光纤球机系列-武汉宇恒光电通信设备有限责任公司

1、序号：编码：第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛设计说明书作品名称：基于arm的异步电动机智能无功节能控制器设计学校全称：盐城工学院申报者姓名（集体名称）： 周格伦 谢明 王云 沈佳佳 李春华类另!j：自然科学类学术论文n哲学社会科学类社会调查报告和学术论文科技发明制作a类科技发明制作b类1、绪论12、设计方案概述32.1总体设计32.2具休方案43、系统的硬件设计73.1 lm3s1138 主控系统73.2电圧转换电路83.3电流检测电路83.4和位检测电路93.5电容器组切投控制电路103.6键盘接口电路113.7显示接口电路113.8电源屯路124、系统的软件设计134.1主

2、程序134.2键盘中断处理程序144.3功率因数检测和无功功率补偿屮断处理程序145、测试结果及其分析165.1测试结果及其分析165.2不足与改进16基于arm的异步电动机智能无功节能控制器设计1、绪论随着世界经济的快速发展，石油、煤炭以及大然气等能源的消耗在急剧增加， 能源危机已成为全球面临的最人问题。坚决实行能源开发和节约并举，把节约放在 首位的方针己成为我国重要发展战略方针。开发节能降耗的新技术已成为重点科研 支持方向之一。在当今的电力系统屮，感应式异步电动机作为传统的主要负荷使电网产生大量 的感性无功电流。无功电流产生无功功率，给电网带来额外负担且影响供电质量。 因此，无功补偿就成为

3、保持屯网高质量运行的一种主要手段之一，也是当今电气化 自动化技术及屯力系统研究领域所面临发展的一个重大课题，正受到越來越多的关 注。三相界步电动机作为电能转化为机械能的主要设备，在各工矿企业中得到人量 应用，其用电量已占到全国发电总量的60%以上。为了提高电动机的工作安全性和 工作稳定性，在电动机的选型和使用上通常都会留有一定的功率裕量，这就使电动 机通常会工作在轻载的工作状态下，从而使得电网的供电功率因素大大降低。为了 敦促各企业提高用屯质量，电力供应部门也对各用电单位在功率因素上提出了要 求。因此，对三相异步电动机进行无功功率就地补偿就显得十分重要。对三相异步电动机进行无补偿具有以下目的和

4、意义：(1) 提高配电设备的供电能力，延长电气设备的使用寿命由p= s.cos可看出，当设备的视在功率s定时，如果功率因数cos提高， 有功功率p也随z增大，电气设备的有功机械出力也就提高了。(2) 降低电网中的功率损耗和电能损失由公式i=p/(u.cos)可知当有功功率p为定值时，负荷屯流i与cose成反比, 安装无功补偿装置后，功率因数提高，使线路中的电流减小，从而使功率损耗降低: p=i2r,降低电网中的功率损耗是安装无功补偿设备的主要目的。(3) 提高异步电动机工作电压及其质量在线路屮电压损失au的计算公式如下：au =pr + qxl式中au线路屮的电压损失p有功功率q无功功率ue额

5、定电压r线路总电阻xl线路感抗由上式可见，当线路屮的无功功率q减少以后，电压损失au也会减少。(4) 减少用户电费开支，降低生产成本，提高经济效益(5) 减小配屯设备设备容量，节省投资长期以，国内外学者针对无功补偿装置的设计和应用也进行了广泛的研究。早期的无功功率补偿装置主要为同步调相机和静电电容黠，而且，多为高压侧集中补 偿。同步调相机日前在现场仍有使用，但在技术上已显落后。静电电容器补偿可以 改善线路参数，减少线路感性无功功率，缺点是只能补偿固定无功，因此只能在一 定程度上补偿系统变化无功，改善电压质量。目前的无功补偿方式绝人多数都是用在供、配电部门，随着电力电子技术和微 控制器技术的发展

6、，采用嵌入式系统实现对各类设备的异步屯动机就地进行无功补 偿将具有更良好的技术效果并能够实现更多的节能效益。2、设计方案概述异步电动机动态无功功率补偿器具有以下功能：(1) 界步电动机工作电流测量；(2) 异步电动机工作电压与电流的和位差测屋；(3) 异步电动机工作时的功率因索的计算；(4) 异步电动机工作时的电容补偿电流计算；(5) 异步电动机工作时的补偿电容器组补偿级数计算；(6) 异步电动机工作时的补偿电容器组的动态补偿控制;(7) 界步电动机工作时的补偿后参数的动态显示；(8) 系统工作参数的设置。异步电动机动态无功功率补偿器应满足以下技术指标：(1) 动态响应时间：不大于100ms(

