基于单片机控制的交流调速系统

1、基于单片机转差频率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。由于设计中电动机功率不大，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。系统的总体结构主要由主回路，驱动电路，光电隔离电路，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，测速发电机等组成。回路中有了检测保护电路就可以使整个系统运行的可靠性有了保障。关键词at89c51单片机；sa8282；转差频率；交流调速；三相异步电动机 based on scm and frequency con

2、trol ac variale speed system designabstractfrequency conversion that one-chip computer control transfer speed systematic design philosophy with transfer to difference frequency control. achieve the goal of controlling rotational speed through changing the procedure . because the motor is not big in

3、power in the design, the rectifier can not adopt controlledly the circuit, the condenser strains waves; going against the becoming device adopts three phases of the electric transistor to go against the becoming device. the systematic ensemble architecture is by the main return circuit mainly, drive

4、 the circuit, the photo electricity isolates the circuit,sa8282 large scale integrated circuit, protects the circuit, the at89c51intel series one-chip computer, intel8255 programmable interface chip, i/o interface chip, and tests the speed such composition as the generator ,etc. have the dependabili

5、ty that can make the whole system operate of measuring and protecting the circuit to have guarantee in the return circuitkey words: the at89c51 scm；sa8282；frequency；ac variale speed；three phase eletromotor of asynchronism 目录前言1第1章交流调速系统的概述31.1交流调速的基本原理31.2 交流调速的分类51.2.1 全数字化控制系统51.2.2 pwm技术61.2.3 高压

6、大容量交流调速系统61.2.4 高性能交流调速系统81.3 交流调速的特点9第2章 交流调速系统的硬件设计122. 1 转差频率控制原理：122. 2 系统设计的参数132.3 用单片机控制的电机交流调速系统设计142.3.1调速系统总体方案设计142.3.2 元器件的选用152.3.3 系统主回路的设计以及参数计算222.3.4 spwm控制信号的产生252.3.5 光电隔离及驱动电路设计282.3.6 故障检测及保护电路设计282.3.7 模拟量输入通道的设计29第3章系统软件的设计303.1 主程序的设计303.2 转速调节程序313.3 增量式pi运算子程序313.4故障处理程序323

7、.5 部分子程序333.5.1 ad0809的编程333.5.2 8255的编程34结 论35谢 辞37参考文献38外文资料翻译39前言自上个世纪90年代以来，近代交流调速步入了以变频调速为主导的发展阶段。其间，由于各种新型电力电子器件的支持，使变频调速在低压（380 v）、中小容量（200 kw以下）方面取得了较大的进展。但是面对高压（610 kv）中大容量领域，由于电力电子器件自身规律的限制，变频调速在技术上遇到了很大困难，无论是“高-低”“、高-低-高”以及“多电平串联”等方案，都在实践中暴露出技术复杂、价格昂贵、效率降低、可靠性较差等缺点。从理论上看，高压变频所面临的问题是违反电力电子

8、器件客观规律的结果，因为目前几乎所有的电力电子器件，其材料、工艺机理都决定了其属性是低压大电流的。尽管如此，高压变频的势头仍有增无减，除了客观市场需求的拉动以外（诸如高压中大容量的风机泵类节能），主要是“变频调速是唯一的最佳交流调速”理论导向的结果。调速效率和机械特性（包括平滑性及范围）是衡量调速性能的主要标准，变频调速果真是唯一的最佳交流调速吗？事实并非如此。例如串级调速不仅具有和变频调速几乎一致的调速机械特性，而且效率还略高于后者，当然串级调速存在一些缺点，但相对高压变频存在的问题还是容易解决的。根据近代交流调速理论，交流调速被划分为变频、变极和变转差率三种方案，在缺乏科学分析的条件下，认

