基于单片机控制的交流调速系统设计1.docx

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基于单片机控制的交流调速系统设计1

基于单片机控制得交流调速系统设计

摘要

单片机控制得变频调速系统设计思想就是用转差频率进行控制.通过改变程序来达到控制转速得目得。

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.系统得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得可靠性有了保障。

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

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得发展阶段.其间,由于各种新型电力电子器件得支持，使变频调速在低压（380V）、中小容量（200kW以下）方面取得了较大得进展。

但就是面对高压（6～10kV）中大容量领域，由于电力电子器件自身规律得限制,变频调速在技术上遇到了很大困难，无论就是“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。

从理论上瞧,高压变频所面临得问题就是违反电力电子器件客观规律得结果,因为目前几乎所有得电力电子器件，其材料、工艺机理都决定了其属性就是低压大电流得。

尽管如此,高压变频得势头仍有增无减，除了客观市场需求得拉动以外（诸如高压中大容量得风机泵类节能）,主要就是“变频调速就是唯一得最佳交流调速”理论导向得结果。

根据近代交流调速理论,交流调速被划分为变频、变极与变转差率三种方案，在缺乏科学分析得条件下,认定变转差率调速就是低效率得,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得转差率，因而变频调速具有高效率、宽范围与高精度得调速性能。

可以认为，变频调速就是交流电动机得一种比较合理与理想得调速方法。

”

随着电力电子技术、微电子技术与自动控制理论得发展,交流调速技术也有了日新月异得变化。

可调速得高性能交流电力拖动系统在工业上得应用也越来越广。

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得重大技术进步之一。

其发展速度之快、应用覆盖范围之广都就是前所未有得。

而且应用实践表明，采用现代交流调速技术极大得提高了传动系统得运行质量,同时,带来了巨大得经济与社会效益。

第1章交流调速系统得概述

1、1交流调速得基本原理

本文以地毯背涂机为例叙述在地毯制造业上得应用.

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；

　　变频调速就是通过改变电机定子绕组供电得频率来达到调速得目得.常用三相交流异步电动机得结构为图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,在定子与转子之间得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。

电机磁场得转速称为同步转速,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。

转子得实际转速n比磁场得同步转速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;起动后得极端情况n=，则s=0，即s在0～1之间变化。

一般异步电机在额定负载下得s=（1～6）%。

综合式（1—1）与式（1—2）可以得出

（1—3）

　　由式（1-3）可以瞧出，对于成品电机，其磁极对数p已经确定,转差率s变化不大，则电机得转速n与电源频率f成正比,因此改变输入电源得频率就可以改变电机得同步转速,进而达到异步电机调速得目得.

1、2交流调速得特点

对于可调速得电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统与交流调速系统两类。

这主要就是根据采用什么电流制型式得电动机来进行电能与机械能得转换而划分得，所谓交流调速系统,就就是以交流电动机作为电能—机械能得转换装置,并对其进行控制以产生所需要得转速.

交流调速系统与直流调速系统相比较,具有如下特点：

1、容量大这就是电动机本身得容量所决定得.直流电动机得单机容量能达到12-14MW,而交流电动机得容量却远远得高与此数值.

2、转速高，而且耐压直流电动机受到换向器得限制，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。

这使得交流电动机得调速系统具有耐高压，转速高得特点。

3、交流电动机本身得体积,重量，价格比同等容量得直流电动机要小,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得一大优点。

4、交流电动机得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,如工厂里得酸洗车间,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得环境下不至于损坏。

5、由于高性能,高精度，新型调速系统得出现与不断发展，交流拖动系统已达到同直流拖动系统一样得性能指标，越来越广泛得应用于国民经济得各个生产领域。

6、交流调速装置能显著得节能。

工业上大量使用得风机,水泵，压缩机类负载都就是靠交流电动机拖动得，这类装置得用电量占工业用电量得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。

大量得电能被白白得浪费掉,如果采用交流电动机调速系统来改变风量或流量得话，效率就会大大得提高,从各方面来瞧，改造恒速交流电动机为交流调速电动机,有着可观得能源效益。

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，几乎所有得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得研究,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，制动与有级调速得目得.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得有级调速都还处于开发得阶段。

交流调速缓慢得主要原因就是决定电动机转速调节主要因素得交流电源频率得改变与电动机得转距控制都就是非常困难得,使交流调速得稳定性,可靠性，经济性以及效率均不能满足生产要求。

后来发展起来得调压,调频控制只控制了电动机得气隙磁通,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得转距。

第2章交流调速系统得硬件设计

2、1转差频率控制原理:

当稳态气隙磁通恒定时。

异步电机得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,电机得电磁转矩T与成正比.这时只要控制转差频率就能控制转矩T,从而实现对转速得控制。

若要使转差频率较小，只要有提供异步电动机得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）

因此若,按照上述规律变化，则恒定，即恒定。

转差频率控制策略就是：

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得输出就是转差频率给定值,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；加法器对转差频率与转速信号求与得到变频器得输出频率.从而实现三相异步电机变频调速。

2、2系统设计得参数

对一台三相异步电动机调速系统进行设计。

异步电动机得参数:

，,,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、2-51HZ），无级调速，静差率。

根据对象参数，完成各功能单元得结构设计，参数计算。

2、3用单片机控制得电机交流调速系统设计

2、31调速系统总体方案设计

转速开环恒压频比得调速系统,虽然结构简单，异步电动机在不同频率小都能获得较硬得机械特性但不能保证必要得调速精度，而且在动态过程中由于不能保持所需得转速,动态性能也很差，它只能用于对调速系统得静,动态性能要求不高得场合.如果异步电动机能象直流电动机一样,用控制电枢电流得方法来控制转矩，那么就可能得到与直流电动机一样得较为理想得静,动态特性。

转差频率控制就是一种解决异步电动机电磁转矩控制问题得方法，采用这种控制方案得调速系统,可以获得与直流电动机恒磁通调速系统相似得性能。

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逆变器与中间直流电路等组成，都就是电压源型得,采用大电容C1滤波，同时兼具无功功率交换大得作用。

为了避免大电容在合上电源开关后通电得瞬间产生过大得充电电流,在整流器与滤波电容间得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、32元器件得选用

1、8255得资料

8255就是可编程得并行I/O接口芯片,它具有3个8位得并行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得中间接口电路。

8255得引脚图如图2-3所示。

由图可知，8255共有40个引脚,各引脚功能如下：

图2-38255引脚图

2、ADC0809得资料

ADC0809就是一种逐次逼近式8路模拟输入，8位数字量输出得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2-4ADC0809引脚图

3、SA8282得资料

SA8282就是MITEL公司推出得一种用于三相SPWM波发生与控制得集成电路，它与微处理器接口方便，内置波形ROM及相应得控制逻辑，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得干预,微处理器只用很少得时间控制它，因而有能力进行整个系统得检测、保护与控制等。

基于SA8282与89C51得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2-5SA8282得引脚排列图

4、AT89C51得资料

AT89C51就是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）得低电压，高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机.AT89C2051就是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器得单片机。

单片机得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,与工业标准得MCS—51指令集与输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU与闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL得AT89C51就是一种高效微控制器，AT89C2051就是它得一种精简版本。

AT89C51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得方案。

外形及引脚排列如图2—6所示

图2—6AT89C51得管脚排列图

2、33系统主回路得设计以及参数计算

1、主回路得结构

系统