毕业设计259用单片机控制的电机交流调速系统设计
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电气电子毕业设计论文
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毕业设计259用单片机控制的电机交流调速系统设计,电气电子毕业设计论文
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电气信息工程学院毕业设计（论文） 用单片机控制的电机交流调速系统设计 1 用单片机控制的电机交流调速系统设计 文 摘 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， HEF4752 大规模集成电路，保护电路， Intel 系列单片机， Intel8253 定时 /记数器， Intel8255可编程接口芯片， Intel8279 通用键盘 /显示器， I/O 接口芯片， CD4527 比例分频器和测速发电机等组成。 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 MCS-51单片机； HEF4752； 8253定时器；晶闸管；整流器；三相异步电动机 电气传动从总体上分为调速和不调速两大类。按照电动机的类型不同，电气传动又分为直流和交流两大类，直流电动机在 19 世纪先后诞生，但当时的电气传动系统是不调速系统，随着社会化大生产的不断发展，生产技术越来越复杂，对生产工艺的要求也越来越高，这就要求生产机械能够在工作速度，快速启动和制动，正反转等方面具有较好的运行性能。从而推动了电动机的调速不断向前发展，自从 1834 年 直流电动机出现以后，直流电动机作为调速电动机的代表，在工业中得到了广泛的应用。它的优点主要在于调速范围广，静差小，稳定性能好以及具有良好的动态性能，晶闸管变流装置的应用使直流拖动发展到了一个很高的水平，在可逆，可调速与高精度的拖动技术领域中相当长时间内几乎都采用直流拖动系统。尽管如此，直流调速系统却解决不了直流电动机本身的换向问题和在恶劣环境下的不适应问题，同时，制造大容量，高转速以及高电压直流电动机也十分困难，这就限制了直流传动系统的进一步发展。 交流电动机在 1885 年出现后，由于一直没有理想的调速 方案，只被应用于恒速拖动系统，从本世纪 30 年代起，不少国家才开始提出各种交流调速的原始方案，晶闸管的出现使交流电动调速的发展出现了一个质的飞跃，使得半导体变流技术的交流调速得以实现，国际上在 60 年代后期解决了交流电动机调速方案中的关键问题， 70 年代开始就实现了产品的高压，大容量，小型化，且已经逐渐取代了大部分传统的直流电动机的应用领域。交流调速系统发展迅速的很大一部分原因在于交流电动机本身的优点：没有电刷和换向器，结构简单，寿命长。近年以来大功率半导体器件，大规模集成电路，电子计算机技术的发展，加上交流电 动机本身的优越特性，为交流调速提供了广泛的应用前景。目前交流电力拖动系统已具备nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 用单片机控制的电机交流调速系统设计 2 了较宽的调速范围，较高的稳态精度，较快的动态响应，较高的工作效率以及可以在四象限运行等优越性能，其动态性能均可与直流电动机拖动系统相比美。 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 6 10KV，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。 （ 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。 nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 用单片机控制的电机交流调速系统设计 3 1 交流调速的现状 随着电力电子技术，计算机技术的不断发展和电力电子器件的更新换代，变频调速技术得到了飞速的发展。据资料显示，现在有 90%以上的动力来源来自电动机。我国生产的电能 60%用于电动机，电动机与人们的生活息息相关，密不可分，所以要对电动机的调速有足够的重视。我们都知道，动力和运动是可以相互转化的，从这个意义上说电动机也是最常见的运动源，对运动控制的 最有效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。实际上国外已将电动机的控制改名为运动控制。 对电动机的控制可以分为简单控制和复杂控制两大类。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可以通过继电器，可编程器件和开关元件来实现。复杂控制是指对电动机的转速，转角，转距，电压，电流等物理量进行控制。而且有时往往需要非常精确的控制。