论文基于单片机的交流调速系统设计.doc

基于单片机的交流调速系统设计 考生姓名 准考证号 专业层次 本科 院 系 机械与动力工程学 院 指导教师 职 称 讲师 重庆科技学院 二 O 一二年二月十五日 基于单片机的交流调速系统设计 考生姓名 准考证号 专业层次 本科 指导教师 院 系 机械与动力工程学院 重庆科技学院 二 O 一二年二月十五日 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 中文摘要 目录 中文摘要中文摘要 I 英文摘要英文摘要 II 1 调速系统总体方案设计调速系统总体方案设计 1 2 系统组成及工作原理系统组成及工作原理 2 3 交流电机调速硬件系统设计交流电机调速硬件系统设计 4 3 1 原器件的选择及其功能简介原器件的选择及其功能简介 4 3 2 系统主回路的设计系统主回路的设计 9 3 2 1 主回路的结构 9 3 2 2 参数计算和元件选择 9 3 3 转差频率控制原理及调节器的设计转差频率控制原理及调节器的设计 11 3 3 1 转差频率控制原理 11 3 3 2 调节器设计 12 3 4 PWM 控制信号的产生及变换器的设计控制信号的产生及变换器的设计 13 3 4 1 VCTFCT ff 与 1f U 的关系及低频补偿 14 3 4 2 变换器的设计 15 3 5 光电隔离及驱动电路设计光电隔离及驱动电路设计 18 3 6 电动机的转速测量电路的设计电动机的转速测量电路的设计 19 3 7 电动机的电流 电压测量电路的设计电动机的电流 电压测量电路的设计 19 3 8 键盘显示电路的设计键盘显示电路的设计 20 3 9 故障检测及保护电路设计故障检测及保护电路设计 21 4 系统软件的设计系统软件的设计 23 4 1 程序框图及其介绍程序框图及其介绍 23 4 2 部分子程序部分子程序 27 5 系统抗干扰措施系统抗干扰措施 29 5 1 硬件抗干扰措施硬件抗干扰措施 29 5 2 软件抗干扰措施软件抗干扰措施 29 总结总结 31 致谢致谢 32 参考文献参考文献 33 附录一附录一 35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 中文摘要 I 摘 要 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 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 英文摘要 II Design of AC variable speed control system based on single chip microcomputer Abstract Frequency conversion that one chip computer control transfer speed systematic design philosophy with transfer to difference frequency control Achieve the goal of controlling rotational speed through changing the procedure Because the motor is not big in power in the design the rectifier can not adopt controlled the circuit the condenser strains waves Going against the becoming device adopts three phases of the electric transistor to go against the becoming device The systematic ensemble architecture is by the main return circuit mainly drive the circuit the photo electricity isolates the circuit HEF4752 large scale integrated circuit protects the circuit the Intel series one chip computer Intel8253 timing count device of Intel 8255 programmable interface chip Intel8279 keyboard not in common use display I O interface chip CD4527 proportion frequency division device and tests the speed such composition as the generator etc Have the dependability that can make the whole system operate of measuring and protecting the circuit to have guarantee in the return circuit keywords MCS 51 HEF4752 time counter of l8253 selenium rectifier 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 1 调速系统总体方案设计 1 1 