基于单片机的交流调压调速系统设计.doc

1 绪论 1 1 交流调速的发展状况 1 直流电机拖动和交流电机拖动在19世纪中先后诞生 在20世纪的大部分年代里 约占 整个电力拖动容量80 的不变速拖动系统都采用交流电机 而只占20 的高控制性能可调速 拖动系统则采用直流电机 因为调节直流电动机的电枢端电压或励磁电流就可方便地获得 较好 的调速特性 但是 在电力调速传动系统中使用交流电动机具有更大的吸引力 因为交流电动机与 直流电动机相比具有一系列显著的优点 1 交流电机不存在换向器圆周速度的限制 也不存在电枢元件中电抗电势数值的限制 其转速可以设计得比相同功率直流电机的转速更高 因而单位功率重量指标较低 例如 直流电机的单位功率重量指标一般均在5kg kw上 而鼠笼式异步电动机的仅在 4 1 5 kg kw 之间 2 交流电机的电枢电压和电流的数值都不受换向器的限制 因而 其单机功率可以比 直流电机的单机功率更大 3 由于交流电机的结构简单 没有换向器那种复杂 精密 耗费制造工时的部件 又 由于单位功率重量指标较低 因而其制造成本低廉 4 直流电机在高速范围运行时 由于电抗电势数位的限制 一般不能发挥其额定功率 既便是有补偿绕组的直流电动机 就是在最高转速时的输出功率也仅能达到额定功率的80 对无补偿绕组的电机就更低 而交流电动机没有这种限制 高速时仍可发挥较大功率 甚至能以额定功率作恒功率运行 交流电机没有换向器之类需要经常保养 维修的部件 在安装地点受到限制 不 易接近的场合下也能可靠地工作 维修费用低廉 虽然交流电机与直流电机相比具有以上许多优点 可是 由于交流电机的调速一直比 较困难 所以 长期以来 交流电机只能作恒速运行 而在要求精确 灵活 连续调速的 传动系统中 直流电机调速传动一直占主要地位 然而 近年来 一方面随着大功率可控 电力电子元件和变频技术的迅速发展 用交流电机的调速传动系统代替直流电机调速传动 系统已成为可能 另一方面 从节能的观点要求把原来作恒速运行的交流电机传动系统改 为调速传动 因而 在电力传动领域里正在日益重视发展交流电机的调速传动 众所周知 在电力传动系统中 交流电动机具有一些直流电动机无法比拟的优点 如 单机容量 电枢电压 额定转速 价格等方面 随着电力电子技术的发展和交流调速理论 的深 入研究 交流调速方法日益受到人们的重视 成为电动机调速新的发展方向 一个完整的交流调速系统主要由三部分组成 电力变换器 交流电机和控制系统 从60年代初开始 电力电子开关器件日益更新换代 相继出现了大功率晶体管 GTR 门极可关断晶闸管 GTO 场效应晶体管 MOSFET 及静电感应晶体管 SIT 80年代初 美 国成功地研制出第三代电力电子器件绝缘门极晶体管 IGBT 电力电子器件逐步向高电压 大电流 高频率快关断 低功耗易驱动以及复合化 模块化 智能化方向发展 近年来电 动机的设计和制造技术也得到了充分的发展 常用电机的类型有异步电机 同步电机和磁 阻电机等 在对电机的设计时 致力于提高电机的功率和效率 加大调速范围 降低脉动 转矩并减缓绝缘老化 除此之外还可设计相应的逆变器与变频电动机配合使用 从而使整 个调速系统的工作效果更为出色 1 2 现代控制理论的发展 现代控制理论在传统反馈控制理论的基础上取得了重要的突破 诞生了滑模变结构控 制 矢量控制 直接转矩控制等一系列新的控制方法 一般对电力变换器多采用脉宽调制 PWM 技术 目前该技术比较成熟 已出现专门产生PWN 控制信号的大规模集成电路芯片 近年来普遍采用微机控制 它可高速度 高精度地实现对整个系统的控制 对建立在现代 控制理论和复杂控制算法基础上的控制方案进行优化处理 并同时实现系统的监测保护 故障自诊断和自修复 在实用的8位 16位 甚至32位单片机控制系统中 硬件和软件均可 模块化 1 3 微型计算机控制系统的发展及其在调速系统中的应用 高性能 高精度的调速系统的发展与微型计算机的发展是密切相关的 近年来半导体 电路的高度集成化 其运行速度和工作可靠性的提高 成本的不断降低 而且功能越来越 强大 使得当前一些较复杂 控制要求较高的控制算法 能够由微型计算机来实现 微型计算机控制电机在工业生产过程中的应用主要具有以下特点以及需要发展的方面 1 可靠性和可维修性是两项非常重要的因素 它们决定着来统在控制上的可用程度 特别是在用计算机控制的连续性生产过程中要求高度可靠 可靠性简言之就是指设备在规 定的时问内运行不发生故障 为此需未用可靠性技术来解决 为实现高度的可用性 可维 修性是重要的 设计应该使系统通过相同电子线路的集装件的替换而得到快速修理 并且 应设计较完善的诊断程序 较快确定故障所在 2 环境的适应性强 在生产现场 环境条件 如强电流 强磁场 腐性性气体 灰尘 温度变化等都会影响系统的可靠性和使用寿命 3 控制的实时性 所谓 实时 是指信号的输入 计算和输出都要在一定的时问范围 内完成 亦即计算机对输入信息 以足够的速度进行处理 并在一定的时问内作出反应或 进行控制 超出了这个时间 就失去了时机 控制也就失去了意义 4 较丰富的软件 要有较完整的操作系统和适合生产过程控制的应用程序 使机器 的操作简单 使用合理 控制性能高 5 适当的计算机精度和运算速度 以较少的投入取得较大的成果 随着微型机和微处理器的迅猛发展 芯片的集成度越来越高 半导体存贮器的容量越 来越大 