嵌入式电机控制系统(硬件)

1、摘要随着我国工业的日益发展，电机在许多工矿、机械企业得到广泛的应用，本嵌入式电机控制系统是运用单片机控制的变频调速系统，控制对象主要是三相交流电动机，控制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。系统以AT89C52为控制核心，主要采用变频调速技术，结合所学的单片机技术，实现系统的功能要求。系统的总体结构主要由主回路，sa4828大规模集成spwm变频器电路，键盘显示电路，光电隔离电路，检测保护电路，驱动电路，串口通信电路。主要电路芯片由51系列单片机at89c52, Intel8279通用键盘/显示器，SPWM波产生电路SA4828芯片,以及驱动芯片IR2304等。由于设计

2、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，结构清晰，成本大大降低。关键词 AT89C51单片机；SA4828变频器；IR2304；整流器；三相异步电动机AbstractWith the increasing development of Chinas industry, the electrical in many mining, machinery enterprises have wide application, the embedded motor control system is to use the SCM Control Frequ

3、ency Control System, control is primarily aimed at three-phase AC motor, control thinking Use slip frequency control, by changing the speed control procedures to achieve the objective. AT89C52 for the control system to the core, mainly VVVF technology, integration of the microcontroller technology,

4、to achieve the function of the system requirements. The overall structure of the main system by the main circuit, sa4828 large-scale integrated circuit spwm converter, the keyboard show circuit, photoelectric circuit isolation, detection protection circuit, driving circuit, serial communication circ

5、uits. The main circuit chip from 51 MCU at89c52, Intel8279 universal keyboard / display, SPWM wave generated SA4828 circuit chips, and driver chips, and so on. As the design of electrical power do not, so do not use controlled rectifier circuits, capacitors filter; inverter with three-phase power in

6、verter transistor, a clear structure, the cost much lower.Key words ：AT89C51 SCM; SA4828 converter; IR2304; rectifier; three-phase asynchronous motor目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc199324743 摘要 PAGEREF _Toc199324743 h I HYPERLINK l _Toc199324744 Abstract PAGEREF _Toc199324744 h II HYPERLINK l _To

7、c199324745 第1章 绪 论 PAGEREF _Toc199324745 h 1 HYPERLINK l _Toc199324746 1.1课题来源 PAGEREF _Toc199324746 h 1 HYPERLINK l _Toc199324747 1.2嵌入式电机控制系统的概述 PAGEREF _Toc199324747 h 1 HYPERLINK l _Toc199324748 1.3本文完成的主要工作 PAGEREF _Toc199324748 h 4 HYPERLINK l _Toc199324749 第2章 嵌入式电机控制系统设计方案设计 PAGEREF _Toc1993

8、24749 h 5 HYPERLINK l _Toc199324750 2.1嵌入式电机调速系统 PAGEREF _Toc199324750 h 5 HYPERLINK l _Toc199324751 嵌入式电机控制方式的选择 PAGEREF _Toc199324751 h 5 HYPERLINK l _Toc199324752 2.1.2 调节器的选择 PAGEREF _Toc199324752 h 7 HYPERLINK l _Toc199324753 嵌入式电机控制系统启动方法的选择 PAGEREF _Toc199324753 h 8 HYPERLINK l _Toc199324754

9、嵌入式电机控制系统制动方法的选择 PAGEREF _Toc199324754 h 9 HYPERLINK l _Toc199324755 2.2键盘显示部分 PAGEREF _Toc199324755 h 9 HYPERLINK l _Toc199324756 2.3电压电流检测与保护部分 PAGEREF _Toc199324756 h 9 HYPERLINK l _Toc199324757 2.4通信部分 PAGEREF _Toc199324757 h 10 HYPERLINK l _Toc199324758 2.5转速测量部分 PAGEREF _Toc199324758 h 10 HYPE

10、RLINK l _Toc199324759 2.6嵌入式电机控制系统的总体方案确定 PAGEREF _Toc199324759 h 10 HYPERLINK l _Toc199324760 第3章嵌入式电机控制系统硬件电路设计 PAGEREF _Toc199324760 h 11 HYPERLINK l _Toc199324761 3.1系统硬件电路总框图及原理图 PAGEREF _Toc199324761 h 11 HYPERLINK l _Toc199324762 3.2系统主要原器件简介 PAGEREF _Toc199324762 h 12 HYPERLINK l _Toc1993247

11、63 单片机AT89C52简介 PAGEREF _Toc199324763 h 12 HYPERLINK l _Toc199324764 变频器Sa4828简介 PAGEREF _Toc199324764 h 12 HYPERLINK l _Toc199324765 键盘显示芯片INTEL8279简介 PAGEREF _Toc199324765 h 14 HYPERLINK l _Toc199324766 3.2.4 IR2304半桥驱动集成电路 PAGEREF _Toc199324766 h 16 HYPERLINK l _Toc199324767 串口通信Max232芯片简介 PAGERE

