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湘潭大学 兴湘学院 毕业论文（设计）任务书 论文（设计）题目： 频调速多电机同步传动 控制 系统 学号： 2007964234 姓名： 刘伟 专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 李玉声 系主任： 一、主要内容及基本要求 用 列单片机最小系统，数字芯片 构成控制系统，产生 成对多台电机实行同步传动控制，要求既能统一控制，又能微调各台电机，使得各单机的特性基本一致。 要求完成主驱动电路和各个保护电路测速电路等的设计（硬件组成电路）。完成控 制程序流程的设计。 完成有关的英文文献翻译不少于三千英文单词，提交系统硬件电路，软件以及毕业设计说明书（一式两份）。 二、重点研究的问题 1. 频调速的实现（ 的产生） 2. 测速的实现 3. 速度闭环控 制 4. 单片机最小系统的组成 采用 8031 单片机构成的最小系统为主要控制器，全数字大规模集成电路 为 发生器，普通三相异步电机作为控制对象，软件程序用汇 编程序写出，要求给出内存分配表。 三、进度安排 序号 各阶段完成的内容 完成时间 1 文献检索，搜集资料 二月，三月 2 整体方案的构思 四月 3 硬件电路的设计 五月初至五月十号 4 软件编程 五月十号至五月二十号 5 编写设计任务书，准备答辩 五月二十号至六月初 四、应收集的资料及主要参考文献 1，张燕宾 频调速的应用技术 北京：机械工业出版社 2，陈国呈 频调速系统 北京：机械工业出版社 3，钱平 交直流调速控制系统 北京：高等教育出版社 4，葛玻 韩英等 一种通用型全数字化 频调速控制器的研制 机电国际市场 5，李智 曾洁 片机控制的交流电机调速控制系统 电子科技大学学报 6，文定都，单片机在 频调速中的开发与应用 急电产品开发与创新 7，胡社教 鲁昌华，用 8031 单片机和 成的变频调速系统，安徽工学学报 湘潭大学 兴湘学院 毕业设计说明书 题 目 ; 频调速多电机同步传动控制系统 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 2007964234 姓 名： 刘伟 指导教师： 李玉声 完成日期： 2011 - 1 - 频调速多电机同步传动系统控制系统 摘要 ： 本设计给出了一种用 来控制多台普通三相交流异步电机。该控制系统用 8031 单片机最小系统，以及 规模继承芯片来实现，产生的控制信号用来控制逆变元件的开关，从而产生可以调整的 成对多台电机实现同步传动的控制，它既可以统一控制，又能微调各个电机。该系统具有工作可靠，调节范围宽，控制精度高，同步效果好的特点，本文给出了它的硬件组成电路以及控制程序的流程软件设计。 关键词 ： 变频调速 控制多台电机 - 2 - WM a be to of CM WM to WM by is or in WM to be be or of is of - 3 - 目 录 第一章 内容概要 1 第一节 变频调速的基本知识 4 第二节 理 5 第三节 频调速主电路 6 1 变频器的分类 6 2 动电路 8 第 二 章 数字控制系统 10 第一节 电路功能 10 第二节 8031 单片机最小系统 14 1 8031 最小系统 14 2 8031 最小系统控制 片 16 第三节 测速电路 18 第四节 系统的工作过 程 21 第三章 系统的抗干扰及保护 23 第一节 系统的抗干扰 23 第二节 保护电路 24 第四章 软件的设计 26 第一节 程序流程图 26 第二节 地址空间分布表 31 程序清单 32 第五章 英文文献翻译 45 结束语 50 参考文献 51 附录：英文原文 52- 1 - 第一章 内容概要 在纺织工业中的印花，染色，纺织，整理联合机，通常采用多台直流电机或者交流电动机传动。 使用 交流电机控制系统 有许多优点， 其 不存在直流电机控制系统维护困难和难以实现高速驱动等缺点 。 