控制和计算性能 几乎每两年就提高一个数量级 大量新型接口和专用芯片不断 涌现 软件日益完善和丰富 这就必然会导致大规模 功能强 结构合理的微机控制系统 能够实现 目前 交流调速己经深入到电气传动控制的各个领域内 容量从数百瓦的伺服系统到 万千瓦级的大功率系统 从工业传动到机车牵引 有关资料显示 调速范围达到了 1 100000以上 调速精度可达10 4 4的数量级 2 三相异步电动机交流调速 1 2 1 交流调速方案 由电机学已知 异步电动机的转速为 1 60 1ns p f 2 1 式中 异步电动机定子电压供电频率 1 f 异步电动机的磁极对数p 异步电动机的转差率s 所以调节交流电动机的转速有三种方案 2 1 1 改变电动机的磁极对数 通过改接定子绕组的连接方式来得到不同的极数和转速 这一方法适用与不需要平滑 调速的场合 调速时低速的人为特性较硬 静差率较高 经济性较好 变极调速是改变异 步电动机的同步转速n 60f1 P 故一般称变极调速的电动机为多速异步电动机 2 1 2 变频调速 通过改变定子绕组的供电频率f1是可以调速的 当转差率s一定时 电动机转速n基本 上正比f1 很明显 只要有输出频率可平滑调节的变预电源 就能平滑 无级地调节异步 电动机的转速 变频调速主要用于笼型异步电动机 性能优异 调速范围大 平滑性高 低速特性较硬 调速过程中如保证电压频率成正比变化 可实现恒转矩调速 并保持过载 能力不变 其缺点是必须要有专用的电源 低速时可能因转矩大为降低而带不动负载 2 1 3 变转差率调速 0 0 S nn n 2 2 n0 同步转速 常用改变转差率的方案有改变异步电动机的定子电压调速 采用滑差电动机调速 转 子电路串电阻调速以及串级调速 前两种方法适合于笼型异步电动机 后者适合于烧线式 异步电动机 这些方案都能使异步电动机实现平滑调速 但共同的缺点是在调速过程中存 在转差损耗 这消耗在转子电路中 使转子发热 系统效率降低 在不计定子绕组铜耗条件下 变转差率调速系统最大可能的效率 定义为输出机械功 率P1和输入电功率PS之比 21Nrs sNss MP PM 1s 2 3 Mn 电动机额定电磁转矩 s 定子旋转磁场角速度 r 一 转子旋转角速度 2 转子转差角速度 随着转差率s的增大 系统效率 降低 变极调速 对笼型电动机 调压 定子电压 调阻 转子电阻 对绕 变极差率 线转子电动机电磁离合器 感应电动机 调速具 转差率 调速 串级调速 转差电压 对绕线转子电动机 电压型 交 直 交 电流型 交流电动机 变频调速 变频 脉宽调制 调速方法 PWM 型 交 交变频 他控式 同步电动机调速 变频调速 自控式 无换向器 发动机 绕线转子异步电动机一般采用转子电路串联电阻及串联电动势 即串级调速 两种调 速方法 前者损耗较大 效率低 调速指标都不高 范围不大 平滑性差 低速特性较软 但因比较简单 在恒转矩负载下应用较多 后者 串级调速 可用晶闸管等装置接入转子 电路 达到平滑调速的目的 晶闸管串级调速的性能优异 转差功率可反馈至电网 调速 效率高 经济性较好 便于向大容量发展 最适用于通风机负载 也可用于恒转矩负载 晶闸管等串级调速与直流调速系统比较 在同等功率条件下 设备 指标差不多 但直流 电动机用铜量大得多 维护复杂 价格要贵2 3倍 在向大功率发展时 直流电动机制造 困难 而异步电动机便于制造 且采用铝导线后可节约大量的铜 如将晶闸管串级调速与 交流换向器电动机比较 后者用铜量大 换向困难 维护复杂 而且调速性能也不如前者 笼型异步电动机采用改变定子电压 滑差离合器及脉冲调速等调速方法 都属于能耗 转差的调速方法 其共同的特点是转差功率都消耗在笼型转子或滑差离合器的电枢电路中 调速时发热 较为严重 效率不高 它们只能在功率不高的生产机械上 以上三种调速方案 变极对数P调速和变频调速属于改变同步转速n0的调速方案 在调 速过程中 转差率s是一定的 故系统效率不会因调速而降低 而变转差率调速属于不改 变同步转速的调速方案 存在着调速范围愈宽 系统效率 愈低的问题 经济性较差 2 2 调压调速原理和机械特性 通过改变异步电动机的定子电压进行调速 是一种比较简单的调速方法 早在二三十 年以前 人们就已经开始采用在感应电动机定子上接如调压变压器或饱和电抗器等方式对 感应电动机进行调压调速了 以饱和电抗器为例 它有一些重大的缺点 比较笨重 成本 较高 动态响应慢等等 电力电子技术的发展 开辟了调压调速的新途径 由于晶闸管调 压电路用闭环系统可实现平滑调速 得到低速硬特性与较大的调速范围 且具有结构紧凑 轻便 成本较低 动态响应较快等优点 它已经取代了笨重的饱和电抗器等 在中小容量 且对性能指标的要求不十分高的场合 得到了广泛的应用 异步电动机的电磁转矩为 2 2 1 1 2 2 0 2 112 s TN m s r U m r xxr 2 4 式中 s 一一电机转差率 m1 一一电机定子的相数 0 一一转子同步机械角速度 r1 一一定子绕组电阻 x1 一一定子绕组漏电抗 r21 一一折算到定子边的转子电阻 x21 一一折算到定子边的转子漏电抗 n0 A MZMM 1 4 3 2 A C B B C 2 1 改变异变电动机定子电压的人为机械特性 从式中可知 当转差率s一定时 转矩T正比于U 的平方 对应于不同的定子电压 可 以 得到一组不同的机械特性 