12、F _Toc199324767 h 17 HYPERLINK l _Toc199324768 3.3系统主回路的设计及参数计算 PAGEREF _Toc199324768 h 19 HYPERLINK l _Toc199324769 3.4 嵌入式控制系统单元模块的设计 PAGEREF _Toc199324769 h 22 HYPERLINK l _Toc199324770 3.4.1 SPWM控制信号的产生及变频器的设置 PAGEREF _Toc199324770 h 22 HYPERLINK l _Toc199324771 3.4.2 键盘显示模块设计 PAGEREF _Toc199324

13、771 h 24 HYPERLINK l _Toc199324772 单片机串口模块设计 PAGEREF _Toc199324772 h 25 HYPERLINK l _Toc199324773 3.4.4 速度检测电路设计 PAGEREF _Toc199324773 h 26 HYPERLINK l _Toc199324774 光电隔离及驱动电路设计 PAGEREF _Toc199324774 h 26 HYPERLINK l _Toc199324775 故障检测及保护电路设计 PAGEREF _Toc199324775 h 28 HYPERLINK l _Toc199324776 第四章

14、系统软件的设计 PAGEREF _Toc199324776 h 29 HYPERLINK l _Toc199324777 4.1程序框图及其介绍 PAGEREF _Toc199324777 h 29 HYPERLINK l _Toc199324778 主程序 PAGEREF _Toc199324778 h 29 HYPERLINK l _Toc199324779 故障检测处理程序 PAGEREF _Toc199324779 h 29 HYPERLINK l _Toc199324780 键盘处理程序如下图： PAGEREF _Toc199324780 h 30 HYPERLINK l _Toc1

15、99324781 4.1.4 转速调节 PAGEREF _Toc199324781 h 31 HYPERLINK l _Toc199324782 下位机接收数据流程图 PAGEREF _Toc199324782 h 31 HYPERLINK l _Toc199324783 下位机发送数据程序流程图 PAGEREF _Toc199324783 h 32 HYPERLINK l _Toc199324784 PI调节器程序框图如下图22所示 PAGEREF _Toc199324784 h 32 HYPERLINK l _Toc199324785 4.2部分子程序 PAGEREF _Toc199324

16、785 h 34 HYPERLINK l _Toc199324786 4.2.1 SA4828初始化子程序 PAGEREF _Toc199324786 h 34 HYPERLINK l _Toc199324787 4.2.2 调速子程序 PAGEREF _Toc199324787 h 34 HYPERLINK l _Toc199324788 结束语 PAGEREF _Toc199324788 h 36 HYPERLINK l _Toc199324789 参考文献 PAGEREF _Toc199324789 h 37第1章 绪 论1.1课题来源随着我国工业的日益发展，电机在许多工矿、机械等企业得

17、到广泛的应用，其可分为：直流电动机、伺服电动机，步进电动机，交流电动机等。首先是直流电动机，它的优点主要在于调速范围广，静差小，稳定性能好以及具有良好的动态性能。尽管如此，直流调速系统却解决不了直流电动机本身的换向问题和在恶劣环境下的不适应问题，同时制造大容量，高转速以及高电压直流电动机也十分困难，这就限制了直流传动系统的进一步发展。伺服电动机和步进电动机出现的较晚，一般运用于特别精确的自动控制系统中。交流电动机在1885年出现，交流电动机因其结构简单，运行可靠，价格低廉，维修方便，故而应用面很广，几乎所有的调速传动都采用交流电动机，特别是三相交流电动机，使用范围更加广泛。但随着经济的发展，现

18、代的工况企业都要求电机的容量大，调速范围宽，启动快速频繁，效率高。而且要求自动化控制水平高，可视化好的要求，传统的电机控制已经满足不了现代工业的发展要求，虽有专业的可编程器件，但它的成本太高，而且专业性比较强，不容易扩展，有逐渐被嵌入式系统代替的趋势，故本设计采用单片机及外围器件构成嵌入式电机控制系统，具有调速范围，可视化强，基本上达到了现代工业生产上的需要，大大提高了生产效率，成本大大降低。1.2嵌入式电机控制系统的概述嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备

19、、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件和IO端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。嵌入式系统的特点与定义不同，它是由定义中的三个基本要素衍生出来的。不同的嵌入式系统其特点会有所差异。与“嵌入性”的相关特点：由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的环境要求，如物理环境（小型）、电气/气氛环境