9、定变转差率调速是低效率的，而变极调速又属于有级调速，因此惟有变频调速最佳。而变频调速方法与变转差调速方法有本质不同，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。可以认为，变频调速是交流电动机的一种比较合理和理想的调速方法。”这样，就把变频调速和变转差率调速对立起来，并且完全否定了变转差率调速，显然与事实不符。尽管很多文献试图从转差功率回收角度来解释串级调速，但在调速机理和特性等方面仍未得到深入的解答。具有相同结果的不同事件，必然遵循共同的客观规律。既然串级调速和变频调速具有本质的相似特性，那么两者的调速机理应该是一致的。另外，作为科学的调速理论，应该能

10、够明确揭示调速的性能，并且全面准确地指导实践，然而按传统的交流调速“公式”n=60 f1(1-s)/p，不但不能判别调速效率及特性等性能，而且按公式单纯地改变异步机的频率（不改变供电电压）或极数（不改变匝数），步进电机根本无法正常调速运行。由此可见，传统的交流调速理论和公式是值得商榷的，同时对一些认为已经得出结论的，例如串级调速、变频调速的机理，也需要重新讨论和认识。近代交流调速在交流调速分析方面存在很多值得探讨的问题，集中表现在调速的实质、公式的产生逻辑、同步转速与理想空载转速的区别、转差率与效率的关系等关键问题上。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制理论的发展，交流调速技术也有了日新月异

11、的变化。可调速的高性能交流电力拖动系统在工业上的应用也越来越广。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。其发展速度之快、应用覆盖范围之广都是前所未有的。而且应用实践表明，采用现代交流调速技术极大的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效益。 第1章交流调速系统的概述1.1 交流调速的基本原理交流异步电动机的调速方式有多种，诸如调压调速、变级调速、串级调速、滑差调速等，而变频调速优于上述任何一种调速方式，是当今国际上广泛采用的效益高、性能好、应用广的新技术。它采用微机控制、电力电子技术及电机传动技术取得工业交流异步电

12、机的无级调速功能。目前在国内外已广泛应用，是自动化电力传动的发展方向。交流变频调速技术已经成熟。高压大功率变频器（几千v，数千kw）已在大容量风机、高压水泵等电机上应用。低压小功率（几百v，几个kw）变频器在鼓风机、压缩机、离心机、搅拌机、水泵、机床，甚至在空调、洗衣机等方面被广泛采用。在纺织工业方面，用于织布机、毛纺机等，本文以地毯背涂机为例叙述在地毯制造业上的应用。图1-1三相异步电动机结构示意图1机座；2定子铁心；3定子绕组；4转子铁心；5转子绕组;变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。常用三相交流异步电动机的结构为图1所示。定子由铁心及绕组构成，转子绕组做成笼型（见

13、图1-2），俗称鼠笼型电动机。当在定子绕组上接入三相交流电时，在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，使转子绕组产生感应电势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机转动起来。电机磁场的转速称为同步转速，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。当p=1时，n1=3000r/min；p=2时，n1=1500r/min。可见磁极对数p越多，转速n1越慢。转子的实际转速n比磁场的同步转速n1要慢一点，所以称为异步电机，这个差别用转差率s表示： （1-2）当加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时s=1；起动后的极端

14、情况n=n1，则s=0，即s在01之间变化。一般异步电机在额定负载下的s=（16）。综合式（1-1）和式（1-2）可以得出 （1-3）图1-2笼型电动机的转子绕组1铜环 2铜条由式（1-3）可以看出，对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率s变化不大，则电机的转速n与电源频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。但是，为了保持在调速时电机的最大转矩不变，必须维持电机的磁通量恒定，因此定子的供电电压也要作相应调节。变频器就是在调整频率（variable frequency）的同时还要调整电压（variable voltage），故简称vvvf（装

15、置）。通过电工理论分析可知，转矩与磁通量（最大值）成正比，在转子参数值一定时，转矩与电源电压的平方成正比。 变频器的工作原理是把市电（380v、50hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（gto、gtr或igbt）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制（spwm）方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。上述的两次变换可简化为acdcac（交直交）变频方式。 利用变频器可以根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速或减速，基本保持异步电机固有特性转差率小的特点，具有效率高、范围宽、精度高且能无级变速的优点，这对于水泵

