单片机控制的电机交流调速系统设计.doc

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单片机控制的电机交流调速系统设计

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。

在设计中采用交流调速系统，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，HEF4752大规模集成电路，保护电路，Intel系列单片机，Intel8253定时/记数器，Intel8255可编程接口芯片，Intel8279通用键盘/显示器，I/O接口芯片，CD4527比例分频器和测速发电机等组成。

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 MCS-51单片机 HEF4752 8253定时器 晶闸管 整流器三相异步电动机

目录

绪言 3

1交流调速的现状 5

2用单片机控制的交流调速 8

3系统设计的参数 16

4用单片机控制的电机交流调速系统设计 17

4.1调速系统总体方案设计 17

4.2原器件的选择 18

4.3系统主回路的设计以及参数计算 25

4.4单元模块的设计 27

4.4.1转差频率控制原理及调节器的设计 27

4.4.2PWM控制信号的产生及变换器的设计 29

4.4.3光电隔离及驱动电路设计 36

4.4.4故障检测及保护电路设计 36

4.4.5模拟量输入通道的设计 37

4.5系统软件的设计 37

4.5.1程序框图及其介绍 37

4.5.2部分子程序 42

5结束语 44

参考文献 44

致谢 44

附录 45

绪言

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，从上世纪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12—14MW，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6—10KV，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。

1交流调速的现状

随着电力电子技术，计算机技术的不断发展和电力电子器件的更新换代，变频调速技术得到了飞速的发展。

据资料显示，现在有90%以上的动力来源来自电动机。

我国生产的电能60%用于电动机，电动机与人们的生活息息相关，密不可分，所以要对电动机的调速有足够的重视。

我们都知道，动力和运动是可以相互转化的，从这个意义上说电动机也是最常见的运动源，对运动控制的最有效方式是对运动源的控制。

因此，常常通过对电动机的控制来实现运动控制。

实际上国外已将电动机的控制改名为运动控制。

对电动机的控制可以分为简单控制和复杂控制两大类。

简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。

这类控制可以通过继电器，可编程器件和开关元件来实现。

复杂控制是指对电动机的转速，转角，转距，电压，电流等物理量进行控制。

而且有时往往需要非常精确的控制。

以前，对电动机的简单控制的应用较多，但是，随着现代化步伐的前进，人民对自动化的需求也越来越高。

使电动机的复杂控制逐渐成为主流，其应用领域极为广泛。

在军事和雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳的控制等。

工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，绕线机，泵和压缩机，轧机主传动等设备的控制。

计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，绘图仪，打印机，复印机等的控制；音像设备和家用电器中的录音机，数码相机，洗衣机，冰箱空调，电扇等的控制，我们统统称其为电动机的控制。

交流调速控制作为对电动机控制的一种手段。

作用相当明显，这里就不再多做介绍，就交流调速系统目前的发展水平而言，可概括的如下：

（1）已从中容量等级发展到了大容量、特大容量等级。

并解决了交流调速的性能指标问题，填补了直流调速系统在特大容量调速的空白。

（2）可以使交流调速系统具有高的可靠性和长期的连续运行能力，从而满足有些场合不停机检修的要求或对可靠性的特殊要求。

（3）可以使交流调速系统实现高性能、高精度的转速控制。

除了控制部分可以得到和直流调速控制同样良好的性能外，异步电动机本身固有的优点，又使整个系统得到更好的动态性能。

采用数字锁相控制的异步电动机变频调速系统，调速精度可以达到0.002%。

根据异步电动机的转速表达式n=（1-s）60f/p=n0。

可知，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。

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。

保持V1/F1=常数的恒压频比控制方式在忽略定子阻抗压降后可得到V1/F1=C1Φm，式中C1=4.44Kn1N1为常数，因此，在变频时要维持磁通恒定，只要使V1与F1成比例的改变即可。

此时，由公式n0=（1-s）60f1/p得，所以，带负载时转速降落Δn为Δn=sn0=60f1s/p,将异步电动机的转矩公式T=3PU12R¹2/{2SF1П[（R1+R¹2/S）2+（X1+X¹2）2]}近似处理后得，可以导出，由此可见，当为恒值时，对于同一转矩，是基本不变的。

也就是说，在恒压频比条件下改变频率时，机械特性基本是批心平行上下移动的，频率降低，转速下降，太小将限制调速系统的带负载能力，所以在低频时，采用定子压降补偿法来适当的提高电压，以增强带负载的能力。

从而达到比较满意的效果。

保持=常数的恒磁通控制方式对于=常数的控制方式，无法保证最大的转距。

对于要求调速范围的的恒转距负载，则希望在整个调速范围内不变，即使保持恒定。

可采用=常数的恒磁通控制方式。

保持=常数，此时，机械特性曲线形状不变，不同定子频率下的机械特性曲线平行，且最大转距保持不变，但由于异步电动机的感应电动势不好测量和控制，所以在实际应用中，采用电压补偿的方法来达到维持最大转距的目的。

考虑到低频空载时，由于电阻压降减小，应减少补偿量，否则将使电动机中增大，导致磁路过饱和而带来的问题，故与的曲线是折线。

保持=常数的恒功率控制方式变频调速时，在定子频率大于额定频率的情况下，若仍按照上述方法进行控制，则定子电压要高于额定电压，这是不允许的。

所以当在频率超过额定频率时，往往使定子电压不再升高，而保持为额定电压不变，这样一来，气隙磁通就就会小于额定磁通，从而导致转距减少，保持=常数时的恒功率控制方式所要求的电压与频率的协调关系。

可知，，忽略时；。

额定转距（式中为过载倍数），对于恒功率调速，有，可得出，只要满足=常数的条件，即可达到恒功率调速。

恒电流控制方式在变频调速时，保持异步电动机的定子电流为恒值，称为恒流控制方式。

的恒定是通过PI调节器的电流闭环调节作用来实现的。

恒流变频调速与恒磁通变频调速的机械特性基本一样。

都属于恒转距调速，在变频调速时，最大转距是不变的，由于恒流控制限制了，所以恒流时的最大转距要比恒磁通时小得多，使过载能力降低。

因此，这种控制方式只适用于负载不大的场合。

2用单片机控制的交流调速

微处理器（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