20、（可靠）、成本（价廉）等要求。与“专用性”的相关特点：软、硬件的裁剪性；满足对象要求的最小软、硬件配置等。与“计算机系统”的相关特点：嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路。另外，嵌入式设备与嵌入式系统不同，不要与之相混淆。嵌入式设备是指内部有嵌入式系统的产品、设备，例如，内含单片机的家用电器、仪器仪表、工控单元、机器人、手机、PDA等。嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，然而，微型计算机的体积、价位、可靠性都无法满足广大对象系统的嵌入式应用要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路。这条道路就是芯片化道路。将计算

21、机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。在探索单片机的发展道路时，有过两种模式，即“模式”与“创新模式”。“模式”本质上是通用计算机直接芯片化的模式，它将通用计算机系统中的基本单元进行裁剪后，集成在一个芯片上，构成单片微型计算机；“创新模式”则完全按嵌入式应用要求设计全新的，满足嵌入式应用要求的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式、管理模式等。Intel公司的MCS-48、MCS-51就是按照创新模式发展起来的单片形态的嵌入式系统（单片微型计算机）。MCS-51是在MCS-48探索基础上，进行全面完善的嵌入式系统。历史证明，“创新模式”是嵌入式系统独立发展的正确道路，MC

22、S-51的体系结构也因此成为单片嵌入式系统的典型结构体系。单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此

23、，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片

24、机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。嵌入式系统（单片机）取代模拟电路作为电动机的控制器，具有如下特点：（1）使电路更简单 模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路更复杂，采用微处理器后，绝大多数控制逻辑可通过软件来实现。（2）可以实现较为复杂的控制 微处理器具有更强的逻辑功能，运算速度快，精度高，有大容量的存储单元。因此，有能力实现复杂的控制。（3）灵活性和适应性 微处理器的控制方式是有软件来实现的，如果需要修改控制规律，一般不必改变系统的硬件电路，只须修改程序即可，在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便。 ( 4 ) 无零点漂移，控制精度高

25、数字控制不会出现模拟电路中经常遇见的零点漂移问题，无论被控量是大还是小，都可以保证足够的控制精度。（5）可以提供人机界面，多机连网工作。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。1.3本文完成的主要工作本文的嵌入式电机控制系统设计主要采用单片机控制变频器来实现其变频调速，通过单

26、片机外围芯片来实现对主电路进行键盘显示，检测、保护，通信等功能，其完成的主要工作有：(1)电机控制方案的选择(2)硬件电路的设计(3)主电路参数的计算(4)元器件的选择(5)键盘显示的设计(6)电压电流的检测和保护电路的设计(7)部分软件程序的设计第2章 嵌入式电机控制系统设计方案设计2.1嵌入式电机调速系统嵌入式电机控制方式的选择嵌入式电机控制的转速控制由异步电动机的转速表达式 ：由上式可知电机控制的转速控制有三种方法：改变转差率调速，改变频率调速，改变极对数调速。本次设采用的是改变频率调速方法，即变频调速，当极对P不变时，均匀的改变定子供电的频率f，则可以连续的改变异步电动机的同步转速n0

27、。达到平滑调节电动机实际运行转速n的目的。这种调速方法称为变频调速。变频调速具有很好的调速性能，应用相当广泛，是交流调速的主流。其又可分为以下2种：转速开环恒压频比控制和转差频率闭环控制。在本次设计中所用到的控制方式是用转差频率闭环控制，转速开环恒压频比调速系统虽然结构简单，异步电动机在不同的频率下都能够获得较硬的机械特性曲线，但是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要的转距，动态性能也很差，它只能用于对调速系统的动静态性能要求都不高的场合。如果异步电动机能像直流电动机一样，用控制电枢电流的方法来控制转距，那么就能够得到和支流电动机一样的动静态性能。转差频率控制的基本概念，

28、由式可以得出异步电动机的机械特性方程式：令式中 ，它是转差频率。又由式 即： 所以： 式中 由于异步电动机机械特性曲线上有一最大值，当转差频率小于临界转差频率（对应于电磁转距最大的转差率）时，电动机运行在稳定工作区，电动机的电流比较小；当转差率大于临界转差率时，电动机进入不稳定工作区，电动机的电流增大，转距减小。所以在调速过程中要使电动机的转差频率小于临界转差率。也就是说，异步电动机稳定工作时的转差率很小，从而 也很小，可以认为 ， ，所以可近似写成。此式表明，在转差频率很小的范围内，只要能够保持气隙磁通 不变，异步电动机的转距就近似与转差频率成正比，这就是说，在异步电动机中控制，就能和直流电

