基于单片机控制的交流调速系统设计-(1)

基于单片机控制的交流调速系统设计摘要单片机控制的变频调速系统设计思想在滑差频率控制。 通过改变程序，达到控制转速的目的。 设计中电动机功率较低，整流器采用无法控制的电路，加电容滤波器的逆变器采用功率晶体管三相逆变器。 系统的整体结构主要由主电路、驱动电路、光电分离电路、SA8282大规模集成电路、保护电路、AT89C51单片机、8255可编程接口芯片、I/O接口芯片、测速发电机等构成。 电路中有检测保护电路可以保证系统整体动作的可靠性。关键字：AT89C51单片机SA8282； 滑动频率交流调速三相异步电动机目录前言1第一章交流调速系统概述41.1交流调速的基本原理41.2交流调速的特点5第二章交流调速系统的硬件设计72. 1滑差频率控制原理： 72. 2系统设计的参数72.3单片机控制的电机交流调速系统设计72.3.1调速系统总体方案设计72.3.2部件的选择92.3.3系统主电路的设计和参数计算122.3.4 SPWM控制信号的发生152.3.5光电隔离和驱动电路设计172.3.6故障检测和保护电路设计182.3.7模拟输入通道的设计18第三章系统软件的设计193.1主程序的设计193.2转速调整程序193.3增量PI运算子程序203.4故障处理程序213.5部分子程序223.5.1 AD0809的编程223.5.2 8255的编程23结论23参考文献23前言上世纪90年代以来，近代交流调速进入了以变频调速为主导的发展阶段。 在此期间，由于各种新型电力电子元件的支持，变频器的调速在低压(380 V )、小容量(200 kW以下)下取得了很大进展。 但是，在高压(610 kV )中的大容量区域，由于电力电子元件自身的规模限制，逆变器的调速在技术上面临很大的困难，“高-低”“高-低-高”和“多电平串联”等方案在实践中表现出技术复杂、价格高、效率低、可靠性低等缺点。 理论上，高压逆变器面临的问题是违反电力电子部件客观规律的结果，目前大部分电力电子部件的特性已经由其材料、过程机制确定为低压大电流。尽管如此，高压变频器的势头仍在持续增加，除了客观的市场需求牵引之外(高压中大容量鼓风机泵类的节能等)，主要是“变频调速是唯一最佳交流调速”理论导向的结果。 根据现代交流调速理论，交流调速分为变频器、变频器和变频器3种方案，在缺乏科学分析的条件下，认定变频器调速低效，仅变频器调速最佳。 变频调速方法与旋转差调速方法本质上不同，能够从高速到低速保持有限的旋转差率，因此变频调速具有高效率、广范围、高精度的调速性能。 变频调速被认为是交流电动机比较合理理想的调速方法。 他说随着电力电子技术、微电子技术和自动控制理论的发展，交流调速技术也日新月异。 可调速高性能交流电力拖动系统的工业应用也越来越广泛。 进入21世纪，交流调速技术也进入了现代交流调速技术时代，现代交流调速技术也成为人类社会的重大技术进步之一。 其发展速度快，适用范围广是前所未有的。 并且，根据应用实践，采用现代交流调速技术大大提高了传动系统的运行质量，同时带来了巨大的经济和社会利益。第一章交流调速系统概述1.1交流调速的基本原理以地毯反衬机为例阐述了其在地毯制造业的应用。图1-1三相异步电动机的结构图1-支架2-定子铁心3-定子绕组4-转子铁心5-转子绕组变频调速通过改变向电动机定子绕组供给电力的频率来实现调速的目的. 常用三相交流异步电动机的结构如图1所示。 定子由铁心和绕组构成，转子绕组为笼型(参照图1-2 )，通称为笼型电动机。 在定子绕组中流过三相交流电流时，在定子与转子之间的气隙产生旋转磁场，与转子绕组相对运动，在转子绕组产生感应电位，产生感应电流，该电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机旋转。 将电动机磁场转速称为同步转速，用n1表示(1-1)式中： f三相交流电源频率一般为50Hz。p磁极对数。p=1时，=3000r/min； p=2时，=1500r/min。 