以前，对电动机的简单控制的应用较多，但是，随着现代化步伐的前进，人民对自动化的需求也越来越高。使电动机的复杂控制逐渐成为主流，其应用领域极为广泛。在军事和雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳的控制等。工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，绕线机，泵和压缩机，轧机主传动等设备的控制。计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，绘图仪，打印机，复印机等的控制；音像设备和家用电器中的录音机，数码相机，洗衣机，冰箱空调，电扇等的控制，我们统统称其为电动机的控制。 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，这里就不再多做介绍，就交流调速系统目前的发展水平而言，可概括的如下： （ 1）已从中 容量等级发展到了大容量、特大容量等级。并解决了交流调速的性能指标问题，填补了直流调速系统在特大容量调速的空白。 （ 2）可以使交流调速系统具有高的可靠性和长期的连续运行能力，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直流调速控制同样良好的性能外，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。采用数字锁相控制的异步电动机变频调速系统，调速精度可以达到 0.002%。 根据异步电动机的转速表达式 n=(1-s)60f/p=n0。可知，当极对 P 不变时，均匀的改变定子供电的频率 f，则可以连续的改变异步电动机的同步转速 n0。达到平滑调节电动机实际运行转速 n 的目的。这种调速方法称为变频调速。变频调速具有很好的调速性能，应用相nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 用单片机控制的电机交流调速系统设计 4 当广泛，是交流调速的主流。 保持 V1 /F1=常数的恒压频比控制方式 在忽略定子阻抗压降后可得到 V1 /F1=C1 m ，式中 C1=4.44Kn1N1 为常数，因此，在变频时要维持磁通恒定，只要使 V1 与 F1 成比例的改变即可。此时，由公式 n0=(1-s)60 f1/p 得，所以，带负载时转速降落 n为 n=sn0=60f1s/p,将异步电动机的转矩公式 T=3PU12R2/2SF1 （ R1+R2/S） 2+（ X1+X2） 2近似处理后得21 1 1 2( 3 / 2 ) ( / ) /T P U F S F R S，可以导出 21 22113 / 2RTSFP U F，由此可见，当11/UF为恒值时，对于同一转矩1T，1sF是基本不变的。也就是说，在恒压频比条件下改变频率 时，机械特性基本是批心平行上下移动的，频率降低，转速下降， T 太小将限制调速系统的带负载能力，所以在低频时，采用定子压降补偿法来适当的提高电压1U，以增强带负载的能力。从而达到比较满意的效果。 保持maxT=常数的恒磁通控制方式 对于11/UF=常数的控制方式，无法保证最大的转距。对于要求调速范围的的恒转距负载，则希 望在整个调速范围内maxT不变，即使保持m恒定。可采用11/EF=常数的恒磁通控制方式。保持maxT=常数，此时，机械特性曲线形状不变，不同定子频率下的机械特性曲线平行，且最大转距保持不变，但由于异步电动机的感应电动势1E不好测量和控制，所以在实际应用中，采用电压补偿的方法 来达到维持最大转距的目的。考虑到低频空载时，由于电阻压降减小，应减少补偿量，否则将使电动机中m增大，导致磁路过饱和而带来的问题，故 U 与1F的曲线是折线。 保持dP=常数的恒功率控制方式 变频调速时，在定子频率大于额定频率的情况下，若仍按照上述方法进行控制，则定子电压要高于额定电压，这是不允许的。所以当在频 率超过额定频率时，往往使定子电压不再升高，而保持1U为额定电压不变，这样一来，气隙磁通就就会小于额定磁通，从而导致转距减少，保持dP=常数时的恒功率控制方式所要求的电压与频率的协调关系。可知， 212 21 1 1 1 234 ( ) mPUTF R R x x ，忽略1R时；211()m UTCF 。额定转距 211 21mUTCF（式中 为过载倍数），对于恒功率调速，有 1111nnT F T F，可得出nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 用单片机控制的电机交流调速系统设计 5 1111 11UUFF ，只要满足11UF=常数的条件，即可达到恒功率调速。 恒电流控制方式 在变频调速时，保持异步电动机的定子电流1I为恒值，称为恒流控制方式。1I的恒定是通过 PI 调节器的电流闭环调节作用来实现的。恒流变频调速与恒磁通变频调速的机械特性基本一样。