嵌入式电机控制系统硬件.docx

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嵌入式电机控制系统硬件

摘要

随着我国工业的日益发展，电机在许多工矿、机械企业得到广泛的应用，本嵌入式电机控制系统是运用单片机控制的变频调速系统，控制对象主要是三相交流电动机，控制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。

系统以AT89C52为控制核心，主要采用变频调速技术，结合所学的单片机技术，实现系统的功能要求。

系统的总体结构主要由主回路，sa4828大规模集成spwm变频器电路，键盘显示电路，光电隔离电路，检测保护电路，驱动电路，串口通信电路。

主要电路芯片由51系列单片机at89c52,Intel8279通用键盘/显示器，SPWM波产生电路SA4828芯片,以及驱动芯片IR2304等。

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，结构清晰，成本大大降低。

关键词AT89C51单片机；SA4828变频器；IR2304；整流器；三相异步电动机

Abstract

WiththeincreasingdevelopmentofChina'sindustry,theelectricalinmanymining,machineryenterpriseshavewideapplication,theembeddedmotorcontrolsystemistousetheSCMControlFrequencyControlSystem,controlisprimarilyaimedatthree-phaseACmotor,controlthinkingUseslipfrequencycontrol,bychangingthespeedcontrolprocedurestoachievetheobjective.

AT89C52forthecontrolsystemtothecore,mainlyVVVFtechnology,integrationofthemicrocontrollertechnology,toachievethefunctionofthesystemrequirements.Theoverallstructureofthemainsystembythemaincircuit,sa4828large-scaleintegratedcircuitspwmconverter,thekeyboardshowcircuit,photoelectriccircuitisolation,detectionprotectioncircuit,drivingcircuit,serialcommunicationcircuits.

Themaincircuitchipfrom51MCUat89c52,Intel8279universalkeyboard/display,SPWMwavegeneratedSA4828circuitchips,anddriverchips,andsoon.

Asthedesignofelectricalpowerdonot,sodonotusecontrolledrectifiercircuits,capacitorsfilter;inverterwiththree-phasepowerinvertertransistor,aclearstructure,thecostmuchlower.

Keywords：

AT89C51SCM;SA4828converter;IR2304;rectifier;three-phaseasynchronousmotor

第1章绪论

1.1课题来源

随着我国工业的日益发展，电机在许多工矿、机械等企业得到广泛的应用，其可分为：

直流电动机、伺服电动机，步进电动机，交流电动机等。

首先是直流电动机，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。

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。

伺服电动机和步进电动机出现的较晚，一般运用于特别精确的自动控制系统中。

交流电动机在1885年出现，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，特别是三相交流电动机，使用范围更加广泛。

但随着经济的发展，现代的工况企业都要求电机的容量大，调速范围宽，启动快速频繁，效率高。

而且要求自动化控制水平高，可视化好的要求，传统的电机控制已经满足不了现代工业的发展要求，虽有专业的可编程器件，但它的成本太高，而且专业性比较强，不容易扩展，有逐渐被嵌入式系统代替的趋势，故本设计采用单片机及外围器件构成嵌入式电机控制系统，具有调速范围，可视化强，基本上达到了现代工业生产上的需要，大大提高了生产效率，成本大大降低。

1.2嵌入式电机控制系统的概述

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。

嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。

硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件和I／O端口、图形控制器等。

软件部分包括操作系统软件（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。

有时设计人员把这两种软件组合在一起。

应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。

嵌入式系统的特点与定义不同，它是由定义中的三个基本要素衍生出来的。

不同的嵌入式系统其特点会有所差异。

与“嵌入性”的相关特点：

由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的环境要求，如物理环境（小型）、电气/气氛环境（可靠）、成本（价廉）等要求。

与“专用性”的相关特点：

软、硬件的裁剪性；满足对象要求的最小软、硬件配置等。

与“计算机系统”的相关特点：

嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。

与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路。

另外，嵌入式设备与嵌入式系统不同，不要与之相混淆。

嵌入式设备是指内部有嵌入式系统的产品、设备，例如，内含单片机的家用电器、仪器仪表、工控单元、机器人、手机、PDA等。

嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，然而，微型计算机的体积、价位、可靠性都无法满足广大对象系统的嵌入式应用要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路。

这条道路就是芯片化道路。

将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。

在探索单片机的发展道路时，有过两种模式，即“Σ模式”与“创新模式”。

“Σ模式”本质上是通用计算机直接芯片化的模式，它将通用计算机系统中的基本单元进行裁剪后，集成在一个芯片上，构成单片微型计算机；“创新模式”则完全按嵌入式应用要求设计全新的，满足嵌入式应用要求的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式、管理模式等。

Intel公司的MCS-48、MCS-51就是按照创新模式发展起来的单片形态的嵌入式系统（单片微型计算机）。

MCS-51是在MCS-48探索基础上，进行全面完善的嵌入式系统。

历史证明，“创新模式”是嵌入式系统独立发展的正确道路，MCS-51的体系结构也因此成为单片嵌入式系统的典型结构体系。

单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。

SCM即单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。

“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。

在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。

MCU即微控制器（MicroControllerUnit）阶段，主要的技术发展方向是：

不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。

它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。

从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。

在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。

Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。

因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。

单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。

随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。

因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。

嵌入式系统（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。

（5）可以提供人机界面，多机连网工作。

用工业控制计算机可谓功能强大，它有极高的速度，很强的运算能力和接口功能，方便的软件功能，但是由于成本高，体积过大，所以只用于大型的控制系统，可编程控制器则恰好相反，它只能完成逻辑判断，定时，记数和简单的运算，由于功能太弱，所以它只能用于简单的电动机控制。

在民用生产中，通常用介于工控机和可编程控制器之间的单片机作为微处理器。

本次设计就是用单片机作为电动机的控制器。

1.3本文完成的主要工作

本文的嵌入式电机控制系统设计主要采用单片机控制变频器来实现其变频调速，通过单片机外围芯片来实现对主电路进行键盘显示，检测、保护，通信等功能，其完成的主要工作有：

（1）电机控制方案的选择

（2）硬件电路的设计

（3）主电路参数的计算

（4）元器件的选择

（5）键盘显示的设计

（6）电压电流的检测和保护电路的设计

（7）部分软件程序的设计

第2章嵌入式电机控制系统设计方案设计

2.1嵌入式电机调速系统

2.1.1嵌入式电机控制方式的选择

嵌入式电机控制的转速控制由异步电动机的转速表达式：

由上式可知电机控制的转速控制有三种方法：

改变转差率调速，改变频率调速，改变极对数调速。

本次设采用的是改变频率调速方法，即变频调速，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。

其又可分为以下2种：

转速开环恒压频比控制和转差频率闭环控制。

在本次设计中所用到的控制方式是用转差频率闭环控制，转速开环恒压频比调速系统虽然结构简单，异步电动机在不同的频率下都能够获得较硬的机械特性曲线，但是不能保证必要的调速精度；而且在动