异步电动机轻载节能控制系统硬件设计毕业论文.doc

I 中国石油大学 华东 现代远程教育 毕业设计 论文 题 目 异步电动机轻载节能控制系统硬件 设计 学习中心 中原油田 年级专业 06 春网电气工程及其自动化 学生姓名 汪利平 学 号 06814040009 指导教师 张荣梅 职 称 教师 导师单位 油田培训中心 中国石油大学 华东 远程与继续教育 学院 论文完成时间 2007 年 11 月 18 日 II 中国石油大学 华东 现代远程教育 毕业设计 论文 任务书 1 设计 论文 题目 异步电动机轻载节能控制系统硬件设计 2 学生完成设计 论文 期限 2007 年 8 月 28 日至 2007 年 11 月 18 日 3 设计 论文 课题要求 1 熟悉课题明确课题的任务与要求 2 收集与课题有关系的资料 写出开题报告书 3 拟定进行课题的技术路线 4 关于轻载节能进行理论分析及可行性分析 并做出初步的设计思路 5 对控制器件晶闸管单片机 AT89C51 进行研究 并进行选型 6 根据理论指导进行轻载节能系统的设计 进行过载 缺相 过流等 保护电路的设计 并对设计的可行性进行分析 7 撰写论文 8 准备毕业论文答辩 4 实验 上机 调研 部分要求内容 5 文献查阅要求 6 发 出 日 期 2007 年 8 月 28 日 7 学员完成日期 2007 年 11 月 18 日 指导教师签名 学 生 签 名 III 摘摘 要要 目前异步电动机运行的损耗大 效率普遍低 做到安全的高效率运 行 提高控制系统的自动化程度 最终实现最大限度的节能是我们的目 的 节能技术的研究和利用的价值日益显得重要 电力电子技术的发展 和计算机技术应用于电动机的控制领域 建立以计算机实时控制电动机 运行高精度的节能技术 本文先从三相从异步电动机的损耗 探讨研究了异步电动机轻载调 压节能的原理 途径和负载系数的测定方法 再从异步电动机轻载节能 的实现方式 探讨了异步电动机轻载节能的可行性性 对异步电动机轻载节能的两种实现方法 自动调压节电器和异步 电动机轻载自动切换的比较 可以的到的结论是 切换的的Y Y 结构虽然简单 但是要求电压值变动是一定的 不能适应各种负载的需 要 自动调压节电器是理想的节电器它能够按负载的大小自动改变电源 电压 使电动机在各种负载系数下均运行在最佳电压比和较高的功率因 数状态 单片机应用于本控制系统使得控制的精度和实时性有了很大的提高 采用单片机控制的轻载调压节电器 可以根据实际负载的大小来调节电 动机的供电电压 使电动机始终运行在最佳效率状态下 因而节能效果 显著 同时还可以将软起动和缺相 过载 短路 漏电等保护措施融于 一体 元器件参数的计算及其选择和使用 系统各信号的检测 保护与 接口电路的设计 驱动电路 给定和显示电路的设计等方面的内容进行 了详细的分析和介绍 按照本文的分析和给出的参数能够设计出满足要 求的异步电动机轻载节能控制系统 关键词 关键词 异步电动机 轻载节能 负载系数 最佳电压比 IV 目目 录录 第一章 绪 1 第二章 异步电动机轻载调压节能理论分析 2 2 1 异步电动机轻载调压节能原理 2 2 2 单片机应用的轻载节能的可行性 3 第三章 常见异步电动机节能方法的比较 5 3 1 异步电动机轻载 自动切换 5 3 2 异步电动机轻载自动调压节电器 6 3 3 轻载节能电动机软起动器 7 3 4 轻载节能软件设计 8 第四章 控制系统各元件的选择 9 4 1 系统直流电源的提供 9 4 1 1 工作原理 9 4 1 2 整流二极管的选择 10 4 1 3 三端集成稳压器 11 4 2 双向晶闸管的选择 12 4 2 1 晶闸管的主要参数 12 4 2 3 双向晶闸管 13 4 3 双向晶闸管驱动装置的选择 15 4 4 电流 电压信号检测装置的选择 16 4 4 1 电流检测装置的选择 16 4 4 2 电压检测装置的选择 17 4 4 3 相位 频率转换器原理 18 4 5 过电压保护 19 4 5 1 系统过电压保护 19 4 5 2 晶闸管过电压保护 20 V 4 6 过电流保护 21 4 6 1 系统过电流保护 21 4 6 2 晶闸管过电流保护 22 4 7 电动机的选择 23 4 7 1 电动机型号的选择 23 4 7 2 电动机软启动参数的校验 24 4 8 电动机电子保护器 26 4 8 1 ZLDB 保护器主要技术特点和主要技术性能 26 4 8 2 正存 ZLDB 电动机保护器的典型应用 27 4 9 电动机软起动器的选择 27 4 9 1 主要技术性能特点 27 第五章 单片机在电动机轻载节能控制系统中的应用 28 5 1 概述 36 5 2 AT89C51 单片机的介绍 28 5 2 1 单片机的一般结构 28 5 2 2 AT89C51 具有下列主要性能 28 5 2 3 AT89C51 引脚描述 29 第六章 单片机的辅助电路的选择 31 6 1 A D 转换器的选择 31 6 1 1 逐次逼近式 A D 转换器结构原理及主要技术指标 31 6 1 2 ADC0809 引脚及功能 32 6 2 键盘 显示控制器 8279 33 6 2 1 8279 引脚及功能 33 6 2 2 8279 控制逻辑 34 6 2 3 8279 扫描计数器 34 6 3 8155 可编程 I 0 接口扩展 35 VI 6 3 1 8155 结构及引脚 35 6 3 2 作扩展 I 0 