都属于恒转距调速，在变频调速时，最大转距mT是不变的，由于恒流控制限制了1I，所以恒流时的最大转距mT要比恒磁通时小得多，使过载能力降低。因此，这种控制方式只适用于负载不大的场合。 2 用单片机控制的交流调速 微处理器（单片机）取代模拟电路作为电动机的控制器， 具有如下特点： （ 1）使电路更简单 模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路更复杂，采用微处理器后，绝大多数控制逻辑可通过软件来实现。 （ 2）可以实现较为复杂的控制 微处理器具有更强的逻辑功能，运算速度快，精度高，有大容量的存储单元。因此，有能力实现复杂的控制。 （ 3）灵活性和适应性 微处理器的控制方式是有软件来实现的，如果需要修改控制规律，一般不必改变系统的硬件电路，只须修改程序即可，在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便。 ( 4 ) 无零点漂移，控制精度高 数字控制不会出现模 拟电路中经常遇见的零点漂移问题，无论被控量是大还是小，都可以保证足够的控制精度。 （ 5）可以提供人机界面，多机连网工作。 用工业控制计算机可谓功能强大，它有极高的速度，很强的运算能力和接口功能，方便的软件功能，但是由于成本高，体积过大，所以只用于大型的控制系统，可编程控制器则恰好相反，它只能完成逻辑判断，定时，记数和简单的运算，由于功能太弱，所以它只能用于简单的电动机控制。在民用生产中，通常用介于工控机和可编程控制器之间的单片机作为微处理器。本次设计就是用单片机作为电动机的控制器。 在设计中用单片机作为电动 机的核心控制元件来取代模拟电路，就可以将传统的调速方案中的一些缺点避免，达到提高控制精度的目的。在本次设计中所用到的控制方式是用转差频率闭环控制。 转速开环恒压频比调速系统虽然结构简单，异步电动机在不同的频率下都能够获得较硬nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 用单片机控制的电机交流调速系统设计 6 的机械特性曲线，但是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要的转距，动态性能也很差，它只能用于对调速系统的动静态性能要求都不高的场合。如果异步电动机能像直流电动机一样，用控制电枢电流的方法来控制转距，那么就能够得到和支流电动机一样的动静态性能。转差频率控制是一种解决异步 电动机电磁转距控制问题的方法，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相似的性能。 转差频率控制的基本概念，原理 由式 2 2 2 2 1 2 2 2 21 1 1 1 2 1 1 23 3 / ( / ) ( ) ppmellN I R N U R SPTW S W R R S W L L 可以得出异步电动机的机械特性方程式 21 1 2 2 2 2 21 1 2 1 1 23 ( ) ( ) ( )epllU S W RTNW S R R S W L L 令式中 1sW SW，它是转差频率。 又由式 1 1 1 14 . 4 4g N mU E F N K 即： 1 1 11114 . 4 42g nmE F N KUWW 所以： 2 2 2 2 21 2 1 2( ) ( )e m m s l lWRTKS R R W L L 式中 2 2 211 114 . 4 4 33 ( )22nm p p nNKK N N N K 由于异步电动机机械特性曲线上有一最大值，当转差频率小于临界转差频率（对应于电磁转距最大的转差率）时，电动机运行在稳定工作区，电动机的电流比较小；当转差率大于临界转差率时，电动机进入不稳定工作区，电动机的电流增大，转距减小。所以在调速过程中要使电动机的转差频率小于临界转差率。也就是说，异步电动机稳定工作时的转差率很小，从而 1sW SW也很小，可以认为 12SR R=， 1 2 2()llL L R =，所以eT可近似写成22/e m m sT K W R 。此式表明，在转差频率 sW 很小的范围内，只要能够保持气隙磁通 m不变，异步电动机的转距就近似与转差频率成正比，这就是说，在异步电动机中控制sW，就能和直流电动机中控制电流一样，能够达到控制转距的目的。控制转差频率就代表了控制转距，这就是转差频率控制的基本原理。 转差频率控制的基本规律 上面只是近似找到了转距与转差频率的正比关系，可以用它表明转差频率控制的基本原理，但是这一正比关系必须有两个条件才能成立。首先转差频率sW必须较小，即控制系统必须对sW限幅，使其满足maxssWWp；其中max 1smW S W，mS对应于最大转距时的转nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 用单片机控制的电机交流调速系统设计 7 差频率。这就是转差频率控制的基本规律之一。