29、动机中控制电流一样，能够达到控制转距的目的。控制转差频率就代表了控制转距，这就是转差频率控制的基本原理。转差频率控制的变频调速系统实现上述转差频率控制的转速闭环变频调速结构原理图如图1所示:图1系统控制结构图可以看出该系统具有以下特点：（1）采用电流源变频器，使控制对象具有较好的动态响应，而且便于回馈制动，这是提高系统动态性能的基础。（2）和直流电动机双闭环调速系统一样，外环是转速环，内环是电流环，转速调节器的输出是转差频率给定值，代表转距给定。（3）转差频率的控制作用分两路，分别作用在可控整流器和逆变器上。前者通过函数发生器，按的大小产生相应的信号，再通过电流调节器控制定子电流，以保持恒定，

30、另一路按产生对于于定子频率的控制电压，决定逆变器的输出频率。（4）转速给定信号，都反向，相序鉴别器判断的极性以决定环形分配器的输出相序，而信号本身则经过绝对值变换器决定输出频率的大小，这样就很方便的实现了异步电动机的可逆运行。综上所述，本设计采用转差频率控制的控制方法，可以实现较好的效果，是一种解决异步电动机电磁转距控制问题的方法，可以获得与直流电动机恒磁通调速相似的性能。 调节器的选择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： 因，所以与之和反映了频率，即为频率指令信号。控制结构框图和控制曲线如图2所示。- UnA为死区，它是为了避免因量化误差，舍入误差引起系统

31、运行不平衡而引起的。 ()为线性调节区，当Un（K） 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，提高系统的稳定性。决定系统的积分系数（）,它由电位器给定，通过A/D转换器转换后输入。当确定后，通过调节电位器，就能改变积分系数，整定方便。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，、通过实验确定。a) 控制结构框图 b） 控制曲线图2控制结构框图和曲线图嵌入式电机控制系统启动方法的选择三相异步电动机的启动有两种方式，即直接启动，（或全压启动）和降压启动，直接启动是一种简单、可靠、经济的启动方法，但由于直接启动时，电动机的启动电流为额

32、定电流的47倍，过大的启动电流一方面会造成电网电压的显著下降，直接影响在同一电网工作的其他电动机，及用电设备的正常运行，另一方面电动机频繁启动会严重发热，加速线圈老化，缩短电动机的寿命，所以直接启动时电动机的容量受到一定的限制，仅适用于10kw一下或满足全压启动经验公式的电动机，其中异步电动机的启动又分为以下四种：定子绕子中出电阻降压启动、Y-降压起动、自耦变压器降压启动，延边三角形降压启动。自耦变压器降压启动的启动电流为直接启动时1/K2倍。因电压降低了1/K倍，转矩降为1/K2倍。设备体积大，投资较贵，星三角（Y ）降压启动的启动电流为直接采用全压启动电流的1/3启动电流受到限制，启动转矩

33、与电压的平方成正比，启动转矩也只有接法直接启动时1/3，只适用于空载或轻载启动。延边三角形降压启动的启动转矩也只有全压启动时1/3，且绕组结构较复杂，应用受限制。采用在启动时给定子电路中串联降压电阻的办法来启动电动机启动设备较多，一部分能量消耗在启动电阻且启动级数较少。本次设计运用变频调速方法，可采用变频降压的方法降低启动电压，当电动机达到额定转速时在全压运行，不用在添加辅助设备，经济、简单。嵌入式电机控制系统制动方法的选择制动的方法一般有两类：机械制动和电气制动。机械制动常用的方法：电磁抱闸制动，但电磁抱闸体积较大，制动器磨损严重，快速制动时会产生振动一般用在起重设备。电气制动主要有 HYP

34、ERLINK /wuli/1-3-zd1.htm l 能耗制动#能耗制动 能耗制动、 HYPERLINK /wuli/1-3-zd1.htm l 反接制动#反接制动 反接制动、 HYPERLINK /wuli/1-3-zd1.htm l 回馈制动#回馈制动 回馈制动、 HYPERLINK /wuli/1-3-zd1.htm l 电容制动#电容制动 电容制动等。反接制动的制动准确性差，制动过程冲击力强烈，易损坏传动器件，制动能量损耗大不宜频繁启动。回馈制动由于电路复杂应用范围不广。电容制动对高速、低速运转的电动机均能迅速制动，能量损耗小设备简单，一般用语10KW以下的小容量电动机，可适用于制动频

35、繁的场合。能耗制动制动力强、制动平稳、无大的冲击；应用能耗制动能使生产机械准确停车，被广泛用于矿井提升和起重机运输等生产机械。本次设计采用能耗制动方法，制动准确、平稳，且能量消耗小，控制电路比较简单。2.2键盘显示部分本设计主要涉及嵌入式电机启动、停止，正转反转，上下调速，及速度开机设定等功能，所以本设计共设2*8=16个键盘加上一个复位键盘共17个键盘。显示方法有led显示和lcd显示，其中led显示简单价格低廉名具有很高的性价比，所以本设计采用led显示满足设计要求。2.3电压电流检测与保护部分本电路涉及的电流电压比较大，特别是开机冲击电压电流特别大，另外功率管、三相交流电动机的价格比较贵