16、，风机等设备是很适用的。我国应用的变频器，国外产品以日本富士、三菱牌号较多，台湾普传产品也不少，国内有西普（西安）、艾伦（上海）、华为（深圳）、艾普斯（天津）等厂家的产品均在推广应用。1.2 交流调速的分类1.2.1 全数字化控制系统 随着计算机技术的发展，无论是生产还是生活这中，人民对数字化信息的依赖程度越来越高。如果说计算机是大脑，网络是神经，那么电机传动系统就是骨骼和肌肉。它们之间的完美结合才是现代产业发展方向。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统实现全数字化控制。 单片机已经在交流调速系统中得到了广泛地应用。例如由intel公司

17、1983年开发生产的mcs-96系列是目前性能较高的单片机系列之一，适用于高速、高精度的工业控制。其高档型：8196kb、8196kc、8196mc等在通用开环交流调速系统中的应用较多。 由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。扩展卡尔曼滤波、fft、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等等均应用到了各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。因此，dsp芯片在全数字化的高性能交流调速系统中找到施展身手的舞台。如ti公司的mcs320f240等dsp芯片，以其较高的性能价格比成为了全数字化交流调速系统的首选。最近ti公司推出的mcs320f240x系列产品更将价格降低到了单片

18、机的水平。 在交流调速的全数字化的过程当中，各种总线也扮演了相当重要的角色。std总线、工业pc总线、现场总线以及can总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用. 1.2.2 pwm技术 pwm控制是交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种pwm控制方式完成的。目前已经提出并得到实际应用的pwm控制方案就不下十几种，关于pwm控制技术的文章在很多著名的电力电力国际会议上，如pesc，iecon，epe年会上已形成专题。尤其是微处理器应用于pwm技术并使之数字化以后，花样是不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最

19、少，再到消除噪音等，pwm控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。到目前为止，还有新的方案不断提出，进一步证明这项技术的研究方兴未艾。 1.2.3 高压大容量交流调速系统 在小功率交流调速方面，由于国外产品的规模效应，使得国内厂家在价格上、工艺上和技术上均无法与之抗衡。而在高压大功率方面，国外公司又为我们留下了赶超的空间。首先，国外的电网电压等级一般为3000v，而我国的电网电压等级为6000v和10000v；其次，高压大功率交流调速系统无法进行大规模的批量生产，而国外的劳动力成本，特别是具有一定专业知识的劳动力成本较高。 目前，研究较多的大功率逆变电路有：（1）多电平电压型逆变器，

20、（2）变压器耦合的多脉冲逆变器，（3）交交变频器，（4）双馈交流变频调速系统。 1. 多电平电压型逆变器 日本长冈科技大学的anabas等人于1980年在ias年会上首次提出三电平逆变器，又称中点箝位式（neutralpointclamped）逆变器。它的出现为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路。 多电平电压型逆变器与普通双电平逆变器相比具有以下优点： （1）更适合大容量、高电压的场合。 （2）可产生m层梯形输出电压，对阶梯波再作调制可以得到很好近似的正弦波，理论上提高电平数可接近纯正弦波型、谐波含量很小。 （3）电磁干扰（emi）问题大大减轻，因为开关元件一次动作的dv/dt通常只

21、有传统双电平的1/（m-1）。 （4）效率高，消除同样谐波，双电平采用pwm控制法开关频率高、损耗大，而多电平逆变器可用较低频率进行开关动作、开关频率低、损耗小，效率提高。2. 变压器耦合的多脉冲逆变器 变压器耦合的多脉冲逆变器的三电平电路中，要获得更多电平只须将每相所串联的单元逆变桥数目同等增加即可。其优点为： 不存在电压均衡问题。无需箝位二极管或电容，适于调速控制； 模块化程度好，维修方便； 对相同电平数而言，所需器件数目最少； 无箝位二极管或电容的限制，可实现更多电平，上更高电压，实现更低谐波； 控制方法相对简单，可分别对每一级进行pwm控制，然后进行波形重组。 当然，这种结构的不足之处

