小、耐压高，并且可以承受的温度也远高于硅材料。因此，碳化硅材料器件的应用将使电力电子器件和装置的功率密度大幅度提高，性能大为改变，会给电力电子技术带来革命性的变化。以晶闸管(scR)组成的变压变流装置，解决了传统电能变换装置中存在的能耗大、效率低和装置笨重问题，一定程度上控制了工业噪声。装置的寿命也延长了。它的额定容量是所有电力半导体器件中最高，价格同规格相比最低，所以大容量控制中得到充分的应用。因此，有必要自行研制适合我国国情的国产节电器以满足市场对节电产品的迫切要求。研制中除了借鉴国外产品成功经验外，还要针对其不足和我国电网不稳，负载波动大，电动机空载率高等具体情况，利用先进的人工智能技术和微处理技术，开发出节电效果较好的产品来。2.异步电机损耗分析及调压节能基本原理 2.1 交流异步电机的能耗与效率的分析2.1.1能耗分析 异步电动机在运行中产生的各种损耗，主要分为铁损耗、机械损耗、铜损耗及杂散损耗。2.1.1.1铜损耗(Pcu)电动机的铜损耗包括定子铜损耗Pcu1，和转子铜损耗Pcu2。它们是由定子电流和转子电流流过定子、转子绕组而产生的。 (2-1)式中，R1为定子每相电阻;I1为定子每相电流。 (2-2)式中，S为转差率;Pe为电磁功率。2.1.1.2铁损耗(PFe) 电动机的铁损失包括磁滞损失和涡流损失，它是铁芯在磁场中受交变磁化作用产生的。 (2-3) 式中，k为常数;f为电源频率;B为磁通密度。 由于 (2-4)式中，为磁通量; E1为定子绕组的感应电动势U1为定子绕组的相电压。 所以可以认为，铁损与端电压的平方成正比。由于转子电源频率很低(一般只有1一一3Hz)，转子铁芯的损耗很小，因此可以认为:从空载到额定负载的范围内，电动机的铁损耗PFe，仅是定子铁芯损耗。 2.1.1.3机械损耗(P) 电动机的机械损失包括通风损失和轴承摩擦损失。对于绕线式异步电动机而言，还包括滑环与电刷之间的摩擦损失。通风损失大约和空气流通速度的立方成正比。一般说来，对于某一确定的在用电动机，可认为其机械损失为常量。2.1.1.4杂散损失(P) 电动机的杂散损耗包括铁杂损耗和铜杂损耗。铁杂损耗发生在定子与转子的齿中，是由于齿磁通在转子旋转时发生脉动而产生的，通常称为脉动损耗或表面损耗。可近似认为:铁杂损耗与外加电压的平方成正比。铜杂损耗是由于高次谐波磁势的影响产生的。可近似认为:铜杂损耗与电流的平方成正比，随负载的变化而变化。 可见，杂散损耗部分取决于电压，部分取决于电流。对于感应电动机来说，铜杂损耗是主要的，约占电动机杂散损耗的70%一90%。感应电动机杂散损耗可由测功机法、回馈法、反转法测得。它在总损失中占的比例很小。在小型铸铝转子笼型感应电动机中，满载下杂散损失可达输出功率的1%一3%，在大型的感应电动机中，杂散损失一般为输出功率的5%。2.1.2电机的功率关系当异步电动机以转速n稳定运行时，从电源输入的功率为P1 (2-5)其中:U1为定子相电压，I1为定子相电流;cos1为定子边功率因数。定子边铜损耗为: (2-6)其中:r1为定子相电阻。 正常运行情况下的异步电动机，由于转子转速接近于同步转速，气隙旋转磁B与转子铁心的相对转速很小，再加上转子铁心和定子铁心同样是用0.5mm厚的硅钢片(大、中型异步电动机还涂漆)叠压而成，所以转子铁损耗很小，可忽略不计，因此电动机的铁损耗主要为定子铁损耗，即: (2-7)其中:PFe为电动机铁损，PFe1为定子铁损，IO为励磁电流，rm为励磁电阻。