其突出的特点是：电机制造成本低，结构简单，容易维护，可以实现高压大功率以及高速驱动，适宜在恶劣环境下工作，系统成本很低，并能获得和直流电动机控制系统相媲美或者是更好的控制性能。 新型电力电子器件和脉宽调治（ 制技术 的出现 ， 为提高交流调速的性能以及功能指标，缩小体积，提高竞争能力提供了有力的条件。 用数字控制系统来控制 ，是自动控制理论和计算机技术相结合的产物，通常具有精度高，速度快，存储容量大和有逻辑判断的功能，因此可以实现高级复杂的控制方法，获得快速精密的控制效果，其控制系统与以往的控制系统相比较有很多优点： 精心设计的微机控制系统能显著地降低控制器件的成本，同时还具有体积小，重量轻，能耗少等其他的优点。 得线路连接减少到最少，其平均无故障时间大大长于分立元件电路。同时，数字电路中不存在温飘的问题，可以保证运算的精度。 因此对于多台电动机同步传动的实现，采用单片机控制的 频调速系统。该系统采用 片机和专用 规模集成芯片 核心 ，通过该控制系统，产生 系统既能实现对单独一台电动机的控制，也能实现对多台电机的同步控制，使其特性一致。 采用单片机控制的 - 2 - 图 1电机同步传动示意图 1 2 3 4 5 6电路 7 8每一台电机处设置一个与转速成正比的脉冲发生器，输出频率分别为f1,由测速电路把对应的 f1, 的转速存入计算机。首先对主令机进行转速闭环控制。再对从动机进行调整。只要 n=在。那么就对从动机进行调整。当 n=0时系统同步运行。 联合机构有统一给定电位器给出信号。单个单元的给定分别由比率电位器设定，经 0809 由单片机控制。这样既能统一控制，又能微调各台单机，使得各单机特性基本一致，运行中的速度差异，由同步检测环节 进行调整。 变频调速系统一般由变频器，电动机，控制器组成，其结构框图如图 1 4 5 7 3 9 2 1 4 5 7 3 9 2 1 4 5 7 3 9 2 1 6 - 3 - 、 图 1统结构框图 通常由变频器主电路给异步电动机提供调压调频电源。由此电源输出的电压或电流以及频率由控制电路来给出。由速度检测器以及速度检测电路将速度反馈信号输入给运算电路。同时整个系统还应该包含保护电路，用来防止变频器主电路的过压过流，同时还应当保护异步电机的调速系统。 主电路 异步电机 速度检测器 工频电 源 驱动电路 运算电路 检测电路 保护电路 速度检测电路 （控制电路） 运转指令 - 4 - 第一节 变频调速的基本知识 机电传动速度连续控制是指在一定的控制下，工作机构能够实现任意连续的速度变化， 即无极调速。交流异步电机结构简单，价格低廉，运行可靠，在机电传动中得到了广泛的应用。异步电动机采用变频调速方法后，调速范围广，系统效率高。 在负载不变时，异步电动机器转速为 n=n(160f(1p 可见，异步电动机的调速方法有改变 f,p,（ 1） 基频（额定频率 下调速 在基频率以下调速时，需要调节电源电压，否则电动机将不能正常运行。原因是三相异步电机正常运行时，定子阻抗压降很小。当频率降低时，如果电压不变，将使磁通增大，电动机磁路饱和，励磁电流急剧增加，因此电动机将无法正常运行，为 了防止磁路饱和，就应当 U/f=常数 上式表明，在基频率以下变频率调速时，要实现恒磁通调速度，应使电压和频率按比例地配合调节。 （ 2） 基频（额定频率 上调速 在基频以上调速时，也按比例升高电压是很困难的。因此只好保持电压不变，这相当于支流电动机的弱磁调速。 把基频以下和基频以上两种情况结合起来， 可得知异步电机变频调速控制特性。如果电动机能在温升允许条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。所以在基频以下属于恒转矩调速，在基频以上属于恒功率调速。 变频器可以分为以下几种： （ 1）交 交电压型变频器 先把频率固定的交流电整流成直流电，再把支流电逆变成频率可调的三相交流电。其按中间滤波环节的储能元件不同，分有电压型和电流型两种。其在频率的调节范围，以及改善变频后电动机的特性等方面，都具有明显的优势。所以本设计采用这一种。 (2) 交 交 半周由正组成整流器供- 5 - 电，负半周由负组整流器供电。