接口使用 36 6 4 可编程计数器 定时器 8253 36 6 4 1 8253 的主要功能 37 6 4 2 8253 的引脚特性 37 6 4 3 8253 的工作方式 38 第七章 总结 40 谢 辞 41 主要参考文献 42 附录 43 异步电动机轻载节能控制系统硬件设计 1 第一章第一章 绪绪论论 电动机 特别是三相异步电动机是现代工农业生产的主要动力设备 统计表明世界各国电动机的用电量占总发电量的50 60 因此 电 动机及其拖动系统的节能具有十分重要的意义 由于电动机的效率与负 载的大小有关 当电动机在额定负载附近运行时 其效率和功率因数都较 高 但当负载系数较低时 其效率和功率因数都将急骤降低 如图1所示 据统计资料表明 我国中小型异步电动机大部分平均负载率在20 65 之 间 特别是机械 纺织等行业情况更为严重 若电动机处在空载或轻载 运行时适当降低电源电压 使电动机运行在效率最佳状态 此时功率因数 较高 具有显著的节能效果 图1 1 异步电动机的效率与功率因数曲线 采用单片机控制的轻载调压节电器可以将电动机的软起动和过载检 测 短路检测 缺相检测 上电检测等检测集中于一体 单片机对系统 的保护措施是可以实时的保护系统和电动机的正常工作 对电动机的端 电压和端电流的采样之后送入单片机的相位比较模块之后就能很精确的 实现对电动机的功率因数角的测量 进而得到电动机的负载系数 在单 片机的内部程序处理之后根据得到的最佳电压比 向电动机晶闸管的驱 动电路发出信号控制晶闸管的导通 最终使电动机工作在最佳电压比之 下 真实意义上实现了单片机控制电动机的轻载节能 中国石油大学 06 春网本科毕业设计 论文 2 第二章第二章 异步电动机轻载调压节能理论分析异步电动机轻载调压节能理论分析 交流异步电动机空载或轻载运行时 功率因数很低 从而使电流较 大 一般电动机空载电流在额定电流的30 左右 小型电机有达50 者 在空载或轻载时 降低电机相绕组的端电压 可使功率因数提高 起到 降低定子电流作用 与电流平方成正比的供电线路损耗 变压器铜损耗 和电机绕组热损失特显著减少 端电压的降低又使电动机铁芯损失大为 下降 提高了电动机的效率 可见 空载或轻载运行的电动机降低其端 电压运行是有力的节电措施 2 12 1 异步电动机轻载调压节能原理异步电动机轻载调压节能原理 异步电动机端电压变化时 铁耗与电压的平方成正比变化 设电动 机的实际电压与额定电压之比为 则铁耗 1 U Nu UUk 1 2 1 2 0umFe kPPP 式中 额定电压时的空载损耗 0 P 机械损耗 m P 而铜耗则与电流的平方成正比 可以用下式计算 2 2 2 0 1 1 uN NCu k PPP N PP 2 式中 电动机的负载系数 电动机的输出功率 2 P 当负载系数一定时 若电动机的端电压降低 则铜耗和杂散损耗将按 增大 而铁耗将按减小 在某一电压下运行时 必然有电动机总 2 1 u k 2 u k 损耗最小 这一电压称为在该负载系数下的最佳运行电压 其电压比 j U1 称为最佳电压比 uj k 设电动机额定电压下运行时的总损耗为 任意电压下运行时的 P 异步电动机轻载节能控制系统硬件设计 3 总损耗为 则 u P 2 3 2 00 1 1 PPPP N N 2 4 2 0 2 0 1 1 uN Nmumu k PPPkPPP 定义效益系数 2 5 PPk up 对于在某一负载系数 下运行的电动机 只有当 1 额定运行时的铜耗大于铁耗 故电动机额定运行时并非在最 佳效率状态 2 当电动机满载运行时 其最佳电压比 但应使其值小 4 akuj 于等于1 1 只有当负载系数时 降低电压才有节电意义 负a1 载系数 越小 降压节电效果越显著 3 a 值越接近于1 额定运行时的铁耗越接近于铜耗 的异步电 动机 采用调压节电的效果越好 2 22 2 单片机应用的轻载节能的可行性单片机应用的轻载节能的可行性 单片机应用的轻载节能技术的发展主要取决于以下关键技术的迅速 发展 1 半导体大规模集成电路技术的迅速发展 半导体电路体积越 来越小 价格越来越低 2 计算机及其控制技术的不断发展 使控制小型化 灵活化 智能化 3 传感器技术的发展 使信号采集更加方便 由于上述技术的发展 使单片机应用的轻载节能技术及其设备和产 品迅速发展 而民具有很多优点和特点 单片机技术及其外围设备之所以迅速发展 在于它有以下许多优点 1 体积小 重量轻 IC 技术和 LCD 技术的发展 使控制装置的体 积和重量减少为原来的几分之一或几十分之一 2 速度快 精度高 由于电路集成度的提高 处理速度和响应速 度也大大提高 因而使超精密和高精密控制成为可能 3 可靠性提高 在机电一体化设备小 激光 电磁技术的应用 用无触点代替了有触点开关 非接触式代替了接触式控制 减少了机械 异步电动机轻载节能控制系统硬件设计 5 接触中漏油 磨损 断裂等问题 使可靠性大幅度提高 4 柔性好 机电一体化系统中 只要改变软件就能实现最佳运行 方式或增加新的运行方式 它们都具有很强的扩展性 个设备往往硬 件不需要改变多少 就以实现多用途 多功能 第三章第三章 常见异步电动机节能方法的比较常见异步电动机节能方法的比较 对于异步电动机的节能研究一直没有间断过 有许多都是以机械 的角度从电动机的软启动出发来开发出许多的启动方法如 研制高效的 异步电动机 开发新型节能电动机 近年来随着稀土永磁材料的发展 极大地推动了永磁电动机的更新 