基于单片机转差频率的交流调速系统

1、 运动控制系统课程设计题 目：基于单片机转差频率的交流调速系统 专业班级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 评阅意见： 指导老师签名： 日期： 2014年 月 日 目录1引言32设计方案42.1调速系统总体方案设计42.2转差频率控制转速的基本原理53硬件设计63.1硬件清单列表63.2重要元件的功能73.2.1单片机AT89C5173.2.2译码器83.2.3可编程计数/定时芯片825383.2.4大规模专用集成电路HEF475293.2.5可编程的并行I/O接口芯片 8255103.2.6 A/D转换器ADC0809113.2.7通用可编程键盘8279113.3系统主电路图113.4 转差

2、调节器的设计123.5 PWM控制信号的产生及变换器的设计133.6 光电隔离及驱动电路设计143.7 电动机的转速测量电路的设计143.8 电动机的电流、电压测量电路的设计153.9 键盘显示电路的设计163.10 故障检测及保护电路设计173.11参数计算173.11.1大功率开关管173.11.2三相整流桥183.11.3 LC滤波器183.11.4 直流侧阻容吸收电路193.11.5 大功率晶体管阻容吸收电路194软件设计194.1 程序框图及其介绍194.1.1系统主程序194.1.2 转速调节程序214.2 部分子程序224.2.1 0809的编程224.2.2 8253编程224

3、.2.3 8255编程23心得体会24参考文献251引言近年来，交流电机调速技术中最活跃、发展最快的就是变频调速技术，变频调速技术的出现使频率成为可以充分利用的资源。交流电动机采用变频调速不但能实现无级调速，而且可以根据负载的特性不同通过适 当调节电压和频率之间的关系，使电动机始终运行在高效区，并保证良好的动态特性 。同时，交流电动机采用变频起动更能显著改善交流电动机的起动性能，大幅降低电动机的起动电流，增加起动转矩转差频率控制异 步电动机变频调速是公认 的一项性能较优越的控制策略，是当前高校电传动、电机拖动等课程重要的知识点。目前，市面上出售的教学实验装置大多是由模拟电路构成。实验系统的性能

4、由于受到温度等因素的影响而有所降低，不利于开展转差频率控制变频调速实验 。从20实际后半叶开始，控制系统硬件已由模拟技术转向数字技术。微型计算机在性能、速度、价格、体积等方面的不断发展为现代交流调速技术实现提供额重要保证。现在16位以及32位微处理机应用十分广泛，由于微处理机的运算速度高且价格较低，使得交流调速系统可以采用全自动化控制，这样不仅使传动系统获得高精度、高可靠性，还为新的控制理论与方法提供了物质基础。电动机调速分为直流调速和交流调速。直流电动机的调速性能好，因此在调速领域中曾一直占主导地位。交流电动机与直流电动机相比，具有结构简单、构造方便、成本低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率高

5、等许多优点，以前未得到大规模的应用，主要是由于调速困难。随着现代科学技术的高速发展，现代电力电子技术、微电子学、现代控制理论、微机控制技术等为交流电机调速提供了全新的理论和技术，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高地稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。可以说，自20世纪80年代开始交流调速技术就已进入了一个新的时代，也就是可以与直流调速相媲美并逐渐取而代之占据电力传动主导地位的时代。2设计方案2.1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

6、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如图2.1所示。图2.1 调速系统总体结构图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

7、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，L失去限流作用，使电路正常供电。2.2转差频率控制转速的基本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，而励磁电流与定子电流有如下关系， （2-3）因

8、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2.2所示。 图2.2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转速信号求和得到变频器的输出频率。从而实现三相

9、异步电机变频调速。3硬件设计3.1硬件清单列表类型名称数量单片机80C511译码器74LS1381计数定时器82531集成电路HEF47521可编程并行I/O接口芯片82551A/D转换器ADC08091通用可编程键盘82791比例乘法器CD45274高精度数据采集放大器AD5221精密基准电压源LM3991通用光电耦合器4N354霍尔传感器UGN23501M1电阻R若干个电容C若干个二极管VD若干个三极管NPN若干个3.2重要元件的功能3.2.1单片机AT89C51AT89C51提供4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中