由三相异步电机的T形等值电路可以看出，如图2.1所示:图 2.1 三相异步电机T型等值电路传输给转子回路的电磁功率PM等于转子回路全部电阻上的损耗。 (2-8)电磁功率也可表示为 (2-9)其中为转子的内功率因数。转子铜损耗: (2-10)电磁功率PM减去转子绕组中的铜损耗Pcu2就是等效电阻上的损耗。这部分等效损耗实际上是传输给电机转轴上的机械功率，用Pm表示。它是转子绕组中电流与气隙旋转磁密共同作用产生的电磁转矩，带动转子以转速n旋转所对应的功率: (2-11) 转子的机械功率Pm减去机械损耗Pm和附加损耗Ps，才是转轴上真正输出的功率，用P2表示: (2-12)可见异步电机运行时，从电源输入电功率P1到转轴上输出功率P2的全过程为: (2-13) 从以上功率关系定量分析中看出，异步电动机运行时电磁功率、转子回路铜损耗和机械功率三者之间的定量关系为: (2-14)由式说明，若电磁功率一定，转差率s越小，转子回路铜损耗越小，机械功率越大2.1.3效率与功率因数关系 电动机的效率是指电动机的输出功率和输入的有功功率之比，电动机的功率因数是指电动机的输入的有功功率和输入的视在功率之比。在额定条件下，电动机运行的功率、损耗、效率和功率因数之间的关系为:电动机的输出机械功率如公式(2-14)所示，电动机的效率为: (2-15)功率因数为： (2-16)从上面式中可以看出，电动机的效率和功率因数有关。电动机对应不同的负载率，效率和功率因数的数值是变化的，在额定负载率左右，可达到最高运行效率和较高的功率因数，不同的负载率下，电动机效率和功率因数曲线见下图所示:图 2.2 不同负载率下效率与功率因数关系曲线2.2降压节能原理2.2.1降压节能概述 对于满载或重载运行的电动机，降低其端电压将会造成严重后果，随着端电压的降低，电动机的磁通和电动势随之减小，铁耗无疑将下降。但与此同时，随电压平方变化的电动机转矩也迅速下降而小于负载转矩，电动机只能依靠增大转差率，提高电磁转矩以达到与负载转矩相平衡的状态。转差率的增大，引起转子电流增大，同时引起定子和转子电压间的相角增大，导致定子电流增大，从而使定子和转子铜耗增加值大大超过铁耗的下降值，这时电动机绕组温升将会增高，效率将会下降，甚至发生电动机烧毁事故。因而，一般规程都规定了电动机正常运行时电压变化范围不得超过额定电压的95%110%。 然而对于轻载运行的电动机，情况就截然不同，使供电电压适当降低，在经济上是有利的。这是因为在轻载运行时，电动机的实际转差率大大小于额定值，转子电流并不大，在降压运行时，转子电流增加的数值有限。而另一方面，却由于电压的降低，使空载电流和铁损大幅减少。在这种情况下，电动机的总损耗就可降低，定子温升，运行效率和功率因数同时得到改善。由此可见，电动机的运行经济性与电动机负载率同运行电压是否合理匹配关系极大。2.2.2不同负载情况下的降压节能分析 根据异步电动机所驱动负载的工作特性，可以将负载分为两类:恒转矩负载和变转矩负载。恒转矩负载是指负载对电动机的阻转矩兀相对于电动机转速n近似为常数。例如切削机床、传送机、吊车等。变转矩负载是指负载对电动机的阻转矩兀相对于电动机转速。有较大变化。例如风机，水泵等。对于这类负载其阻转矩T2可用下式表示: (2-17)其中:TN为负载的额定转矩;s为转差率。(l)恒转矩负载损耗分析异步电动机的输出转矩和输出功率有如下关系: (2-18)其中:P2为电机输出功率;n为电机转速。 对于三相异步电机，调整定子电压时电动机的速度变化很小，因此由上式可以认为电动机的输出功率几乎不变。异步电机端电压变化时，铁耗与电压平方成正比。