多功能控制电机设计.docx

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多功能控制电机设计

目录

摘要2

Abstract2

交流电动机基本结构及工作原理3

三相异步电动机的构造3

三相异步电动机的工作原理4

智能控制8

电动机多功能控制系统组成8

电机保护智能监测系统8

缺相和相间电流不平衡监测8

漏电闭锁10

过载（过流）保护12

智能保护系统结构13

系统组成总体结构14

晶振电路15

复位电路15

温度传感器电路16

速度传感器17

电流传感器17

电压传感器18

主电路设计18

传感器到中控系统的概念图18

参考文献20

致谢21

摘要

针对当今劳动力日益减少的现状，多功能电机控制方法可以减少大量的劳动力的投入，多功能电机控制可以提高生产效率，从而操作方便，减少危险工作环境下生命安全的威胁。

本设计主要通过对电机的远程控制进行操作和及时了解电机的工作状态。

并进行调试和检测。

它具有一定的应用价值。

关键词：

控制；检测；调试

Abstract

Tothecurrentsituationoflaborisdecreasing,intelligentmotorcontrolmethodcanreducetheamountoflaborinputuse,withthepartyandthecountryproposedthecreationofinnovativesociety.Intelligentmotorcontrolcanimproveproductivity,convenientoperation,reducestaffhazardousworkingenvironmentandlifesecuritythreats.

Thisdesignmainlythroughremotecontrol,motorcontrol,sensorfeedbacksignal,ACrelaytooperateandtimelyunderstandingoftheoperatingconditionofthemotoronthemotor.Andtheoverallinstallationdebuggingandtesting.Thisworkhaspracticalsignificanceandimportantvalueofproduction.

Keywords:

Remotecontrol;control；check；debbug

交流电动机基本结构及工作原理

实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。

电机是利用电磁感应原理实现电能与机械能的相互转换。

把机械能转换成电能的设备称为发电机，而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。

在生产上主要用的是交流电动机，特别三相异步电动机，因为它具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点。

它被广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。

三相异步电动机的构造

三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。

此外还有端盖、风扇等附属部分，如图5-1所示。

图5-1三相电动机的结构示意图

三相异步电动机的定子由三部分组成：

定子

定子铁心

由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片内圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放定子三相绕组AX、BY、CZ。

定子绕组

三组用漆包线绕制好的，对称地嵌入定子铁心槽内的相同的线圈。

这三相绕组可接成星形或三角形。

机座

机座用铸铁或铸钢制成，其作用是固定铁心和绕组

转子

三相异步电动机的转子由三部分组成：

转子

转子铁心

由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片外圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放转子三相绕组。

转子绕组

转子绕组有两种形式：

鼠笼式--鼠笼式异步电动机。

绕线式--绕线式异步电动机。

转轴

转轴上加机械负载

基本原理

三相异步电动机的工作原理

图5-2三相异步电动机工作原理

当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式导体切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。

感应电流又使导体受到一个电磁力的作用，于是导体就沿磁极的旋转方向转动起来，这就是异步电动机的基本原理。

结论：

定子绕组通过三相交流电后，产生同步旋转磁场，切割转子绕组并在转子绕组内感应出转子电流；该电流与磁场相互作用，产生电磁转矩，带动转子旋转。

只有转子转速与磁场转速不一致时，才能产生转矩，转子才能转动。

旋转磁场

产生

图5-3表示最简单的三相定子绕组AX、BY、CZ，它们在空间按互差1200的规律对称排列。

并接成星形与三相电源U、V、W相联。

则三相定子绕组便通过三相对称电流：

随着电流在定子绕组中通过，在三相定子绕组中就会产生旋转磁场（图5-4）。

图5-3三相异步电动机定子接线

当t=00时，

，AX绕组中无电流；

为负，BY绕组中的电流从Y流入B1流出；

为正，CZ绕组中的电流从C流入Z流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（a）所示。

当t=1200时，

，BY绕组中无电流；

为正，AX绕组中的电流从A流入X流出；

为负，CZ绕组中的电流从Z流入C流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（b）所示。

当t=2400时，

，CZ绕组中无电流；

为负，AX绕组中的电流从X流入A流出；

为正，BY绕组中的电流从B流入Y流出；

可见，当定子绕组中的电流变化一个周期时，合成磁场也按电流的相序方向在空间旋转一周。

随着定子绕组中的三相电流不断地作周期性变化，产生的合成磁场也不断地旋，因此称为旋转磁场。

图5-4

旋转磁场的方向

旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。

这时，转子的旋转方向也跟着改变。

三相异步电动机的极数与转速

极数（磁极对数p）

三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。

旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。

当每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差1200空间角时，产生的旋转磁场具有一对极，即p=1；