22、在于需要很多隔离的直流电源，应用受到一定限制。 3. 交交变频器 交交变频器采用晶闸管作为主功率器件，在轧机和矿井卷扬机传动方面有很大的需求。晶闸管的最大优点就是开关功率大（可达5000v/5000a），适合于大容量交流电机调速系统。同时，大功率晶闸管的生产和技术功能技术相当成熟，通过与现代交流电机控制理论的数字化结合，将具有较强的竞争力。但是交交变频器也存在一些固有缺点：调速范围小，当电源为50hz时，最大输出频率不超过20hz；另一方面，功率因数低、谐波污染大，因此需要同时进行无功补偿会谐波治理。 4. 双馈交流变频调速系统 双馈交流变频调速系统的变频器功率小、功率因数可调、系统可靠性较高

23、，因此近来受到了许多研究人员的重视。由于变频器的功率只占电机容量的25%，因此可以大大降低系统的成本。但是，双馈交流变频调速系统中的电机需要专门设计，不能使用普通的异步电机；而且受变频器容量和调速范围的限制，不具备软起动的能力。 1.2.4 高性能交流调速系统 v/f恒定、速度开环控制的通用变频调速系统和滑差频率速度闭环控制系统，基本上解决了异步电机平滑调速的问题。然而，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时，上述系统还是比直流调速系统略逊一筹。原因在于，其系统控制的规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出稳态值控制，完全不考虑过渡过程，系统在稳定性、起动及低速时转矩动态响

24、应等方面的性能尚不能令人满意。 考虑到异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。这样，通过坐标变换重建的电动机模型就可等效为一台直流电动机，从而可象直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制即矢量控制。 和矢量控制不同，直接转矩控制屏弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控

25、制。尽管矢量控制与直接转矩控制使交流调速系统的性能有了较大的提高，但是还有许多领域又待研究： 1. 磁通的准确估计或观测 2. 无速度传感器的控制方法 3. 电机参数的在线辨识 4. 极低转速包括零速下的电机控制 5. 电压重构与死区补偿策略 6. 多电平逆变器的高性能控制策略 在交流调速的研究与制造过程中，硬件的设计与组装占了相当大的比重。电机制造以及调速装置的制造需要大批的技术熟练工人，对人员的素质有一定要求。而国外相关产业的人工成本相对较高，在近十年内，交流调速的制造业有可能像发展中国家转移。对中国来说，这也是一个机遇，如果我们抓住这个机会，再利用本身的市场有利条件，有可能在我国形成交流

26、调速系统的制造业中心，使我国工业上一个新的台阶。需要注意的是发达国家在高技术领域是不会轻易放弃的，他们非常注意核心技术及软件的保护和保密，为此，必须加大该领域的科研与开发的力度。1.3 交流调速的特点电气传动从总体上分为调速和不调速两大类。按照电动机的类型不同，电气传动又分为直流和交流两大类，直流电动机在19世纪先后诞生，但当时的电气传动系统是不调速系统，随着社会化大生产的不断发展，生产技术越来越复杂，对生产工艺的要求也越来越高，这就要求生产机械能够在工作速度，快速启动和制动，正反转等方面具有较好的运行性能。从而推动了电动机的调速不断向前发展，自从1834年直流电动机出现以后，直流电动机作为调

27、速电动机的代表，在工业中得到了广泛的应用。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，晶闸管变流装置的应用使直流拖动发展到了一个很高的水平，在可逆，可调速与高精度的拖动技术领域中相当长时间内几乎都采用直流拖动系统。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。 交流电动机在1885年出现后，由于一直没有理想的调速方案，只被应用于恒速拖动系统，从本世纪30年代起，不少国家才开始提出各种交流调速的原始方案，晶闸管的出现使交流电动调速的发展出现了