对sW限幅的功能由转速调节器来实现。上述的第二个条件是气隙磁通必须保持恒定。异步电动机可以控制的量是定子电流1I，而1I中包括励磁电流分量0I和负载电流分 量 2I，只有保持励磁电流分量0I恒定，才能使气隙磁通 m恒定，而0I和 2I均难以直接测量，若能找到0I，1I和 sW之间的函数关系。当负载改变引起sW变化时，只要调节1I，使0I保持不变，问题就解决了。 图 1 转差频率控制的基本规律 根据并联支路的分流公式 2 1 2 2 20 1 1 2 1 2 2 2/ ( ) ( )l s Ll m S l mR S j W L R j W LI I IR S j W L L R j W L L 取等式两侧向量的副值相等，得： 221 2 2201 2 222()sls l mR W LIIR W L L令0I 常数，可 以看出图 1，它具有如下性质：（ 1），当sW=0 时，01II，在理想空载时定子电流等于励磁电流；（ 2），若sW值增大，定子电流1I也相应增大；（ 3），当sW 时， 210 2mllLLIIL ，这是 1 ()SI f W 曲线的渐近线；（ 4）， s W 为正负值时， 1I 的对应值不变，1 ()SI f W左右对称。上述关系表明：只要对定子电流1I和 sW的关系符合图 1 或符合 221 2 2201 2 222()sls l mR W LIIR W L L的规律，就能保持气隙磁通 m恒定，这就是转差频nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 用单片机控制的电机交流调速系统设计 8 率控制的基本规律之二，它有函数电流发生器来实现。 总结起来，转差频率控制的基本规律是： （ 1）在maxssWWp的范围内，转距基本上与SW成正比，条件是气隙磁通 m恒定。 （ 2）定子电流1I和 sW的关系符合图 1 或式子 221 2 2201 2 222()sls l mR W LIIR W L L的规律，就能够保证气隙磁通 m恒定。 转差频率控制的变频调速系统实现上述转差频率控制的转速闭环变频调速结构原理图如图 2 所示，可以看出该系统具有以下特点： （ 1）采用电流源变频器，使控制对象具有较好的动态响应，而且便于回馈制动，这是提高系统动态性能的基础。 （ 2）和直流电动机双闭环调速系统一样，外环是转速环，内环是电流环，转速调节器的输出是转差频率给定值 *SWU，代表转距给定。 （ 3）转差频率sW的控制作用分两路，分别作用在可控整流器和逆变器上。前者通过1 ()sI f W函数发生器，按 *SWU的大小产生相应的 *1iU信号，再通过电流调节器控制定子电流，以保持m恒定，另一路按1sW W W产生对于于定子频率1W的控制电压1wU，决定逆变器的输出频率。 （ 4）转速给定信号 *swU，wU，1WU都反向，相序鉴别器判断1WU的极性以决定环形分配器的输出相序，而1WU信号本身则经过绝对值变换器决定 输出频率的大小，这样就很方便的实现了异步电动机的可逆运行。 调速系统的工作原理 （ 1）起动过程 起动过程如图 2 所示。首先说明起动过程是一个恒定子电流，恒转差角频率起动的过程，转速给定信号 *wU由电位器设定，作为转速调节器的输入信号，在起动瞬间（对应于图中的 A 点电动机的转速） 0sW，而测速发电机 TG 输出信号 0WU ， nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 用单片机控制的电机交流调速系统设计 9 图 2 调速系统的工作原理图 转速调节器的输 入信号最大，其输出最大达到限幅值 *WSU而转速调节器的输出信号送给了电流函数发生器，所以此时函数发生器的输出达到最大值，因而其输出也达到最大给定值*maxilU ，接下去的电流调节环的速度比转速调节环的速度快得多，可以认为，转速过度过程中实际定子电流1I始终跟踪了 *1iU，而在起动过程中由于电动机转速还没有达到给定值，转速调节器输 出 *WSU不会从限幅值 *maxwsU退下来，转差频率给顶值一直保持 *maxwsU不变， *1iU也一直保持 *1maxiU不变。所以可以认为起动过程是一个恒定子电流，恒转差频率驱动过程。 由式子 221 2 2201 2 222()sls l mR W LIIR W L L可知，定子电流1I，转差频率sW恒定，则励磁电流0I也恒定，因此气隙磁通 m恒定。图三中， A 点对应于起动瞬间，由于电动机的转速为 0（ W=0），所以按1SW W W产生的对应于顶子额定电流为1sSW W W W ，记为11W，如果逆变器输出频率保 持11W不变，则电动机的工作点将沿着这条曲线达到 B 点，记此时的异步电动机的转速为1BW，假如控制系统此时对其进行采样，按1SW W W产生的定子频率1W为1 SBW W W，由于电动机的转速不能突变，因此电动机的工作点移到了这条曲线上的 C 点。按以上的方法分析下去，可以知道异步电动机的工作点 将沿着A B C D 移动，最终达到稳定工作点 N。 