基于单片机控制的交流调速专业系统设计.doc

基于单片机控制交流调速系统设计
摘 要
单片机控制变频调速系统设计思想是用转差频率进行控制。通过变化程序来达到控制转速目。由于设计中电动机功率不大，因此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。系统总体构造重要由主回路，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，测速发电机等构成。回路中有了检测保护电路就可以使整个系统运营可靠性有了保障。

核心词: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 交流调速系统概述 4
1.1交流调速基本原理 4
1.2 交流调速特点 5
第2章 交流调速系统硬件设计 7
2. 1 转差频率控制原理： 7
2. 2 系统设计参数 7
2.3 用单片机控制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 元器件选用 9
2.3.3 系统主回路设计以及参数计算 12
2.3.4 SPWM控制信号产生 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 模仿量输入通道设计 18
第3章 系统软件设计 19
3.1 主程序设计 19
3.2 转速调节程序 19
3.3 增量式PI运算子程序 20
3.4故障解决程序 21
3.5 某些子程序 22
3.5.1 AD0809编程 22
3.5.2 8255编程 23
结 论 23
参照文献 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发展阶段。其间，由于各种新型电力电子器件支持，使变频调速在低压（380 V）、中小容量（200 kW如下）方面获得了较大进展。但是面对高压（6～10 kV）中大容量领域，由于电力电子器件自身规律限制，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、效率减少、可靠性较差等缺陷。从理论上看，高压变频所面临问题是违背电力电子器件客观规律成果，由于当前几乎所有电力电子器件，其材料、工艺机理都决定了其属性是低压大电流。
尽管如此，高压变频势头仍有增无减，除了客观市场需求拉动以外（诸如高压中大容量风机泵类节能），重要是“变频调速是唯一最佳交流调速”理论导向成果。依照近代交流调速理论，交流调速被划分为变频、变极和变转差率三种方案，在缺少科学分析条件下，认定变转差率调速是低效率，而变极调速又属于有级调速，因而惟有变频调速最佳。而变频调速办法与变转差调速办法有本质不同，从高速到低速都可以保持有限转差率，因而变频调速具备高效率、宽范畴和高精度调速性能。可以以为，变频调速是交流电动机一种比较合理和抱负调速办法。”
随着电力电子技术、微电子技术和自动控制理论发展，交流调速技术也有了日新月异变化。可调速高性能交流电力拖动系统在工业上应用也越来越广。进入21世纪交流调速技术也进入了当代交流调速技术时代，当代交流调速技术也成为人类社会重大技术进步之一。其发展速度之快、应用覆盖范畴之广都是前所未有。并且应用实践表白，采用当代交流调速技术极大提高了传动系统运营质量，同步，带来了巨大经济和社会效益。