磁极对数p越多，转速越慢。转子的实际转速n比磁场的同步转速n1稍慢，因此称为异步电机，该差以转速s表示(1-2)加上电源转子还没有旋转的瞬间，n=0，此时s=1； 启动后的极端情况n=，s=0，即s在01之间变化。 一般异步电机额定负载下的s=(16)%。 可以综合求出式(1-1)和式(1-2)(1-3)由式(1-3)可知，对于完成的电动机，磁极对数p确定，如果滑差率s的变化不大，则电动机的转速n与电源频率f成比例，因此通过改变输入电源的频率，能够改变电动机的同步转速，能够实现异步电动机的调速目的。1.2交流调速的特点对于可调速的电力拖动系统，工程上多分为直流调速系统和交流调速系统。 这主要是根据使用哪个电流制型的电动机进行电能和机械能的转换来划分的，所谓交流调速系统，是把交流电动机作为电能-机械能的转换手段，对其进行控制，产生所需的转速。交流调速系统与直流调速系统相比，具有以下特点1 .容量大取决于电机本身的容量。 直流电动机的单体容量可达1214MW，但是交流电动机的容量要高得多。2 .转速高且耐压直流电动机受换向器限制，最高电压只能达到1000伏以上，但交流电动机的容量为610KV，更高。 一般来说，直流电动机的最高转速只有3000转/min左右，但交流电动机每分钟达到万转。 它具有交流电动机调速系统耐高压、转速高的特点。3、交流电动机本身的体积、重量、价格比同容量的直流电动机小，而且交流电动机结构简单，结实耐用，经济实惠，惯性小，是交流调速系统的一大优点。4 .交流电动机调速装置环境适应性广。 直流电动机结构复杂，换向器工作要求高，使用中受到很多限制。 例如在工厂的酸洗工厂，腐蚀严重，必须使用直流电动机每周检查碳刷。 维护困难，但交流电动机可以在非常恶劣的环境下使用。5 .随着高性能、高精度、新型调速系统的出现和发展，交流拖动系统达到了与直流拖动系统相同的性能指标，广泛应用于国民经济的各个生产领域。6 .交流调速装置的显着节能。 工业上大量使用的鼓风机、泵、压缩机类的负荷通过交流电动机拖动，这种装置的耗电量占工业耗电量的50%，以往不进行电动机的调速，只通过风门、节流阀控制风量和流量。 大量电能浪费，采用交流电动机调速系统改变风量和流量，效率大大提高，从各方面来看，将恒速交流电动机改造成交流调速电动机，具有相当大的能效。交流电动机结构简单，运行可靠，廉价，维护方便，应用面广，大部分调速传动都采用交流电动机。 自1930年起致力于交流调速系统的研究，用开关设备切换主回路仅限于控制电机的启动、制动和有级调速。 变极对调速、电抗或自耦合降压起动及绕组式异步电动机转子电路串联电阻的有级调速还处于开发阶段。 交流调速慢的主要原因是很难决定调节电机转速的主要原因交流电源频率的变化和电机的旋转距离控制，交流调速的稳定性、可靠性、经济性、效率不能满足生产要求。 之后发展的调压，调频控制或只能控制电机的气隙磁通，不能调节旋转距离。 滑差频率控制可以在一定程度上控制电机的旋转距离。第二章交流调速系统的硬件设计2.1滑差频率控制原理：稳态气隙磁通一定时.异步电动机的机械特性参数式如下所示.(2-1)实际转速差小于空载转速时()，可从式中约定，式(2-1)可简化如下其中(2-2)根据式(2-2)，当滑动频率小且磁通一定时，电动机的电磁转矩t成比例。 此时，只需控制滑差频率即可控制转矩t，实现转速的控制。为了减小滑差频率，只要有异步电动机的实际转速反馈就能够实现。 为了保持一定值，将励磁电流保持一定，将励磁电流和定子电流保持一定有如下关系(2-3)因此，依照上述法则变化，成为一定的，即一定的。 差频控制策略利用速链得到转速与转速的比较，限制输出频率，控制定子电流使差频率(即)不太大的励磁电流恒定，此时控制实现调速。 系统的电路图如图2-l所示。图2-l滑差频率控制逆变系统的原理图由图2-1可知，系统由速度调节器、电流调节器、函数发生器、加法器、整流和逆变器电路、PWM控制电路、异步电动机和测量电路等构成，其中异步电动机由SPWM控制逆变器供电。 