以上分析中，控制系统对转速进行采样的时刻时间断的，如果控制采用连续系统方法，则电动机的转速变化将立即通过控制系统改变控制器的输出频率。这样，沿着A B C D 的连线将趋向于沿着 A C E G 这条曲线，而这条曲nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 用单片机控制的电机交流调速系统设计 10 线说明在异步电动机起动过程中，电磁转距保持不变，这一结论可以从上面的定子电流1I，转角频率sW，气隙磁通m恒定。 负载变化 图 3 负载变化图 负载变化如图 3 所示，负载变化时，若转速给定信号为 *WU，电动机工作点为 N，当负载变化从1LT增加为2LT时，电动机的转速 W 将逐渐降低，测速发电机输出信号WU减少，转速调节器 *wsU增大，按1SW W W产生的对应于定子频率1W由于 *wsU增大而增大，控制电压1WU增大，决定了逆变器的输出频率增加，电动机的机械特性曲线上移，最终电动机在新的工作点 N 处稳定工作。 调速过程 如果1LLTT不改变，但转速给顶信号从 *1WU增大到 *2WU时，速度调节器的输入为正值，其输出 *wsU将增大，按1SW W W产生的对应于定子频率1W，由于 *wsU增大而增大，控制电压1WU增大 ，决定了逆变器的输出频率增加，电动机的机械曲线上移，当 *wsW增大时，电动机的工作点将瞬间地从1N点转到 *12W对应的特性曲线上的 A 点，在 A 点电磁转距1eLTTf，因而电动机将加速，转速上升，按1SW W W产生的对应于定子频率1W由于 *wsW增大而增大，逆变器的输出频率增加，电动机的机械特性曲线上移，只要 1WWp，定子频率1W将不断增大，电动机的工作点将沿着图中的 A 到2N曲线运动，到了2N点时，电动机nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 用单片机控制的电机交流调速系统设计 11 的转速 1WW，电磁转距1eLTT，电动机将在2N点上稳定运行，这就完成了电动机的加速过程。 电动机反转 当转速给定信号反相时，速度调节器输出负限幅值， *m axW S wsUU，按1SW W W产生的对应于定子频率1W由于 *wsW变负而减小逆变器的输出频率降低，电动机的机械特性曲线下移，电动机以最大制动转距 减少到零。当转速接近于零时，按1SW W W产生的对应的1W由正值变负时，通过相序鉴别器使环形分配器的相序改变，电动机实现反向运行。 近似动态结构 转差频率控制系统的动态性能虽比转速开环系统有较大提高，但是在采用经典线性控制理论和工程设计方法分析和设计，仍要作较大的近似处理。在建立转差频率控制系统的动态结构图时，仍做如下处理： （ 1）忽略异步电动机的铁损。 （ 2）忽略异步电动机旋转电动势对系统动态过程的影响，或者说，忽 略哦率和转速对电压控制系统的影响。 （ 3）认为组成系统的各环节的输入输出关系都是线性的。 （ 4）认为磁通m在动态过程中保持不变。 参照转速开环的变频调速系统的动态结构图，可以画出转差控制系统的近似动态结构图，如图 4 所示： 图 4 近似动态结构图 以上就本次变频设计的控制方法规律等做了介绍，它就是本次设计的理论部分。 nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 用单片机控制的电机交流调速系统设计 12 3 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： 2.2NP KW，1 4 4 0 / m i n , 3 8 0 ,NSn r U V 接法， 4.8NIA 采用转差频率控制方法，由单片机组成核心。调速范围（ 0.2 51HZ: ），无级调速，静差率 5%S 。根据对象参数，完成各功能单元的结构设计，参数计算。 4 用单片机控制的电机交流调速系统设计 4.1 调速系统总体方案设计 图 5 调速系统总体框图 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。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。 为了使系统具 有较好的动静态性能，满足设计要求，可将整个系统设计为转速单闭环控制系统，采用转差频率调节方式，对转速进行动态调节，考虑电动机负载为恒转距负载，在高频段，采用恒比例控制方式来做近似恒磁通控制方式；在低频段，采用恒磁通补偿方法来维持磁通的恒定，实现恒磁通变频调速。当频率高于额定转速时，维持1 nUU，实现恒功率调节。选用大规模集成电路 HEF4752 来产生 PWM 控制信号，以减轻单片机的负担，nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 用单片机控制的电机交流调速系统设计 13 使它能够有足够的时间来完成闭环控制，系统检测和保护等任务。 