从而使永磁三相同步电动机部分替代 三相异步电动机将成为现实 永磁同步电动机的效率比同容量的异步电 动机高5 10 其功率因数也很高甚至接近于1 所以是一种很有发 展前途的节能型电动机 但是随着计算机信息技术的发展和进一步的成 熟 单片机应用于电动机的控制领域中越来越显示出了强大的应用前景 3 13 1 异步电动机轻载异步电动机轻载自动切换自动切换 有些电动机重载运行的时间较短 而空载和轻载运行的时间较长 当电动机正常运行定子绕组为 接法时 在空载和轻载运行时最简单的 降压方法是转换为Y 接法 若电动机重 轻载交替工作 可采用 Y自 动切换 中国石油大学 06 春网本科毕业设计 论文 6 图3 1 电动机自动切换电路 KA 中间继电器触点 FT 热继电器 SB 控制按钮 KM 交流接触器 HL信号灯 FU 熔断器 Q 电源开关 D1D4 D2D5 D8D6 电动机转子绕组 由 接法改为Y 接法后 其相电压降低到原来的 即31 此时电动机的额定功率也变为 接法时的三分之一 如果577 0 u k 接法时的负载系数为33 则改为Y 接法时的负载系数将变为100 其功率因数明显改善 但从电动机本身节电的角度出发 其最佳切换负 载系数 只有当负载系数时才能节能 a j 31 j Y切换的优点是转换器结构简单 不消耗功率 但这一方案要 求的电压值变动是一定的 不能适应各种负载的需要 理想的节电器是 按负载的大小自动改变电源电压 使电动机在各种负载系数下均运行在 最佳效率和较高功率因数状态 3 23 2 异步电动机轻载自动调压节电器异步电动机轻载自动调压节电器 按照最佳电压比来调节电压 就可以使电动机始终处于最佳运行状 态 达到节电的目的 这里的关键是电动机负载系数的测定 下面介绍 负载系数的功率法 由参考文献 1 可知 测量电动机的负载系数有三 种方法 1 转差率法 由文献 1 电机的负载系数可按下式计算 异步电动机轻载节能控制系统硬件设计 7 3 1 2 2 1 1 2 1 1 U U ss ss nP P NNNN n 式中 s 电动机的转差率 额定转差率 额定电 N s N U 压测出运行时的电压和转速n 就可以得到负载系数 1 U 2 空载电流法 设电动机在额定电压时的空载电流为 测出电动 0 I 机运行时的定子电压和电流 则负载系数 1 U 1 I 3 2 2 0 2 2 0 2 112 II II U U P P NNN 式中 电动机的额定电压 额定电流 N U N I 3 功率法 当采用调压节能运行 电动机的效率一般均较高 可近 似认为等于额定效率不变 测出电动机运行时的定子电压 电流 N 1 U 和功率因数 则由功率法可测得异步电动机的负载系数 1 I 1 cos 3 N N N N N P IU P P P P 11112 cos3 3 相关资料表明 采用单片机控制的轻载调压节能器可以将电动机的 软起动和过载 短路 缺相等保护集中于一体 图3 2 为该节电器的电路原理示意图 图电动机两端的电压信号 电流信号经过单片机外围设备的A D转 换器的采样和分析的到了电压电流之间的相位的差角 经过单片机内部 程序块的处理就可以得到相位角 进而可以得到电动机的功率因数 中国石油大学 06 春网本科毕业设计 论文 8 单片机按照式 3 3 计算算出电动机的负载系数 通过负载 cos 系数就可以得到电动机的最佳电压比 向晶闸管的驱动电路发出控制信 号 晶闸管的导通角由单片机发出的控制信号作用在晶闸管的驱动电路 上 晶闸管的驱动电路的主要作用是将单片机发出的控制信号发大 因 为单片机的控制信号是很弱的数字信号 需要又驱动电路来完成将数字 信号转换成模拟信号作用在晶闸管上 真正意义上实现对晶闸管的控制 3 33 3 轻载节能轻载节能电动机软起动器电动机软起动器 软起动指装置输出电压按指定要求上升 使被控电动机电压由零按 指定斜率上升到全电压 转速相应地由零平滑加速至额定转速的过程 软起动方式既改善了电动机起动时对电网的影响 又降低了电动机自身 所承受的较大结构冲击力 电动机电子软起动器 是在电力电子技术蓬 蓬勃勃的发展中 悄然应运而生的 它是 种减压起动器 是继星 三 角起动器 自耦减压起动器 磁控式软起动器之后 目前最先进 最流 行的起动器 简称 软起动器 它一般是采用16位单片机进行智能化 控制 既能保证电动机在负载要求的起动特性下平滑起动 又能降低对 电网的冲击 同时还能直接与计算机实现网络通信控制 为自动化智能 控制打下良好基础 起动时为防止过大的起动电流冲击 采用降低电压 然后逐渐升高 电压 即软起动方法 起动时间可以根据需要调整 起动结束后转入调 压节能运行 端电压变化如图3 3 所示 异步电动机轻载节能控制系统硬件设计 9 图3 3 节电器端电压变化曲线 单片机控制系统根据电压 电流采集并且有相序和缺相处理 过载 和短路处理 漏电处理和自检处理等子程序 因而具有较完善保护功能 3 43 4 轻载节能轻载节能软件设计软件设计 保护器软起动原理是采用三个双向晶闸管串联于电动机的三相供电 电路上 利用晶闸管的电子特性 通过控制其触发脉冲 触发角的大小 来改变晶闸管的开通程度 从而改变电动机输入电压的大小 以达到控 制电动机的软起动过程 主程序软件流程见附件 主要有主程序模块 故障检测模块 软起 动控制模块 系统初始化模块等 电动机的软起动模式一般有两种 1 限流软起动模式 这种方式可使电动机在起动时最大不超过预先 