第1章 交流调速系统概述
1.1 交流调速基本原理
本文以地毯背涂机为例论述在地毯制造业上应用。

图1-1三相异步电动机构造示意图
1—机座；2—定子铁心；3—定子绕组；
4—转子铁心；5—转子绕组;
　　变频调速是通过变化电机定子绕组供电频率来达到调速目。惯用三相交流异步电动机构造为图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，在定子与转子之间空气隙内产生一种旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，使转子绕组产生感应电势，浮现感应电流，此电流与旋转磁场互相作用，产生电磁转矩，使电动机转动起来。电机磁场转速称为同步转速，用n1表达
(1-1)
式中：f——三相交流电源频率，普通为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。
转子实际转速n比磁场同步转速n1要慢一点，因此称为异步电机，这个差别用转差率s表达：
（1-2）
当加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时s=1；起动后极端状况n=，则s=0，即s在0～1之间变化。普通异步电机在额定负载下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已经拟定，转差率s变化不大，则电机转速n与电源频率f成正比，因而变化输入电源频率就可以变化电机同步转速，进而达到异步电机调速目。
1.2 交流调速特点
对于可调速电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两类。这重要是依照采用什么电流制型式电动机来进行电能与机械能转换而划分，所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能—机械能转换装置，并对其进行控制以产生所需要转速。
交流调速系统与直流调速系统相比较，具备如下特点：
1. 容量大 这是电动机自身容量所决定。直流电动机单机容量能达到12—14MW，而交流电动机容量却远远高与此数值。
2. 转速高，并且耐压 直流电动机受到换向器限制，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。普通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。这使得交流电动机调速系统具备耐高压，转速高特点。
3. 交流电动机自身体积，重量，价格比同等容量直流电动机要小，且交流电动机构造简朴，结实耐用，经济可靠，惯性小成了交流调速系统一大长处。
4. 交流电动机调速装置环境适应性广。直流电动机由于构造复杂，换向器工作规定高，使用中受到诸多限制，如工厂里酸洗车间，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环境下不至于损坏。
5. 由于高性能，高精度，新型调速系统浮现和不断发展，交流拖动系统已达到同直流拖动系统同样性能指标，越来越广泛应用于 国民经济各个生产领域。
6. 交流调速装置能明显节能。工业上大量使用风机，水泵，压缩机类负载都是靠交流电动机拖动，此类装置用电量占工业用电量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。大量电能被白白挥霍掉，如果采用交流电动机调速系统来变化风量或流量话，效率就会大大提高，从各方面来看，改造恒速交流电动机为交流调速电动机，有着可观能源效益。
交流电动机因其构造简朴，运营可靠，价格低廉，维修以便，故而应用面很广，几乎所有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研究，然而重要局限于运用开关设备来切换主回路达到控制电动机启动，制动和有级调速目。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有级调速都还处在开发阶段。交流调速缓慢重要因素是决定电动机转速调节重要因素交流电源频率变化和电动机转距控制都是非常困难，使交流调速稳定性，可靠性，经济性以及效率均不能满足生产规定 。日后发展起来调压，调频控制只控制了电动机气隙磁通，而不能调节转距。转差频率控制在一定限度上能控制电动机转距。
第2章 交流调速系统硬件设计
2.1 转差频率控制原理：
当稳态气隙磁通恒定期．异步电机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期，电机电磁转矩T与成正比。这时只要控制转差频率就能控制转矩T，从而实现对转速控制。
若要使转差频率较小，只要有提供异步电动机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）
因而若，按照上述规律变化，则恒定，即恒定。转差频率控制方略是：运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构成，其中异步电动机由SPWM控制逆变器供电。转速调节器ASR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输出频率。从而实现三相异步电机变频调速。
2.2 系统设计参数
对一台三相异步电动机调速系统进行设计。异步电动机参数： ,,,接法，
采用转差频率控制办法，由单片机构成核心。调速范畴（2.2—51HZ），无级调速，静差率。依照对象参数，完毕各功能单元构造设计，参数计算。
2.3 用单片机控制电机交流调速系统设计
2.31 调速系统总体方案设计
转速开环恒压频比调速系统，虽然构造简朴，异步电动机在不同频率小都能获得较硬机械特性但不能保证必要调速精度，并且在动态过程中由于不能保持所需转速，动态性能也很差，它只能用于对调速系统静，动态性能规定不高场合。如果异步电动机能象直流电动机同样，用控制电枢电流办法来控制转矩，那么就也许得到和直流电动机同样较为抱负静，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办法，采用这种控制方案调速系统，可以获得与直流电动机 恒磁通调速系统相似性能。调速系统总体构造图见图2-2所示。
图2-2 调速系统总体构造图
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构成，都是电压源型，采用大电容C1滤波，同步兼具无功功率互换大作用。为了避免大电容在合上电源开关后通电瞬间产生过大充电电流，在整流器和滤波电容间直流回路上串入电抗，刚通上电源时，由L1限制充电电流，然后通过一段时间延时，L失去限流作用，使电路正常供电。
2.32元器件选用
1. 8255资料
8255是可编程并行I/O接口芯片，它具备3个8位并行I/O口，三种工作方式，可通过编程变化其功能，因而使用以便，通用性强，可作为单片机与各种外围设备连接时中间接口电路。8255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2-3 8255引脚图
2. ADC0809资料
ADC0809是一种逐次逼近式8路模仿输入，8位数字量输出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2-4 ADC0809 引脚图
3. SA8282资料
SA8282是MITEL公司推出一种用于三相SPWM波发生和控制集成电路，它与微解决器接口以便，内置波形ROM及相应控制逻辑，设立完毕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变化时才需微解决器干预，微解决器只用很少时间控制它，因而有能力进行整个系统检测、保护和控制等。基于SA8282和89C51变频器具备电路简朴、功能齐全、性能价格比高、可靠性好等长处。

图2-5 SA8282引脚排列图

4. AT89C51资料
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）低电压，高性能CMOS 8位微解决器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器单片机。单片机可擦除只读存储器可以重复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业原则MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMELAT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它一种精简版本。AT89C51单片机为诸多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉方案。外形及引脚排列如图2-6所示