由于电动机功率不大， 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， HEF4752 大规模集成电路，保护电路， 51-单片机， 8253 定时 /记数器， 8255 可编程接口芯片， 8279 通用键盘 /显示器， I/O 接口芯片， CD4527 比例分频器和测速发电机等组成。 4.2 原器件的选择 （ 1） 74LS138 74LS138 是一种 3-8 译码器，有三个输入端，经译码产生 8 种状态。其引脚如图 6 所示，译码功能如表所示，由表可知，当译码器的输入为某一个编码时其输出就有一个固 定的引脚输出为低电平，其余的为高电平。 图 6 74LS138 引脚图 表 1 74LS138 真 值 表 输 入 输 出 G1 G2A/ G2B/ C B A Y7/ Y6/ Y5/ Y4/ Y3/ Y2/ Y1/ Y0/ 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 其它状态 1 1 1 1 1 1 1 1 （ 2） 8253 主要功能 1）一个芯片上有三个独立的 16位计数器通道 ; nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 用单片机控制的电机交流调速系统设计 14 2）每个计数器都可以按照二进制或二 十进制计数； 3）每个计数器的技术速率可高到 2MHz。 4） .每个通道有六种工作方式，可由程序设置和改 变 ; 5） .所有的输入输出与 TTL 兼容。 D08O U T 010D17G A T E 011D26CL K 09D35D44D53D62O U T 113D71G A T E 114CL K 115CS21RD22WR23O U T 217A019G A T E 216A120CL K 2188253图 7 8253引脚图 每个通道有三条引线： CLK：输入脉冲线。计数器就是对这个脉冲计数。 8253规定，加在 CLK引脚的输入时钟周期不能小于 380ns . GATE：门控制信号输入引脚。这是控制计数器工作的一个外部信号。当 GATE引脚为低电平时，通常都是禁止计数器工作 ;只有当 GATE为高电平时，才允许计数器工作。 OUT：输出引脚。当计数到“ 0”时， OUT引线上必然有输出，输出信号的波形取决于工作方式。 本次设计用到芯片 8253的工作方式三，当记数值 N为偶数时 ，输出为对称方波，前 N/2记数期间， OUT输出为高电平，后 N/2记数期间， OUT输出为低电平。若记数值 N为奇数值时，将输出不对称方波，即在前（ 2N+1） /2记数期间， OUT输出高电平，后（ 2N-1）记数期间输出低电平。 （ 3） HEF4752 随着电力电子技术及大规模集成电路的发展，基于集成 SPWM电路构成的变频调速系统以其结构简单、运行可靠、节能效果显著、性价比高等突出优点而得到广泛应用。本文介绍的变频调速系统是以大规模专用集成电路 HEF4752为核心构成的控制电路，由 HEF4752产生的三相 SPWM信号经 隔离、放大后，驱动由 IGBT构成的三相逆变器，使之输出 SPWM的波形，nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 用单片机控制的电机交流调速系统设计 15 实现异步电动机变频调速。 HEF4752简介 HEF4752如图 8所示， 是采用 LOCMOS工艺制造的大规模集成电路，专门用来产生三相 SPWM 信号。它的驱动输出经隔离放大后，可驱动 GTO和 GTR逆变器，在交流变频调速中作控制器件。 O B C-11L24O B C-227I25K7O B M -13CW5O B M -22A13B15O R M -18C16O R M -29F CT12O Y C-120V C T17O Y C-219RCT4O C T6O Y M - 122O Y M - 221RS Y N23O R C-110V A V26O R C-211CS P18HEF4752图 8 HEF4752引脚图 主要特点如下： 1）能产生三对相位差 120 的互补 SPWM主控脉冲，适用于三相桥结构的逆变器 。 2）采用多载波比自动 切换方式，随着逆变器的输出频率降低，有级地自动增加载波比，从而抑制低频输出时因高次谐波产生的转矩脉冲和噪声等所造成的恶劣影响。调制频率可调范围为 0 100Hz，且能使逆变器输出电压同步调节 。 3）为防止逆变器上下桥臂直通，在每相主控脉冲间插入死区间隔，间隔时间连续可调。引脚说明 ： HEF4752为 28脚双列直插式标准封装 DIP芯片，它有 7个控制输入， 4个时钟输入， 12个驱动信号输出， 3个控制输出。各管脚功能描述如表所列。 