且有如下关系成立: (2-19)其中:PFe为电动机在实际电压下铁耗;P0为电动机在额定电压时的空载损耗;P为电动机的机械损耗; 为电动机的调压比;U1为电动机实际定子电压；UN为电动机额定电压。电机铜耗与电流平方成正比，并且有下式成立: (2-20)其中:Pcu为电动机的实际铜耗;PN为电动机的额定功率;N为电动机的额定效率; 为电动机的负载系数;P2为电动机输出机械功率。 对于恒转矩负载调压时几不变，负载系数为定值，这时若电动机的端电压降低，则铜耗按比例增大，而铁耗按比例减小。这样必然存在一个电压值，使得电机在此电压下运行时，总的损耗最小。这一电压称为在该负载系数下的最佳运行电压，记为U1op。相应的电压比称为最佳电压比，记为Kuop。设电动机额定电压下运行时的总损耗为p，任意电压下运行时的总损耗为pu，则有： (2-21) (2-22)定义对于在某一负载系数下运行的电动机，显然当KP越小，节电效果越显著。令可求得在此负载系数下的最佳调压比Kuop； (2-23)令： (2-24)由以上分析可以得出如下结论:1.最佳调压比Kuop与电动机额定运行时的耗损分布有关，一般异步电动机有即，也就是说额定运行时铜耗大于铁耗，电动机并非运行于损耗最小状态。2.当电动机满载运行时，其最佳调压比时，但其值不能大于1.1。3.只有当负载系数时，降低电压才有节电意义，且负载系数越小，降压节电效果越好。4.a值越接近1(额定运行时的铁耗越接近铜耗)的异步电动机，采用降压节电的效果越好。综合以上分析，对于恒转矩负载，调压节能主要是减少电动机的铁耗和铜耗，以提高电动机的效率。(2)变转矩负载损耗分析 变转矩负载的工作特性可用图所示:图 2.3 变转矩负载工作特性曲线如图2.3所示，当流量为额定值fA，转速为额定值n1时，阻力为曲线R1，负载工作于A点;这时的负载输入功率(电机的输出功率)可以用四边形APAofA的面积表示。当输出流量降为fB，如果仍然全压运行，则系统工作于B点，此时电动机输出功率用四边形BPBofB的面积表示。可见输出功率P2略有下降。 如果当负载率降低时，相应降低端电压，电机转速降为n2，负载工作于c点。这时在保证流量的前提下，电动机输出功率大幅下降，用四边形CPcofB面积表示。综上所述，对于变转矩负载，降低端电压不仅可以降低电动机本身的铁耗和铜耗，而且输出功率的降低进一步减小了电动机的输入功率，节能率更高。或者可以理解为降低电动机端电压同时提高了电动机本身和负载的效率。2.2.3异步电动机降压节能估算 在恒定负载长期轻载运行时，不宜采用降低端电压而应更换小容量电机。需注意的是：降低定子端电压并不显著降低电机转速，即电机转差率在允许范围之内；确定允许降压系数值，降压系数确定不准确就不会达到比较满意的效果。根据不同负载率，电动机损耗最小原则的降压系数： (2-25)式中K系数为：表 2.1 K的取值2级4级6级以上0.150.250.3计算公式： (2-26) 式中：负载率，且，0.150.30。节省有功功率： (2-27)节省无功功率： (2-28)式中：Q0电动机空载无功功率。2.2.4降压节电实用场合（1）变负载机械，例如胶带输送机、粉碎机、磨煤机及各类机床。如果电机运行在=10%左右，降压运行后，除节能效果显著外，还可以降低温升。（2）周期性工作制的机械负载持续率FC%(国外用ED%表示) (2-29)FC%愈小，节电效果愈大。 （3）电动机本身的空载电流较大，或者电网电压偏高的场合也很适宜降压节电运行。综上所述，降低端电压有利于电机经济运行，提高效率，改善功率因数。