图2-6 AT89C51管脚排列图
2.33 系统主回路设计以及参数计算
1. 主回路构造
系统主回路是交—直—交电压型变频电路，其图2-7如下所示：
图2-7 系统主回路电路图
整流采用三相桥式不可控整流器，L、C1、C2构成滤波电路，Rb用来吸取制动能量。整流逆变电路采用是GRT三相桥式PWM逆变器。
2. 参数计算和元件选取
（1） 大功率开关管 SPWM正弦脉宽调制办法直流运用率为0.866，即。为了使逆变器输出380V线电压，规定直流侧电源电压： ，考虑到大功率晶体管管压降等，取，则大功率晶体管参数为 ，。选取晶体管模块QCA50A—100A三块，作为大功率开关管。QCA50A—100A为两单元组件，c-e极带反向续流二极管，绝缘式构造，其极限参数为：,,，它内部构造图如图2-8所示。

图2-8 QCA50A—100模块内部构造
（2） 三相整流桥 整流桥输入侧电压为：
，直流侧功率可估算如下： 取电动机效率为0.82，则电动机输入功率为。取逆变器效率为0.93，则 直流侧功率为：，故直流侧电流：。整流二极管最高反压：。
基于以上数据，选用MDS型三相整流桥模块，其最大输出电流为40A，最高耐压为1000V。
（3） LC滤波器 取，其最大耐压。选取两只2200uF，耐压在500V以上电容器并联使用。
滤波电感在这里重要用来限制电流脉动（PWM变频调速系统不存在电流不持续问题）和短路电流上升率，按照晶体管三相桥式整流电路限制电流脉动电感量算式预计如下（取）

考虑到电动机和整流变压器存在一定电感量，取实际电感为100mH。选取一台电感量为100mH，额定电流不不大于6.4A电抗器L。
3. 调节器设计
本系统采用增量式转差频率调节方式，转差调节器设计为带有死区调节器，即：

（2-4）

因，因此与之和反映了频率，即为频率指令信号。控制构造框图和控制曲线如下图2-9所示。为死区，它是为了避免因量化误差，舍入误差引起系统运营不平衡而引起。为线性调节区，当时，输出限幅，用以当前转差频率最大增量，亦即限制最大增量，亦即限制最大增量，防止系统过冲，提高系统稳定性。决定系统积分系数,它由电位器给定，通过A/D转换器转换后输入。当拟定后，通过调节电位器，就能变化积分系数，整定以便。值依照静态精度规定和实际系统工作时最低转速来拟定，,通过实验拟定。

a) 控制构造框图 b） 控制曲线
图2-9 控制构造框图和曲线图
2.34 SPWM控制信号产生
在本系统中，控制信号用SA8282大规模集成块来产生。电动机转速调节是通过调频，调压实现。以正弦波作为逆变器输出盼望波形，以频率比盼望波高得多等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和盼望波相似正弦波作为调制波（Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们交点拟定逆变器开关器件通断时刻，从而获得在正弦调制波半个周期内呈两边窄中间宽一系列等幅不等宽矩形波。如图2-11为其调制原理图。按照波形面积相等原则，每一种矩形波面积与相应位置正弦波面积相等，因而这个序列矩形波与盼望正弦波等效。正弦调制波在半个周期内，三角载波在正负极性之间持续变化，则SPWM波也在正负之间变化，也称为双极性控制方式。
将三相电压和幅值为频率为三角载波分别送到三个独立比较器，比较器输出一方面接到相应上桥臂开关作为驱动信号，另一方面通过反相后接到相应下桥臂开关作为驱动信号，在系统主回路电路图图2-10中参照波是U相，则其直接输出将驱动V1开关，反相输出驱动V4开关。将三相参照波和载波放在同一种坐标系上，则如图2-11所示，觉得例，当时，为高电平，则驱动V1导通，V4截止，
图2-10 SPWM调制原理图

图2-11 SPWM逆变器电压波图形
；当时，为低电平，V1截止，V4导通，，输出都波形为双极性。更为实际是SPWM逆变器往往加上调节器，加上调节器后，实际是输出电压与参照电压或指令电压比较后作为调节器输入，其输出形成相应,,，这样输出总是跟随者指令电压变化。
在模仿电子电路中，采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实
现SPWM双极性控制；改成数字控制后，开始时只是把同样办法数字化，称做“自然采样法”而在工程上，采用是简化后“规则采样法”。
在本设计中，SA8282控制脉冲波输出采用数字办法，数字办法是按照不同数字模型用计算机算出各切换点并将其存入内存 然后通过查表及必要计算生成ＰＷＭ波，从而实现以软件方式控制，在SA8282ROM中储存有脉冲表，SA8282可通过查表得知应当输出脉冲频率与幅值，从而可以控制电机转速与输出转矩。AT89C51则通过检测电路检测