设定的限流值 2 电压斜坡起动模式 这种方式是通过设定电动 M I 机输入电压的线性的上升速率来完成电动机的起动过程 由于电压从初 值到额定值是线性变化 初值可保证电机有最大的起动力矩 所以整 个起动过程可保证电机平稳运行 如果检测电流小于0 4倍额定电流 则输出相应的触发脉冲 控制晶 闸管进行电机软起动 如果检测电流大于0 4倍额定电流 电机正常运行 因为设计的起动电压为额定电压的0 4倍 所以起动时候的电流值也应 该相应的控制在额定值的0 4倍 在保持了电流在规定值之后 电动机 的端电压从0 4倍额定值开始施加 直到达到额定电压值之后稳定运行 完成这个步骤之后 电动机就进入轻载节能工作状态 选择电压斜坡起动模式 在前面的硬件设计中的运行参数确定时 要保证 起动电压时 现在由晶闸管触发公式1 5 stN II 0 4 SN UU 3 4 2 1 1 2sin 2 1 N UU 可得 3 5 1 2 1 sin20 4 2 中国石油大学 06 春网本科毕业设计 论文 10 解得 rad03 3 起动时电动机输入的电压初值所需的触发角 便求出了 至于输 入电压额定值所对应的触发角 本来应该为 0 但由于是阻感性负载 电动机功率因数不为 1 且存在脉冲输出接口电路设计中提到的最小触 发角问题 故而此时 应为在运行参数确定时提到的值 0 61rad 关于输入电压的上升速率则由设定的软起动时间决定 在此设定为 5秒左右 由于三相交流可控硅调压每改变触发角 就会因此在触发 角上丢失一个电压周期 故输入电压实际上并不是连续的 而是以一定 的阶梯上升 第四章第四章 控制系统各元件的选择控制系统各元件的选择 在自动调速系统中 往往需要有电流和电压等反馈信号 以便与相 应的给定信号进行比较 这些反馈信号是在相应的检测单元取得的 检 测元件的性能优劣 直接影响到调速系统的性能好坏 因此 合理正确 地选择检测元件对设计一个系统相当重要 4 14 1 系统直流电源的提供系统直流电源的提供 整流电路的任务是将交流电变换成直流电 完成这一任务主要是靠 二极管的单向导电作用 因此二极管是构成整流电路的关键元件 在小 功率整流电路中 1kW 以下 常见的整流电路有单相半波整流电路 4 1 14 1 1 工作原理工作原理 电路如图 4 1 所示 图中 Tr 为电源变压器 通过计算的可到电源 异步电动机轻载节能控制系统硬件设计 11 变压器的变比是 4 11 22 380 21 1122 18 vn k vn 1 通过变压器的作用是将交流电网电压变成整流电路要求的交流 1 电压 是要求直流供电的负载电阻 四只整流二极tV sin2 22 L R 管 D1 一 D4 接成电桥的形式 故有桥式整流电路之称 下图是它的简化 画法 图 4 1 整流电路工作原理图 在电源电压的正 半周 设 a 端为正 b 端为负时是正半周 内电 2 流通路分别用图上图中实线利虚线箭头表示 通过负载的电流以及电压的波形如下图所示 显然 它们 L R L i L v 都是单方向的全波脉动波形 中国石油大学 06 春网本科毕业设计 论文 12 图 4 2 负载的电流以及电压的波形 L R L i L v 4 1 24 1 2 整流二极管的选择整流二极管的选择 用傅里叶级数对上图的波形进行分解后可得 L v 4 tttVvL 6cos 35 4 4cos 15 4 2cos 3 42 2 2 2 式中恒定分量即为负载电压的平均值 因此有 L v 11 46V 4 2 2 9 0 22 V V VL 3 由式 4 1 看出 最低次谐波分量的幅值为 角频率为 324 2 V 电源频率的两倍 即 其他交流分量的角频率为 等偶次 2 4 6 谐波分量 这些谐波分量总称为纹波 它叠加于直流分量之上 常用纹 波系数 v 来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小 即 4 4 2 4 2 2LLL VVV 所以要有电容滤波电路来降低纹波对负载的影响 整流元件的计算 在整流桥中 二极管 和 是两两导通 1 D 3 D 2 D 4 D 的 所以流经每个二极管的平均电流为 异步电动机轻载节能控制系统硬件设计 13 4 5 2 0 451 2 DL L V II R 二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压 在正半周时 2 v 1 D 导通 截止 此时 所承受到的最大反向电压均为 3 D 2 D 4 D 2 D 4 D 的最大值 即 2 v 4 6 2 2 RM VV 同理 在的负半周 Dl D 也承受到同样大小的反向电压 桥式整流电路的优点是输出电压高 纹波电压较小 管子所承受的 最大反向电压较低 同时因电源变压器在正 负半周内都有电流供给负 裁 电源变压器得到了充分的利用 效率较高 因此 这种电路在半导 体整流电路中颇为广泛的应用 所以本设计选用整流桥堆块 QL62A L 它的额定电流为 2A 最大反向电压为 25V 1000 V 4 1 34 1 3 三端集成稳压器三端集成稳压器 目前 电子设备中常使用输出电压固定的集成稳压器 由于它只 有输入 输出和公共引出端 故称之为三端式稳压器 现以具有正电压 输出的 78L 系列为例介绍它的工作原理 下面对其作简单介绍 三端稳压器应用 78L15 作为输出电压固定的典型电路图 正常工作 时 输入 输出电压差为 2 3V 