28、一个质的飞跃，使得半导体变流技术的交流调速得以实现，国际上在60 年代后期解决了交流电动机调速方案中的关键问题，70年代开始就实现了产品的高压，大容量，小型化，且已经逐渐取代了大部分传统的直流电动机的应用领域。交流调速系统发展迅速的很大一部分原因在于交流电动机本身的优点：没有电刷和换向器，结构简单，寿命长。近年以来大功率半导体器件，大规模集成电路，电子计算机技术的发展，加上交流电动机本身的优越特性，为交流调速提供了广泛的应用前景。目前交流电力拖动系统已具备了较宽的调速范围，较高的稳态精度，较快的动态响应，较高的工作效率以及可以在四象限运行等优越性能，其动态性能均可与直流电动机拖动系统相比美。交

29、流调速系统与直流调速系统相比较，具有如下特点：1. 容量大 这是电动机本身的容量所决定的。直流电动机的单机容量能达到1214mw，而交流电动机的容量却远远的高与此数值。2. 转速高，而且耐压 直流电动机受到换向器的限制，最高电压只能达到1000多伏，而交流电动机容量可达到610kv，甚至更高。一般直流电动机最高转速只能达到3000转/min左右，而交流电动机则可以高达每分钟几万转。这使得交流电动机的调速系统具有耐高压，转速高的特点。 3. 交流电动机本身的体积，重量，价格比同等容量的直流电动机要小，且交流电动机结构简单，坚固耐用，经济可靠，惯性小成了交流调速系统的一大优点。4. 交流电动机的调

30、速装置环境适应性广。直流电动机由于结构复杂，换向器工作要求高，使用中受到很多限制，如工厂里的酸洗车间，由于腐蚀严重，使用直流电动机每周都要检查碳刷，维修起来比较困难，而交流电动机却可以用在十分恶劣的环境下不至于损坏。5. 由于高性能，高精度，新型调速系统的出现和不断发展，交流拖动系统已达到同直流拖动系统一样的性能指标，越来越广泛的应用于 国民经济的各个生产领域。 6. 交流调速装置能显著的节能。工业上大量使用的风机，水泵，压缩机类负载都是靠交流电动机拖动的，这类装置的用电量占工业用电量的50%，以往都不对电动机调速，而仅采用挡板，节流阀来控制风量或流量。大量的电能被白白的浪费掉，如果采用交流电

31、动机调速系统来改变风量或流量的话，效率就会大大的提高，从各方面来看，改造恒速交流电动机为交流调速电动机，有着可观的能源效益。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。尽管从1930年开始，人们就致力于交流调速系统的研究，然而主要局限于利用开关设备来切换主回路达到控制电动机启动，制动和有级调速的目的。变极对调速，电抗或自藕降压启动以及绕线式异步电动机转子回路串电阻的有级调速都还处于开发的阶段。交流调速缓慢的主要原因是决定电动机转速调节主要因素的交流电源频率的改变和电动机的转距控制都是非常困难的，使交流调速的稳定性，可靠性，经济性以及

32、效率均不能满足生产要求 。后来发展起来的调压，调频控制只控制了电动机的气隙磁通，而不能调节转距。转差频率控制在一定程度上能控制电动机的转距。第2章 交流调速系统的硬件设计2. 1 转差频率控制原理：当稳态气隙磁通恒定时异步电机的机械特性参数表达式为： (2-1)当实际转差额定空载转速相比很小时（），,可以从式中约去，这样式(2-1)可以简化为： 其中 (2-2)从式(2-2)中可得，当转差频率较小且磁通恒定时，电机的电磁转矩t与成正比。这时只要控制转差频率就能控制转矩t，从而实现对转速的控制。若要使转差频率较小，只要有提供异步电动机的实际转速反馈即可实现。若要保持为恒值，即保持励磁电流恒定，而

33、励磁电流与定子电流有如下关系， （2-3）因此若，按照上述规律变化，则恒定，即恒定。转差频率控制策略是：利用测速环节得到转速与转速给定、比较，限制输出频率，使转差率 (即)不太大；控制定子电流，使得励磁电流保持恒定；这时控制实现调速。系统原理图如图2-l所示。 图2-l 转差频率控制变频调速系统原理图从图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，整流与逆变电路，pwm控制电路，异步电动机及测量电路等组成，其中异步电动机由spwm控制逆变器供电。转速调节器asr的输出是转差频率给定值,表转矩给定。函数发生器输入转差频率产生。信号，并控制定子电流。以保持为恒值；加法器对转差频率和