如图2 1 从图2 1可以看到 在同一负载转矩下 如果改变电 机的定子电压则必然得到不同的转差率s 因此 改变定子电压可以调节转速 但转速低于 点4的机械特性部分 对恒转矩负载不能稳定运转 因此不能用以调速 调速范围很小 0 a b c U1 1 U2 M U 2 2 转子电路电阻较高时改变定子电压的人为机械特性 对于恒转矩调速 如果能增加异步发动机的转子电阻 如绕线转子异步电动机或高转 差率笼型异步电动机 则改变定子电压可得较宽的调速范围 如2 2所示 但此时特性太 软 其静差率常不能满足生产机械的要求 而且低压时的过载能力较低 负载的波动稍大 电动机就有可能停转 若采用闭环系统 则既能提高低速时的机械特性硬度 又能保证一定的过载能力 图2 3中的调压装置过去用饱和电抗器 目前都采用晶闸管等电力电子器件组成的交流 调压装置 它可根据控制信号e的大小将电源电压U1改变为不同的可变电压Ux 控制信号为 给定信号弹e0与来自测速发电机的测速反馈信号em之差 由图2 3可见 当输出电压Ux U1 时 对应于某一控制信号e 对应于额定负载TN时的转速为n2 当负载增至TN后 如无反 馈则转速将沿着对应于U1有人为机械特性下降到n2 转速下降极为严重 但在图2 3所示的 闭环系统中 负载稍有增加引起转速的下降 正比于转速的en也将减小 e e0 en的数值自 动变大 使输出电压Ux 增高 电动机将产生较大转矩以与负载转矩平衡 如负载增至 Tm Ux 增到U1 则此时转速仅降到n1 显然闭环系统中机械特性的硬度大大提高 为了调 节转速 可改变给定信号e0 得到一些基本平行的特性族 如图2 4所示 调压 装置 M TG U1UX Ene0 图2 3 异步电动机改变定子电压调速的闭环系统 在闭环系统中 如能平滑的改变定子电压 就能平滑调节异步电动机的转速 低速的 特性较硬 调整范围可较宽 图2 4 异步电动机改变定子电压调速的系统特性 由于T3I2 2R2 s 为使调速时电动机能被充分利用 则I2 2 恒值 R2 也为恒值 可见 这种调速方法是既非恒转矩又非恒功率的调速方法 显然最适用于T随n降低 s增加 而降 低的负载 如通风机负载 对于恒功率最不适应 能勉强用于恒转矩负载 如纺织 印 染及造纸等机械 改变定子电压调速方法的缺点是 调速时的效率较低 功率因数比转子串联电阻是更 低 由于低速时消耗转子电路的功率很大 电动机发热严重 因此 改变定子电压的调速 方法一般适用于高转差笼型异步电动机 也可用于绕线转子异步电动机 在其转子电路中 可串联一段电阻 如果用于普通的笼型异步电动机 则必须在低速时欠载运行 或短时工 作 在低速时可用他扇冷却方式 以改善电动机的发热情况 调压调速也称为降压调速 因为异步电动机的工作电压不允许超过额定值 调节电压 需在额定电压以下进行 其一般采用笼式交流异步电动机 用晶闸管可控硅调压电路调节 其定子电压 从而实现调速 n TNT n 0 2 3 基于单片机的的交流调压调速系统总体设计 单片机控制调压调速控制器应能实现如下功能 能够在内部产生可由用户选择的理想速度指令曲线 以数字化方法实现速度给定 晶闸管触发 对起动加速和制动减速全过程进行闭环调压调速控制 对电机电机速度进行检测 提供必要的保护 使用单片机控制 具有显示转速的功能 具有良好的抗干扰性能 基于单片机的具有以上功能的调压调速控制器的功能结构应如图2 5所示 图2 5 调压调速控制器的结构 380V 显示电路 MCS 51 单片机D A 转换器 速度给定A D 转换器速度检测电动机 触发电路功放与隔离 过流信号电路同步信号电路稳压电源 3 交流调压主电路设计 3 1 主电路及其工作原理 3 1 1 主电路装置 2 需要调压调速的电动机可以利用三相自耦变压器供电 也可以采用晶闸管进行交流调 压 但使用三相自耦变压器供电不利于实现自动调节电压 图3 1所示是交流调压装置主要 部分组成框图 其主回路由6只普通晶闸管两两反并联 或3只双向晶闸管 组成三相三线式 其优点是可适用于Y或 接法的电机且谐波分量较少 图3 1 交流调压装置主框图 3 1 2 主电路原理 3 一般使用的异步电动机都是三相电机 供电电源直接取自工频50Hz的三相380V交流电 网 它的电压是 不变 的 为了获得可以调压的三相交流电源 必须加上调压器 下面 以晶闸管三相调压电路来分析三相调压工作原理 R R R 4 5 1 2 VT 6 3 A B C 三相接入反并联之晶闸管VT 1 2 6 负载可以是Y接 也可以是 接 图示3 1为Y 接 VT承受正向电压时 其导通时刻受门极触发脉冲控制 触发脉冲的触发时刻以相电压 过零点时为0 算起 相隔的电角度用A表示 A称为控制角 A的范围为0 180 而且A越 大 说明VT在承受正向半周内导通的时刻就越晚 加在该相负载上的电压越小 起到了降 压的作用 为使三相电流形成通路 在一相VT导通时 须有一个相邻的反向VT导通 为了 保证在电路起始工作时能有两个VT同时导通 以及在感性负载和控制角较大时仍能保证不 同的正 反相两个VT同时导通 要求采用大于60 的宽脉冲 也可以是脉冲列或双脉冲 的 触发电路 为保证输出三相对称电压 且有一定的调节范围 要求触发信号与交流电源有 一致的相序和相位差 如图a电路 要求以电源频率和周期确定的电角度依次触发VT1 VT2 VT6 互相间隔为60 电角度 