转速调节器ASR的输出，滑差频率一定，时钟转矩一定。 函数发生器输入滑差频率发生。 发送信号，控制定子电流。 保持恒定值的加法器将滑差频率和转速信号相加来得到逆变器的输出频率。 实现三相异步电动机变频调速。2.2系统设计的参数设计了一种三相异步电动机调速系统。 异步电机的参数：连接法采用差分频率控制方法，由单片机构成核。 调速范围(2.251HZ )、无级调速、静差率。 根据对象参数，完成各功能单元的结构设计、参数计算。2.3用单片机控制的电机交流调速系统设计2.31调速系统总体方案设计转速开环恒压比调速系统结构简单，异步电动机在不同频率下也能获得较硬的机械特性，但不能保证必要的调速精度。 而且，动态过程中无法维持必要的转速，因此动态性能也差。 只能在调速系统不要求静态、动态性能的情况下使用。 如果异步电动机能够像直流电动机那样通过控制电枢电流的方法来控制转矩的话，就能够得到与直流电动机相同的理想的静态、动态特性。 滑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，采用该控制方式的调速系统可获得与直流电动机恒磁通调速系统相似的性能。 调速系统的整体结构图如图2-2所示。图2-2调速系统的整体结构图如图2-2所示，系统主电路由二极管整流电路、SPWM逆变器、中间直流电路等构成，都是电压源型，在采用大容量C1滤波的同时，还兼具无功功率交换的重要作用。 为了在大容量接通电源开关后通电的瞬间不产生过大的充电电流，对整流器与平滑电容器之间的直流电路加入电抗，在刚接通电源后用L1限制充电电流，之后延迟一段时间，l失去电流限制作用，向电路正常供给电力。2.32部件的选择1. 8255份资料8255是可编程并行I/O接口芯片，包括3个8位并行I/O端口，3种操作方式能够通过程序改变功能，因此使用方便，通用性高，单片机与多个外围设备连接时的中间接口图2-3示出了8255的引脚图。 如图所示，8255有40个针脚，每个针脚的功能如下图2-3 8255针脚图2. ADC0809的资料ADC0809是逐次近似式8路模拟输入、8位数字输出的A/D转换器。 其引脚如图2-4所示。从针脚可知，ADC0809有28针脚，采用双插头串联显示封装图2-4 ADC0809针脚图三. 3. SA8282的资料SA8282是MITEL公司发售的用于产生和控制三相SPWM波的集成电路，与微处理器的接口很方便，在设定了与内置波形ROM相应的控制逻辑后，可以独立产生三相PWM波，仅在需要变更输出频率和振幅等时，才会产生麦克风微处理器能够在短时间内检测、保护和控制整个系统，以便对其进行控制。 基于SA8282和89C51的逆变器具有电路简单、功能齐全、性价比高、可靠性好等优点。图2-5 SA8282针脚排列图4. AT89C51的资料AT89C51是一种高性能的CMOS 8位微处理器，其具有4K字节闪烁可编程只读存储器(fpe mom-flashprogrammableanderassablereadonlymemory )，通常为单芯片映射AT89C2051是具有可编程的只读存储器的单片机，该只读存储器以2K字节闪烁。 单片机的可擦除只读存储器可重复100次。 该设备使用ATMEL高密度非易失性存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出引脚兼容。 由于在一个芯片中嵌入了多功能的8位CPU和闪存，ATMEL的AT89C51是高效的微控制器，AT89C2051是其紧凑版本。 AT89C51单片机为许多嵌入式控制系统提供了灵活、廉价的方案。 外形及销排列如图2-6所示图2-6 AT89C51针脚排列图2.33系统主电路的设计与参数计算1 .主电路结构系统主电路是正交-直流-交流电压型逆变器电路，其图2-7如下所示图2-7系统主电路图整流器采用三相桥控制不可控整流器，l、C1、C2构成滤波器电路，Rb吸收制动能量。 整