调速系统总体方案设计 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 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 使电路更简单 可以实现较为复杂的控制 灵活性和适应性 无零点漂移 可以提供人机界面 多机连网工作等特点 因而采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 采用此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 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 实现恒功率调节 选用大规模集成电路 HEF4752 来产生 PWM 控 1n UU 制信号 以减轻单片机的负担 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 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 2 系统组成及工作原理 2 2 系统组成及工作原理 霍尔电流 电压传感器检测到的逆变模块三相输出电流 电压信号 经 A D 转换 后送入单片机 单片机通过 8255 控制 PWM 波发生器 产生的 PWM 波经光电耦合作用 于逆变模块 IPM 实现电机的变频调速 控制系统各功能元件的选型与设计 1 单片机选用 INTEL 公司生产的 8051 单片机 它主要通过并行 8255 口担负 控制系统的信号处理 接收系统对转矩 阀门开启 关闭及阀门开度等设定信号 并 提供三相 PWM 波发生器所需要的控制信号 处理 IPM 发出的故障信号和报警信号 处 理通过模拟输入口接收的电流 电压 位置等检测信号 提供显示电动执行机构的工 作状态信号 执行控制系统来的控制信号 向控制系统反馈信号 2 三相 PWM 波发生器 PWM 波的产生通常有模拟和数字两种方法 模拟法电路 复杂 有温漂现象 精度低 限制了系统的性能 数字法是按照不同的数字模型用计 算机算出各切换点 并存入内存 然后通过查表及必要的计算产生 PWM 波 这种方法 占用的内存较大 不能保证系统的精度 为了满足智能功率模块所需要的 PWM 波控制 信号 保证微处理器有足够的时间进行整个系统的检测 保护 控制等功能 文中选 用 MITEL 公司生产的 HEF4752 作为三相 PWM 发生器 HEF4752 是专用大规模集成电路 具有独立的标准微处理器接口 芯片内部包含了波形 频率 幅值等控制信息 3 智能逆变模块 IPM 为了满足执行机构体积小 可靠性高的要求 电机电 源采用智能功率模块 IPM 主要适用功率小于 5 5kW 的三相异步电机 其额定电压 为 380V 功率因数为 0 75 该功率模块集功率开关和驱动电路 制动电路于一体 并内置过电流 短路 欠电压和过热保护以及报警输出 是一种高性能的功率开关 器件 4 电压 电流及检测检测电压 电流主要是为了计算电机的力矩 以及变频 器输出回路短路 断相保护和逆变模块故障诊断 由于变频器输出的电流和电压的 频率范围为 0 50Hz 采用常规的电流 电压互感器无法满足要求 为了快速反映 出电流的大小 采用霍尔型电流互感器检测 IPM 输出的三相电流 对于 IPM 输出电 压的检测采用分压电路 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 2 系统组成及工作原理 3 图 2 1 调速系统总体框图 单片机控制系统单片机控制系统 可编程接 口芯片 定时 计数器 芯片 比例分频器 比较器 输入显示芯片 键盘 显示器 PWM 波形发生器 A D 转换器 放大电路 主电路 U I检测 保护电路 测速电路 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 2 系统组成及工作原理 4 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 交流电机调速硬件系统设计 5 3 交流电机调速硬件系统设计 3 1 原器件的选择及其功能简介 1 74LS138 图 3 1 74LS138 引脚图 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 3 1 1 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 表 3 1 74LS138 真 值 表 输 入 输 出 G1G2A G2B CBAY7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0 10000011111110 10000111111101 10001011111011 10001111110111 10010011101111 10010111011111 10011010111111 10011101111111 其它状态 11111111 2 可编程计数 定时芯片 8253 主要功能 1 一个芯片上有三个独立的 16 位计数器通道 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 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 交流电机调速硬件系统设计 6 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 