电路中接人电容用来实现频率补 15 C 偿 防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰 是 16 C 电解电容 以减小稳压电源输出端由轴人电源引人的低频干扰 中国石油大学 06 春网本科毕业设计 论文 14 图 4 3 直流供电电路 15V 部分 从图 4 3 中 可以很清楚的看出 变压器从系统的到了 18V 的交 流电压 经过整流桥的作用 变成正半波的正弦信号 电路中接人电容 220uF 用来实现频率补偿 防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引 入的高频干扰 0 1uF 的电容 以减小电流引入的低频干扰 经过滤波 的电流信号 是平稳的 但是还不能完全满足系统的要求 所以加上三 端稳压器以得到稳定的直流电压 经过三端稳压器之后 用电容在依次 滤去三端稳压器产生的谐波 最后得到的是良好的直流电压提供给系统 上图只列出了 15V 部分 整个系统还有 5V 和 3V 的直流提供 也与 15V 直流电压源的原理一样 这里不在熬述 4 24 2 双向晶闸管的选择双向晶闸管的选择 双向晶闸管 简称双向元件 是由普通晶晶管派生出来的一种新型的 大功率半导体器件 它与普通晶闸管所不同的是能采用正的或负的门极 即控制极 信号 可以便正 反两个方向导通 虽然双向晶闸管的封装 形式和配用的散热器与同等规格的普通晶间管完全相似 在结构和原理 上也有共同之处 但是 就其本质上它们之间却存在着很大的差异 4 2 14 2 1 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 普通晶闸管在反向稳态下 一定是处于阻断状态 而与电力二极管不 同的是 晶闸管在正向工作时不但可能处于导通状态 也可能处于阻断 状态 因此 在提到晶闸管的参数时 断态和通态都是为了区分正向的 不同状态 因此 正向 二字可省去 此外 各项主要参数的给出往往 是与晶闸管的结温相联系的 晶闸管的重要参数见表 4 1 中 1 断态重复峰值电压 断态重复峰值电压是在门极断路而结 DRM U 温为额定值时 允许重复加在器件上的正向峰值电压 国标规定重复频 率为 50Hz 每次持续时间不超过 10ms 规定断态重复峰值电压为 DRM U 断态不重复峰值电压 即断态最大瞬时电压 的 90 断态不重复 DSM U 峰值电压应低于正向转折电压 所留裕量大小由生产厂家自行规定 bo U 异步电动机轻载节能控制系统硬件设计 15 2 反向重复峰值电压 反向重复蜂值电压是在门极断路而结 RRM U 温为额定值时 允许重复加在器件上的反向峰值电压 规定反向重复峰 值电压为反向不重复峰值电压 即反向最大瞬态电压 的 RRM U RSM U 90 反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压 所留裕量大小由生产 厂家自行规定 3 通态 峰值 电压 这是晶闸管通以某一规定倍数的额定通 TM U 态平均电流时的瞬态峰值电压 通常取晶闸管的和中较小的标值作为该器件的额定电压 DRM U RRM U 选用时 额定电压要留有 定裕量 一船取额定电压为正常工作时晶闸 管所承受峰值电压的 2 3 倍 4 通态平均电流 国标规定通态平均电流为品闸管在环境温 AVT I 度为 40 和规定的冷却状态下 稳定结温不超过额定结温时所允许流 过的最大工频正弦半波电流的平均值 这也是标称其额定电流的参数 同电力二极管一样 这个参数是按照正向电流造成的器件本身的通态损 耗的发热效应来定义的 因此在使用时同样应按照实际波形的电流与通 态平均电流所造成的发热效应相等 即有效值相等的原则来选取晶闸管 的此项电流定额 并应留一定的裕量 般取其通态平均电流为按此原 则所得计算结果的 1 5 2 倍 5 维持电流 维持电流是指使晶问管维持导通所必需的最小电 H I 流 一股为几十到几百毫安 与结温有关 结温越高 则越小 o H I H I 6 擎住电流 擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信 L I 号后 能维持导通所需的最小电流 对同一晶闸管来说 通常约为 L I 的 2 4 倍 H I 7 浪涌电流A 浪涌电流是指由于电路异常情况引起的使84 TSM I 结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流 浪涌电流有上下两个 级 这个参数可用来作为设计保护电路的依据 除开通时间和关断时间外 还有 gt t q t 1 断态电压临界上升率 这是指在额定结温和门极开路的情况dtdu 中国石油大学 06 春网本科毕业设计 论文 16 下 不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率 如果在阻 断的晶闸管两端所施加的电压具有正向的上升率 则在阻断状态下相当 于一个电容的结会有充电电流流过 被称为位移电流 此电流流经 2 J 结时 起到类似门极触发电流的作用 如果电压上升率过大 使充电 3 J 电流足够大 就会使晶闸管误导通 使用中实际电压上升率必须低于此 临界值 2 通态电流临界上升率 这是指在规定条件下 晶闸管能承dtdi 受而无有害影响的最大通态电流上升率 如果电流上升太快 则晶闸管 刚一开通 