三相正弦电压不同降压系数Ku下的电动机效率如图2.7所示。从图2.7中曲线可见，轻载时，降低定子端电压，可以提高电动机效率，但必须降压合适，否则就不能达到节能效果。 图2.7 正弦波调压时效率曲线3.节能控制系统的硬件设计 本章是异步电机节能控制器的硬件设计部分，也是本文的重点之一。在前面理论分析的基础上，详细而全面进行了关键硬件电路模块的设计，并对硬件的抗干扰进行了详细分析。3.1节能控制系统总体方案设计 控制器通过对异步电机相电压与相电流的过零点检测，计算出异步电机的功率因数角，经过主控制芯片的处理，由HSO输出触发脉冲，控制双向晶闸管的导通角，达到降压节检测、触发电路、双向晶闸管电路及控制器供电电路等，此外还有用于显示与操作的LED显示电路及键盘、断相保护电路、过压过流保护电路等。其系统组成如图所示:图3.1 系统结构框图 3.1.1开关元件的选择 系统控制主开关元件选用可控硅，其优点为:可控硅为自关断器件，由于它电流过零自动关断，没有强迫电流存在，电路中不存在由于电感的影响而产生的高次谐波，这是它优于变频的特殊之处。当前可控硅生产技术成熟，性价比高，控制电路简单、可靠、维护维修方便。由于主开关元件是硬件设备里成本最高的部分，选用可控硅，使研制的控制器的总成本较低，市场易于接收。3.1.2主控芯片的选择 随着微电子工艺水平的提高，近十余年来单片机有了飞跃的发展。世界上著名的集成电路芯片制造商纷纷推出各自的产品，其型号之多，已达到了难以统计的地步。 目前，市场占有率最大的厂商是世界著名的芯片制造业巨头Intel公司，其推出的MCS一51系列单片机最先进入我国，成为我国当时市面上用得最广的单片机。虽然后来还有Philips公司、siemens公司、Motorola等公司推出的单片机陆续登陆我国，但直到现在，Intel公司推出的MCS一51、MCS一96系列单片机依然占据了我国大半个市场。比较而言，MCS一96系列单片机是16位单片机，在运算性能及实时性方面有很大的优势，MCS一96系列单片机在以下几个方面提高了系统的实时性: (l)采用CHMOS工艺，内部进行2分频，具有更高运算速度，主频高达50MHz。CPU的算术逻辑单元不采用常规的累加器结构，改用寄存器一寄存器结构，CPU的操作直接面向256字节的寄存器，消除了一般CPU结构中存在的累加器的瓶颈效应，提高了操作速度和数据吞吐能力。 (2)256字节单元中，24字节是专用寄存器，其余232字节均为通用寄存器(18H一OFFH)或片内存储器(100H一255H)。其通用寄存器数量远比一般CPu的寄存器数量多。这样就有可能为各中断服务程序中的局部变量指定专门的寄存器，免除了中断服务过程中保护寄存器现场和恢复寄存器现场所支付的软件开销，大大方便了程序设计。 (3)有一套效率更高、执行速度更快的指令系统。可以对带符号数和不带符号数进行操作:16位乘16位指令的执行时间为:1.4us一6.25us(对不同型号的芯片)，32位16位指令的执行时间为2.4us一6.25us;还有符号扩展、数据规格化(用于浮点计算中)等指令。此外，3操作数指令大大提高了指令效率。 除此之外，80Cl96KB单片机还集成了更为丰富的外设装置。概括现有资料，80C196KB系列单片机包含的外设装置有: (1)振荡器和时钟发生器; (2)定时/计数器; (3)标准输入/输出口; (4)全双工异步和同步串行输入/输出口; (5)监视定时器(WATCHDOG)，用于提高系统抗干扰能力: (6)模拟/数字转换器;(7)高速输入/输出器(HSIO)或事件处理器阵列(EPA);(8)脉宽调制输出;(9)波形发生器;(10)从口(SLAVE PORT); (11)频率发生器;(12)片选输出单元。