其主要优点是没有中间环节，故变换效率高，故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。 第二节 正弦波脉宽调制就是用一系列宽度可变的 矩形波脉冲来等效正弦波，等效果条件是对应时间间隔内两种波形所包含的面积相等。 如图 2=1所示： 图 1 把正弦电压的半波 一个等分点的中点与对应的矩形脉冲中点相重合，每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积与对应的矩形脉冲面积相等 。这样，在半波内， 距，不等宽的矩形脉冲串即逆变器输出波。我们用它加在异步电动机上代替传统的正弦电压波形，只要 样的代替引起的误差很小，而我们可以方便有效地控制输出波的矩形脉冲宽度和频率，也就是控制输出波的正弦基波电压的大小和频率，从而达到控制异步电动机的目的。 通过 调节方波高电平和低电平的时间比 调节输出电压，比如 一个 20%占空比- 6 - 波形 ,会有 20%的高电平时间和 80%的低电平时间，而一个 60%占空比的波形则具有 60%的高电平时间和 40%的低电平时间 ,占空比越大 ,高电平时间越长 ,则输出的脉冲 幅度越高 ,即电压越高 %,那么高电平时间为 0,则没有电压输出 00%,那么输出全部电压 . 所以通过调节占空比 ,可以实现调节输出电压的目的 ,而且输出电压可以无级连续调节 . 生成 的方法有很多种，大致可以分为两大类：一类是采用模拟电路产生，另一类是由数字电路产生，即由专用集成芯片来生成。本例就是选用 第三 节 1 变频器的分类 （ 1）交 交电压型变频器 先把频率固定的交流电整流成直流电，再把支流电逆变成频率可 调的三相交流电。其按中间滤波环节的储能元件不同，分有电压型和电流型两种。其在频率的调节范围，以及改善变频后电动机的特性等方面，都具有明显的优势。所以本设计采用这一种。 (2) 交 交 半周由正组成整流器供电，负半周由负组整流器供电。其主要优点是没有中间环节，故变换效率高，故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。 本设计采用交 交变频器的主电路，如图 2 - 7 - 图 1电压型变频器由晶闸管整流桥 流滤波电容以及晶闸管逆变桥 变桥 ,V,流桥将三相工频交流电变为直流电。而滤波电容用于减少支流电压脉冲量。 各个 部分说明如下： 1） 整流滤波部分 整流管 成三相桥整流桥，将电源的三相交流电全波整流成支流电。 如电源的线电压为 三相全波整流后平均直流电压 L 我国三相电源的线电压为 380V,故全波整流后的平均电压为 380V=513V 滤波电容 功能是 : (1) 滤平全波整流后的电压纹波 ; (2) 当负载变化时 , 使支流电压保持平稳。 由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容组串联而成，如图所示。因为电解电容器的电容量有较大的离散性，故两个电容的电容量常不能完全相等，这将使它们各自承受的电压不相等，故在两个电容旁边并联一个阻值相等的均压电 阻。 限流电阻 开关 当变频器刚合上电源的瞬间，滤波电容器的充电电流是很大的。过大的冲击电流将可能使二级管损坏；同时，也使电源电压瞬间下降- 8 - 而受到“污染”。为了减少冲击电流，在变频器刚接通电源的一段时间里，电路内串入限流电阻，其作用是将电容器的充电电流限制在允许的范围内。开关 充电到一定程度时，令开关接通，将 电源指示 了表示电源是否接通外，还有一个十分重要的功能，就是在变频器切断电源后，表示滤波电容器上的电荷已经释放完毕。由于 容量很大，而切断电源又必 须在逆变电路停止工作的状态下进行，其放电时间往往长达数分钟，又由于电容上的电压很高，如果不等其放电完，就会对人身安全产生威胁。故在维修的时候，必须等待灯完全熄灭为止，才能接触变频器内部的导电部分。 2） 直交变换部分。 逆变管 6 组成逆变桥，把整流所得到的直流电再逆变成频率可调的交流电。这是变频器实现变频的具体执行环节，应而是变频器的核心部分。