当每相绕组为两个线圈串联，绕组的始端之间相差600空间角时，产生的旋转磁场具有两对极，即p=2；

同理，如果要产生三对极，即p=3的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的三个线圈，绕组的始端之间相差400（=1200/p）空间角。

极数p与绕组的始端之间的空间角的关系为：

转速n

三相异步电动机旋转磁场的转速n0与电动机磁极对数p有关，它们的关系是：

（5-1）

由（5-1）可知，旋转磁场的转速n0决定于电流频率f1和磁场的极数p。

对某一异步电动机而言，f1和p通常是一定的，所以磁场转速n0是个常数。

转差率s

电动机转子转动方向与磁场旋转的方向相同，但转子的转速n不可能达到与旋转磁场的转速n0相等，否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因而磁力线就不切割转子导体，转子电动势、转子电流以及转矩也就都不存在。

也就是说旋转磁场与转子之间存在转速差，因此我们把这种电动机称为异步电动机，又因为这种电动机的转动原理是建立在电磁感应基础上的，故又称为感应电动机。

旋转磁场的转速n0常称为同步转速。

转差率s——用来表示转子转速n与磁场转速n0相差的程度的物理量。

即：

（5-2）

当旋转磁场以同步转速n0开始旋转时，转子则因机械惯性尚未转动，转子的瞬间转速n=0，这时转差率S=1。

转子转动起来之后，n>0，（n0-n）差值减小，电动机的转差率S<1。

如果转轴上的阻转矩加大，则转子转速n降低，即异步程度加大，才能产生足够大的感受电动势和电流，产生足够大的电磁转矩，这时的转差率S增大。

反之，S减小。

异步电动机运行时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。

在额定工作状态下约为0.015~0.06之间。

根据式（4-2）,可以得到电动机的转速常用公式

三相异步电动机的定子电路与转子电路

三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。

给定子绕组接上三相电源电压，则定子中就有三相电流通过，此三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而闭合，这个磁场在转子和定子的每相绕组中都要感应出电动势。

智能控制

电动机多功能控制系统组成

本设计主要应用于工厂，设计思想主要通过监测系统对电机状态进行监控，对于电机可能出现的问题，加上传感器，及时监控电机运行状态，通过与单片机，DSP控制，一有报警信号就进行应急切断。

及时保护电机。

电机保护智能监测系统

故障种类及保护：

引起电动机烧毁的主要原因是电流型故障，常见的有过载，缺相，电流不平衡，短路，漏电等。

缺相和相间电流不平衡监测

三相异步电动机缺相运行时，电动机会有不正常的振动和响声，若不及时切断电源，电动机的温升将过高或有臭味、冒烟，最终烧毁电动机，因此电动机缺相保护十分重要。

三相电动机缺相运行时，因所带负荷不变，势必会使绕组电流增大，增加发热时间一长会使电动机烧损。

所谓三相异步电动机缺相运行，是指三相供电电源少一相或电动机三相绕组中有一相从电源断开而造成的一种电动机运行的状态，也叫断相运行、双相运行或单相运行。

根据统计，三相异步电动机绕组烧毁事故，占70%是由于电动机缺相运行所造成的。

在负载功率相同的情况下，缺相运行电流比三相运行电流高一倍左右，此时电动机处于过载状态，若不及时处理，电动机绕组就会烧坏，如果电动机在启动前就有一相断路，在接通电源后会发出嗡嗡声而不能启动，此时必须立即切断电源，否则也会烧坏电动机。