80C196KB单片机的结构框图如下:图3.2 80C196KB单片机的结构框图3.1.3片机最小系统 由于80C196KC单片机芯片内的RAM，只能存数据，不可能存放程序，也难以存放大量的数据，因此80C196KB应用系统需要片外扩展程序存储器。为了编程方便便于系统操作，外部存贮器选用电可擦除的存贮器故扩展一片27C256EPROM作为程序存储器，另外扩一片6264作为数据存储器。另外，80C196KB单片机的外部数据总线与地址总线的低8位是分时复用的，因需要配置一片地址锁存器(选用74HC573)。其最小系统硬件连接图如下图所示:图 3.3 单片机最小系统电路图3.1.4供电电源的设计 对于如何一个电气系统，电源是不可缺少的部分。80C196KB芯片为+5V供电，而外围采样和触发电路有需要+12V的电源。在这种情况下，所需电压的得到一般可通过外部开关电源或交流220v单相电经变压器、经过桥式整流后再经过电容、电感滤波直接得到，一般来讲，这样得到的+12V和+5V电源负载能力较强但波纹较大，很难直接应用到系统中。因此，一般要经过DC/DC变换将该电压进行隔离稳压处理。本次设计中电源电路如图所示，采样7812和7505对从电网变压整流后的信号进行稳压处理，以保证系统的正常供电。图3.4 控制器供电电源电路图3.2系统主要功能模块电路设计3.2.1复位电路设计 80C196KB单片机需要有复位电路，以便通过它使自身进入复位状态.复位电路的功能是产生复位信号，本系统的复位方法包括两种，上电复位和手动复位在单片机系统中，电源的投入和切除，瞬时短路降压及由电网串进来的干扰脉冲造成CPU的误动作、数据的丢失占各种干扰的90%以上。控制方面，微机抗干扰是一个关键问题，要想取得好的效果，最好采用专用芯片。 本次设计采用的复位芯片为C7705，它是电压监视器件，具有电源投入时的复位功能，并能够监测出电源瞬时短路和瞬间降压而产生的复位信号。该芯片内部具有电源上升时的复位信号解除功能，能正确地监测降低的电压(Vs=4.5一4.6V)，其内部附有温度补偿的基准电压，正负两种逻辑输出(集电极开路30mA)，原理图如下:图3.5 系统复位电路图 上图所示电路除了具有上电自动复位功能外，还可以通过复位按键迫使RESET为低电平。当系统掉电时，复位电容里存储的能量可以以二极管为通路迅速放电，这为单片机在复位上电的情况下可靠复位提供了保证。3.2.2 功率因数检测电路设计 电压、电流过零点信号要送入单片机的高速输入输出端口，HSIO一HSD为高速输入通道，CPU通过它们可以同时接收4个来自外部的脉冲信号，并且随时记录脉冲信号中高、低电平的出现时间。HSO0一HSO1为高速输出通道，能够产生和输出宽度与周期均可调节的脉冲波(亦称PwM波)。因为异步电动机为感性负载，当电压过零后尚需一个延迟角电流才过零，其夹角即为功率因数角。电压过零检测就是把输入电压转换成同相位的矩形波，送入单片机的高速输入端HSI，此矩形波的下降沿既是触发脉冲的基准信号，又可作为单片机软件定时器的开始信号。电流过零检测是把由电流信号由互感器采集处理后转换成矩形波，然后送入单片机的高速输入端HSI，单片机由记录的电压和电流过零时间得到一个功率因数角。 节能控制中对功率因数角的检测，是实现调压估算的关键，通过判断的大小，可以改变晶闸管的导通角的大小，实现调压。