本设计采用电力晶体管（ 续流二级管的主要功能有： （ 1） 电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分量， 道”。 （ 2） 当频率下降，电动机处于 再生制动 状态，再生电流将通过流返回给直流电路。 （ 3） 行逆变的基本工作过程是： 3） 能耗电路 制动电阻和制动单元 （ 1）制动电阻 R 电动机在工作频率下降过程中，将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到直流电路中，使直流电压不断上升，甚至可能达到危险的地步。因此，必须将再生到直流电路的能耗消耗掉，使电压保持在允许范围内变动。制动电阻 （ 2） 制动单元 制动单元是由 其驱动电路构成的， 其功能就是为放电 电流经 2 导通与关断是由基极驱动控制信号控制的，因此 基极驱动电路必须适应于 开关的速度受到导通时间以及判断时间的限制。因此，在设计驱动电路时， 各种参数全面考虑。 示： - 9 - 图 1如图 括电气隔离和晶体管放大电路两部分。其中二极管 电位补偿二极管 成所谓的贝克 箝位电路，也就是一种抗饱和电路，可使 负载较轻时，如果 发射极电流全部注人 V，会使 断时退饱和时间延长。有了贝克箝位电路之后，当 V 过饱和使得集电极电位低于基极电位时， 会自动导通，使多余的驱动电流流人集电极，维持 。这样，就使得 V 导通时始终处于临界饱和。图中，加速开通过程的电容。开通时， 路。这样可以实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通。 - 10 - 第 二 章 数字控制系统 第一节 本系统采用的是 发生器，其基本功能是提供三对互补的 之产生对称的三相输出。这是一块全数字式的大规模集成电路，其内部运行以及外部连接完全采用数字方式，输入逻辑各控制信号可以决定系统控制输出的启 /停，相序以及选择晶体管 /晶闸管模式等等，因此非常适用于微机系统。 （ 1） 电路功能与结构 门用来产生三相它的主要特点是： 1）能产生三对相位差 120 的互补 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 0100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。 它的驱动输出经隔离放大后，可驱动 交流变频调速中作控制器件。其引脚如图 3 - 11 - 图 2它有 12个逆变驱动端， 3个控制输出端 ， 7 个控制输入端， 4个电源端。具体见表 ： 引 脚 名 称 功 能 1 相换流开关信号 1 2 相主开关信号 2 3 相主开关信号 1 4 最高开关频率基准时钟 - 12 - 5 电机换相控制信号 6 推迟输出时钟 7 K 选择互锁推迟间隔 8 9 10 11 12 频率时钟 13 A 复位输入控制 14 接地端 15 B 测试电路用信号 16 C 测试电路用信号 17 电压时钟 18 电流采样脉冲 19 20 21 22 23 24 L 停止 /启动系统 25 I 选择晶体管 /晶闸 管模式 26 平均电压 27 28 工作电压 (10V) - 13 - 1）驱动信号输出 六 个 主 驱 动 输 出 形 成 三 个 互 补 的 脉 宽 调 试 驱 动 波 形 ：它们去驱动三相逆变桥产生的对成的三相输出。 2）控制输入 I： 电路的输出信号可以有两种输出形式，一种是晶体管逆变器，另外一种是晶闸管逆变器，由 本电路来说，采用大功率晶体管，所以在 。 K：在晶体管模式下，为了使同一相的上下主输出不同时接通，芯片使用一个互锁推迟间隔来隔开上下主输出的接通。这个输入控制 K 和时钟输入 保证有主够的时间换相。间隔时间的计算公式如下： 当 K=0时 。当 L 为低电平时，所有的输出全部封锁，以应变电路的突发情况。在本设计中，当电流过大的时 候封锁 除封锁。 个是相序输入控制端，可以用来控制电动机的转向，当其为高电平的时候相序为 电平的时候相序为 A B C：这三个输入是用于生产制造过程中做试验用。