对于三相异步电动机，其正常运行时必须采用三相供电，而缺相是电动机正常运行的大忌，造成电动机缺相主要有以下的情况。

（1）电源缺相，由于供电线路故障，电源在到达电动机保护线路前，就已少一相或两相，它可造成电动机无法启动或启动运转异常。

（2）配电变压器高端侧或低端侧一相断电（熔断器一相熔断）造成电动机缺相运行，在这种情况下，由该变压器供电的所有电动机都会缺相运行。

（3）保护线路造成缺相，保护线路中的控制开关、接触器、继电器等的电器触点氧化、烧伤、松动、接触不良等现象造成缺相。

（4）接线端子触点氧化造成接触不良，电机定子三相绕组中一相绕组断开，从而造成电动机运行缺相。

（5）闸刀开关上的熔体没有拧紧，或拧得太紧（将熔体端头压断），熔体出现浮体现象。

当通过电流稍大时，熔体便会熔断，造成电动机缺相运行。

此外，熔断器选择不合适，有一相因为熔体选择偏小而熔断，也会造成电动机缺相运行。

（6）电动机某处接地或断路，出现局部过热现象，将导线熔断，导致电动机缺相运行。

缺相保护电路设计

电动机缺相运行时，电动机会有不正常的振动和响声，这种情况容易被发现。

而当电动机在运行中发生缺相时，往往不易被发现，以致产生过流，而将电动机烧坏。

因此设计一种简单可靠的电动机运行缺相保护装置是非常必要。

传统的缺相保护电路由继电器、接触器构成，线路复杂、体积比较大而且可靠性较差，用户使用一段时间后，由于线路故障，甚至因维修困难而放弃使用，而且维修成本也比较高。

根据多年的工作实践、经验的积累、不断的尝试，设计出这套简单实用三相异步电动机缺相运行保护电路（如图1），保护电路其动作工作原理如下：

1）如图1所示，电动机起动时，首先将QS闭合，此时按下起动按钮开关SB1,如果此时L1相无电（即L1缺相），KM线圈没电，KM主触头将不会闭合，那么电动机就不会起动，且无任何响动。

如果是L2或L3相缺相，电动机将无法正常运行，因为SB1为按钮起动开关，仅是在电动机起动时起作用，操作人员也不可能长按SB1开关按钮很长时间。

如L2或L3相缺相，操作人员可以根据现场的情况发现电动机缺相运行，因电动机缺相运行时，会有不正常的振动和响声，这时操作人员只要放开按钮SB1，即可以停止给电动机供电。

2）如图1所示，电动机在运行中，保护电路从电动机接线端子提取各相电信号，经变压器T1、T2、T3降压后，经由VD1、VD2、VD3以及C1、C2、C3整流滤波后加到各自的稳压电路中，此时电路已将三相交流电变成三个逻辑信号并进入三输入与非门电路，在图1中

。

在

式中，当L1相有电时，A的逻辑值为1，L1相无电时，A的逻辑值为0；当L2相有电时，B的逻辑值为1,L2相无电时，B的逻辑值为0；当L3相有电时，C的逻辑值为1，L3相无电时，C的逻辑值为0。

根据

，只有当A=B=C=1时，Y=0,V晶体管饱和导通，K继电器线圈得电，触头K1将吸合，电动机正常运行。

当任意一相失电时，根据

，即Y=1。

当Y=1时，V晶体管将会截止，继电器K线圈无电压流过，K1将断开，这时KM主接触器断开，三相异步电动机供电线路全部断开，电动机立即停止工作。

以上就是这套三相异步电动机缺相运行保护电路的工作原理。

漏电闭锁

漏电闭锁指电缆在停电状态出现漏电故障时,接触器不得闭合,电动机不能起动。

漏电闭锁保护采用电压鉴别检测信号,一旦出现漏电现象,液晶屏幕将显示实际绝缘值

此系统采用DSP（数字信号处理器），是一种特殊的微处理器。

采用特殊的DSP指令，可以快速实现各种数字信号处理器算法。

该处理器特有的稳定性，集成度高，可重复性，特别是可编程性特点。

本系统故障检测信号取决于电动机三相线电压和电流，共有8路模拟输入信号其中三路用语线电流检测，三路用语电压检测和反映漏电阻值。

利用电流互感器检测三相异步电动机的三相电流，以A相电流检测为例，如下图利用电流互感器检测A相绕组通过的电流信号。

B,C两相电路与A相相同。

A相电流经过提升电路处理后变成正的电压信号，，再经降压。

滤波电路处理最后得到正直电流，最终送给DSP.