对功率因数角检测的精确性是保证调压节能效果的重要环节，因此设计一下采样电路，如图所示：图3.6 电压电流过零检测电路图 功率因数的检测主要是对电机相电压与相电流的过零点进行检测。以A相为例，对A相电压采样，相电压通过Vl、V2稳压，进入比较器与地进行比较，若是在波形的正半周，则有比较器输出高信号1，若是在负半周，则输出为低0，在输出信号为高时，使光偶导通，进入单片机高速输入HSI.1的信号就为高电平，如图所示，实现过零点检测。对电流信号的检测是对晶闸管两端电流信号的检测，通过一个电流互感器对电流信号进行采样，通过比较器把电流过零点的相位信息转换成方波信号如图所示，送入高速输入HSI.2，进行过零检测。图3.7 电压过零波形图图3.8 电流过零波形图 系统对电流电压的检测到对双向晶闸管的触发，在一周20ms中要全部完成，通过对另外两项的过零检测，经过单片机的处理，每个周期对系统进行同步。这样可以消除在每个周期对晶闸管触发时累积起来的误差。3.2.3 电压电流检测电路设计电压电流转换要送入单片机的A/D进行转换，80C196KB自带有8通道的10位A/D转换器。A/D变化可以将模拟量转换为等价的数字量。采集和转换时间可编程，转换值在模拟地和参考电压之间。转换结果可用来计算增益和零补偿误差，内部零补偿电路可以自动的进行零补偿调整。A/D有A/D门限探测模式，当门限电压被超出时，可产生中断。A/D扫描PTS方式可以便于自动A/D变换和存储。A/D变换的主要构件是采样保持电路、10位逐次逼进A/D的变换器。电压检测电路是把将线电压由变压器隔离降压，然后对变换后的信号进行整流，得到的直流信号经滤波分压后送入单片机的A/D端进行模数转换，就可得到电压值，以便对电机端电压进行判断，是否进入保护状态。检测占用单片机的ACH0共1个A/D转换口。图3.9 电压检测电路 电流检测时利用三个电流互感器分别检测三相电流，检测得到的信号经整流桥整流分压后送入单片机的A/D进行转换，由此就可以对异步电机的电流进行监测，使其与预设值进行比较，大于某个阀值就对电机进行保护，否则继续监测。检测占用ACH1一ACH3共3个A/D转换口。图3.10 电路检测电路图3.2.4触发电路设计 晶闸管的导通是靠触发电路完成的，因此触发电路触发的时序的准确性直接影响着节能控制器的工作状况，要求其稳定性要很高。 触发脉冲的电压和电流必须大于相应的晶闸管的门极触发电压和电流，才能保证晶闸管的可靠工作。同时，触发脉冲的幅值和前沿上升的坡度也会影响晶闸管的导通时间。因此脉冲功率放大环节的作用就是使输出脉冲能满足晶闸管门极触发的需要，保证晶闸管的可靠导通，本系统所设计的触发电路采样两个三极管组成放大电路，把由高速输出口HSO0输出的触发脉冲放大，如下图所示:图3.11 可控硅触发电路图3.2.5三相不平衡保护电路设计 三相电机节能器在运行中由于负载不对称等原因常常会造成三相不对称，产生三相不对称交流电压，这将给电气设备和整个电网带来不利的影响。解决电机节能器运行状态下的三相不平衡检测和保护问题，对于保护电气设备、推广电机节能器的应用和节约能源具有重要的意义。 在三相负载平衡时，交流三相电压的电压幅值相等。相位角相差1200时，;一旦三相负载不平衡时，通常的幅值就不再相等，或相位角之差不再为120，。根据此原理，对之和进行采样，将采样值与工程实践中得到的阈值进行比较，以判断是否采取保护动作，当采样值达到阈值，单片机发出控制信号令主电路中接触器吸合，电机节能器断开，实现对电器设备的保护，其原理框图如图所示:图3.12 三相平衡检测原理图 系统功能实现原理:系统上电，单片机延时，等待系统进入稳定状态。