36、重，为了系统及电动机的安全有必要设计电路电压电流的检测与保护。其中电压电流的检测有多种方法，如：采用电压电流传感器、电压电流互感器和电阻分压测电压、串电阻测电流的方法等。本设计采用电阻分压测电压、串电阻测电流及光电耦合的方法，把过电压过电流信号通过光耦隔离输入到单片机，经单片机处理来控制输出电压的高低，从而起到保护的作用，而采样点的设置则选择在直流部分，如果在三相整流的输入端和三相电动机的输入端则应采用电压电流传感器或电压电流互感器来测量，这样的话成本就会增加，特别是电压电流互感器，造价就会更高，所以本次设计检测点设在直流部分，这样的话电路设计就会简单的多了。另外对与开机冲击电流本次设计采用前

37、端设置一个电抗器，以减缓开机冲击电流对逆变电路所造成的损害。2.4通信部分本次设计的通信技术主要是单片机与上位单片机或pc机的通信，从而能够实现联机控制或集散控制的功能，而且能够用pc机通过网络进行网络控制。通信部分主要采用单片机串口通信技术，此种技术运用比较广泛，技术比较成熟，运用的比较多。2.5转速测量部分在电动机转速测量方面有很多方法，主要有用速度传感器测速，转速发电机测速，光电编码盘测速等，本次设计所采用的方法与光电编码盘有相似之处，是用一对对管，即一个发光二极管和一个光电三极管来测速。在电动机的一侧弄一个挡板，钻若干小孔，发光二极管发射的光被没有孔的地方遮挡时，光敏三极管不能导通，光

38、敏三极管的集电极输出为高电平，在有小孔的地方，发光二极管发射的光就会透过小孔照射到光敏三极管上，使光敏三极管导通，此时光敏三极管的集电极输出为低电平。然后经电平转换后，把这些高低电平的脉冲信号送入单片机处理转换为电动机的转速。与前几种方法相比这种方法具有造价低，简单易行，测量的精度在于挡板上的钻孔的多少，即采样频率的大小。2.6嵌入式电机控制系统的总体方案确定综上所述，本系统运用单片机控制专用变频器，采用转差频率控制的思想，增加了键盘显示使具有灵活性、可操作性和可视性；电压电流的检测和保护提高了其安全性和可靠性；串口通信增加了系统的延展性；转速测量反馈提高了系统的精度等。启动采用变频降压的方法

39、降低启动电压，当电动机达到饿定转速时在全压运行，不用在添加辅助设备，经济、简单。制动时采用能耗制动，制动准确、平稳，且能量消耗小，控制电路比较简单。本系统不仅减少了系统电路的复杂性，使软件编程简单化，而且系统更加稳定，调节更加简单方便。 本次设计针对一台三相异步电动机系统进行设计，三相异步电动机的参数：，转动惯量 J=003，接法，。 第3章嵌入式电机控制系统硬件电路设计3.1系统硬件电路总框图及原理图本次设计的的硬件电路总框图如下图3所示：图3 硬件电路总框图通过图3系统框图可以看出主电路采用交直交的逆变方法先通过三相不可控整流桥把三相交流电整流为直流电然后通过三相逆变电路转变为交流电来控制

40、三相交流电动机，而三相逆变器是由单片机AT89SC52控制变频器SA4828，然后由逆变器产生SPWM波形经驱动电路驱动后控制主电路的三相逆变电路。本次设计采用控制转差频率的方法来控制变频器的，所以设计了三相交流电机速度检测电路，测量出来脉冲信号送入单片机处理，经计算处理后来控制变频器输出的SPWM波。本次设计的保护电路主要是从直流部分检测的，当过电压过电流时，检测电路把检测结果处理后一方面把信号输入单片机处理，一方面输入到SA4828中封锁SPWM波的输出。，从而起到保护作用。键盘显示部分运用了8279芯片，这样系统电路大大的简化了，而且软件编程也轻松了许多。左下角为串口通信功能，运用MAX

41、232串口芯片的电平转换功能与上位机和单片机相连，从而达到通信的目的。3.2系统主要原器件简介单片机AT89C52简介当今单片机厂商琳琅满目，产品性能各异。常用的单片机有很多种：Intel8051系列、Motorola和M68HC系列、Atmel的AT89系列、台湾Winbond(华邦)W78系列、荷兰Pilips的PCF80C51系列、Microchip公司的PIC系列、Zilog的Z86系列、Atmel的AT90S系列、韩国三星公司的KS57C系列4位单片机、台湾义隆的EM-78系列等。我们最终选用了ATMEL公司的AT89C52单片机。AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性