若以相电压起点 A 0 时触发VT1导通 而后相隔60 依次触发VT2 VT3 VT6 VT1循环下去 如图a所示 这种情况相当于每个VT在承受正 电压瞬间即导通 而承受负电压 负半周反电压 时自然关断 使电源电压全部通过VT加到 负载上 可见A 0 提供负载最高电压 图中电压波形与触发信号之间的数字是表示虚线 区间导通的VT号 当控制角A 30 时 见图b 每个VT的导通都滞后30 输出给A相负载的 电压波形如阴影部分所示 5 5 6 6 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 1 2 3 4 5 6 1 b A 30 t B 0 CA t t 1354261 234561612123456345561 B 0 CA t a A 0 图3 2 三相交流调压电路输出波形 波形中Xt 0 30 时没有电压输出 Xt 30 60 时 VT1触发导通 与此同时三相都有VT 触发导通 A相输出为原电源电压波形 但在Xt 60 90 区间 由于VT5关断 而VT2尚未 触发导通 相当于C相断电 因而A相负载上的电压为A B相电源线电压的一半 所以电压 波形出现缺口 当Xt 90 120 时 VT2触发导通 负载又得到电源相电压 同理 当 Xt 120 150 区间 VT6关断 负载上电压为A C相线电压的一半 所以输出波形升高一 块 输出电压为图中阴影所包面积 波形的其余部分依次类推 由以上波形分析可以看出 A 0 时 调压电路输出最大电压 A增大则输出电压减小 可以分析出 当A 150 时输 出电压为零 只要控制角A由0 150 变化 输出交流电压即可连续地由最大调到零 实现 了调压目的 3 2 交流调压调速控制主回路设计 图3 3调压调速控制主回路的线路原理图 在反馈速度与给定速度不同时 即可改变晶 闸管的移相控制电压 从而改变晶闸管的触发角 达到调压调速目的 由速度负反馈构成 闭环控制及软件PID调节 可以改善调压调速特性 过流 过压检测 同步信号 INT0 触发电路 控制电压 Uk M ACB 图3 3 调压调速控制主回路的线路原理图 3 3 同步输入电路及移相触发脉冲的产生 T1 T2 T3 U V W U1 V1 W1 图3 4 同步信号输入电路 3 3 1 同步信号输入电路 如图3 4所示 电动机三相异步电压U V W经图所示的同步变压器电路后变成 U1 V1 W1同步电压 3 3 2 触发脉冲线路与驱动电路 4 考虑到实际系统的工作环境 提高运行稳定性与抗干扰能力 晶问管采用单片机控制 下的硬件触发 本论文采用的是KC系列的KCZ6集成化三相全控桥六脉冲触发组件 该组件采用三块 KC04移相触发器 一块KC41六路双脉冲形成器 一块KC42脉冲列调制形成器组成 图3 5是触发线路的结构及工作原理图 从图中可以看出触发线路主要由同步滤波环节 过零检测及锯齿波形成单元 脉冲形成单元 脉冲发生器 双脉冲形成与分配环节 脉冲 功放环节六部分组成 a c b a c b 过零检测及 锯齿波形成脉冲形成电路 双 窄 脉 冲 形 成 分 配 脉冲形成电路 脉冲形成电路 过零检测及 锯齿波形成 过零检测及 锯齿波形成 脉冲发生器 脉 冲 功 率 放 大 与 隔 离 同步滤波 同步滤波 同步滤波 A B C 图3 5 触发线路的结构及工作原理图 来自同步变压器的三相电压信号 经同步滤波环节滤去波形上叠加的高次谐波成分 并使同步电压过零点即为自然换流点 提供给过零检测及锯齿波形成单元 过零检测单元 检测出每一相同步电压正负半波的过零点 在相应的过零点经充电电源给锯齿波电容充电 随着同步电压的周期性变化 便可在三路过零检测及锯齿波形成单元的输出得到三路 每路 内部为相差180 各路彼此之间相差120 周期性变化且线性度很好的锯齿波 该三路锯齿 波提供给脉冲形成单元与输入的移相电压控制信号比较 比较器输出控制脉冲形成单元形 成触发脉冲 并经脉冲形成环节内的调制器根据脉冲发生器输出的高频脉冲频率 15kHz 调 制成脉冲列 该三路脉冲列提供给双脉冲形成与分配环节形成补脉冲 分配成六路彼此互 差60 的双脉冲列 该六路脉冲列经脉冲功率放大电路进行功率放大后输出 直接带动脉冲 变压器来触发三相三线式交流调压电路中的六个晶闸管 图3 6 过零检测与锯齿波形成线路基本单元 1 2 3 4 5 6 7 8 VV V R2 1 C 同步信号 锯齿波 b a a a a b b b c c c c t t t uA uB uC 图3 7 补脉冲形成原理 图3 6是过零检测与锯齿波形成线路的基本单元 集成电压比较器LM311的管脚1GND接 地 当检测每一相的正半波过零时 将同步信号接比较器的正向输入端 反向输入端接地 这样正半波过零时在输出端应为高电平 但由于LM311输出级是集电极开路的 只有在输出 端与电源之间接一电阻才可能输出高电平 否则 在输出逻辑1时实际上输出端为高阻抗状 态 图中不接上拉电阻 利用高阻状态电源为电容充电 形成锯齿波 在负半波到来时快 速放电 在检侧负半波过零时 将比较器正向输入端接地 同步信号接反向输入端 双窄 脉冲形成当晶闸管门极上的触发脉冲为双窄脉冲时 可满足电阻 电感或反电动势负载对 触发脉冲宽度的不同需要 采用补发脉冲的方式 即当要求某一晶闸管导通时 除了给它本 身发出一个触发脉冲外 