10、断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位，其引脚图如图3.1所示。图3.1 AT89C51引脚图3.2.2译码器74LS138是一种3-8译码器，有三个输入端，经译码产生8种状态。译码功能，当译码器的输入为某一个编码时其输出就有一个固定的引脚输出为低电平，其余的为高电平。引脚图如图3.2所示。图3.2 74LS138引脚图3.2.3可编

11、程计数/定时芯片8253主要功能：1.一个芯片上有三个独立的16位计数器通道;2.每个计数器都可以按照二进制或二十进制计数；3.每个计数器的技术速率可高到2MHz。4.每个通道有六种工作方式，可由程序设置和改变;5.所有的输入输出与TTL兼容。引脚图如图3.3所示。图3.3 8253引脚图本次设计用到芯片8253的工作方式三，当记数值N为偶数时，输出为对称方波，前N/2记数期间，OUT输出为高电平，后N/2记数期间，OUT输出为低电平。若记数值N为奇数值时，将输出不对称方波，即在前（2N+1）/2记数期间，OUT输出高电平，后（2N-1）记数期间输出低电平。3.2.4大规模专用集成电路HEF4

12、752本文介绍的变频调速系统是以大规模专用集成电路HEF4752为核心构成的控制电路，由HEF4752产生的三相SPWM信号经隔离、放大后，驱动由IGBT构成的三相逆变器，使之输出SPWM的波形，实现异步电动机变频调速。HEF4752是采用LOCMOS工艺制造的大规模集成电路，专门用来产生三相SPWM信号。它的驱动输出经隔离放大后，可驱动GTO和GTR逆变器，在交流变频调速中作控制器件。主要特点如下：1.产生三对相位差120°的互补SPWM主控脉冲，适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

13、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0100Hz，且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。3.2.5可编程的并行I/O接口芯片 82558255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3.4所示。图3.4 8255引脚图本次设计用到8255的工作方式0，且A口作为输入，B口，C口作为输出。8255地址口的选定： 片选CS/，地址选择端A1，A0。分别接于P0.7,P

14、0.1,P0.0其它地址线全悬空。显然只要保证P0.7为低电平时，选中该8255，若P0.1,P0.0再为“00”选中8255的A口，同理P0.1,P0.0为“01”，“10”，“11”分别选中B口，C口及控制口。若地址用16位表示，其他无用端全选为1，则8255的A，B，C，J及控制口地址可为FF7CH，FF7DH，FF7FH，如果无用位为“0”，则4个地址为0000H，0001H，0002H，0003H，只要保证CS/，A1，A0的状态，无用位设为“0”，或“1”无关。掌握了确定地址的方法，地址便可以灵活的选出了。3.2.6 A/D转换器ADC0809ADC0809是一种逐次逼近式8路模拟

15、输入，8位数字量输出的A/D转换器。ADC0809共有28个引脚，采用双插直列示封装，引脚如图3.5所示。图3.5 ADC0809引脚图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。3.2.7通用可编程键盘8279 8279是一种通用可编程键盘，显示器接口芯片。如图11所示，它能完成键盘输入和显示控制两种功能，键盘部分提供一种扫描方式，对键盘不断扫描，自动消抖，自动识别出按下的键并给出编码，能对双键或N键同时按下进行保护。8279的组成： I/O控制及数据缓冲器；控制和时序寄存器及定时控制；扫描计数器；回复缓冲器，键盘

16、抖动及控制；FIFO/传感器RAM及其状态寄存器显示RAM和显示地址寄存器。3.3系统主电路图系统主回路是交直交电压型变频电路，整流采用三相桥式不可控整流器，组成滤波电路，三个元件和 一起构成尖峰电压吸收电路（又称直流侧阻容吸收电路），用以削弱因逆变器换流而引起的尖峰电压，采用的是GRT三相桥式PWM逆变器。主电路图如图3.6所示。图3.6系统主回路电路图3.4 转差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，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3.7图所示。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。