7、2) 补偿电流：不人于20a(3) 补偿电容器组切投级数：7级2.1总体设计根据异步电动机动态无功功率补偿器的功能要求，异步屯动机动态无功功率补 偿系统的幣体结构框图如图2-1所示。图2-1异步电动机动态无功功率补偿系统的结构框图异步电动机动态无功功率补偿器的主要功能模块为：屯压信号检测，屯流信号 检测，相位检测，电容器组补偿控制和键盘/显示接口。2.2具体方案1. 电压信号检测模块电压信号检测是为了实现电网供电电压信号的隔离和变换，电网电压信号的隔 离变换检测通常可采用以下方案实现:方案一：变压器隔离变换优点：电压波形无失真，可用于进行电网电压检测，输出电圧信号幅值可选择;缺点：体积较大，电

8、压信号有相位偏移，但偏移量不稳定。方案二：光电隔离器件隔离变换优点：电压输出波形为方波，抗干扰能力强，电路简单，体积小，变换后的电 压信号与原信号无相位偏移；缺点：电压波形完全失真，与原信号无比例关系，不能进行电压检测。考虑到屯压信号检测的目的是实现屯压与电流信号的相位差测量，对电压信号 的过零检测稳定性要求较高，而对波形无要求，因此，选用方案二进行电压信号检 测。2. 电流信号检测模块交流电流信号检测的常用方案有：方案一：串电阻取样法优点：电路简单，体积小，线性度好，不易受环境干扰，适用于低电压，小电 流检测；缺点：没有隔离，电气安全性差。方案二：电流互感器隔离检测法优点：电气安全性好，线性

9、度好，适用于高电压，大电流检测；缺点：体积大，易受环境干扰。由于负载为三和异步电动机，工作电压高，电流大。为了安全考虑，选用方案 二进行电流信号的检测。3. 相位检测模块相位检测可采用以下方案实现：方案一：宜接相位时间转换优点：精度高，速度快，软件编程简单；缺点：硬件电路结构复杂。方案二：间接采样计算法优点：硬件电路结构简单；缺点：对a/d转换器和单片机的计算能力要求较高，实现算法的软件编程复朵, 精度低，速度慢。综合分析以上方案，为了提高系统的测量精度和补偿速度选用方案一。4. 电容器组补偿控制模块投切开关是无功补偿装置中最容易损坏的关键元器件，冃前常用的投切开关方 案有：方案一：交流触器投

10、切控制优点：控制部分长期运行发热量小；缺点：投切速度慢，投切屮会产生浪涌电流和过电压，噪咅大，频繁投切容易 烧坏触头。方案二：晶闸管投切控制优点：投切速度快，投切中无浪涌电流，可实现频繁投切；缺点：长期运行发热量大。方案三：复合开关切投控制复合开关基木工作原理是将晶闸管与接触器并接，使复合开关在接通和断开的 瞬间具有晶闸管过零投切的优点，而在止常接通期间乂具有接触器无功耗的优点。考虑到动态无功功率补偿器在异步电动机负载变化时要求能够及时动态跟踪 并进行无功补偿的切投速度和频度，这里采用方案二。5. 键盘/显示接口由于系统需要16个按键，因此，键盘接口通常可采用以下方案实现：方案一：运用单片机的

11、一个八位i/o 口构成4x4键盘优点：键扫描程序编写简单；缺点：需要占用单片机的八个i/o引脚，键扫描和去抖动通常采用软件定时进 行，cpu的利用率低。方案二：采用专用键盘集成芯片设计键盘接口优点：与单片机的接口简单，占用单片机的i/o引脚资源较少，键扫描通常采 用在中断处理程序中进行，键处理及时，cpu的利用率高；缺点：芯片与单片机通常釆用串行通信方式进行，简直读取程序编写相对复杂。比较以上两个方案，选用方案二进行键盘接口设计。动态无功功率补偿器在正常工作时，需要显示电流值、功率因数值和投切补偿 电容器组的信息等信息；在调试状态时，需要显示需要显示电流值、功率因数值、 投切补偿电容器组和补偿

12、屯容器的容量等信息。为了满足大量信息的同时显示，显 示器采用128x64点阵lcdo3、系统的硬件设计系统主耍曲lm3s1138主控系统、电压转换电路、电流检测电路、相位监测电 路、电容器组切投控制电路、键盘接口、显示接口和屯源等模块组成。3.1 lm3s1138主控系统lm3s1138微控制器是luminary公司推出的基于结构简单、性能出众的arm cortex-m3处理器内核的32位微控制器。lm3s1138微控制器内部集成了丰富的资 源和功能部件：64kb的单周期flash程序存储器和16 kb单周期访问的sram数 据存储器，四个32位通用定时/计数器，两个同步串行接口，三个完全可编