图2-12 AT89C51与SA8282连接电路图
数据通过P0口向SA8282AD口传送数据，使SA8282输出相应脉冲波，从而达到转差频率控制电动机交流调速。
2.35光电隔离及驱动电路设计
SA8282输出PWM控制信号功率很小，无法直接驱动GTR，要通过脉冲功率放大才干驱动GTR，脉冲功率放大电路选用模块EX359。该模块是一

图2-13 EX359驱动模块内部构造
个带有光隔离功率放大电路，其电源电压为12V，输入信号5V，输出电压（相应GTR导通）和-2V（相应GTR关断），工作频率为2.5，可驱动50A如下逆变器，其内部电路如图2-13所示。
2.36故障检测及保护电路设计
故障检测及保护电路如图2-14所示，该电路采用电阻取样电压、电流保护电路，通过调节电位器RP1、RP2来设定最大容许电压、电流值。电路中C1、C2接8255C 口中PC2、PC3，O端接SA8282CLK。

图2-14 过电流，过电压保护电路控制端
这样保护电路可通过门1输出控制信号封锁SA8282输出PWM控制信号，断开主回路电源。A1、A2接8255C 口中PC4、PC5，通过PC4、PC5输入故障信号，用以检测故障类型。
2.37 模仿量输入通道设计
由于本次设计中选用AT89C51单片机没有模数转换器因此需要在外部电路中加上模数转换电路。通过考虑选用是ADC0809芯片。它能完毕8路模仿量转换，为了削弱反馈信号中交流分量，在需在反馈信号输入前加一RC滤波电路，取，相应时间常数为。

第3章 系统软件设计
3.1 主程序设计
主程序框图如图3-1所示。先进行芯片初始化，然后，清系统工作区，开放89C51外部中断，启动软件定期器10ms(采样周期)。因此，系统初始化完毕，进入控制循环：测速→中断服务（,和,运算，查表求出）→可逆切换程序→输出控制量→测速。

图3-1 系统主程序框图
3.2 转速调节程序
转速调节程序即为软件定期器O中断服务程序，其程序框图如图3-2所示。在转速调节程序中，完毕转速、采样，进行PI运算，求出频率指令信号，然后查表求得分频系数。

图3-2 转速调节程序框图
3.3 增量式PI运算子程序
增量式PI运算子程序框图如图3-3所示，它涉及按图所示控制曲线计算转差频率增量，由求出转差频率控制量，再由求出频率指令信号,再由AT89C51单片机向SA8282发出调频指令。
图3-3 增量式PI运算子程序框图
3.4故障解决程序
故障解决程序即为89C51外部中断服务程序，其程序框图如图3-4所示。

图3-4 故障解决程序

3.5 某些子程序
3.51 AD0809编程
对0809编程，采用延时办法
Main： MOV R1，#DATA
MOV DPTR，#7FF8H
MOV R7，#08H
LOOP： MOVX @DPTR，A
MOV R6，#0AH
DLAY： NOP
NOP
NOP
DJNZ R6,DLAY
MOVX A,@DPTR
MOV @R1,A
INC DPTR
INC R1
DJNZ R7,LOOP

3.52 8255编程
工作在方式0，C口作为输出 。
MOV A,#90H
MOV DPTR,#0FF7FH
MOVX @DPTR，A
MOV DPTR,#0FF7CH
MOVX A,@DPTR
MOV DPTR,#0FF7DH
MOV A,#DATA1
MOVX @DPTR,#0FF7EH
MOV A,#DATA2
MOVX @DPTR,A

结 论
变频调速这一技术正越来越广泛进一步到行业中。它节能、省力、易于构成自控系统明显优势应用变频调速技术也是改造挖潜、增长效益一条有效途径。特别是在高能耗、低产出设备较多公司，采用变频调速装置将使公司获得巨大经济利益，同步这也是国民经济可持续发展需要。 在毕业设计这段时间中,通过多次修改，终于圆满完毕了本次毕业设计。本次毕业设计，我学到并掌握PWM技术主体思路和办法。同步，也锻炼了我学习能力、工作能力，并培养了我吃苦精神、合伙精神，为我即将走向工作岗位打下了良好基本。
存在局限性之处请教师加以指引。

参照文献
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