便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内 从而造成局 部过热而使晶问管损坏 4 2 34 2 3 双向晶闸管双向晶闸管 双向晶闸管可以认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成 其电 气图形符号和伏安特性如图所示 图 4 4 双向晶闸管电气图形符号 a 和伏安特性 b 它有两个主电极 T1 和 T2 一个门极 G 门极使器件在主电极的 正反两方向均可触发导通 所以双向晶闸管在第 和第 象限有对称 的伏安特性 由于双向晶闸管通常用在交流电路中 因此不用平均值而 用有效值来表示其额定电流值 又参考文献 1 可得下表 表 4 1 KS 型双向晶闸管的额定值 参 数 额 定 断 态 断 态 额 定 断 态 换 向 门 极 门 极 维 持 通 态 浪 涌 异步电动机轻载节能控制系统硬件设计 17 系 列 通 态 电 流 重 复 峰 值 电 压 重 复 峰 值 电 流 结 温 电 压 临 界 上 升 率 电 流 临 界 下 降 率 触 发 电 流 触 发 电 压 电 流 平 均 电 压 电 流 T RMS I DRM V DRM I IM Tdv dtdi dt GT I GT V H I T AV V TSM I AVmA 0C V uS A uSm A VmAVA KS11 111520 3 1 0 0 2 实厂 8 4 KS1 0 1 0 1 0 0 2 0 0 0 1011520 0 2 T RSM I 5 1 0 0 3 测家 84 KS2 0 2 0 1011520 5 2 0 0 3 值决 17 0 中国石油大学 06 春网本科毕业设计 论文 18 KS5 0 5 0 1511520 8 2 0 0 4 定 42 0 KS1 00 1 0 0 Vn 保留 Dn 1 位的 1 否则清 0 该位 并把次高位 Dn 2 位置 1 再把此时 N 值位寄存器中的数字量送入 D A 转换器交换成模拟量 Vn Vx 再与这 次的 Vn 比较 若 Vx Vn 又保留 Dn 2 位的 1 否则清 0 同时又 把 Dn 3 置 1 如此重复变换 比较 直到把 N 位寄存器中最后一位 D0 比较完为止 控制单元发出转换结束信号 转换结束后读出最后 N 位存器的数字量 就是与模似量 Vx 相对应的转换结果 显然 N 位寄 存器需要比较 N 次 故称这种方式为逐次逼近式 上述过程就是逐次逼 近式 A D 转换的基本过程 3 A D 转换的主要技术指标 a 转换时间和转换速率 转换时间是 A D 完成一次转换所需要的时间 转换时间的倒数为转换速率 并行式 A D 转换器 转换时间最短约为 20ns 50ns 速率为 20Mb s 50Mb s 双极性逐次逼近式转换时间约为 0 4us 速率为 2 5Mb s b 分辨率 A D 转换器的分辨率习惯上用输出二进制位数或 BCD 码 位数表示 例如 AD574 A D 转换器 可输出二进制数 12 位即用个数 12 2 进行量化 其分辨率为 1 LSB 用百分数表示为又0 0244 100 21 12 如双积分式输出 BCD 码的 A D 转换器 MC14433 其分辨率为 3 5 位 即三位半 若满字位为 1999 用百分数表示其分辨率为 中国石油大学 06 春网本科毕业设计 论文 40 1 1999X100 0 05 量化过程引起的误差为量化误差 量化误差是由有 限数字对模拟量进行量化而引起的误差 量化误差理论上规定为一个单 位分辨率的 1 2 LSB 提高分辨率可减少量化误差 c 转换精度 A D 转换器的转换精度定义为一个实际 A D 转换器 与一个理想 A D 转换器在量化值上的差值 可用绝对误差或相对误差表 示 6 1 26 1 2 ADC0809ADC0809 引脚及功能引脚及功能 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 由其引脚图可见 ADC0809 共有 28 引脚 采用双列之插式封 装 其主要功能如下 图 6 1 ADC0809 引脚图和结构框图 1 IN0 IN7 是 8 路模拟信号输入端 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 3 根 地址线或数据线相连 三者编码对应 8 个通道地址口 CBA 000 111 分别对应 IN0 IN7 通道地址 4 OE SC CLK 为控制信号端 OE 为输出允许端 SC 为启动信号 输入端 CLK 为时钟信号输入端 异步电动机轻载节能控制系统硬件设计 41 5 VR 和 VR 为参考电压输入端 强调说明一点 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 ADC0809 结构框图可见 8 路模拟通道共用一个 A D 转换器 实际 上 8 路模拟信号分时转换 由 A B C 编码选择通道信号 ADC0809 工作过程 首先用指令选择 ADC0809 的一个模拟输入通道 当执行 MOVX DPTR A 时 产生一个启动信号 使 SC 引脚送入 WR 脉 冲 开始选中通道转换 当转换结束后发出结束信号 置 EOC 脚为高电 平 该信号可以作为中断申请信号 当读允许信号到 OE 端有高电平 则可以读出转换的数字量 