42、能CMOS8位单片机，片内含8Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），不必在扩展其存储器。本器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，功能强大，AT89C52单片机适用于许多较为复杂控制应用场合，在本次设计中足以能够满足要求，所以本次设计单片机选用AT89C52。变频器Sa4828简介（1）SA4828的性能特点SA4828是英国MITEL公司研制出的一种专门用于三相SPWM信号发生和控制的集成电路芯片。它采用28

43、引脚，分DIP和SOIC两种封装。它可以和大部分的单片机连接，也可以单独使用。芯片的主要特性是：全数字控制；兼容Intel和Motorola系列的单片机；载波频率最高可达24kHz；输出调制波频率范围为04kHz；将调制波频率的分辨率提高到16位；8位调压分辨率；内部ROM固化3种可选波形；可设定死区时间和删除最小脉宽；可实现正反转控制；由于采用了可由用户选择的三相幅值独立控制方式，因而可以单独设定各相的输出电压幅值以适应不平衡负载；有看门狗定时器。（2）SA4828的引脚功能SA4828的引脚如图4所示，大体可以分为三类信号：与单片机的接口信号ADOAD7 、WR、RD、ALE可直接与地址/

44、数据复用的单片机相连。此时，总线选择信号MUX接+5V，地址/数据引脚RS不用图4 SA4828的引脚图输入信号CS 片选信号CLK 时钟信号，最高频率为24.576MHzRESET 复位信号，禁止输出SET TRIP 关断信号，高电平时可快速关断全部SPWM信号RT、YT、BY 控制三相逆变桥的三个上桥臂的开关管RB、YB、BB 控制三相逆变桥的三个下桥臂的开关管它们是标准的TTL信号，有12mA的驱动能力，可直接驱动光耦。ZPPR 输出调制波的频率WSS 输出采样波形TRIP 封锁状态，SET TRIP有效时，该引脚为低电平表明输出已被封锁，可接LED指示灯。（3）SA4828芯片的控制方

45、法对SA4828的控制是通过微处理器接口将数据送入芯片和两个寄存器（初始化寄存器和控制寄存器）来实现的。初始化寄存器用于设定与逆变器有关的一些基本参数，这些参数在PWM输出端允许输出前初始化，逆变器工作以后不允许改变。控制寄存器在工作过程中控制输出脉宽调制波的状态，从而进一步控制逆变器的运行状态。通常在工作该寄存器内容常被改写以实现实时控制。参数是通过8个暂存器R0、R2、R3、R4R、5R、R14、R15来传送的，初始化参数先被写入R0、R2R5，然后通过对R14的写操作将参数送入初始化寄存器，最后再将控制参数写入R0、R1R5，并通过对R15的写操作将参数送入控制寄存器。键盘显示芯片INT

46、EL8279简介INTEL 8279是一种可编程键盘/显示器接口芯片，它含有键盘输入和显示器输出两种功能。键盘输入时，它提供自动扫描，能与按键或传感器组成的矩阵相连，接收输入信息，它能自动消除开关抖动并能对多键同时按下提供保护。显示输出时，它有一个168位显示RAM，其内容通过自动扫描，可由8或16 位LED数码管显示。 18279的引脚和功能8279采用40引脚双列直插封装，其引脚排列及功能分别如下图所示：图5 8279的引脚图其引脚功能如下： D0D7：数据总线，双向三态总线。CLK：系统时钟输入端。RESET：系统复位输入端，高电平有效，复位状态为：16个字符显示；编码扫描键盘双键锁定；

47、程序时钟编程为31。：片选输入端，低电平有效。A0：数据选择输入端，A0=1时，CPU写入数据为命令字，读出状态字为状态字；A0=0时，CPU读、写均为数据。、：读、写信号输入端，低电平有效。IRQ:为中断请求输出线。高电平有效。 在键盘工作方式下，当FIFO/传感器RAM 中有数据时，此中断线变高电平。在FIFO/传感器RAM 每次读出时，中断线就下降为低电平，若在RAM 中还有信息，则此线又重新变为高电平。在传感器工作方式中，每当传感器信号变化时，中断线就变为高电平。SL0SL3：扫描输出端，用于扫描键盘和显示器。可编程设定为编码（4中选1）或译码输出（16选1）。RL0RL7：回复线，它

48、们是键盘或传感器的列信号输入端。SHIFT：移位信号输入端，高电平有效。它是8279键盘数据的次高位（D6），通常用作键盘上、下档功能键。在传感器和选通方式中，SHIFT无效。CNTL/STB：控制/选通输入端，高电平有效。在键盘工作方式时，它是键盘数据的最高位，通常用作控制键。在选通输入方式时，它的上升沿可把来自RL0RL7的数据存入FIFO/传感器RAM中。在传感器方式时，它无效。OUTA0OUTA3：A组显示信号输出端。OUTB0OUTB3：B组显示信号输出端。：显示熄灭输出端，低电平有效。它在数字切换显示或使用熄灭命令时关显示。28279的工作方式 8279工作方式的确定是通过CPU对