图 3 2 8253 引脚图 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 实现异步电动机变频调速 HEF4752 简介 HEF4752 如图 3 3 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 D0 8 OUT0 10 D1 7 GATE0 11 D2 6 CLK0 9 D3 5 D4 4 D5 3 D6 2 OUT1 13 D7 1 GATE1 14 CLK1 15 CS 21 RD 22 WR 23 OUT2 17 A0 19 GATE2 16 A1 20 CLK2 18 8253 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 交流电机调速硬件系统设计 7 OBC 1 1 L 24 OBC 2 27 I 25 K 7 OBM 1 3 CW 5 OBM 2 2 A 13 B 15 ORM 1 8 C 16 ORM 2 9 FCT 12 OYC 1 20 VCT 17 OYC 2 19 RCT 4 OCT 6 OYM 1 22 OYM 2 21 RSYN 23 ORC 1 10 VAV 26 ORC 2 11 CSP 18 HEF4752 图 3 3 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 3 2 HEF4752 管脚功能 引 脚 名 称功 能 引 脚 名 称功 能 1OBC1B 相换流开关信号 1 15B 测试电路用信号 2OBM2B 相主开关信号 2 16C 测试电路用信号 3OBM1B 相主开关信号 1 17VCT 电压时钟 4RCT 最高开关频率基时钟 18CSP 电流采样脉冲 5CW 电机换相控制信号 19OYC2 Y 相换流开关信号 2 6OCT 推迟输出时钟 20OYC1 Y 相换流开关信号 1 7K 选择互锁推迟间隔 21OYM2 Y 相主开关信号 2 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 交流电机调速硬件系统设计 8 8ORM1 R 相主开关信号 1 22OYM1 Y 相主开关信号 1 9ORM2 R 相主开关信号 2 23RSYN R 相同步信号 10ORC1 R 相换流开关信号 1 24L 停止 启动系统 11ORC2 R 相换流开关信号 2 25I 选择晶闸管模式 12FCT 频率时钟 26VAV 平均电压 13A 复位输入控制 27OBC2 B 相换流开关信号 2 14VSS 接地端 28VDD 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 3 4 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 图 3 4 8255 引脚图 RD 读出信号线 低电平有效 控制数据的读出 D0 34 D1 33 D2 32 D3 31 D4 30 D5 29 D6 28 D7 27 PA 0 4 PA 1 3 PA 2 2 PA 3 1 PA 4 40 PA 5 39 PA 6 38 PA 7 37 PB0 18 PB1 19 PB2 20 PB3 21 PB4 22 PB5 23 PB6 24 PB7 25 PC0 14 PC1 15 PC2 16 PC3 17 PC4 13 PC5 12 PC6 11 PC7 10 RD 5 WR 36 A0 9 A1 8 RE SE T 35 CS 6 8255 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 交流电机调速硬件系统设计 9 WR 写入信号线 低电平有效 控制数据的写入 CS 片选信号线 低电平有效 表示芯片被选中 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 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 3 5 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 图 3 5 ADC0809 引脚图 IN0 IN7 8 路模拟信号输入端 D0 D7 8 位数字量输出端 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 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 交流电机调速硬件系统设计 10 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 VR 和 VR 为参考电压输入端 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 6 8279 8279 是一种通用可编程键盘 显示器接口芯片 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 3 2 系统主回路的设计 3 2 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 3 6 如下所示 图 3 6 系统主回路电路图 整流采用三相桥式不可控整流器 组成滤波电路 三 1 L 2 L 0 C 2 R 2 C 2 VD 个元件和 