还要给前一个换流的晶闸管发一个触发脉冲 在一个周期内对每 个晶闸管须要连续触发两次 两次脉冲中间间隔为60 图3 7中A相的补脉冲由C相产生 B 相的补脉冲由A相产生 C相的补脉冲由B相产生 实线该相的触发脉冲 虚线为由其它相产 生的补脉冲 表示正半周期 一 表示负半周期 输出六路双脉冲触发信号 触发电路相对于移相控制电压为反极性 即移相电压增大 移相角增大 导通角减小 其输出波形为调制脉冲列 因而可极大地减小外接脉冲变压器 的体积及尺寸 采用三相同步变压器获得同步信号 使六路脉冲的均衡度较高 KCZ6在三相全控桥式变流装置中使用 它将触发脉冲控制电压的幅度转化为相应的控 制角 使电动机可靠的工作 每一相输出脉冲能可靠的驱动一只功率晶闸管元件 3 4 主电路参数及元器件选型 5 3 4 1 主电路参数要求 45 N PKW 580 min N nr 380 N UV 89 N IA 0 90 Y 接法 调速范围 D 5 低速时静差率 cos0 85 2 5 m 22 2 4GDkg m S 0 01 根据以上要求 选择 Y315S 10 笼型三相异步电动机 3 4 2 晶闸管选择 选择功率模块时 需要考虑到电机的过载要求 功率器件的电流定额为 I 1 2 2 n m 1 2 2 2 89 2 5 378 629 A 3 1 式中 1 2 2 表示安全裕量 要求直流侧电源电压 Ud 380v 0 866 438 8v 3 2 考虑到大功率晶闸管的管压降等 取 Ud 450V 则大功率晶闸管的极限参数为 U BR ceo 2 3 Ud 900 1350 V 3 3 根据上述计算 选取晶闸管元件 KP600 10 计 6 只 3 4 3 滤波电容的选择 取 其耐压 综合考虑滤波电容的体积 价格和滤波FC 4400 0 VU9316 2 效果 结合经验 在变频器的滤波环节处采用了两个滤波电容 2 只 2200 耐压在F 500V 以上的电容器并联使用 3 4 4 阻容吸收电路参数计算 按照晶闸管三相电路支流侧阻容吸收电路参数算式进行估算 3 l O Cd fU I I K C 2 2 0 0 2 2 100 4 3 2 0 0 2 2 2 100 I I U K O l RdR 5 电流有效值为 3 6 电压定额为 3 VUU mnD 1612 1074 3802 3 2 3 2 7 而 370000 Cd K31 0 Rd K5 6 0 0 2 O I d II816 0 2 mD IwtdII 3 1 360 1 120 0 2 所以 3 2 6 5 0 816 89 100 70000 3348 503 192 FF C 8 3 2 3 192 0 1 313 6 5 0 816 89 100 R 9 C2选择400F的CZJ系列低价电容 R2选择15的RJ系列金属电阻 3 4 5 压敏电阻的选择 压敏电阻的额定电压 1mA U 1 0 8 0 9 mA U 压敏电阻承受的额定电压峰值 1 1 2278 0 8 0 9 480 540V 3 10 选择MY31 560 1型压敏电阻3个 其额定电压为560V 通流容量1Ka 4 控制电路设计 4 1 单片机控制线路 单片机控制线路主要由单片机AT89C52 地址锁存器74LS373 A D变换器ADC0809 D A 变换器DAC0832 键盘显示器8279等芯片所组成 AT89C52单片机内带8K E2PROM 不用另外 扩展外ROM 接线简洁 程序可加密 价格便宜 图4 1是单片机控制电路原理图 面板上的电位器W 电压信号W2与速度传感器W3 经ADC0809转换变成8位数字量后 分 别作为速度的给定值与反馈值输入单片机 经单片机软件PID调节处理后 从P0口输出移相 控制电压数字量 由DAC0832转换成控制电压模拟量 在通过由运放4558组成的反相器输入 到硬件触发板上 调节反相器中的可调电位器W1 可以扩大控制电压的范围 改善电压变 化率 通过改变外部的电位器W4和W5 W6 将软件PID调节比例系数和积分系数都设置成为 可调的 以适应不同对象参数的分散性 提高装置的适应范围 5V uK R3 R4 W1 W3 声光 报警 保护 电路 6MHZ C1 C2 W2 5V 5V 键盘 R1 R2 C3 5V P2 0 P0 WR INT0 P1 0 P1 1 P2 3 RD 89C52 XTAL1 XTAL2 ALE VCC EA RST INT1 P2 7 CS 0832 VREF XFER ILE DI0 7 Rfb WR1 IOUT1 WR2 IOUT2 ALE START IN0 OE IN1 D0 7 IN2 IN3 ADD C IN4 0809 CLK A0 RL0 7 CLK DB0 7 SL0 7 RD WR 8279 IRQ CS OUTA0 3 OUTB0 3 373 G CL 4020 259 2803 LED2803 触发 电路 W4 W6 W5 图 4 1 单片机控制电路原理图 4 1 1 单片机 89C52 的组成及引脚 6 ATMEL 公司生产的 MCS 51 系列的 AT89C52 其内部资源主要有 8 位 CPU 8KB 字节掩膜 ROM 程序存储器 256 字节内部 RAM 数据存储器 3 个 16 位的定时器 计数器 1 个全双工的异步串行口 6 个中断源两级中断优先级的中断控制器 