17、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。图3.7 控制结构框图和曲线图a) 控制结构框图 b） 控制曲线3.5 PWM控制信号的产生及变换器的设计在本系统中，控制信号用HEF4752大规模集成块来产生。要使HEF4752 正常工作，必须

18、提供4路时钟信号和4个开关信号。将HEF4752的端接地，使HEF4752工作在晶体管模块式，将K端接+5v电源，使每两路互补信号之间有较大的输出延迟，CW端，L端分别接8255C口的PC1、PC0。这样剩下的只有4个控制端了。FCT端为频率控制端，VCT端为电压控制端，逆变器的输出频率和电压就是通过控制着两个端输入的方波信号频率来控制的。而电动机转速的调节是通过调频，调压实现的。所以，必须在转差调节器与HEF4752之间正比的方波信号为FCT和VCT时钟信号。系统运行时，根据求得的频率指令信号，查表获得对应的分频系数，然后将它们送到相应的比例分频器和8253的0、1通道，8253的0、1通道

19、便会产生相应频率的方波信号输出，这样就完成了二进制码到方波信号的变换。比例乘法器CD4527不能直接与CPU连接，系统中可扩展一片8255，用它作为二路比例乘法器与CPU的接口。8253定时/计数器则直接与CPU连接。3.6 光电隔离及驱动电路设计HEF4752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。该模块是一个带有光隔离的功率放大电路，其电源电压为12V，输入信号45V，输出电压1.6V（对应GTR导通）和-2V（对应GTR关断），工作频率为25KHz，可驱动50A以下的逆变器，其内部电路如图3.8所示。图3.8

20、 EX359驱动模块内部结构3.7 电动机的转速测量电路的设计本系统采用 M/ T法进行速度的测量。脉冲发生器则采用红外发射及接受器件TLP947,在电机的转轴上应有黑白相间的条纹的铝环，当铝环随电机转动时，有TPL947作为脉冲发生器可以产生一系列脉冲，单片机则可进行M/ T法测速。M/ T 法的基本原理:速度检测时间 TS 由两部分组成 , TS = T0 +T ,其中 T0 为设定的固定不变的时间；T 为从 T0 时间结束到此后出现的第一个测速脉冲为止的时间。设在 T0 时间内取得的测速脉冲数为 m1 ,在 TS = T0 +T 时间内取得的时基脉冲计数取为 m2 ,则转速n =602

21、TS。 其中角位移=2m1P, P为增量式光电编码器转动 1 周输出的测速脉冲数; TS = m2 / f C , f C为时基频率 ,则: n =60 f C m1Pm2。从测量精度上看 ,这种方法在整个转速范围内都有较好的分辨率。转速测量电路如图3.9所示。图3.9转速测量电路3.8 电动机的电流、电压测量电路的设计电压检测采用运算放大器配合光电耦合器件与单片实现接口，直流检测往往存在二个最明显的困难:一是直流测量仪表不便串入电路中;二是直流检测电路与被测电路不能直接耦合 ,否则就会影响被测电路的直流工作点 ,即直流检测的隔离成为问题。而用霍尔传感器检测直流信号可以较好地解决上述困难。UG

22、N23501M霍尔传感器具有高灵敏度、工作温度范围宽( - 2085 )等特点 ,通过实验和分析,找出最佳线性工作状态,且消除了不平衡电压。检测电路以集成AD522 芯片为放大级。设计的直流电流检测电路线性度好,具有较高的准确度。AD522为双端输入,单端输出的测量放大器。具有高输入阻抗、线性度良好等特点。设计的直流电流检测电路线性度为8. 2 %;最大相对误差为 1. 4 % ,它适合于不便直接测量且测量准确度要求较高的场合。设计的直流电流检测系统如3.10图所示。图3.10 直流电流检测电3.9 键盘显示电路的设计键盘显示电路采用了8279专用控制芯片，它具有显示器自动扫描、闭合键的键号自