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 1 VD 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 3 2 2 参数计算和元件选择 1 大功率开关管 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 交流电机调速硬件系统设计 11 SPWM 正弦脉宽调制方法的直流利用率为 0 866 即 为了使 UUU866 0 21 逆变器输出 380V 的线电压 要求直流侧的电源电压 考虑到大 V V Ud 8 438 866 0 380 功率的晶体管的管压降等 取 则大功率晶体管的参数为 VUd450 选择晶体管模 VUU dceoBR 1350 90032 VUU dceoRR 1350 90032 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 它的内部结构图如图 3 7 所示 WPAIVU dCMceoBR 2400 50 1000 图 3 7 QCA50A 100 模块内部结构 2 三相整流桥 整流桥输入侧电压为 直流侧功率可估算如下 取电动机 V U U d 192 34 2 2 的效率为 0 82 则电动机的输入功率为 取逆变器的效率 KWKW V P7 2 82 0 2200 1 为 0 93 则 直流侧的功率为 故直流侧电流 KW P Pd9 2 93 0 1 整流二极管最高反压 AA U P U d d d 4 6 450 2900 VVURM94019262 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 其最大耐压 选择两只 2200uF 耐压在 500V 以 FC 4400 0 VU4706 2 上的电容器并联使用 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 交流电机调速硬件系统设计 12 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 i S mH IS U f U U L dId dm M 4 6 10 192 300 14 3 2 10 8 0 2 10 3 2 3 2 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 的电抗器串联 21 L L 4 直流侧阻容吸收电路 按照晶体管三相桥式整流电路直流侧组容吸收电路参数式进行估算 uFuF fU I I KC l cd 5 2 192 3 50 4 6 816 0 100 5 6 370000 100 2 2 02 2 170 4 6 816 0 100 5 6 192 3 31 0 100 2 02 2 2 I I U KR l Pd 其中 选择系列纸电容 的额定功率取为 2W 选择 RJ 系 2 C FCZJ 42 2 R 2 R 列金属膜电阻 选用 2CP1G 额定电流 最高耐压 800V 21 VD VD 0 5A 5 大功率晶体管阻容吸收电路 取电动机起制动电流为额定电流的 3 倍 即关断 m IGRTAAIm 4 148 4 3 时间 升泵电压 则 sTf 6 VU p 50 FF UU tI C pd fm 0864 0 50450 2 6 4 14 2 1 的耐压值与 GRT 相同 取为的电容 阻值取为 100 欧 1 C 1 CVF 1000 1 0 1 R 3 3 转差频率控制原理及调节器的设计 3 3 1 转差频率控制原理 由电机学的知识可知 其中 2 2cos ICT mm 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 sxr sE x s r E I 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 交流电机调速硬件系统设计 13 图 3 8 系统控制结构图 电动机正常运行时 这时有 所以 1S 22 Rsx smm s mmmm f rf E C fr fE C r sE CT r sE I 21 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1cos 当采用恒磁通控制方式进行变频调速时 近似恒定 近似恒定 这时 11 f E m 有 其中近似为一常数 T 近似的正比于转差频率 因此 smf KT 1 n E CK mm s f 通过对转差频率控制 就可以达到控制电动机转距的目的 从而调节电动机的转速 3 3 2 调节器设计 本系统采用增量式转差频率调节方式 转差调节器设计为带有死区的调节器 即 KUKUKKKUKU ssSs 11 1 其中 得 sMn n nB sM s UKUsign KU U U KU 0 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 交流电机调速硬件系统设计 14 所以 KUKUKU nnn 式中 控制增量 KUS 转速误差 KUn 转速给定 KUn 转速反馈 KUn 因 所以与之和反映了频率 即为频率指令信号 ns fff 1 kUS kUn 1 f 控制结构框图和控制曲线如下图所示 为死区 它是为了避免因量化 nAnA UU 误差 舍入误差引起系统运行不平衡而引起的 UnA UnB UnA UnB 为线性调节区 当 Un K UnB 时 输出限幅 用以现在转差频率的最大 