基于单片机的交流调速系统控制设计_毕业设计论文.docx

基于单片机的交流调速系统控制设计目录前言 2第1章 交流调速系统的概述 31.1 交流调速的基本原理 31.2 交流调速的分类 41.2.1 全数字化控制系统 41.2.2 PWM技术 51.2.3 高压大容量交流调速系统 51.3 交流调速的特点 5第2章 交流调速系统的硬件设计 62. 1 转差频率控制原理 62. 2 系统设计的参数62.3 用单片机控制的电机交流调速系统设计62.3.1调速系统总体方案设计 62.3.2 元器件的选用 72.3.3 系统主回路的设计102.3.4 SPWM控制信号的产生112.3.5 光电隔离及驱动电路设计122.3.6 故障检测及保护电路设计132.3.7 模拟量输入通道的设计 14第3章 系统软件的设计 153.1 主程序的设计153.2 转速调节程序153.3 增量式PI运算子程序 16结 论 18参考文献19前言随着电力电子技术、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。由于以微处理器为核心的数字控制系统硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响，且单片机具有功能强、体积小、可靠性好和价格便宜等优点，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱之一。其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律。 在现代工业企业中，绝大多数工作机械的运行时由电动机拖动的，因而掌握拖动系统的调速知识是十分重要的。电动机调速分为直流调速和交流调速。直流电动机的调速性能好，因此在调速领域中曾一直占主导地位。交流电动机与直流电动机相比，具有结构简单、构造方便、成本低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率高等许多优点，以前未得到大规模的应用，主要是由于调速困难。随着现代科学技术的高速发展，现代电力电子技术、微电子学、现代控制理论、微机控制技术等为交流电机调速提供了全新的理论和技术，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高地稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。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11 交流调速的基本原理交流异步电动机的调速方式有多种，诸如调压调速、变级调速、串级调速、滑差调速等，而变频调速优于上述任何一种调速方式，是当今国际上广泛采用的效益高、性能好、应用广的新技术。它采用微机控制、电力电子技术及电机传动技术取得工业交流异步电机的无级调速功能。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n1=60f/p(r/min) (1-1)式中：f三相交流电源频率，一般为50Hz。p磁极对数。这个差别用转差率s表示： s=(n1-n)/n1*100% （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=n1，则s=0，即s在01之间变化。一般异步电机在额定负载下的s=（16）。综合式（1-1）和式（1-2）可以得出n=60f(1-s)/p （1-3）图1-2笼型电动机的转子绕组1铜环 2铜条由式（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 交流调速的分类1.2.1 全数字化控制系统   随着计算机技术的发展，无论是生产还是生活中，人们对数字化信息的依赖程度越来越高。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统实现全数字化控制。 由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。如TI公司的MCS320F240等DSP芯片，以其较高的性能价格比成为了全数字化交流调速系统的首选。单片机已经在交流调速系统中得到了广泛地应用。 1.2.2 PWM技术 PWM控制是交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种PWM控制方式完成的。微处理器应用于PWM技术并使之数字化以后，花样是不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。1.2.3 高压大容量交流调速系统 在小功率交流调速方面，由于国外产品的规模效应，使得国内厂家在价格上、工艺上和技术上均无法与之抗衡。而在高压大功率方面，国外公司又为我们留下了赶超的空间。首先，国外的电网电压等级一般为3000V，而我国的电网电压等级为6000V和10000V；目前，研究较多的大功率逆变电路有：多电平电压型逆变器、变压器耦合的多脉冲逆变器、交交变频器和双馈交流变频调速系统。 1.3 交流调速的特点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。 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610KV，甚至更高。 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。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。5第2章 交流调速系统的硬件设计2. 1 转差频率控制原理系统原理图如图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（2.251HZ），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2.3.1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。