13、程、带 16字节fifo的通用界步收发器，一个i2c模块、三个模拟比较器，一个8通道， 转换速率最高可达500khz的10位a/d转换器，三个16位pwm信号发生模块， 一个片内可编程调节的低压差稳压器。这些丰富的资源和功能部件使这款微控制器 构成的嵌入式应用系统具有很高的性价比和可靠性，且硬件结构简单。ohdgnd2-0 a.8 qq> qzo 9dqw <qzo <qq> 言<adco adc1 vdda gnda adc2adc3 ldovdd ondpdo pd1 pd2aj!rx pdmjltx vdd25gnd po3 po2 pg1aj2tx pgq

14、aj2r1 vdd ghd pc7c2- pc6jc2*c> pc5ci* pc4ccp50x0 mlolssivd mgls 酚 14 wooes cvd £052qzokoo au1lm3s!13tgqlqq>qzossutx*e3ssllrx4>e2 sslfsste! sshclieo i2cosda/w3 i2c03cupb2 ohd vdd ccp2m1 ccro/reo cmodo rst ohd vdd25pf1pf2pf3c0pf4gndvddvbatghd3xvb 一 xo so s axo qq>zoqe moqe00x0 ox oxit

15、titiohdohdohd图3-1 lm3s1138主控电路原理图lm3s1138主控系统由时钟电路、复位电路和jtag接口电路组成，主控电路 原理图如图3-1所示。时钟电路采用6mhz晶振，经片内集成的pll电路倍频成 200mhz后，再经可编程分频后可产生12.5-50mhz的系统时钟，lm3s1138的最 高工作时钟频率可达50mhzo3.2电压转换电路电压转换电路原理图如图3-2所示。电压转换电路由光电耦合器和过零比较器 组成。实验测试发现，采用隔离变压器进行电压信号转换会造成相位偏移且不稳定。 电压转换电路采用光屯隔离器构成，由于发光管发光具有一定的滞后特性，光电隔 离器构成的屯压转

16、换电路除了具有无相位偏移的特点外，还具有很高的过零点检测 的稳定性和可靠性。光电耦合器输出的对称波形经比较器u22a后转换成同相方波。图3-2电压转换电路原理图3.3电流检测电路图3-3电流信号检测整形电路原理图电流检测电路由两部分组成：电流信号检测整形和电流值检测屯路。电流信号检测整形电路原理图如图3-3所示，由低通滤波器和过零比较器组成。 电力系统中通常有电力电子开关和功率开关控制造成的突发脉冲、高次谐波和噪声 等因素的干扰，这些干扰频率通常高于工频，主要叠加在电流中。为了滤除或降低 干扰，在电流预处理电路屮设置由u204a构成的二阶butterworth低通滤波器，将 叠加在电流信号屮的

17、高频干扰信号滤除，然后，经比较器将交流电流信号转换成同 相方波。电流值检测电路原理图如图3-4所示，由肖特基二极管d203和电容c203构成 峰值检测电路，将电流互感器输出的电压信号转换成直流电压信号。由r212和r213 构成的分压器，经8选1模拟开关4051实现对不同衰减倍数的信号进行切换，切 换控制由lm3s1138的pa1控制，当pa1输出为0时，cd4051的输出x与x0相 连，信号值不衰减，当pa1输岀为1时，cd4051的输出x与xi相连，对信号值 进行衰减。r214和r215构成的分压电路使输入adc0端的电压信号小于adc0 的参考电压值，以保证a/d转换的结果不会超值。图3

18、-4电流值检测电路原理图3.4相位检测电路pa0u203ajpa2uooiuoo74ls08n图3-5相位检测电路原理图相位检测屯路原理图如图35所示，由与门屯路u203a构成，输入的电压方波 和电流方波经逻辑与运算后产生负脉冲宽度与相位差成正比的方波信号。电压方波 信号和相位差信号分别输送到lm3s的pao和pa2。将pa2配置成双边沿触发中断 方式，在中断处理程序中计算正脉冲宽度，以计算电压信号与电流信号的相位差。 并在下降沿屮断触发时判断pao上电压信号的电平，以确定电压信号与电流信号相 位差的正负。3.5电容器组切投控制电路r1b1图3-6电容器组切投控制电路原理图采用电容器组补偿切投