34、转速信号求和得到变频器的输出频率。从而实现三相异步电机变频调速。2. 2 系统设计的参数 对一台三相异步电动机调速系统进行设计。异步电动机的参数：，接法，采用转差频率控制方法，由单片机组成核心。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2.3.1调速系统总体方案设计转速开环恒压频比的调速系统，虽然结构简单，异步电动机在不同频率小都能获得较硬的机械特性但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的转速，动态性能也很差，它只能用于对调速系统的静，动态性能要求不高的场合。如果异步电动机能象直

35、流电动机一样，用控制电枢电流的方法来控制转矩，那么就可能得到和直流电动机一样的较为理想的静，动态特性。转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，采用这种控制方案的调速系统，可以获得与直流电动机恒磁通调速系统相似的性能。调速系统总体结构图见图2-2所示。 图2-2 调速系统总体结构图如图2-2所示，系统主电路由二极管整流电路、spwm逆变器和中间直流电路等组成，都是电压源型的，采用大电容c1滤波，同时兼具无功功率交换大的作用。为了避免大电容在合上电源开关后通电的瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入电抗，刚通上电源时，由l1限制充电电流，然后经过一段时间延时，

36、l失去限流作用，使电路正常供电。2.3.2 元器件的选用1. 8255的资料8255是可编程的并行i/o接口芯片，它具有3个8位的并行i/o口，三种工作方式，可通过编程改变其功能，因而使用方便，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。8255的引脚图如图2-3所示。由图可知，8255共有40个引脚，各引脚功能如下：图2-3 8255引脚图d0d7： 三态双向数据线，与单片机数据总线相连，用来传递数据信息。cs/： 片选信号线，低电平有效，表示芯片被选中。rd/： 读出信号线，低电平有效，控制数据的读出。wr/： 写入信号线，低电平有效，控制数据的写入。vcc： +5v电源。p

37、a7pa0： a口输入/输出线。pb7pb0： b口输入/输出线。pc7pc0： c口输入/输出线。reset： 复位信号线。a1a0： 地址线，用来选择8255内部端口2. adc0809的资料adc0809是一种逐次逼近式8路模拟输入，8位数字量输出的a/d转换器。其引脚如图2-4所示。由引脚可见，adc0809共有28个引脚，采用双插直列示封装，其引脚主要功能如下：（1）in0in7 是8路模拟信号输入端。（2）d0d7 是8位数字量输出端。图2-4 adc0809 引脚图（3）a，b，c 与ale控制8路模拟通道的切换，a，b，c 分别与三根地址线或数据线相连，三者编码对应8个通道地址

38、口。c，b，a=000111分别对应in0in7通道地址。adc0809 虽然有8路模拟通道可以同时输入8路模拟信号，但每个瞬间只能转换一路，各路之间的切换由软件变换通道地址实现。（4） oe，start，clk为控制信号端，oe为输出允许端，start为启动信号输入端，clk为时钟信号输入端。（5）vr（+）和vr（-）为参考电压输入端。3. sa8282的资料sa8282是mitel公司推出的一种用于三相spwm波发生和控制的集成电路，它与微处理器接口方便，内置波形rom及相应的控制逻辑，设置完成后可以独立产生三相pwm波形，只有当输出频率或幅值等需要改变时才需微处理器的干预，微处理器只用

39、很少的时间控制它，因而有能力进行整个系统的检测、保护和控制等。基于sa8282和89c51的变频器具有电路简单、功能齐全、性能价格比高、可靠性好等优点。图2-5 sa8282的引脚排列图（1） 主要特点 1)全数字化。sa8282与微处理器相连时，可自动适应intel和motorola两种总线接口，而且编程简捷方便。它的全数字化脉冲输出具有很高的精度和稳定性。 2)工作方式灵活。sa8282具有6个标准的ttl电平输出端，可以驱动逆变器的6个功率开关器件。电路的载波频率、调制频率、调制比、最小脉宽、死区时间等工作参数均可直接通过软件设定，而不需要任何外接电路，从而降低了硬件成本。 3)工作频率