增量 亦即限制的最大增量 亦即限制的最大增量 防止系统过冲 提高系统 1 f 1 f 的稳定性 决定系统的积分系数 它由电位器给定 通过 A D sM U nB sM U U K 1 转换器转换后输入 当 UnB 确定后 通过调节电位器 就能改变积分系数 整 1 K 定方便 UnA 的值根据静态精度要求和实际系统工作时的最低转速来确定 UnB UsM 通过实验确定 a 控制结构框图 b 控制曲线 图 3 9 控制结构框图和曲线图 3 4 PWM 控制信号的产生及变换器的设计 在本系统中 控制信号用 HEF4752 大规模集成块来产生 要使 HEF4752 正常工 作 必须提供 4 路时钟信号和 4 个开关信号 将 HEF4752 的 端接地 使 HEF4752 工作在晶体管模块式 将 K 端接 5v 电源 使每两路互补信号之间有较大的输出延 nBn nBnnA nAKn UKU UKUU UU 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 交流电机调速硬件系统设计 15 迟 CW 端 L 端分别接 8255C 口的 PC1 PC0 这样剩下的只有 4 个控制端了 FCT 端为频率控制端 VCT 端为电压控制端 逆变器的输出频率和电压就是通过控制着 两个端输入的方波信号频率来控制的 而电动机转速的调节是通过调频 调压实现 的 所以 必须在转差调节器与 HEF4752 之间正比的方波信号为 FCT 和 VCT 时钟信 号 3 4 1 与的关系及低频补偿 VCTFCT ff 1f U 考虑到 8098 单片机中 A D 转换器分辨率为 10 位 所以频率指令信号用 10 1f U 位二进制数来表示 频率指令信号 频率与的关系如下 1f U 1 f FCT f 所以有 111 20 168fUUf ffFCT 当 50Hz 时 1000Hz 168000Hz 1 f 1f U FCT f 为了使成立 必须满足 故取 VCT FCT f f KU 1 5 0 VCT FCT f f 168000Hz 0 5 336000Hz nomVCT f 在 20 50 Hz 范围内 维持 336000 Hz 不变 这样可自动维持 1 f VCT f 11 f U 常数 在 020Hz 范围内 引入低频补偿 以维持磁通恒定 低频补偿的思想是 在 低频段 按一定规律减少 使比值增大 从而使相对增大 VCT f VCT FCT f f VCT FCT f f KU 1 以补偿定子绕组电阻上的压降 维持磁通恒定 低频补偿曲线如图 11 所示 补偿的规律如下 1023 1000 2 1 0 1 f U 15 51 50 1 0 05 0 0 1 Hzf 171864 168000 336 168 3360 1 ffFCT 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 交流电机调速硬件系统设计 16 取 4 8400Hz 0VCT f nomVCT f 当 20Hz 时 有 1 f 20Hz VCT f 0VCT f K nomVCT f 所以可解得 20Hz 336000 84000 20 12600 K nomVCT f 0VCT f 下面来简单估算一下 看取 84000Hz 12600 是否合适 0VCT f K 额定状态有 0 5K 380V VCTFCT fKfU 1 所以 K 760 U1 760 3360 VCTFCT ffU 760 1 VCT ff 1 当 20 Hz 时 760 3360 20 V 336000 152 V 1 f 1 U 当 0 2Hz 时 760 3360 0 2V 84000 12600 0 2 5 9 V 1 f 1 U 图 3 10 低频补偿曲线图 与未补偿时的 U1 比较 当 0 2Hz 时 大约提高了 5 9 V 这个 5 9 V 用 1 f 1 U 来补偿定子绕组上的电阻压降 从估算结果上看 显然是比较合适的 故取 84000Hz 12600 0VCT f K nom VCT VCT VCT f fKf f 1 0 Hzf HzfHz 20 2005 0 1 1 Hz fHz fVCT 336000 1260084000 1 Hzf Hzf 20 205 0 1 1 Hz UHz f 336000 63084000 1 400 4001 1 1 f f U U 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 交流电机调速硬件系统设计 17 3 4 2 变换器的设计 以上找出了 与的关系 剩下的就是怎样按照关系式产生 FCT f VCT f VCT f 1f U 频率为 方波信号 单片机上系统时钟频率为 12MHz 将其 6 分频后 得 FCT f VCT f 到 2MHz 的时钟信号 再对 进行 分频后作为 FCT VCT 时钟信号 显然 f P v P 应与 Uf1 频率指令信号成一定关系变化 其关系可推导如下 f P v P 所以 可解得 64 11 min f P76 11904 max f P 75 2 min v P62 23 max v P 分频系数变化范围较大 需采用 16 位分频器 所以可通过扩展一片可编程定 时 计数器 8253 来完成整数分频 8253 内部有三个 6 位计数器 完全可满足设计要 求 由于 Pf Pv 都不是一个纯整数 为了保证系统的精度 可扩展 2 片比例乘法器 CD4527 用它进行比例分频 二进制码 方波信号变换器硬件连线图如图 3 4 2 所示 