基于单片机控制的交流调速系统设计论文本科学位论文.docx

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基于单片机控制的交流调速系统设计论文本科学位论文

基于单片机转差频率控制的交流调速系统设计

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。

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

前　言1

第1章交流调速系统的概述4

1.1交流调速的基本原理4

1.2交流调速的特点5

第2章交流调速系统的硬件设计7

2.1转差频率控制原理：

7

2.2系统设计的参数7

2.3用单片机控制的电机交流调速系统设计7

2.3.1调速系统总体方案设计7

2.3.2元器件的选用9

2.3.3系统主回路的设计以及参数计算12

2.3.4SPWM控制信号的产生15

2.3.5光电隔离及驱动电路设计17

2.3.6故障检测及保护电路设计18

2.3.7模拟量输入通道的设计18

第3章系统软件的设计19

3.1主程序的设计19

3.2转速调节程序19

3.3增量式PI运算子程序20

3.4故障处理程序21

3.5部分子程序22

3.5.1AD0809的编程22

3.5.28255的编程23

结论23

参考文献23

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的发展阶段。

其间，由于各种新型电力电子器件的支持，使变频调速在低压（380V）、中小容量（200kW以下）方面取得了较大的进展。

但是面对高压（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。

尽管如此，高压变频的势头仍有增无减，除了客观市场需求的拉动以外（诸如高压中大容量的风机泵类节能），主要是“变频调速是唯一的最佳交流调速”理论导向的结果。

根据近代交流调速理论，交流调速被划分为变频、变极和变转差率三种方案，在缺乏科学分析的条件下，认定变转差率调速是低效率的，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的转差率，因而变频调速具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。

可以认为，变频调速是交流电动机的一种比较合理和理想的调速方法。

”

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。

第1章交流调速系统的概述

1.1交流调速的基本原理

本文以地毯背涂机为例叙述在地毯制造业上的应用。

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0～1之间变化。

一般异步电机在额定负载下的s=（1～6）％。

综合式（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

对于可调速的电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两类。

这主要是根据采用什么电流制型式的电动机来进行电能与机械能的转换而划分的，所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能—机械能的转换装置，并对其进行控制以产生所需要的转速。

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。

第2章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

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频器的输出频率。

从而实现三相异步电机变频调速。

2.2系统设计的参数

对一台三相异步电动机调速系统进行设计。

异步电动机的参数：

,,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，完成各功能单元的结构设计，参数计算。

2.3用单片机控制的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。

2.32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。

8255的引脚图如图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2-4ADC0809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SA8282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。