时钟电路 外接晶振和电容可产生1 2MHz 12MHz的时钟频率 单片机的引脚如图 4 2 所示 1 40 2 39 3 38 4 37 5 36 6 35 7 34 8 33 9 32 10 31 11 30 12 29 13 28 14 27 15 26 16 25 17 24 18 23 19 22 20 21 VCC P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 EA VPP ALE PROG PSEN P2 7 P2 6 P2 5 P2 4 P2 3 P2 2 P2 1 P2 0 P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 RST VPD RXD P3 0 TXD P3 1 INT0 P3 2 INT1 P3 3 T0 P3 4 T1 P3 5 WR P3 6 RD P3 7 XTAL2 XTAL1 VSS 图 4 2 89C52 单片机的引脚图 包括三大部分的引脚 电源及时钟引脚 控制引脚 输入 输出引脚 总共是 40 个引 脚 其中 P0 P1 P2 P3 四个 I O 口 通过这四个口使单片机与外部交换信息 达到采集 处理 控制等各项工作 1 电源及时钟引脚 Vcc 40 脚 接 5 电源 Vss 20 脚 接地 时钟引脚 18 19 脚 外接晶体与片内的反相放大器构成一个震荡器 它提供单片 机的时钟控制信号 时钟引脚也可以外接晶体震荡器 2 控制引脚 RST VPD 9 脚 当震荡器运行时 在此引脚加上两个机器时钟周期的高电平将使单 片机复位 RST 复位后应使此引脚电平为 0 5V 的低电平 以保证单片机的正常工作 ALE 30 脚 当单片机访问外部存储器时 ALE 地址锁存允许 输出脉冲PROG 的下降沿用于锁存 16 位地址的低 8 位 即使不访问外部存储器 ALE 端仍有周期性正脉冲 输出 起频率为振荡器频率的 1 6 但是 每当访问外部数据存储器时 在两个机器周期 中 ALE 只出现一次 即丢失一个 ALE 脉冲 ALE 端可以驱动 8 个 TTL 负载 对于片内具有 EPROM 型的单片机 8751 在 EPROM 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 PROG 29 脚 此输出为单片机内访问外部程序存储器的读选通信号 在从外部存储 PSEN 器取指令 或常数 期间 每个机器周期 PSEN 两次有效 但在此期间 每当访问外部数据 存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不出现 PSEN 同样可以驱动 8 个 TTL 负载 Vpp 31 脚 当 EA 保持高电平时 单片机访问的是内部程序寄存器 对EA 8051 8751 来说 但当 PC 程序记数器 值超过某值 如 8751 内部含有 4KB EPROM 值为 0FFFH 时 将自动转向执行外部程序存储器内的程序 当 EA 为低电平时 则不管是否有内部程序 寄存器而只访问外部程序寄存器 对 8031 来说 因其无内部程序存储器 所以该引脚必须 接地 即此时只能访问外部程序存储器 对于片内有 EPROM 型单片机 在 EPROM 编程期间 此引脚用于施加编程电压 Vpp 3 输入 输出引脚 P0 口 P0 0 P0 7 为双向 8 位的三态 I O 口 当作为 I O 口使用时 可直接连接 外部 I O 设备 它是地址总线低 8 位及数据总线分时复用口 可驱动 8 个 TTL 负载 以便 作为扩展时地址 数据总线口使用 P1 口 P1 0 P1 7 为 8 位准双向 I O 口 它的每一位都可以分别定义为输入线或 输出线 作为输入时 口锁存器必须置 1 可驱动 4 个 TTL 负载 P2 口 P2 0 P2 7 为 8 位准双向 I O 口 当作 I O 口使用时 可直接连接外部 I O 设备 它是与地址总线高 8 位复用 可驱动 4 个 TTL 负载 一般作为扩展时地址总线 高 8 位使用 P3 口 P3 0 P3 7 为 8 位准双向 I O 口 是双功能复用口 可驱动 4 个 TTL 负载 4 1 2 A D 芯片 ADC0809 及其工作原理 在单片机的实时控制和智能仪器仪表等应用系统中 被控制或被测量对象的有关参数 往往是一些连续变化的模拟量 如温度 压力 流量 速度等等 这些模拟量必须转换成 数字量才能输入到计算机进行处理 实现模拟量向数字量的转换的器件就称为 A D 转换器 常用的 A D 转换器有 ADC0809 MC14433 本文采用常见的 ADC0809 ADC0809 是一种逐次比较法的 A D 芯片 它是通过最高位至最低位的逐次检测来逐步 逼近被转换的输入电压 整个过程是个 试探 的过程 它是以 D A 转换为基础 加上比 较器 N 位逐次逼近寄存器和控制逻辑电路组成 启动信号控制下 控制逻辑电路置 N 位寄存器的最高位为 1 其余为 0 经过 D A 转换 后得到一个占一半量程的电压 Vs 比较器将此电压与模拟输入量 VX 相比较 若 Vs VX 则保留最高位为 1 否则置最高位为零 依次从寄存器的最高位起重复上述过程 得出最 后的 数字量 转换的速度由时钟频率决定 