表 2 HEF4752管脚功能 引脚 名称 功 能 1 OBC1B 相换流开关信号 1 2 OBM 相主开关信号 2 nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 用单片机控制的电机交流调速系统设计 16 2B 3 OBM1B 相主开关信号 1 4 RCT 最高开关频率基准时钟 5 CW 电机换相控制信号 6 OCT 推迟输出时钟 7 K 选择互锁推迟间隔 8 ORM1 R 相主开关信号 1 9 ORM2 R 相主开关信号 2 10 ORC1 R 相换流开关信号 1 11 ORC2 R 相换流开关信号 2 12 FCT 频率时钟 13 A 复位输入控制 14 VSS 接地 端 15 B 测试电路用信号 16 C 测试电路用信号 17 VCT 电压时钟 18 CSP 电流采样脉冲 19 OYC2 Y 相换流开关信号 2 nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 用单片机控制的电机交流调速系统设计 17 20 OYC1 Y 相换流开关信号 1 21 OYM2 Y 相主开关信号 2 22 OYM1 Y 相主开关信号 1 23 RSYN R 相同步信号 24 L 停止 /启动系统 25 I 选择晶体管 /晶闸管模式 26 VAV 平均电压 27 OBC2 B 相换流开关信号 2 28 VDD 工作电压 (10V) 输入引脚功能 1 )输入引脚 I用来决定逆变器驱动输出模式的选择，当引脚 I为低电平时，驱动模式是晶体管，当引脚 I为高电平时，驱动模式是晶闸管。 2)输入控制信号引脚 K和时钟输入引脚 OCT共同决定逆变器每对输出信号的互锁推迟间隔时间。 （ 4） 8255 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 9所示。 引脚说明 由图 可知， 8255 共有 40个引脚，各引脚功能如下： D0 D7： 三态双向数据线，与单片机数据总线相连，用来传递数据信息。 nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 用单片机控制的电机交流调速系统设计 18 CS/： 片选信号线，低电平有效，表示芯片被选中。 D034D133D232D331D430D529D628D727P A 04P A 13P A 22P A 31P A 440P A 539P A 638P A 737P B 018P B 119P B 220P B 321P B 422P B 523P B 624P B 725P C 014P C 115P C 216P C 317P C 413P C 512P C 611P C 710RD5WR36A09A18R E S E T35CS68255图 9 8255引脚图 RD/： 读出信号线，低电平有效，控制数据的读出。 WR/： 写入信号线，低电平有效，控制数据的写入。 Vcc： +5V电源。 PA7 PA0： A口输入 /输出线。 PB7 PB0： B口输入 /输出线。 PC7 PC0： C口输入 /输出线。 RESET： 复位信号线。 A1 A0： 地址线，用来选择 8255内部 端口。 本次设计用到 8255的工作方式 0，且 A口作为输入， B口， C口作为输出。 8255地址口的选定： 片选 CS/，地址选择端 A1， A0。分别接于 P0.7,P0.1,P0.0 其它地址线全悬空。显然只要保证 P0.7为低电平时，选中该 8255，若 P0.1,P0.0再为“ 00”选中 8255的 A口，同理 P0.1,P0.0为“ 01”，“ 10”，“ 11”分别选中 B口， C口及控制口。若地址用 16 位表示，其他无用端全选为 1，则 8255的 A， B， C J及控制口地址可为FF7CH， FF7DH， FF7FH，如果无用位为“ 0” ，则 4个地址为 0000H， 0001H， 0002H， 0003H，只要保证 CS/， A1， A0 的状态，无用位设为“ 0”，或“ 1”无关。掌握了确定地址的方法，地址便可以灵活的选出了。 （ 5） ADC0809 nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 用单片机控制的电机交流调速系统设计 19 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10所示。 由引脚可见， ADC0809 共有 28个引脚，采用双插直列示封装，其引脚主要功能如下： 1） IN0 IN7 是 8路模拟信号输入端。 图 10 ADC0809 引脚图 2） D0 D7 是 8位数字量输出端。 3） A， B， C 与 ALE控制 8路模拟通道的切换， A， B， C 分别与三根地址线或数据线相连，三者编码对应 8个通道地址口。 C， B， A=000 111分别对应 IN0 IN7通道地址。 