通常在工作期间三个端口接在 3）时钟输入 时钟控制频率的改变可以改变输出的 制波，以实现变频控制的目的。 （ 1） 率控制时钟：时钟输入 制逆变器输出频率 f,从而控制电动机的转速，时钟频率 3360f 2) 压控制时钟：由电机学原理可知，为使交流电动机有一组理想的机械特性，得到恒转矩调速的特性，必须在变频率的同时改变电压，使 U/电路能使输出电压自动地正比输出电压的幅度还可以由 钟输入- 14 - 频率控制，实现对输出电压的调节。当 致减少调制深度，从而减少了输出电压。当减少 有相反的作用。 若在 100%调制时的输出频率为 有 2 3360 00%调制时频率比关系式为： 于 调 制 是正弦的 ;高于 ,相电压波形逐渐向方波转变。 （ 3） 考时钟： 一个固定时钟，用来设定最大逆变开关频率 80f 样在应用系统中，一旦选定了最高逆变按频率，则 大多数情况下，为了节省与便利，可以使 （ 4） 出推迟时钟，它可以和输入控制信号 K 一起决定互锁推迟时间的长短。 4） 输出控制 （ 1） 波器同步信号）： 这是一个脉冲输出信号，频率等于 （ 2） 出电压模拟信号）：这是一个数字信号，它模拟逆变器输出的线电压平均值，其频率等于逆变器的输出频率 的控制。 （ 3） 变器开关输出 )：这是一个脉冲，频率二倍于逆变器的开关频率 f,也不受控于 L 的输入信号。 本系统是用单片机最小系统和比例乘器电路来对 的输入时钟脉冲加以控制，来生成系统需要的 第二节 8031单片机最小系统 本设计采用 8031 单片机最小系统来控制 1 8031 最小系统 由于 8031单片机没有存储空间，所以在本设计中要扩展程序存储器 2764和数据存储器 6264。又因为需要更多的接口所以用到了 8155芯片。 对于 需要考虑到存储器地址分配以及片选信号的问题。它们决定了存储器在内存空间中的位置。一般来说，地址译码有以下两种- 15 - 方法： 线选法 所谓线选法就是把单独的地址线作为片选信号接到存储器上，只要该信号为低电平，那么就可以选中相对应的存储芯片。这种方法的特点是连线简单，不需要专门设计逻辑电路，但芯片之间的地址不连续，存储空间没 有充分利用。此外，每个存储器芯片地址线未连的高位地址线根数。一般对最小系统，由于扩展的存储器芯片不多，因此这种选线法有实用价值。 地址译码法 地址译码法又有部分译码和全译码两种方式。 部分译码法是指未用高位的地址部分参加译码，其译码输出分别连接到不同的片选端。这种方法的特点类似于线选法，地址有重叠区，地址空间分散。全译码是指，除了存储器芯片所用地址线与 用的地址线全部参加译码，通过地址译码器产生存储器的片选信号。这种方法的特点是存储器地址没有重叠区域，存储单元地址 是唯一的。一般微型机都是采用这种地址译码方法。本设计也是采用这种地址译码方法。如图 3 图 2031单片机最小系统 A 0276407 /7/2/074770/口B 口C 口D+56 - 2 8031最小系统控制 由 8031 最小系统产生的信号输给 片的 4 个时钟输入端，从而控制 个时钟量输入说明如下： （ 1） 时钟 以下关系式决定： 3360f 交流电机的额定频率为 50此 50小值是由芯片的 。因而可以求出 068（ 2） 本系统要求在 要保持这个要求，应当使 6720 72050=336 由此来固定 能保证 能实现电机的恒转矩运转。但在低频区，电 机转子漏抗变小，这时与电机定子电阻的压降相比电阻压降将不可忽略。压降使磁通下将，转矩减小，因此需要加补偿以提高电压。故在低频的时候应当适当减少 样便可以使输出电压增大，达到补偿的目的。 （ 3） 在本系统中，设开关频率的最大值参考时钟 80 fs(280 而开关最小值在芯片内置为： 般来说，为了方便起见，令 4） 可 以和输入控制信号 K 一起决定互锁推迟时间的长短。在本例中，为了防止同一桥臂上下的两个开关在换相时产生直通现象，将 000000000000000000000000000 芯片的 K 端置“ 0”，则此时的互锁时间为8/8大于 换相时间。 8031最小系统与 采用 8253记时 /数芯片与 定其所要求的四个时钟频率。 