交流电流检测各点波形如下图

其中Uia为电流传感器输出的电压波形，其中Uib为放大且偏置后的输出电压波形。

利用电压互感器检测三相异步电动机的三相电压，以其中A相电压的检测电路为例如下图，B,C两相电路与A相电路相同

。

A相电压经过提升电路处理后变成正的电压信号，再经降压，滤波电路电路处理最后得到正直电压，最终送至DSP.

A相电压经过采样电压波形图如下图曲线所示，其中曲线1是输入的A相电压，曲线2是经过提升后的电压波形，4是最终得到的脉冲电压信号

送电前的保护称为漏电闭锁，首先通过漏电闭锁检测电路检测电缆绝缘状况，然后由CPU根据情况发送（获不发送）供电命令。

Co，r分别为各相的对地电容，绝缘电阻，Lsk为三相电抗器，R为限流电阻，Rs为取样电阻，C为隔直电容，U为外加直流电源

电网正常运行时，可实现对电网绝缘电阻的连续监测；与开关配合时，当人身或发生绝缘下降故障，迅速切掉电源。

过载（过流）保护

电动机过载是指其运行电流超过其额定电流的1.2倍以上。

当电动机发生过载或者过流时，热继电器就会断开，此时触电动作，报警灯闪烁，同时继电器KA得电，K1动作经过模块（MD）传到单片机，再由单片机到显示屏，这样就可以实现监控和保护的作用。

智能保护系统结构

为了实时准确的对大功率电机的运行状态进行监控，设计了基于传感器、A/D转换器、Windows操作系统的实验平台。

通过传感器检测电机运行状态参数数据如电流、温度、转速等，经过调理后通过A/D转换器传输到单片机，DSP。

单片机，DSP软件系统以C语言为开发工具，基于Windows操作系统，实现对检测数据的分析和处理。

该系统能够实现对电机参数的自动在线监测和记录，实现了对检测数据的特征提取、融合和实时显示等功能，在精度和实时性方面满足要求。

对于漏电闭锁那一块则采用DSP控制系统，利用电压电流互感器得到数据最后传输到计算机。

系统框图如下

系统组成总体结构

首先是对于速度的采集，AT89S51单片机接收霍尔传感器传来的脉冲信号,单片机根据外部中断,以及内部定时器进行记数计算出电机转速送到LED显示，同时数据传给计算机,并在计算机屏幕上显示出来。

然后是是对于绕组的温度、定子电流电压的采集。

同速度一样，AT89S51单片机接收传感器传来的脉冲信号，单片机据外部中断，以及内部定时器进行技术将计算出的数值送到LED显示，同时将数据通过网络传送给计算机，并在计算机屏幕上显示出来。

信号的采集处理这个模块，霍尔传感器对于速度的采集，电流互感器、零序电流互感器，温度传感器对于电压、电流、温度的采集。

将霍尔传感器产生的脉冲信号输出入到单片机的外部中断0口，单片机工作在内部定时器工作方式0，对周期信号进行内部记数，调用计算公式算出转速。

晶振电路

晶振电路的主要作用是向显卡、网卡、主板等配件的各部分提供基准频率，在电路产生震荡电流,发出时钟信号；复位电路是使单片机的CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，霍尔传感器、电压传感器、电流传感器、温度传感器分别将电机的速度信号、电压信号、电流信号、温度信号通过A/D转换器传输给单片机；计算机对参数进行采集和分析，最终完成数据的处理、存储、融合、显示等操作；电机运动显示电机的运行状况；LCD显示表示出参数的具体数值

AT89S51引脚XTAL1和XTAL2与晶体振荡器及电容C2、C1按图所示方式连接。

晶振、电容C2／C3及片内与非门（作为反馈、放大元件）构成了电容三点式振荡器，振荡信号频率与晶振频率及电容C1、C2的容量有关，但主要由晶振频率决定，范围在0～33MHz之间，电容C2、C3取值范围在5～30uF之间。