当系统进入稳定状态后，同时通过交流不平衡检测电路对不平衡三相电压进行采样。当脉冲计数或采样的不平衡三相电压值达到程序设定的阈值，单片机系统发出控制信号，令与电机节能器并联的接触器吸合，将电机节能器旁通掉;如果脉冲计数和不平衡三相电压采样值均没达到程序设定的阈值，则单片机系统发出控制信号，令与电机节能器并联的接触器断开，电机节能器投入运行。3.2.6键盘及显示电路设计 键盘及显示电路主要的功能是使操作人员能对节能控制器初始设定进行修改，并对节能控制器的当前状态进行监控，由于对电机启动时的相关参数可以进行灵活设置，使节能控制器具有更强的适应性。 键盘电路中主要功能按钮有:启动按钮、停止按钮、自动运行状态按钮、手动调节按钮、软启动按钮、软停车按钮、模式切换按钮和显示模式切换按钮8个按钮，分别占用单片机的I/O口为P00一P07。显示电路由两个8段数码管和2个LED灯组成，分别占用单片机的I/O口为P10一P17和P24一P27。其中在默认状态下数码管显示电机当前端电压，在按下显示模式切换按钮后，数码管显示电机当前的功率因数值。LED灯分红绿两种，其显示的不同状态代表节能控制器的运行情况，如绿灯闪烁代表电机还在软启动过程中，绿灯长亮代表节能控制器运行正常。由于80C196KB的I/O端口有限，故采样MC14495对两个数码管进行16进制译码显示，以节省有限的I/O口，MC14495是CMOS BCD一七段十六进制锁存、译码驱动芯片。MC14495能完成BCD码至十六进制数的锁存和译码，并具有驱动能力。利用MC14495实现的8位静态LED显示接口电路如下图所示:图3.13 LED显示接口电路图3.3系统的硬件抗干扰技术 异步电机节电控制器的工作环境比较复杂和恶劣，其应用的可靠性、安全性就成为一个非常突出的问题。影响系统可靠、安全运行的主要因素是来自系统内部和外部的各种电气干扰，以及系统结构设计、元器件选择、安装和外部环境条件等。这些因素对节电控制器造成的干扰后果主要表现在下述几个方面。 单片机系统常用的抗电磁干扰的硬件措施有滤波技术、去祸电路、屏蔽技术、接地技术等。常用的软件措施主要有数字滤波、软件冗余、程序运行监视及故障自动恢复技术等。软件抗干扰措施将在下一章介绍。现在主要介绍本节能控制器的硬件抗干扰措施。(1)滤波技术 滤波是抑制和防止干扰的一项重要措施。滤波器可以显著地减小传导干扰的电平，因为干扰频谱成份不同于有用信号的频率，滤波器对于这些与有用信号频率不同的成份有良好的抑制能力，从而起到其它干扰抑制难以起到的作用。所以，采用滤波网络无论是抑制干扰源和消除干扰祸合，或是增强设备的抗干扰能力，都是有力措施.如前面章节的电压电流采集电路中用到滤波器(如图)。(2)去祸电容数字电路信号电平转换过程中会产生很大的冲击电流，并在传输线和供电电源内阻上产生较大的压降，形成严重的干扰。为了抑制这种干扰，在电路中适当配置去祸电容.在节能控制器设计硬件中，在印制电路板的各个集成电路中配置了0.luF的去祸电容.去祸电容一方面提供和吸收该集成电路开门关门瞬间的充放电能量，另一方面旁路掉该器件的高频噪声。(3)屏蔽技术和隔离技术 屏蔽技术可以抑制外部电磁干扰的作用，屏蔽是用屏蔽体把通过空间进行电场、磁场或电磁场祸合的部分隔离开来，割断其空间场的祸合通道。良好的屏蔽是和接地紧密相连的，因而可以大大降低噪声祸合，取得较好的抗干扰效果。在本系统中采用了铝盒将内部电路板屏蔽起来，对外只留有几个接口。 信号的隔离目的之一是从