23、动识别的功能其最大的键盘配置可达64个，最多可接16位显示器，完全满足系统的要求8279与8051接口也十分方便这样简化了电路设计，又提高了单片机的工作效率。具体应用电路如下图。本系统采用了16个按键的配置，即10个数字键和6个功能键。数字键为09，功能键为：-启动停止键，PID-PID参数设置键，SPEED-电机转速设置键，SENTER-设置确认键，P/N-电机正反转控制键，RESET-系统复位键。为了能够精确地显示PID参数、电机转速等系统运行参数，以及你能够详尽地描述系统的启动、制动等运行状态。本系统采用8位8段共阴极LED显示器。LED的位选线由扫描线SL0SL3和段选线经驱动器提供。

24、8279的中断请求信号IRQ经反向器与8051的INT1相连。ALE作为8279的时钟信号直接连到其CLK端由8279设置适当的分频数，分频至100KHz。P0口作为数据线，用于8279写入显示字、控制字以及读回按下键的键值。键盘与显示电路如图3.11所示。图3.11 键盘与显示电路图3.10 故障检测及保护电路设计故障检测及保护电路采用电阻取样的电压、电流保护电路，通过调节电位器RP1、RP2来设定最大的允许电压、电流值。电路中C1、C2接8255的C 口中的PC2、PC3，O端接HEF4752的L控制端。这样保护电路可通过门1输出控制信号的封锁HEF4752输出的PWM控制信号，断开主回路

25、电源。A1、A2接8255的C 口中的PC4、PC5，通过PC4、PC5输入故障信号，用以检测故障类型。故障检测及保护电路如图3.12所示。图3.12 过电流过电压保护电路3.11参数计算3.11.1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/=0.866。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=450V，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3.13所示。图3.

26、13 QCA50A100模块内部结构3.11.2三相整流桥 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。3.11.3 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Si=10%）

27、考虑到电动机和整流变压器存在一定的电感量，取实际的串联电感为100mH。选择两台电感量各为50mH，额定电流不小于6.4A电抗器,串联。3.11.4 直流侧阻容吸收电路 按照晶体管三相桥式整流电路直流侧组容吸收电路参数式进行估算： 其中，选择24uFCZJ系列纸电容。的额定功率取为2W，选择RJ系列金属膜电阻。,选用2CP1G，额定电流0.5A，最高耐压800V。3.11.5 大功率晶体管阻容吸收电路 取电动机起制动电流为额定电流的3倍，即,GRT关断时间，升泵电压 ，则：的耐压值与GRT相同，取为,1000V的电容，阻值为100欧。4软件设计4.1 程序框图及其介绍4.1.1系统主程序主程序

28、框图如图4.1所示。先进行芯片初始化，然后，清系统工作区，开放8051外部中断，启动软件定时器10ms(采样周期)。所以，系统初始化完毕，进入控制循环：显示转速中断服务（和,PI运算，查表求出，）可逆切换程序输出控制量显示转速。 图4.1系统主程序框图4.1.2 转速调节程序转速调节程序即为软件定时器O的中断服务程序，其程序框图如图21所示。在转速调节程序中，完成转速、的采样，进行PI运算，求出频率指令信号，然后查表求得分频系数，。图4.2 转速调节程序框图4.2 部分子程序4.2.1 0809的编程采用软件延时的方法Main: MOV R1, #DATAMOV DPTR, #7FF8HMOV

29、 R7, #08HLOOP: MOVX DPTR, AMOV R6, #0AHDLAY: NOPNOPNOPDJNZ R6,DLAYMOVX A,DPTRMOV R1,AINC DPTRINC R1DJNZ R7,LOOP4.2.2 8253编程计数器工作在方式3MOV DPTR, #7FFFHMOV A,0B6HMOVX DPTR, AMOV DPTR, #7FFFHMOV A, #32HMOVX DPTR, ACLR AMOVX DPTR, A4.2.3 8255编程工作在方式0，A口作为输入，B，C口作为输出 。MOV A,#90HMOV DPTR,#0FF7FHMOVX DPTR, AMOV DPTR,#0FF7CHMOVX A,DPTRMOV