可以设计成较高的转换速度 一般在几微秒到上百 微秒之间 其 ADC0809 原理图如下图 4 3 所示 转换结束 中断 8 模 拟 输 入 3 位地址 ALE 8 位 A D 比较器 ADC0809 8 路 模 拟 开 关 控制与时序 S A R 树状开关 256R 电阻 三 锁 态 存 输 缓 出 冲 器 地 址 与 锁 译 存 码 起动 时钟 8 位 输 出 VCC GND REF REF 输出允许 图 4 3 ADC0809 的原理结构图 IN0 IN7 8 路模拟量输入线 A B C 模拟通道选择输入线 ALE 通道锁存控制信号线 正跳变可锁存信息 CLOCK 转换时钟输入线 频率范围是 10 1200kHz 一般取 640Hz 转换速度为 100 s START 启动转换控制信号输入线 上升沿清除寄存器 下降沿启动转换 EOC 转换结束输出信号 输出为宽为 8 的 CLK 周期的正脉冲 OE 输出允许控制信号输出线 为高电平时把转换结果送数据线 Vcc 主电源 5V GND 数字地 Vref 参考电压输入线 Vref Vcc Vref 参考电压输出线 Vref GND 应保证 Vref Vref Vcc 4 1 3 D A 芯片 DAC0832 及其工作原理 DAC0832 是采用 CMOS 工艺制造的 8 位单片 D A 转换器 它主要由四部分组成 8 位输 入寄存器 8 位 DAC 寄存器 采用 R 2R 权电阻网络的 8 位 D A 转换器 以及输入控制电 路 由于它有两个可以分别控制的数据寄存器 使用时有较大的灵活性 可根据需要接成 不同输入工作方式 另外芯片内部有电阻 RFB 它可用作运算放大器的反馈电阻 以便于 芯片直接与运算放大器连接 其 DAC0832 原理图如下图 4 4 所示 DAC0832 的分辨率为 8 位 电流输出 稳定时间 1 s 采用 20 脚双立直插式封装 各引脚功能如下 DI0 DI7 数据输入线 CS 片选信号 WR1 写信号 ILE 允许输入锁存信号 WR2 写信号 2 XFER 传送控制信号 IO1 DAC 电流输出端 1 此输出信号信号作为运算放大器的差动信号之一 IO2 DAC 电流输出端 2 此输出信号信号作为运算放大器的另一个差动信号 RFB 外部运算放大器的反馈电阻 VREF 基准电压源端 10V DC 10VDC VCC 工作电压源端 5V DC 15VDC 图 4 4 DAC0832 的结构功能图 4 1 4 键盘 显示器接口芯片 8279 键盘和显示器是人机交流的窗口 键盘用来输入命令及数据 显示器则用来监视计算 机的工作状态 并显示结果 因此 它们是计算机不可缺少的重要组成部分本系统键盘输 入与显示部分设计成30键小键盘和8位8段数码显示管显示 8279是Intel公司生成的可编程通用键盘和显示接口部件 它本身可以产生对键盘扫描 和对显示器刷新显示的信号 代替CPU工作 减轻了主机的负担 键值的读取采用中断方式 一旦有按键按下 经双键锁定功能确认后 向CPU申请中断 CPU响应中断后读取8279 FIFO RAM中的内容 若FIFO RAM寄存器中仍有数据 则再次申请中断 8279解决了用CPU管理键 盘 显示器与工控实时性或程序计算量大的矛盾 故在有关键盘管理的设计中得到了广泛 应用 8279的结构如图4 5所示 8279 主要部件为 1 I O 控制和数据缓冲器 2 控制逻辑 3 扫描计数器 4 键输入控制 5 FIFO RAM 和显示缓冲 RAM LELE D Q 8 位 输入 寄存器 D Q D Q 8 位 DAC 寄存器 D Q 8 位 D A 寄存器 DI7 DI0 ILE CS WR1 XFER WR2 VREF IO1 IO2 DGND VCC AGND RFB RFB 图 4 5 8279 的结构功能图 4 1 5 LED 显示器 常用的 LED 显示器为 8 段 或 7 段 8 段比 7 段多了一个小数点 DP 段 每一段对应 一个发光二极管 这种显示器有共阳极和共阴极 2 种 共阴极 LED 显示器的发光二极管的 阴极连接在一起 通常此公共阴极接地 当某个发光二极管的阳极为高电平时 发光二极 管点亮 相应的段被显示 同样 共阳极 LED 显示器的发光二极管的阳极连接在一起 通 常此公共阳极接正电压 当某个发光二极管的阴极接低电平时 发光二极管被点亮 相应 的段被显示 为了使 LED 显示器显示不同的符号或数字 就是呆板不同段的发光二极管点亮 这样 就是为 LED 显示器提供代码 因此这些代码可使 LED 相应的段发光 从而显示不同字型 因此该代码称之为段码 或称为字型码 RL0 7 移位 控制 选通 显示 地址 寄存器 时序 和 控制 显示寄存器 键盘去 抖动和 控制 控制和 时序寄 存器 8 8 FIF O 传感 器 RAM 16 8 显示用 RAM 回 送扫描计数器 FIFO 传感 器 RAM 状态 I O 控制 数据 缓冲器 8 48 OUTAn 3OUTBn 4BDSL0 3 DB0 7RD WR CS A0RESETCLKIRQ a b c d e f g a b c d e f g dp 5V 10 9 8 7 6 1 2 3 4 5 dp g f GND a b e d GND c dp e a b c d f g 图4 6 LED显示器共阳极和共阴极的外形图和引脚图 