49、8279送入命令字实现，当数据选择端A0置“1”时，CPU对8279写入的数据为命令字，读出的数据为状态字。在叙述命令字、状态字前须先说明8279的3种工作方式:键盘的工作方式、显示器工作方式、传感器矩阵方式。38279的命令字8279共有8条命令，如下所述：1）键盘/显示方式设置命令字2）时钟编程命令3）读FIFO/传感器RAM命令4）读显示RAM命令5）写显示RAM命令6）显示禁止写入/消隐命令7）清除命令8）结束中断/出错方式设置命令48279状态格式与状态字8279的FIFO状态字，主要用于键盘和选通工作方式，以指示数据缓冲器FIFO/传感器RAM中的字符数和有错误发生，状态字节的读出

50、地址和命令输入地址相同（=0，A0=1）。状态字节格式如下： D7 D6D5D4D3D2 D1D0DUS/EOUFNNN其中：DU（D7）为显示无效特征位，DU=1表示显示无效。显示RAM在清除显示或全清命令尚未完成时，DU=1，此时对显示RAM操作无效。S/E（D6）为传感器信号结束/错误特征位，在读FIFO状态字时被读出，在执行CF=1时被复位。在传感器方式时，S/E=1表示至少有一个键闭合；在特殊出错方式时，S/E=1表示有多键同时按下。O（D5）为FIFO/传感器RAM溢出标志位，当FIFO/传感器RAM填满时再送入数据则该位置1。U（D4）为FIFO/传感器RAM空标志位，当FIFO

51、/传感器RAM中无数据时，如CPU读FIFO/传感器RAM则该位置1。F（D3）为FIFO/传感器RAM满标志位，F=1表示FIFO/传感器RAM中已满。NNN（D2、D1、D0）表示FIFO/传感器RAM中的字符个数，即数据个数。3.2.4 IR2304半桥驱动集成电路IR2304是国际整流器公司（IR）新推出的多功能600V高端及低端驱动集成电路，这种适于功率MOSFET、IGBT驱动的自举式集成电路在照明镇流器、电源及电机等功率驱动领域中将获得广泛的应用。IR2304采用8脚DIP或SOIC封装，其引脚排列如图7所示。图7 IR2304引脚排列图IR2304的性能特点如下：（1）芯片体积

52、小（DIP8），集成度高（可同时驱动同一桥臂的上、下两只开关器件）；（2）动态响应快。典型通断延迟时间220220、内部死区时间100、匹配延迟时间50；3）驱动能力强，可驱动600主电路系统。具有60130输出驱动能力，栅极驱动输入电压宽达1020V；（4）工作频率高。可支持100H或以下的高频开关，可与ORF830或ORFBC30等较小巧的MOSFET或IGBT配合使用；（5）输入输出同相设计。提供高端和低端独立控制驱动输出，可通过两个兼容3.3V、5V和15V输入逻辑的独立CMOS或LSTTL输入来控制，为设计带来了很大的灵活性；(6）低功耗设计，坚固耐用且防噪效能高。IR2304采用高

53、压集成电路技术，整合设计既降低成本和简化电路，又降低设计风险和节省电路板的空间。相比于其它分立式、脉冲变压器及光耦解决方案，IR2304更能节省组件数量和空间，并提高可靠性；(7)具有电源欠压保护和关断逻辑。IR2304有两个非倒相输入及交叉传导保护功能，整合了专为驱动电机的半桥MOSFET或IGBT电路而设的保护功能。当电源电压降至4.7V下时，欠压锁定UVL0功能会立即关掉两个输出，以防止穿通电流及器件故障。当电源电压大于5V时则会释放输出综合滞后一般为0.3V。过压（HVIC）及防闭锁CMOS技术使IR2304非常坚固耐用。另外，IR2304还配备有大脉冲电流缓冲级，可将交叉传导减至最低

54、；同时采用具有下拉功能的施密特（Schmitt） 触发式输入设计，可有效隔绝噪音，以防止器件意外开通。该芯片与其它同类产品的特性比较可看出IR2304比同类其它产品特性更优越，集成度更高。 串口通信Max232芯片简介RS-232C是使用最早、应用最多的一种异步串行通信总线标准。它是美国电子工业协会（EIA）1962年公布、1969年最后修定而成的。其中RS表示Recommended Standard，232是该标准的标识号，C表示最后一次修定。RS-232C主要用来定义计算机系统的一些数据终端设备（DTE）和数据电路终接设备（DCE）之间的电气性能。例如CRT、打印机与CPU的通信大都采用R