19、中的关键技术在于投切时机的把握，也就是保证电容器 组投切瞬间开关两端的电压为零。经实验证明，采用光电耦合过零触发双向晶闸管 驱动器moc3061控制双向晶闸管进行补偿电容器组投切，控制电路简单，工作稳 泄可靠，能够很好地解决这一问题。补偿电容器组投切控制电路原理图如图所示。 每组moc3061共有三片moc3061控制三个双向晶闸管控制一组补偿电容器向三 相界步电动机进行无功补偿。其中一组电容器组切投控制电路如图所示。3.6键盘接口电路5vu301<ebzzjrtcc vcc hc ohd s clk9o4cr0 sf/kri:;esdkr3sz/kr41st 09c1 0902 mo7

20、/kc7 m3mcci m0vkc5 w04ac4 di0j/kc3 mo2/kc2 dio1/kc1 dk>wc9 dm3hs8/kr5zlg72®ir。1 j002。3。4。5 |o06306108oiid图3-7键盘接口电路原理图键盘接口电路采用zlg7289设计。zlg7289是广州周立功单片机发展有限公 司自行设计的数码管显示驱动及键盘*描管理芯片，可直接驱动8位共阴式数码管, 同时还可以扫描管理多达64只按键。zlg7289b采用spi串行总线与微控制器接 口，仅占用少数几根i/o 口线。键盘接口电路原理图如图37所示。这里只用到十 六个按键中的十二个，用到的按键的

21、具体安排如图3-8所示。组key9key 10二组左key 13key 14三组ii返冋kcy3kcy4kcy7kcy8上key 11菜单key 15 下key 12 右key 16 确定图3-8键盘布局结构图3.7显乔接口电路显示信息有：功率因数值、电流值、已补偿的电容器组等信息，为了同时显示 这些信息，显示采用128x64点阵的lcd。为了简化硬件电路，lm3s1138与lcd z间采用串行通信，显示接口电路原理图如图39所示。-20图3-9显示接口电路原理图3.8电源电路系统需耍±5v、+12v和+3.3v pq组电压，考虑到+12v和+5v电源的工作电流 较大，故采用转换效率

22、较高dc-dc集成稳压电路lm2596-12和lm25965。+3.3v 采用低压差线性稳压集成电路sp1117-3.3, -5v采用通用的线性稳压集成电路 lm7805o系统电源电路原理图如图310所示。图3-10电源电路原理图4、系统的软件设计系统软件主要实现三相异步电动机工作时用电功率因数的口动和手动补偿。在 整个系统中用到了 lm3s1138的主要资源有：a/d转换、pa 口、pb 口和pf 口。 系统软件可划分为以下模块：主程序、键盘中断处理程序、功率因数检测和无功功 率补偿屮断处理模块。下面分别对这些功能模块的算法及软件设计进行详细介绍。 4.1主程序为了提高系统处理数据和控制的实

23、时性，系统主要功能在屮断程序屮完成，主 程序的功能是实现系统初始化、lcd显示系统启动信息和开启中断等功能。主程序 的流程图如图41所示。图4-1主程序流程图系统初始化屮，实现以卜功能：1. 系统时钟配置为20mhz；2. 将pa 口中pa0设置为输入模式、pa1设置为输出模式，pa2设置为双边 沿中断触发模式；3. 将pb 口中的pbo、pb1和pb2设置为输出模式，pb3设置为下降沿中断 触发模式；4. 将adc模块屮的adc0通道设置为125khz的采样频率，模拟量通过分 压后输入adc0；5. 对补偿屯容器组进行禁止补偿初始化控制；6. 对lcd显示器进行初始化控制；7. 开启系统总中

24、断。主程序的源程序见程序清单中的主程序部分。4.2键盘中断处理程序键盘中断处理程序用来实现对键盘有键按下时键值的读取。键盘接口占用的是 lm3s1138的pb 口资源,zlg7289的int引脚连接到pb3引脚。当有键按下时, zlg7289向微控制器发出中断请求，微控制器进入中断处理程序，中断处理流程图 如图42所示。键盘中断处理程序的源程序见程序清单中的键盘中断处理程序部分。图4-2键盘中断处理程序流程图4.3功率因数检测和无功功率补偿中断处理程序功率因数检测和无功功率补偿屮断处理程序是整个系统软件的核心，在其屮进 行功率因数计算、电流值采样计算、异步电动机当前工作状态判断、补偿方式选择 等工作。功率因数检测和无功功率补偿中断处理程序流程图如图43所示。在自动补偿状态f,微控制器根据当前界步电动机的工作电流和功率因数计算 计算屯容器补偿量，进行自动控制补偿，使整个系统对外的功率因数在不过补偿的 情况下达到最高：