40、范围宽、精度高。sa8282的三角载波频率可调，当时钟频率为125 mhz时，载波频率最高可达24 khz，输出调制频率最高可达4 khz，输出频率的分辨率为12位。（2）引脚功能adoad7：8位地址与数据复用总线，用于从微处理器接收地址与数据信息； ：此3个引脚为intel(motorola)控制模式；sa8282在工作时可自动适应intel或motorola控制模式，当ale(as)管脚变为高电平时，sa8282内部检测电路将自动锁存rd(ds)线上的状态，如果检测结果为低电平，则采用mo-torola控制模式；如果检测结果为高电平，则采用intel控制模式； ：复位端，低电平有效； ：

41、片选输入，该控制线可使sa8282与其他外围接口芯片共享同一组总线。 rpht，rphb，ypht，yphb，bpht，bphb：标准ttl电平输出端口(即pwm驱动信号)，可分别驱动三相逆变器的6个功率开关器件； ：输出封锁状态指示，用于表明输出是否被锁存，低电平有效； settrip：关断触发信号输入端，当输入为高时，trip及6个pwm输出端将被迅速锁存在低电平状态，且只有在rst复位时才能解除； wss：波形采样同步端口； zppb，zppy，zppr：分别是三相信号的零相位脉冲输出端； clk：时钟信号输入端； vdd：+5 v偏置电源； vss：接地端。4. at89c51的资料（

42、1） at89c51简介at89c51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低电压，高性能cmos 8位微处理器，俗称单片机。at89c2051是一种带2k字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器，at89c2051是它的一种精简版本。at

43、89c51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图2-6所示 图2-6 at89c51的管脚排列图（2） 主要特性：1） 与mcs-51 兼容 2） 4k字节可编程闪烁存储器 3） 寿命长：1000写/擦循环 4） 数据保留时间：10年 5） 全静态工作：0hz-24mhz 6） 三级程序存储器锁定 7） 1288位内部ram 8） 32可编程i/o线 9） 两个16位定时器/计数器 10）5个中断源 11）可编程串行通道 12）低功耗的闲置和掉电模式 13）片内振荡器和时钟电路 （3） 管脚说明vcc：供电电压。 gnd：接地。 p0口：p0口为一个8位漏

44、级开路双向i/o口，每脚可吸收8ttl门电流。当p1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。 p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。 p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输

45、出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将

46、输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。 p3口也可作为at89c51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 p3.0 rxd（串行输入口） p3.1 txd（串行输出口） p3.2 /int0（外部中断0） p3.3 /int1（外部中断1） p3.4 t0（记时器0外部输入） p3.5 t1（记时器1外部输入） p3.6 /wr（外部数据存储器写选通） p3.7 /rd（外部数据存储器读选通） p3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。 ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平

47、用于锁存地址的地位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时， ale只有在执行movx，movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。 /psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen信号将不出现。

48、 /ea/vpp：当/ea保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/ea将内部锁定为reset；当/ea端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。 xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性: xtal1和xtal2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，xtal2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部

49、时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。2.3.3 系统主回路的设计以及参数计算1.主回路的结构 系统主回路是交直交电压型变频电路，其图2-7如下所示：图2-7 系统主回路电路图整流采用三相桥式不可控整流器，l、c1、c2组成滤波电路，rb用来吸收制动能量。整流逆变电路采用的是grt三相桥式pwm逆变器。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，。选择晶体管模块qca50a100a三块，作为大功率开