7 段发光二极管 再加上一个小数点位 共计 8 段 因此提供给 LED 显示器的段码 或字型码 正好是 1 个字节 LED 显示器的外形如图 4 6 所示 4 2 单片机的几个外围电路 4 2 1 时钟电路 时钟电路是单片机的心脏 它控制着计算机的工作节奏 单片机的时钟产生方法有两 种 内部时钟方式和外部时钟方式 在这里我们采用的是内部时钟方式 MCS 51 最常用的内部时钟电路是采用外接晶体 陶瓷震荡器的频率定性不高 和电容 组成的并联谐振回路 MCS 51 单片机允许的震荡晶体可在 1 2MHz 24MHz 之间选择 一般 取 11 0592MHZ 两个的电容的选择对震荡频率输出的稳定性 大小及震荡电路的起振速度 有少许影响 其取值可在 20pF 100pF 之间选择 一般当外接晶体时典型值为 30pF 外接 陶瓷谐振器时典型取值为 47pF 图 4 7 为时钟电路 Y1 6MHz C1 30PF C2 30PF XTAL 1 XTAL 2 图 4 7 时钟电路 4 2 2 复位电路 计算机在启动运行时都需要复位 是中央处理器 CPU 和系统中的其他部件都处于一个 确定的初始状态 并从这个状态开始工作 单片机的复位都是靠外部电路来实现的 MCS 51 有一个复位引脚 RST 高电平有效 要使单片机复位 只要让 RST 保持两个机器周期的高电平 MCS 51 便保持复位 RST 变成 低电平后 退出复位状态 图 4 8 为复位电路 dp R 8 R 8 200 R23 1k R24 S1 22pF C3 5V RST 图 4 8 复位电路 在单片机的实际应用系统中 除单片机本身需要复位以外 外部扩展的I O接口电路等 也需要复位 因此需要一个系统的同步复位信号 即单片机复位后 CPU开始工作时 外部 电路一定要复位好 以保证CPU有效的对外部电路进行初始化编程 RST是高电平有效 而 I O接口电路的复位端一般为TTL电平输入 通常也是高电平有效 但这两种复位输入的复 位有效的电平不完全相同 如果CPU和I O的复位不同步 则系统不能正常工作 本设计中 采用的是系统复位 将复位电路产生的复位信号经斯密特电路整形后作为系统的复位信号 加到MCS 51单片机和外部I O接口电路的复位端 4 2 3 速度检测电路 转速检测采用他励式直流测速机 用稳流源供给励磁 为了使测速机与控制回路实行 隔离 系统中设置了直流电压隔离器 4 2 4 过流 过压的检测保护电路 为了使系统安全可靠运行 除了合理布线外 采取屏蔽 隔离 滤波和晶闸管 R C 吸 收 电路及压敏电阻过压保护之外 还设置了过电流 过压保护电路 由电流互感器与过电流 检测电路所捕捉的过电流信号负跳变被送至单片机的 INTO 口申请中断 它具有最高优先级 被响应后再由软件判断是否要改变移相控制电压 进行封锁三相触发脉冲 并从 P1 0和 P1 1口发出声光报警 如图 4 9 所示为主电路中过流 过压的检测保护电路 INT0 如图 4 9 主电路中过流 过压的检测保护电路 4 2 5 报警电路 当过流 过压时 则 P1 0和 P1 1由低电平变为高电平 光电隔离电路输出由低变高 继电器 K1 动作 电铃响 同时 红灯亮 图 4 10 为声光报警电路 R36 2K R37 10K 2CP12 P1 0 15 K1 5V R44 1k R45 1k a R38 2K R39 10K 2CP12 15 HR R40 51 P1 1 5V R461k R47 1k b 图 4 10 声光报警电路 4 3 PID 调节模块控制原理和有关的设计 PID 控制算法有位置式和增量式之分 所谓增量式 PID 是指数字控制器的输出只是控 制量的增量 u k 增量式 PID 控制算法 4 1 式中 积分系数 I PI T T KK 微分系数 T T KK D PD 可以看出 由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期 T 一旦确定 KP KI KD只要 使用前 3 次测量值的偏差 即可求出控制增量 采用增量式算法时 计算机输出的控制增量 u k 对应的是本次执行机构位置的增量 对应阀门实际位置的控制量 即控制量增量的积累 u k u k 需要采用一定的方法来 解决 例如采用积累作用的元件来实现 而目前较多的是利用算式 u k u k 1 u k 通过执行软件来完成 从图 4 10 可以看出 就整个系统而言 位置式与增量式控制算没有本质的区别 两者 仍然全部由计算机承担计算 增量式控制虽然只是在算法上做了一点改进 却带来了不少的优点 由于计算机只输 2 1 2 1 kekekekkekkekeKku DIP 1 kekekkekkek DIP 出 增量 所以误动作时影响小 必要时可增设逻辑保护 手动 自动切换时冲击小 算式中不 需要累加 只需记住四个历史数据 即 e k 2 e k 1 e k 和 u k 1 占用内存小 计 算方便 图 4 11 增量式 PID 控制原理 增量式控制也有其不足之处 积分截断效应大 有静态误差 溢出的影响大 因此 在选择时不可一概而论 一般认为在以晶闸管作为执行器或在控制精度要求高的系统中 可采用位置式控制算法 而在以异步电动机或电动阀门作为执行器的系统中 则可采用增 量式控制算法 在RAM区中需要选择适当的单元保存当前的速度给