8253芯片是一个可编程的时钟发生器，其内部有三个独立的 16 位记数器，每个记数器都是一个可置数减 1 记数器，记数频率可达 1 片 8253 芯片需要四个 I/O 口地址，对应 8253 内部的三个记数器和一个共用的控制寄存器。由 253 的工作方式，读 /写顺序，选择记数器和记数的码制。 在本设计中，设定其工作方式为 3，固定 8253 的输入脉冲频率，通过改变- 17 - 时间常数来改变输出频率。对输入脉冲进行分频。各通道的设定如下： 0#通道：作为 1#通道：作为 2#通道：作为 各通道的分频系数确如下： 设时钟信号为 2 对于 0#通道因 为 f=80其分频系数为： X=210 6/28010 3=7 对于 1#通道，高频时 16836其分频数为 X=210 6/33610 3=6 低频时： 故其分频数为 X=6/5 对于 2#通道 3360f 而 0336050=168故其分频数为： X=210 6/16810 3=12 以上的分频数由 8031单片机的 253中。 平滑调速的实现 由于量化控制频率变化，存在着分辨率的问题，如 变器的输出频率并不是均匀变化的，这样就不算是平滑调速。所以为了解决这个问题，本设计采用两片 图所示。 比例乘法器的数据输入端 A脉冲输出端，接到 8253 的 2#通道口的时钟端， 作为 入端控 制。数据输入端 AD 可以在 199 范围内变化。设置比例乘法器的输入时钟比例乘法器的数据输入端每变化一位，则 8253 的输出端 f=逆变器的输出频率变化为 360= 18 - 即当比例乘法器的输入数据在 199 之间变化时，逆变器的输出频率在50而实现平滑调速，满足设计所需。 如 图 3例乘 法器的级连 D/D/时钟信号图 2例乘 法器的级连 对 对于 片其它数字端的控制，采用 8031单片机最小系统的 来控制三相交流电压的相序，实现对电机正反转的控制。 端控制封锁驱动信号端。由于本设计采用的开关元件是晶体管，所以 第三 节 测速电路 速度闭环的控制 （ 1）电动机速度的测量 对电机速度的测量可以有两种方法， - 19 - 用测速发电机检测出与转速成正比的电压信号，再反馈给控制系统。其特点是测速发电机工作可靠，价格低廉，但存在两个很大的缺点，就是非线性以及死区问题，而且精度较差。 采用脉 冲编码器作为检测器件，与传动轴相连接，每当轴转过一周便发出一定数量的脉冲信号，微机通过记数器，可测得脉冲的频率或是周期，从而可以间接得到轴上的转速。由于脉冲编码器可以达到很高的精度，而且不受外部影响，所以可以用于高精度的控制。本设计采用这种方法。 采用脉冲编码器检测转速，通常有三种方法： 测频法。在一定的时间内，对脉冲编码器输出的脉冲计数，从而得到与转速成正比的脉冲数 m,此种方法用于高速系统的检测，因为速度越高，一定时间内产生的脉冲数就越多，因而检测系统的分辨率也就越高。 测周期法。通过测量 脉冲编码器发脉冲的周期来计算轴上的转速的方法。脉冲周期的测量的实现是借助某一时钟频率确定的时钟来间接获得。若时钟频率为 f，测得的时钟脉冲为 m，则转速为 n=60f/(r/法与测频率法相反，比较适合于较低转速的系统。 M/T 法：结合了 M 法和 T 法的各自的特点，由定时器确定采样周期 T，定时器的定时开始时刻总与脉冲编码器的第一个记数脉冲前沿保持一致，在 m,同时，另一个记数对标准的时钟脉冲进行记数，当 T 定时结束时，只停止对脉冲编码第一器的记数，而 T 结束后脉冲编码器输出的第 一个脉冲前沿时，才停止对标准时钟脉冲的记数，并得到记数值 持续时间 +T。 M/T 法是转速检测的较为理想的手段，可以在宽的转速范围内实现高精度的测量，但缺点是硬件和数据处理的软件相对复杂。 本设计就是采用了 M/T 法的原理。根据这个原理用单片机 8031 最小系统设计数字测速电路，由转速的公式可知，我们只要测得 以本设计用 8031 的定时 /记数器 记数 1来记数 8155 的定时 /记数器来定时 T,d。测速电路如图3 - 20 - 2 测速过程如下： （ 1） 开关 K 置 1，测速开始，这时 ， ,。 （ 2） 当单片机给 时 ,D=1,当 上升沿到来的时候， 变为 1。 打开 2,开始 1, 置位 示 就是说还没有到设定的时间， 不变， ， ，于是 D=0,在下一个 ，这也是 测速电路的实际时间为两者之和， 处理程序中，读取 m1,转换为转速存入单片机。 （ 4）记数器清零后，返回到（ 2）。 - 21 - 第四节 系统的工作过程 停止信号输入端，启动时发光二极管 ，正转时发光二极管亮。 启 /停开关置 1，则系统开始工作，这时单片机系统给 0809一个转换启动信号，开始将外界给的速度模拟量转换成数字量，在 在此时，测速部分也开始工作，在 测速电路的记数值读入，并转换成速度寸入内存，将实际值与设定值相比较，确定当前的速度控制量，也就是确定 8253 的分频系数，从而确定了 中 0口送入 8253的数据口，而 频数送入两个 例乘法器的数据输入端，在由 电平转换后送入到 4752 中，使之产生相对应的调制波，经过基极驱动电路放大后驱动开关元件。系统中有电压和电流保护电路，当系统由于某种原因发生故障的时候，可以有效地防止元件的损坏， 752的相序控制信号 来控制电动机的转向， 系统对多台电机的控制过程如下： 启 /停开关置 1 时，整个系统开始工作，主电路的 个电机的模拟量速度有比例电位器给定，经过 A/D 转换器 0809 的转换后，变为数字量。也是由于有各自的比例电位器，故各机可以微 调，也适合统一控制。系统检测到转换完的信号后就将速度的数字中断量在 断处理程序中将主，从电机的速度存入系统，另外测速部分开始工作，通过锁存器封锁其它的电机的主轴脉冲信号，先对主电机开始测速，以便实现主电机的闭环控制，在 断程序中将记数值读入并计算出速度，与给定的速度信号比较，确定当前的速度控制量，从而就能确定主机的 确定 中 分频数由 253 的数据口， 分频数由 送入 8253 中，在 8253 的 入给主机的 制主机的速度稳定后，开始测量从动机的速度，同理将分频系数确定后送入相应的芯片，控制从机的速度与主机的相等，即使n=0。这样可以并接入很多单元，很容易实现多台电机的同步，扩展 8155很容易实现，在印染界，纺丝界的电力拖动中经常用到。如图 3 - 22 - D/小系统输出&保护 1 1+5图 2- 23 - 第 三 章 系统的抗干扰 及保护 第一节 系统的抗干扰 工业环境中的干扰的来源一般是以脉冲形式进入单片机系统，主要是通过以下三条渠道： （ 1） 空间干扰，是由电 磁信号通过空间辐射进入系统。 （ 2） 过程通道干扰，干扰通过与系统相连的前向通道，后向通道及其它系统的相互通道进入。 （ 3） 供电系统干扰，电磁信号通过供电线路进入系统。 在一般情况下，单片机系统中后两种干扰远远大于空间干扰，因此，在单片机系统种，对于干扰的防止主要是从防止后两种情况入手。抗干扰的措施有硬件措施以及软件措施两种。硬件措施可以防止大部分干扰，但仍不免有一部分干扰信号进入系统，所以此时软件抗干扰就起到了重要的作用。由于软件抗干扰措施是以 分期代价的，如果没有硬件消除绝大多数干扰， 高负荷工作，无暇顾 及正常的工作，严重影响系统的工作效率和实用性。因此，一个成功的抗干扰系统是由硬件和软件两部分构成的。 抗干扰可以采用以下几种方法： （ 1） 光电隔离 在输入和输出通道上采用光电隔离器来进行有很大的好处，它将单片机系统与各种传感器从电气上隔离开来，很大一部分干扰将被阻挡，本系统中电机驱动电路采用了光电隔离器 有过流检测电路也采用了光电隔离，防止误动作。 （ 2） 过电压保护电路 在输入输出通道上应采用一过压保护电路，以防引入高电压，伤害单片机系统。过压保护点路由限流电阻和稳压管组成，限流电阻选择要适宜，太大会引起信号衰 减，太小起不到保护稳压管的作用。稳压管的选择也要适宜，其稳压值以略高于最高传送信号电压为宜，太低将对信号起限幅效果，使信号失真。所以本设计不采用这种方法。 （ 3） 抗干扰电源 单片机系统供电线路是干扰的主要来源，电源采用隔离变压器接入电网。可以防止电网的干扰侵入单片机系统。隔离变压器与普通变压器的不同之处在于它在初级和次级这间加了一层屏蔽层，并将它和铁芯一起接触。 （ 4） 配置去耦电容 原则上每个集成电路芯片上都应安置一个陶瓷电容器，可以消除大部分高频干扰。 （ 5） 接地 - 24 - 良好接地也是一种很好的防干扰措施，在实际应用中将不可忽视， 本系统既有模拟电路，又有数字电路，因此数字电路和模拟电路要分开，最后只在一点相连接，如果不是这样处理，则会互相干扰。 另外，在电路版 计上，要保证互不干涉的前提下，电阻以及电容的引线要尽可能的短，过孔的数量也要尽量的少，一般不多于 2个。整个系统抗外界的电磁干扰还可以用导磁性能较好的材料罩住主芯片，可以破坏外界的强磁干扰。系统使用的芯片除了关键的芯片外，应尽可能使用低速芯片。 由于该系统是变频系统，不可避免的会产生强磁场，为防止它对其他的电子器件造成干扰，可在工频电源的引入端加入一个零序电抗器，可有效 阻止该系统对外界的电磁干扰。 软件抗干扰的方法： （ 1） 输入信号抗干扰 混入测量数据中的干扰信号分周期性和非周期性两种。对于周期性干扰信号来说。在进行模数转换的时候，采用积分变换原理，就可以对其进行有效的抑制。非周期性的干扰信号往往是用数字滤波算法消除的，所谓数字滤波就是通过数学计算来消除干扰的方法。本设计采用其中的算术平均值法，对每个采样点采样 4次，染病后求它们的算术平均值作为采样的有效值。 （ 2） 输出信号抗干扰 测控系统的输出信息，既有数据信号也有控制信号。这些信号在受到干扰后，就会扰乱系统的正常工作。在软件上解决 这一问题的办法是数据和控制信号的重复输出，其输出方式有两种：一种是在数据或控制信号输出后，以最短的周期重复输出原来的信息。另一种是系统输出信息后， （ 3） 程序抗干扰 干扰信号除了能使输入输出数据误差加大，使输入输出状态发生错误造成局部控制失灵外，它还会干扰单片机内部程序使程序运行紊乱，造成系统无法工作，程序干扰技术就是在程序中采用一些措施，及时发现和拦截失控的程序，使程序尽可能无扰动的恢复正常工作，使系统的损失减到最小。本设计采用了指令昂余方法。 第二 节 保护电 路 此，对 保护就成了应用的难题， 保护一般是在驱动电路中实现对 自保护。其保护电路的形式依- 25 - 赖于逆变器是电压源供电还是电流源供电。电流源逆变器易于实现负载短路保护，如发生短路现象时，可将所有晶体管开通，以最大限度地发挥电流承受能力，并且把可控整流桥拉入逆变，使存储在电感中的能量逆变回电网；实现开路保护则很困难，必须设置电压钳位电路以限制 使尖峰电压值小于晶体管的击穿电压。电压型逆变器实现开路保护容易，实现短路保护难度大些，一 般是利用 障一旦检出，就迅速关断 件。 一般认为 a瞬态过压。由于感性负载或布线电感的影响， 态过压是 次击穿手主要原因，它的防护一般是给 一 络，消除峰值电压，改善 关工作条件。 b过流。流过 能会使电极引线过热而烧断，或使结温过高而损坏。检测过流信号是技术难点，检测到过流信号后，通常是关闭 用 自关断能力切断电路。 c退饱和。 电路中工作在准饱和状态，但也可因外部电路条件的变化，使它退出了饱和区，进入了放大区，使得集电极耗散功率增大。 - 26 - 第 四 章 软件的设计 第一节 程序流程图 根据以上的工作原理，本软件由一个主程序和两个中断程序组成。主程序流程图： - 27 - 8253 初始化 8155 初始化 向两个 8253 定时器输入分频数 1 初始化 记数单元清零，设置中断方式 , 读转向控制信息 转向控制信息 - 动 输入主机测速命令 调转速处理子程序 B 开始 - 28 - 减小至最小 A 调 W 转换成 成算 频程序 输出到主机 频数 输入从动机测速命令 调速度处理子程序及将 W 换成 频数子程序 输出到从动机 分频数 停机及 电机反转 减小至最小 新的转向信息到 止中断 开始 Y N N B - 29 - 断（入口 002H） 断（入口 0072H） 延迟 读取 数值 取 数值 入内 存 计算 W=入内存 1 记数单元清零 打开记数器封锁 门 返回 启动 0809 读取数据 存入内存 返回 转换结束 N Y - 30 - 转速处理子程序（ 入口 0319H） w= w