CD4527 是 BCD 比例乘法器 其 Q 端输出脉冲书具有如下关系 N0 BCD 输入数 10 cp N 如果输入的 BCD 数为 6 则每输入 10 个时钟脉冲 可在输出端得到 6 个输出脉 冲 CD4527 引脚如图 18 所示各引脚功能如下 A B C D BCD 数输入端 输入的 BCD 数决定芯片的乘法系数 分频系数 CP 时钟脉冲输入端 INHIN 时钟 CP 禁止输入端 INHIN 为 0 允许输入 为 1 时禁止输入 Cr 清零端 Cr 为 0 时正常工作 为 1 时芯片清零 400 4001 1 1 f f U U Hz UHz f P Uf P f VCT f fFCT f 336000 63084000 102 168 102 1 6 1 6 400 4001 1 1 f f U U 95 5 63084000 102 1 6 fv UP 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 交流电机调速硬件系统设计 18 SET 9 置 9 端 工作时接地 ST 和 CF 分别为选通端和级联端 用于级联 9 OUT 状态 9 输出端 INHout 时钟禁止输出端 当有脉冲输出时 INHout 输出 1 电平 Q Q 脉冲输出端 图 3 11 变换器硬件连接图 采用一级 CD4527 只能获得小数点后一位的乘法系数 为了获得小数点后两位 的乘法系数 即 0 000 99 的比例分频系数 本系统中采用级联的方法进行加法 运算 对 进行两位数的比例分频 连接图如图所示 第一级 CD4527 输出的脉冲 数为 由于 Q1 与 CF1 连接 故 Q1 的输出脉冲经第二级 CD4527 直接从 Q2 输出 10 A 脉冲不变 由于 INHout1 到 CP1 端第 9 个脉冲后才为 0 即 INHout2 在 第 10 个脉冲来时才为 0 允许脉冲输入 故 100 个 脉冲中只从 CP2 端输入 10 个 所以输出脉冲数为 总的输出脉冲数为 10 B 1010 BA 90 90 BA 式中 A B 比例分频系数 分别对应于 1 10 位和 1 100 位 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 交流电机调速硬件系统设计 19 图 3 12 CD4527 引脚图 8253 是可编程序定时 计数器 片内具有 3 个独立的 16 位计数器通道 每个通 道有 6 种工作方式 关于 8253 引脚功能 工作方式等这里不再赘述 本系统中 设 定 0 1 2 通道工作在方式 3 方波信号发生器 用比例分频的输出分别作 vf 为 0 1 通道的计数时钟信号 对进行整数位分频 产生 FCT VCT 两路时钟 vf 信号 0 1 通道的计数值即位整数分频系数 由 CPU 通过执行几条输出指令置入 2 通道用来产生 RCT OCT 时钟信号 RCT OCT 共用一路时钟信号 且频率固定 因 取 则 时钟 的频率为 2MHz 故 naxCRCT ff280 KHzfc1 max KHzfRCT280 RCT 可由时钟 经 7 分频来获得 故置通道计数值为 7 由于整数分频和小数分频分开进行 所以需将分频系数分别分解为纯整 vf PP 数和纯小数两部分 整数部分送 8253 的 0 1 通道作为计数值 vf ZZ vf xx vf ZZ 小数部分送比例分频器 CD4527 作为比例分频系数 与关系如 vf xx vf ZZ vf xx 1f U 下 对应的一个值 有多组取值 考虑到由于硬件的限制 1f U vfff xzxz 只 能取小数点后两位这一条件 与 与必定有一最佳组合 基于 vf xx f z f x v z v x 这一想法 取使的绝对值趋于最小 且为偶数的一组值 和使 1 6 168 102 ff f Ux z f z f x f z 的绝对值也趋于最小 且为偶数的一组值为 1 6 63084000 102 fv v Ux z f z vfvv xxxz 两位纯小数 这种寻优法的计算法的计算量工作量较大 难以实时完成 本系统中 采用查表的方法获得 用高级语言程序离线生成和 f z f x v z v x 1 fff Uxz 两个表格 存入内存 系统运行时 根据求得的频率指令信号 查 1 fvv Uxz 1f U 表获得对应的分频系数 然后将它们送到相应的比例分频器和 8253 f z f x v z v x 的 0 1 通道 8253 的 0 1 通道便会产生相应频率的方波信号输出 这样就完成了 400 4001 1 1 f f U U 1 6 168 102 ff f f Ux z P 95 5 63084000 102 1 6 f v v v U x z P 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 交流电机调速硬件系统设计 20 二进制码到方波信号的变换 比例乘法器 CD4527 不能直接与 CPU 连接 系统中可扩 展一片 8255 用它作为二路比例乘法器与 CPU 的接口 8253 定时 计数器则直接与 CPU 连接 3 5 光电隔离及驱动电路设计 HEF4752 输出的 PWM 控制信号功率很小 无法直接驱动 GTR 要经过脉冲功率放 大才能驱动 GTR 脉冲功率放大电路选用模块 EX359 该模块是一个带有光隔离的功 率放大电路 其电源电压为 12V 输入信号 输出电压 对应 GTR 导通 45V 1 6V 和 2V 对应 GTR 关断 工作频率为 可驱动 50A 以下的逆变器 其内部 25KHz 