利用 MOVX A DPTR 把该通道转换结果读 到 A 累加器中 6 26 2 键盘 显示控制器键盘 显示控制器 82798279 键盘和七段显示器可以用 74LS73 和 74LS44 或者用并行接口芯片 8255 与微型计算机接口 用这种接口方法 对键盘和显示器的扫描是 由软件实现的 不但程序比较复杂 更不利的是占用 CPU 很多时间 若 采用专用的可编程键盘 显示控制器 8279 与微型计算机接口 则由 8279 对键盘和显示器进行自动扫描 可充分提高 CPU 的工作效率 Intel8279 芯片是一种通用的可编程键盘显示器接口器件 单个芯片就 能完成键盘输入和 LED 显示控制两种功能 6 2 16 2 1 82798279 引脚及功能引脚及功能 8279 是具有 40 个引脚的双列直插式封装的芯片 其引脚及功能如 图所示 中国石油大学 06 春网本科毕业设计 论文 42 图 6 2 8279 的引脚图 下面分类介绍各引脚功能 1 数据线 D0 D7 是双向三态数据总线 在接口电路中与系统 数据总线相连 用以传送 CPU 与 8279 之间的数据和命令 2 地址线 0 选中 8279 当 A0 1 为命令字及状态字地址 CS A0 0 为片内数据地址 故 8279 芯片占用两个端口地址 3 控制线 8279 的控制线较多 6 2 26 2 2 82798279 控制逻辑控制逻辑 控制和定时寄存器用来寄存键盘和显示器的工作方式以及由 CPU 编 程的其他操作方式 这些寄存器一旦接收并锁存送来的命令 就通过译 码产生相应的信号 从而完成相应的控制功能 定时和控制包含一些计数器 其个有一个 5 位计数器 对 CLK 引线 输入的时钟信号进行分频 产生 100kHz 的定时信号 然后再经过分频 为键盘扫描提供适当的远行扫描频率和显示扫报时间 RESET 为复位输入线 高电平有效 为消隐输出线 低电乎有BD 效当显示器切换时或使用显示消隐命令时 显示将消隐 异步电动机轻载节能控制系统硬件设计 43 6 2 36 2 3 82798279 扫描计数器扫描计数器 扫描计数器有编码和译码两种工作方式 按编码方式工作时 扫 描计数器的状态从输出 通过外部译码器 可以外接 16 位显 30 SLSL 示器和 8 8 键盘 按译码方式工作时 扫描计器的低 2 位的状态 从 输出 状态为 00 输出低电平 输出高电平 30 SLSL 0 SL 31 SLSL 状态为 0l 输出低电平 状态为 11 输出低电平 其他输 1 SL 3 SL 出高电平 此时只能外接 4 位显示器和 4 8 键盘 6 36 3 81558155 可编程可编程 I I 0 0 接口扩展接口扩展 8155 可编程接口芯片与 8255 的使用方法类似 只是二者在结构与 功能上有所不同 6 3 16 3 1 81558155 结构及引脚结构及引脚 8155 内部也有 3 个 I O 接口 A R C 口 与 8255 的主要区别是 C 口只有有 6 位 I O 接口共 22 位 比 8255 多一个 14 位可编程定时 计数器 还多 256B 的静态 RAM 8155 共 40 引脚 双列直插式封装 如 图所示 图 6 3 8155 的引脚及结构图 1 I O 接口线 PA0 PA7 PB0 PB7 PC0 PC5 分别为 A B C 三个 I O 接口引 中国石油大学 06 春网本科毕业设计 论文 44 线端 A B 口多用与外没之间的数据传送 C 口除与外设传送数据之外 还可以作为 A B 口的控制线 2 地址数据线 8155 的低 8 位地址线和数据线共用 AD0 AD7 故称为地址数据 线 当 ALE 1 时 输入的是地址信息 否则是数据信息 当与 8051 单 片机相连接时 ALE 下降沿到 将 P0 接口输出的低 8 位地址信息及 CE 状态都锁存到 8155 内部寄存器 因此 8155 的 AD0 AD7 直接与MIO P0 接口相联 低 8 位地址不需外接锁存器 这点与 8255 不同 3 控制线 ALE 地址锁存线 ALE 1 表示给 8155 输入的是地址信息 当 ALE 下降沿到 把地址锁存到 8155 中 RAM 与 I O 接口的选择线 MIO 0 选中 8155 内部 RAM 区 MIO 1 选择 3 个 I O 接口 定时 计数器和命令寄存器 MIO 片选线 CE 读控制线 RD 写控制线 WR TIMERIN 定时 计数器外部脉冲输入端 定时 计数器输出端 TIMEROUT 8155 由于内部结构决定了它有以下 3 种功能 1 可作为单片机片外扩展的 256B RAM 2 作扩展 I O 接口 3 作定时 计数器使用 6 3 26 3 2 作扩展作扩展 I 0I 0 接口使用接口使用 IO 1 时 8155 作 I O 接口使用 各口的工作方式通过内部控M 制寄存器设 置 1 控制寄存器格式 2 状态寄存器格式 异步电动机轻载节能控制系统硬件设计 45 8155 有一个状态寄存器 它锁存 I O 接口和定时器当前状态 供 单片机查询 状态寄存器和控制寄存器共用一个地址 所不同的是状态 寄存器只能读出不能写入 而控制寄存器只能写入不能读出 状态寄存 器皆为高电平有效 3 作定时器使用 当 IO l 时 8155 也可作定时器使用 8155 内的可编程定时 M 计数器实际是一个 14 位的减法计数器 它共有两个 8 位寄存器组成 