ADC0809 虽然有 8路模拟通道可以同时输入 8路模拟信号，但每个瞬间只能转换一路，各路之间的切换由软件变换通道地址实现。 4） OE， START， CLK为控制信号端， OE 为输出允许端， START为启动信号输入端， CLK为时钟信号输入端。 5） VR（ +）和 VR（ -）为参考电压输入端。 （ 6） 8279 nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 用单片机控制的电机交流调速系统设计 20 O U T A 027O U T B 031O U T A 126O U T B 130O U T A 225O U T B 229O U T A 324O U T B 328D B 012BD23D B 113D B 214S L 032D B 315S L 133D B 416S L 234D B 517S L 335D B 618D B 719R L 038R L 139IR Q4R L 21R L 32CS22R L 45RD10R L 56WR11R L 67A021R L 78C L K3S H I F T36R E S E T9C N T L /S378279图 11 8279 引脚图 8279是一种通用可编程键盘，显示器接口芯片。如图 11 所示，它能完成键盘输入和显示控制两种功能，键盘部分提供一种扫描方式，对键盘不断扫描，自动消抖，自动识别出按下的键并给出编码，能对双键或 N键同时按下进行保护。 8279的组成： 1） I/O控制及数据缓冲器 2）控制和时序寄存器及定时控制 3）扫描计数器 4）回复缓冲器，键盘抖动及控制 5） FIFO/传感器 RAM及其状态寄存器 6）显示 RAM和显示地址寄存器 4.3 系统主回路的设计以及参数计算 （ 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 12如下所示： nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 用单片机控制的电机交流调速系统设计 21 图 12 系统主回路电路图 整流采用三相桥式不可控整流器，1L，2L，0C组成滤波电路，2R，2C，2VD三个元件和 1VD一起构成尖峰电压吸收电路（又称直流侧阻容吸收电路），用以削弱因逆变器换流而引起的尖峰电压，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1 / .8 6 6dU U o。为了使逆变器输出 380V 的线电压，要求直流侧的电源电压：380 4 3 8 . 80 . 8 6 6d VUV 考虑到大功率的晶体管的管压降等，取 450dUV ， 则大功率晶体管的参数为() ( 2 3 ) 9 0 0 1 3 5 0B R c e o dU U V:，() ( 2 3 ) 9 0 0 1 3 5 0R R c e o dU U V:。选择晶体管模块 QCA50A 100A 三块，作为大功率开关管。 QCA50A 100A 为两单元组件，c-e 极带反向续流二极管，绝缘式结构，其极限参数为：() 1 0 0 0 , 5 0 , 4 0 0 * 2B R c e o C M dU V I A P W ，它的内部结构图如图 13 所示。 图 13 QCA50A 100 模块内部结构 2） 三相整流桥 整流桥输入侧电压为：2 1922 . 3 4dUUV，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 1 2200 2 . 70 . 8 2VP K W K W。取逆变器的效率为 0.93，则 直流侧的功率为： 1 2 . 90 . 9 3d PP K W，故直流侧电流：2900 6 . 4450dd dPI A AU 。整流二极管最高反压： 22 6 2 6 * 1 9 2 9 4 0RMU U V V 。 nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 用单片机控制的电机交流调速系统设计 22 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0 4400C uF，其最大耐压26 4 7 0UV。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感量算式估计如下（取10%iS ）3322( ) * 1 0 0 . 8 * 1 0 1 9 2* * 1 2 72 2 * 3 . 1 4 * 3 0 0 1 0 % * 6 . 4dmMd I dUUUL m H m Hf S I 考虑到电动机和整流变压器存在一定的电感量，取实际的串联电感为 100mH。选择两台电感量各为 50mH，额定电流不小于 6.4A 的电
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