55、S-232C接口，MCS-51单片机与PC机的通信也是采用该种类型的接口。由于MCS-51系列单片机本身有一个全双工的串行接口，因此该系列单片机用RS-232C串行接口总线非常方便。 RS-232C串行接口总线适用于：设备之间的通信距离不大于15米，传输速率最大为20kB/s。RS-232C信息格式标准RS-232C采用串行格式，如图8所示。该标准规定:信息的开始为起始位,信息的结束为停止位;信息本身可以是5、6、7、8位再加一位奇偶位。如果两个信息之间无信息，则写“1”，表示空。图8 RS-232C信息格式RS-232C电平转换器：RS-232C规定了自己的电气标准，由于它是在TTL电路之前

56、研制的，所以它的电平不是+5V和地，而是采用负逻辑，即：逻辑“0”：+5V+15V逻辑“1”：-5V-15V因此，RS-232C不能和TTL电平直接相连，使用时必须进行电平转换，否则将使TTL电路烧坏，实际应用时必须注意！常用的电平转换集成电路是传输线驱动器MC1488和传输线接收器MC1489。MC1488内部有三个与非门和一个反相器，供电电压为12V，输入为TTL电平，输出为RS-232C电平，MC1489内部有四个反相器，供电电压为5V，输入为RS-232C电平，输出为TTL电平。另一种常用的电平转换电路是MAX232，本书所配套的实训电路就采用该芯片。MAX232的引脚图为:、图9 M

57、AX232引脚图在最简单的全双工系统中，仅用发送数据、接收数据和信号地三根线即可，对于MCS-51单片机，利用其RXD（串行数据接收端）线、TXD（串行数据发送端）线和一根地线，就可以构成符合RS-232C接口标准的全双工通信口。3.3系统主回路的设计及参数计算（1）主回路的结构 系统主回路是交直交电压型变频电路，如图10所示图10 主回路电路图主电路整流采用三相桥式不可控整流器，对三相交流电进行全波整流,滤波电容C7、C8滤除整流后的电压波纹，并在负载变化时保持电压稳定，当变频器通电时，瞬时冲击电流较大，为了保护电路原件，加了一个电抗器L1延缓了电流对逆变电路的冲击，保护了逆变电路。R13是

58、制动电阻，电动机在制动过程中处于发电状态，由于电路处在短路状态，增加的电能无处释放，使电路泵升电压不断升高，将会损坏电路原件。所以应给一个放电电路，使这部分再生电能损耗在电阻R13上，制动时，分压电路电压升高，电压比较器LM311输出高电平控制开关管Q7导通形成放电通路。电源指示灯Lamp作为滤波电容C7、C8放电通路和指示，滤波电容C7、C8容量通常很大，所以放电时间长（数分钟），几百伏的高电压会威胁工作人员的安全，因此，在维修时，要等到指示灯熄灭后进行。三相开关Q1Q6组成三相逆变器，将直流电逆变成频率可调的巨型波交流电，逆变管可选择绝缘栅场效应管IGBT、功率场效应管MOSFET.续流二

59、极管D7D12的作用是当逆变开关管由导通状态变为截至时，虽然电压突变降为零，但由于电动机线圈电感的作用，储存在线圈中的电能开始释放，续流二极管提供通道，维持电流在线圈中继续流动，另外，当电动机开始制动时，续流二极管为再生电流提供通道，使其回流到直流电源。电阻R5R10、电容C1C6、二极管D13D18组成缓冲电路，来保护逆变开关管由于逆变开关管在开通和关断时，要受集电极电流和集电极与发射极间电压的冲击，因此要经过缓冲电路来进行缓解，当逆变开关管关断时，迅速升高，迅速降低，过高增长率的电压对逆变开关管造成危害，所以在逆变开关管两端并联电容C1C6来减小电压增长率，当逆变开关管开通时，迅速减低,迅

60、速升高，并联在逆变开关管两端的电容C1C6由于电压降低，将通过逆变开关管放电，这将加速电流的增长率，对逆变开关管造成危害，所以增加电阻R5R10限制电容的放电电流，可当逆变开关管关断时，该电阻又会阻止电容的充电，为了解决这个矛盾，在电阻两端并联二极管D13D18，使电容在充时避开电阻，通过二极管充电，在放电时，通过电阻放电，实现缓冲功能。（2） 参数计算和元件选择1) 大功率开关管 SPWM正弦脉宽调制方法的直流利用率为0.866，即。为了使逆变器输出380V的线电压，要求直流侧的电源电压： 考虑到大功率的晶体管的管压降等，取，则大功率晶体管的参数为，。其极限参数选为为： 。 2） 三相整流桥