低 8 位和高 6 位存放计数韧值 最高 2 位控制定时器的工作方式 8155 的定时 计数器为计数方式时 由引脚 TIMERIN 3 从外部输 入计数脉冲 为定时方式时 则接单片机系统时钟 无论是定时方式或 计数方式都从端输出脉冲或方波 8155 任何时候都可以置定TIMEROUT 时初值和工作方式 只要重新启动即可 计数初值为 2 3FFFH 之间 终值为 2 8155 计数方式一般做信号发生器使用 输入连续脉冲后 由 编程控制输出不同波形 6 46 4 可编程计数器 定时器可编程计数器 定时器 82538253 Intel 8253 是具有 3 个独立的 16 位计数器通道的可编程计数器定 时器 它使用单一 5V 电源 是采用 NMOS 工艺的 24 脚双列直插式封 装的大规模集成电路芯片 6 4 16 4 1 82538253 的主要功能的主要功能 8253 具有以下主要功能 1 3 个独立的 16 位计数器通道 既可做 16 位计数器 也可做 8 位计数器使用 2 每个计数器可以选择按二进制数 或者按 BCD 码数进行计数 3 每个计数器最高计数速率可达 2 6MHz 4 每个计数器都可以编程设定 6 种工作方式之一 5 所有输入 输出均与 TTL 电平兼容 8253 几乎可以应用于任何一种微处理器组成的系统 作为可编程 的频率发生器 实时时钟 脉冲事件计数器和程控单脉冲发生器等 中国石油大学 06 春网本科毕业设计 论文 46 6 4 26 4 2 82538253 的引脚特性的引脚特性 8253 内部 3 个独立的计数器 定时器结构完全相同 分别称为计数 器 0 计数器 1 计数器 2 每个计数器通过 3 个引脚 时钟输入端 CLK 门控信号输入端 GATE 输出端 OUT 和外部联系 它们的输入和输 出决定于对自身所带的控制寄存器的控制字设置 互相之间完全独立 8253 的每个计数器内部有 4 个寄存器 8253 的数据总线缓冲器 8 位 双向 三态 主要有三方面的功能 往控制寄存器设置控制字 往计数初值寄存器设置计数初值 从计数输 出寄存器读取计数值 8253 的读 写逻辑电路从系统控制总线接收输入信号 经过组合 产生对 8253 内部操作的各种控制信号 根据 8253 引脚的功能特性 可以把 24 条引脚分成四类 1 电源类引脚 Vcc GND 电源供给端 5V 地 2 地址与控制类引脚 片选信号 低电平有效 CPU 通过该信号有效选中 8253 对CS 其进行读写操作 通常情况下 该信号是由微机系统的地址信号经 I O 地址译码产生 读信号 低电平时有效 有效时 表示正在对某个计数器读RD 当前计数值 写信号 低电平时有效 有效时 表示正在对某个计数器写入WR 计数初值 或者对 8253 控制寄存器写入控制字 A1 A0 8253 端口选择线 与地址总线相连 提供对 3 个计数器 和控制寄存器寻址 表 6 1 给出了此类引脚组合对 8253 的计数器选择和操作 CSRDWR1 A 0 A 计算器选择和操作 01000 写计算器 0 计数初值 01001 写计算器 1 计数初值 01010 写计算器 1 计数初值 01011 写控制字 异步电动机轻载节能控制系统硬件设计 47 00100 读计算器 0 计数初值 00101 读计算器 1 计数初值 00110 读计算器 2 计数初值 00111 无操作 高阻态 1XXXX 未选中 8253 高阻态 3 数据类引脚 8 位 双向 三态数据线 是 CPU 与 8253 之间的数据 70 DD 通道 一般与系统数据总线低 8 位相连 4 输入 出类引脚 计数器 0 1 2 的计数脉冲输入端 要求计数脉 20 CLK CLK 冲周期应大于 380ns 脉冲可以是均匀 连续 周期精确的 用于定时 也可以是不均匀 断续 周期不定的 用于计数 计数器 0 1 2 的门控输入端 GATE 信号控制 20 GATE GATE 启动 中止计数或定时的操作 对于 8253 的 6 种工作方式 GATE 信号 的有效方式不同 有用电平控制的 也有用上升沿控制的 计数器 0 1 2 的输出端 无论 8253 工作于何种 20 OUT OUT 方式 OUT 输出端必定有方波 电平或脉冲等信号输出 具体波形取决 于工作万式 这个信号既可用于计数 定时控制 也可用于计数 定时 到的状态信号供检测 也可作为中断请求信号使用 6 4 36 4 3 82538253 的工作方式的工作方式 8253 的 3 个计数器分别按照各自控制寄存器中设置的工作方式独 立进行工作 对 GATE 信号的采样 通常在计数脉冲 CLK 的上升沿进行 GATE 采 样过程分电平触发与边沿触发两种情况 电平触发的采样过程是在下 个时钟脉冲的上升沿对 GATE 信号电 平进行采样 这要求 GATE 信号必须在下一个时钟脉冲的上升沿前保持 高电平 否则信号无效 边沿触发的采样过程比较复杂 这要使用计数器内部的一个边沿触 中国石油大学 06 春网本科毕业设计 论文 48 发器一一专门检测 GATE 脉冲上升沿的器件 计数器控制电路在每个时 钟脉冲的上升沿对边沿触发器进行采样 检测边沿触发器是否被外部 GATE 脉冲触发过 当 GATE 脉冲上升沿到来时 边沿触发器被置位 在 下一个时钟脉冲的上升沿 边沿触发器被采样 采样之后 边沿触发器 又被复位 这个过程保证了对边沿触发信号的采样 所以 在边沿触发 情况下 G