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： 自动化 姓 名： 学 号： 指导教师： 评阅意见： 指导老师签名： 日期： 2014年 月 日 运动控制课程设计任务书学生姓名专业班级自动化 学号题 目基于单片机转差频率的交流调速系统课题性质课程设计课题来源自拟题目指导教师主要内容（1） 对一台三相异步电动机调速系统进行设计。异步电机的参数：Pn=2.2KW,nN=1440r/min,US=380V,接线,IN=4.8A（2） 采用转差频率控制方法，有单片机组成核心。调速范围（2.2-51HZ），无级调速，静差率S5%。根据对象参数，完成各功能单元的结构设计，参数计

2、算任务要求（1） 画出单元电路图，说明工作原理，给出系统参数计算过程。（2） 对项目设计结果进行分析。（3） 画出整体电路原理图，图纸,元件符号及文字符号符合国家标准（4） 课程设计说明书应要个统一格式打印，资料齐全主要参考资料1 张和生电机学系统理论D 太原：太原理工大学，19982 刘家钰,齐春松. 电厂风机(泵)变频调速技术经济分析a. 电厂高压电动机变频调速装置c. 中国电力技术协会,中国电力器乐联合会科技服务中心4 罗春民.我国变频调速技术的发展概况J.广东科技，2007,(04)5 陈伯时.运动控制系统.机械工业出版社摘 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

3、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；三相异步电动机目录引言51交流调速系统的概述51.1 交流调速的基本原理51.2 交流调速的特点72 交流调速系统的硬件设计72.1 转差频率控制原理72.2 用单片机控制的电机

4、交流调速系统设计92.2.1 调速系统总体方案设计92.2.2元器件的选用102.2.3 系统主回路的设计以及参数计算122.2.4 SPWM控制信号的产生162.2.5光电隔离及驱动电路设计182.2.6故障检测及保护电路设计192.2.7 模拟量输入通道的设计203 系统软件的设计203.1 主程序的设计203.2 转速调节程序213.3 增量式PI运算子程序223.4故障处理程序233.5 部分子程序243.51 ADC0809的编程243.52 8255的编程25设计心得26参考文献27IV引言自上个世纪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

5、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。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

6、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。1交流调速系统的概述1.1 交流调速的基本原理图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1-1所示。定子由铁心及绕组构成，转子绕组做成笼型，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

7、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，=3000r/min；p=2时，=1500r/min。可见磁极对数p越多，转速越慢。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；起动后的极端情况n=，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

8、合式（1-1）和式（1-2）可以得出 （1-3）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。1.2 交流调速的特点(1) 调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。  (2) 调速范围较大，精度高。  (3) 起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。  (4) 变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。  (5) 易于实现过程自动化。 &#

9、160;(6) 必须有专用的变频电源，目前造价较高。  (7) 在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。2 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，而励磁电流与定子电流

10、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转速信号求和得到变

11、频器的输出频率。从而实现三相异步电机变频调速。2.2 用单片机控制的电机交流调速系统设计2.2.1 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

12、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，L失去限流作用，使电路正常供电。2.2.2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

13、。8255的引脚图如图2-3所示。图2-3 8255引脚图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图2-4 ADC0809引脚图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SA8

14、282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4. AT89C51的资料AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。外形及引脚排列如图2-6所示 图2-6 AT89C51的管脚排列图2.2.3 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）

15、 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。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

16、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

17、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。为线性调节区，当时，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2-9 控制结构框图和曲线图2.2.4 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

18、。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，并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波，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频率为的三角载波分别送到三个独立的

19、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，以为例，当时，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；当时，为低电平，V1截止，V4导通，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,，这样输出总是跟随者指令电压

20、变化。在模拟电子电路中，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数据通过P0口向SA8282的AD口传送数据，使SA8282输出相

21、应的脉冲波，从而达到转差频率控制电动机的交流调速。2.2.5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2-12 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2.5，可驱动50A以下的逆变器，其内部电路如图2-13所示。2.2.6故障检测及保护电路设计故障检测及保护电路如图2-14所示，该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

22、许电压、电流值。电路中C1、C2接8255的C 口中的PC2、PC3，O端接SA8282的CLK。图2-13 过电流，过电压保护电路控制端这样保护电路可通过门1输出控制信号的封锁SA8282输出的PWM控制信号，断开主回路电源。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。2.2.7 模拟量输入通道的设计由于本次设计中选用的AT89C51单片机没有模数转换器所以需要在外部电路中加上模数转换电路。经过考虑选用的是ADC0809芯片。它能完成8路模拟量的转换，为了削弱反馈信号中的交流分量，在需在反馈信号输入前加一RC滤波电路，取，对应的时间常数为

23、。3 系统软件的设计3.1 主程序的设计主程序框图如图3-1所示。先进行芯片初始化，然后，清系统工作区，开放89C51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：测速中断服务（,和,运算，查表求出）可逆切换程序输出控制量测速。 图3-1 系统主程序框图3.2 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3-2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3-2 转速调节程序框图3.3 增量式PI运算子程序增量式PI运算子程序框图如图3-3所示，它包括按图所示控制曲线计算转差频率增量, 由求出转差频率控制量，再由求出频率指令信号,再由AT89C51单片机向SA8282发出调频指令。 图3-3 增量式PI运算子程序框图3.4故障处理程序故障处理程序即为89C51外部中断