电容取值为10uF。

复位电路

单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，单片机刚开始接上

电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。

该电路在最简单的复位电路下增加了手动复位按键，在接通电源瞬间，电容C1上的电压很小，复位下拉电阻上的电压接近电源电压，即RST为高电平，在电容充电的过程中RST端电压逐渐下降，当RST端的电压小于某一数值后，CPU脱离复位状态，由于电容C1足够大，可以保证RST高电平有效时间大于24个振荡周期，CPU能够可靠复位。

增加手动复位按键是为了避免死机时无法可靠复位。

当复位按键按下后电容C1通过R5放电。

当电容C1放电结束后，RST端的电位由R11与R15分压比决定。

由于R11<

R11的作用在于限制按键按下瞬间电容C1的放电电流，避免产生火花，以保护按键触电。

温度传感器电路

温度传感器采用智能温度传感器DS18B20，大大减弱了传统模拟信号在传输过程中衰减、干扰问题的影晌。

使测试系统具有更好的可靠性和精度。

1DQ为数字信号输入/输出端；

2GND为电源地； 

3VDD为外接供电电源输入端

速度传感器

速度传感器电路，由于红外光不可见，无法用肉眼识别发光信号是否在工作，故将红外线的输出回路串接了一个普通光电二极管作为判别光源发生回路是否为通路。

所选用的红外二极管IR3401，在正向工作电流为20mA时,其导通电压为1.2—1.5V,所选用的发光二极管的正向压降一般为1.5—2.0V,电流为10—20mA。

R的计算公式为：

R1=（12V-Ud1-Ud2）/I1

电流传感器

被测电流In流过导体产生的磁场，由通过霍尔元件输出信号控制的补偿电流Iu流过次级线圈产生的磁场补偿，当原边与副边的磁场达到平衡时，其补偿电流Iu即可精确反映原边电流In值。

闭环霍尔电流传感器主要有以下特点：

1、可以同时测量任意波形电流，如：

直流、交流、脉冲电流；

2、副边测量电流与原边被测电流之间完全电气隔离，绝缘电压一般为2kV～12kV；

 3、电流测量范围宽，可测量额定1mA～50kA电流；

 4、跟踪速度di/dt>50A/μs；5、线性度优于0.1％IN；

   6、响应时间<1μs；7、频率响应0～100kHz

电压传感器

被测电压Vp流过导体产生的磁场，由通过霍尔元件输出信号控制的补偿电流Iu流过次级线圈产生的磁场补偿，当原边与副边的磁场达到平衡时，其补偿电流Iu即可精确反映原边电压Vp值。

主电路设计

传感器到中控系统的概念图

此电路设计概括上述内容，主要是实现本地启动，遥控启动，通过继电器动作控制电机启停，利用传感器反馈信号进行数据传输到模块，由模块再传递到中控系统。

中控系统主要是由单片机，DSP，计算机等系统组成。

控制细想主要是:

本地启动主要是在电动机附近设计开关，主要是用来调试作用。

遥控启动则实现了远程控制，利于控制复杂环境下及时的对电机进行启停。

本论文提到了多种传感器，利用传感器反馈信号及时了解电机运行状态，反馈到的信号进过单片机，DSP信号处理送到中控的计算上。

可以在中控室就可以了解和控制电动机。

主电路图截图

主电路设计图

参考文献

1电气设备控制与维修技术机械工业出版社2008年9月

2自动控制系统----工作原理，性能分析与系统调试/孔凡才2009年4月

3单片机原理与应用项目中国建材工业出版社2013年7月

4电力电子技术高等教育出版社2010年8月

5芮延年.传感器与检测技术.苏州大学出版社,2005年

6三相异步电动机原理中国百科网2013年11

致谢

我这次的设计能顺利完成，得益于老师和同学们的指导和帮助，在这里，我对他们的热心表示诚挚的谢意。

衷心感谢指导教师缪俊华老师在这几个月来的悉心指导与督促，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，他给了我耐心的指导和无私的帮助。

最后，自己之所以能顺利完成，还是要感谢还是自己的父母，如果没有他们每日辛苦的劳动与从小对我学习有着严格要求和培养我严格做人做事的态度，正是他们的养育和教导，才有了今天的我现在的成绩。