电路如图 3 13 所示 图 3 13 EX359 驱动模块内部结构 3 6 电动机的转速测量电路的设计 本系统采用 M T 法进行速度的测量 脉冲发生器则采用红外发射及接受器件 TLP947 在电机的转轴上应有黑白相间的条纹的铝环 当铝环随电机转动时 有 TPL947 作为脉冲发生器可以产生一系列脉冲 单片机则可进行 M T 法测速 M T 法的基本原理 速度检测时间 TS 由两部分组成 TS T0 T 其中 T0 为设定 的固定不变的时间 T 为从 T0 时间结束到此后出现的第一个测速脉冲为止的时间 设在 T0 时间内取得的测速脉冲数为 m1 在 TS T0 T 时间内取得的时基脉冲 计数取为 m2 则转速 n 60 2 TS 其中角位移 2 m1P P 为增量式光电编 码器转动 1 周输出的测速脉冲数 TS m2 f C f C 为时基频率 则 n 60 f C m1Pm2 从测量精度上看 这种方法在整个转速范围内都有较好的分辨率 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 交流电机调速硬件系统设计 21 图 3 14 转速测量电路 3 7 电动机的电流 电压测量电路的设计 电压检测采用运算放大器配合光电耦合器件与单片实现接口 直流检测往往存 在二个最明显的困难 一是直流测量仪表不便串入电路中 二是直流检测电路与被测 电路不能直接耦合 否则就会影响被测电路的直流工作点 即直流检测的隔离成为 问题 而用霍尔传感器检测直流信号可以较好地解决上述困难 UGN23501M 霍尔传 感器具有高灵敏度 工作温度范围宽 20 85 等特点 但使用不当 它的霍 尔电压 UH 与磁感应强度 B 为非线性关系 线性度为 33 且存在不平衡电压 UHe 这必定会影响检测系统的准确度 通过实验和分析 找出最佳线性工作状态 且消除 了不平衡电压 检测电路以集成 AD522 芯片为放大级 设计的直流电流检测电路线 性度好 具有较高的准确度 AD522 为双端输入 单端输出的测量放大器 具有高输 入阻抗 线性度良好等特点 设计的直流电流检测电路线性度为 8 2 最大相对 误差为 1 4 它适合于不便直接测量且测量准确度要求较高的场合 设计的直流 电流检测系统如下图所示 图 3 15 直流电流检测电 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 交流电机调速硬件系统设计 22 3 8 键盘显示电路的设计 键盘显示电路采用了 8279 专用控制芯片 它具有显示器自动扫描 闭合键的键 号自动识别的功能其最大的键盘配置可达 64 个 最多可接 16 位显示器 完全满足 系统的要求 8279 与 8051 接口也十分方便这样简化了电路设计 又提高了单片机的 工作效率 具体应用电路如下图 本系统采用了 16 个按键的配置 即 10 个数字键和 6 个功能键 数字键为 0 9 功能键为 启动停止键 PID PID 参数设置键 SPEED 电机转速设置键 SENTER 设置确认键 P N 电机正反转控制键 RESET 系统复位键 为了能够精确地显示 PID 参数 电机转速等系统运行参数 以及你能够详尽地 描述系统的启动 制动等运行状态 本系统采用 8 位 8 段共阴极 LED 显示器 LED 的位选线由扫描线 SL0 SL3 和段选线经驱动器提供 8279 的中断请求信号 IRQ 经 反向器与 8051 的 INT1 相连 ALE 作为 8279 的时钟信号直接连到其 CLK 端由 8279 设置适当的分频数 分频至 100KHz P0 口作为数据线 用于 8279 写入显示字 控 制字以及读回按下键的键值 图 3 18 键盘与显示电路图 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 交流电机调速硬件系统设 计 23 3 9 故障检测及保护电路设计 故障检测及保护电路如图 3 9 1 所示 该电路采用电阻取样的电压 电流保护 电路 通过调节电位器 RP1 RP2 来设定最大的允许电压 电流值 电路中 C1 C2 接 8255 的 C 口中的 PC2 PC3 O 端接 HEF4752 的 L 控制端 这样保护电路可通过 门 1 输出控制信号的封锁 HEF4752 输出的 PWM 控制信号 断开主回路电源 A1 A2 接 8255 的 C 口中的 PC4 PC5 通过 PC4 PC5 输入故障信号 用以检测故障类型 图 3 19 过电流 过电压保护电路 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 4 系统软件的设计 24 4 系统软件的设计 4 1 程序框图及其介绍 1 系统主程序 主程序框图如图 4 1 所示 先进行芯片初始化 然后 清系统工作区 开放 8051 外部中断 启动软件定时器 10ms 采样周期 所以 系统初始化完毕 进入控 制循环 显示转速 中断服务和运算 查表求出 可 nn UU PIUSM vvff xzxz 逆切换程序 输出控制量 显示转速 图 4 1 系统主程序框图 2 转速调节程序 转速调节程序即为软件定时器 O 的中断服务程序 其程序框图如图 21 所示 在 转速调节程序中 完成转速 的采样 进行 PI 运算 求出频率指令信号 SM U 1f U 然后查表求得分频系数 vvff xzxz 3 增量式 PI 运算子程序 增量式 PI 运算子程序框图如图 22 所示 它包括按图所示控制曲线计算转差频 率增量 由求出转差频率控制量 再由求出频率指令 KUS KUS KU