50、关管。qca50a100a为两单元组件，c-e极带反向续流二极管，绝缘式结构，其极限参数为： ，它的内部结构图如图2-8所示。图2-8 qca50a100模块内部结构（2） 三相整流桥 整流桥输入侧电压为：，直流侧功率可估算如下： 取电动机的效率为0.82，则电动机的输入功率为 。取逆变器的效率为0.93，则 直流侧的功率为： ，故直流侧电流：。整流二极管最高反压：。基于以上数据，选用mds型三相整流桥模块，其最大输出电流为40a，最高耐压为1000v。（3） lc滤波器 取，其最大耐压。选择两只2200uf，耐压在500v以上的电容器并联使用。滤波电感在这里主要用来限制电流脉动（pwm变频调

51、速系统不存在电流不连续问题）和短路电流上升率，按照晶体管三相桥式整流电路限制电流脉动的电感量算式估计如下（取）考虑到电动机和整流变压器存在一定的电感量，取实际的电感为100mh。选择一台电感量为100mh，额定电流不小于6.4a的电抗器l。3. 调节器的设计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： （2-4）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下图2-9所示。为死区，它是为了避免因量化误差，舍入误差引起系统运行不平衡而引起的。unaunb(una unb)为线性调节区，当un（k）unb时，输出限幅，用以现在转差频率的最大增量，亦

52、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unb确定后，通过调节电位器，就能改变积分系数，整定方便。una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，unb、usm通过实验确定。a) 控制结构框图 b） 控制曲线图2-9 控制结构框图和曲线图2.3.4 spwm控制信号的产生在本系统中，控制信号用sa8282大规模集成块来产生。电动机转速的调节是通过调频，调压实现的。以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（carrier wave），并用频率和期望波相

53、同的正弦波作为调制波（modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。如图2-11为其调制原理图。按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。正弦调制波在半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则spwm波也在正负之间变化，也称为双极性控制方式。将三相电压和幅值为ucm频率为fc 的三角载波分别送到三个独立的比较器，比较器的输出一方面接到相应的上桥臂开关作为驱动信号，另一方面经过反相后接到相应的下桥臂开

54、关作为驱动信号，在系统主回路电路图图2-10中参考波是u相，则其直接输出将驱动v1开关，反相输出驱动v4开关。将三相参考波和载波放在同一个坐标系上，则如图2-11所示，以uun为例，当uuuc时，ug1为高电平，则驱动v1导通，v4截止，图2-10 spwm调制原理图图2-11 spwm逆变器电压波图形uun=ud/2；当uuuc时，ug1为低电平，v1截止，v4导通，uun=-ud/2，输出都波形为双极性。更为实际的是spwm逆变器往往加上调节器，加上调节器后，实际的是输出电压与参考电压或指令电压比较后作为调节器的输入，其输出形成相应的uu、uv、uw，这样输出总是跟随者指令电压变化。在模拟

55、电子电路中，采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现spwm的双极性控制；改成数字控制后，开始时只是把同样的方法数字化，称做“自然采样法”而在工程上，采用的是简化后的“规则采样法”。 在本设计中，sa8282控制脉冲波的输出采用数字方法，数字方法是按照不同的数字模型用计算机算出各切换点并将其存入内存 然后通过查表及必要的计算生成波，从而实现以软件方式控制的，在sa8282的rom中储存有脉冲表，sa8282可通过查表得知应该输出的脉冲的频率与幅值，从而可以控制电机的转速与输出转矩。at89c51则通过检测电路检测的图2-12 at89c51与sa8282连接电路图数据通过p0口向sa8282的ad口传送数据，使sa8282输出相应的脉冲波，从而达到转差频率控制电动机的交流调速。2.3.5 光电隔离及驱动电路设计sa8282输出的pwm控制信号功率很小，无法直接驱动gtr，要经过脉冲功率放大才能驱动gtr，脉冲功率放大电路选用模块ex359。该模块是一图2-13 ex359驱动模块内部结构个带有光隔离的功率放大电路，其电源电压为12v，输入信号5v，输出电压（对应gtr导通）和-2v（对应gtr关断），工作频率为2.5khz，可驱动50a以下的逆变器，其内部电路