2.3.2 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： D0D7： 三态双向数据线，与单片机数据总线相连，用来传递数据信息。CS/： 片选信号线，低电平有效，表示芯片被选中。RD/： 读出信号线，低电平有效，控制数据的读出。WR/： 写入信号线，低电平有效，控制数据的写入。Vcc： +5V电源。PA7PA0： A口输入/输出线。PB7PB0： B口输入/输出线。PC7PC0： C口输入/输出线。RESET： 复位信号线。A1A0： 地址线，用来选择8255内部端口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，其引脚主要功能如下：（1）IN0IN7 是8路模拟信号输入端。（2）D0D7 是8位数字量输出端。图2-3 8255引脚图 图2-4 ADC0809 引脚图（3）A，B，C 与ALE控制8路模拟通道的切换，A，B，C 分别与三根地址线或数据线相连，三者编码对应8个通道地址口。C，B，A=000111分别对应IN0IN7通道地址。ADC0809 虽然有8路模拟通道可以同时输入8路模拟信号，但每个瞬间只能转换一路，各路之间的切换由软件变换通道地址实现。（4） OE，START，CLK为控制信号端，OE为输出允许端，START为启动信号输入端，CLK为时钟信号输入端。（5）VR（+）和VR（-）为参考电压输入端。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。图2-5 SA8282的引脚排列图(1)主要特点  1)全数字化。SA8282与微处理器相连时，可自动适应Intel和Motorola两种总线接口，而且编程简捷方便。它的全数字化脉冲输出具有很高的精度和稳定性。 2)工作方式灵活。SA8282具有6个标准的TTL电平输出端，可以驱动逆变器的6个功率开关器件。 3)工作频率范围宽、精度高。SA8282的三角载波频率可调，当时钟频率为125 MHz时，载波频率最高可达24 kHz，输出调制频率最高可达4 kHz，输出频率的分辨率为12位。（2）引脚功能ADOAD7：8位地址与数据复用总线，用于从微处理器接收地址与数据信息；  ：此3个引脚为Intel(Motorola)控制模式；SA8282在工作时可自动适应Intel或Motorola控制模式，当ALE(AS)管脚变为高电平时，SA8282内部检测电路将自动锁存RD(DS)线上的状态，如果检测结果为低电平，则采用MO-TOROLA控制模式；如果检测结果为高电平，则采用Intel控制模式；  ：复位端，低电平有效；  ：片选输入 ；  ：输出封锁状态指示，表明是否被锁存，低电平有效；   SETTRIP：关断触发信号输入端，当输入为高时，TRIP及6个PWM输出端将被迅速锁存在低电平状态，且只有在RST复位时才能解除；   WSS：波形采样同步端口；   ZPPB，ZPPY，ZPPR：分别是三相信号的零相位脉冲输出端；   CLK：时钟信号输入端；   VDD：+5 V偏置电源；   VSS：接地端。2.3.3 系统主回路的设计1.主回路的结构 系统主回路是交直交电压型变频电路，整流采用三相桥式不可控整流器，L、C1、C2组成滤波电路，Rb用来吸收制动能量。整流逆变电路采用的是GRT三相桥式PWM逆变器。其图2-7如下所示：图2-7 系统主回路电路图2.3.4 SPWM控制信号的产生在本系统中，控制信号用SA8282大规模集成块来产生。电动机转速的调节是通过调频，调压实现的。以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。正弦调制波在半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也在正负之间变化，也称为双极性控制方式。图2-8 SPWM逆变器电压波图形uun=Ud/2；当Uu<uc时，Ug1为低电平，V1截止，V4导通，uun=-Ud/2，输出都波形为双极性 在本设计中，SA8282控制脉冲波的输出采用数字方法，数字方法是按照不同的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的计算生成波，从而实现以软件方式控制的，在SA8282的ROM中储存有脉冲表，SA8282可通过查表得知应该输出的脉冲的频率与幅值，从而可以控制电机的转速与输出转矩。AT89C51则通过检测电路检测的数据通过P0口向SA8282的AD口传送数据，使SA8282输出相应的脉冲波，从而达到转差频率控制电动机的交流调速。图2-9 AT89C51与SA8282连接电路图2.3.5 光电隔离及驱动电路设计SA8282输出的PWM控制信号功率很小，无法直接驱动GTR，要经过脉冲功率放大才能驱动GTR，脉冲功率放大电路选用模块EX359。该模块是一图2-10 EX359驱动模块内部结构个带有光隔离的功率放大电路，其电源电压为12V，输入信号5V，输出电压（对应GTR导通）和-2V（对应GTR关断），工作频率为2.5KHZ，可驱动50A以下的逆变器，其内部电路如图2-10所示。2.3.6 故障检测及保护电路设计故障检测及保护电路如图2-11所示，该电路采用电阻取样的电压、电流保护电路，通过调节电位器RP1、RP2来设定最大的允许电压、电流值。电路中C1、C2接8255的C 口中的PC2、PC3，O端接SA8282的CLK。图2-11 过电流，过电压保护电路控制端。这样保护电路可通过门1输出控制信号的封锁SA8282输出的PWM控制信号，断开主回路电源。A1、A2接8255的C 口中的PC4、PC5，通过PC4、PC5输入故障信号，用以检测故障类型。2.3.7 模拟量输入通道的设计由于本次设计中选用的AT89C51单片机没有模数转换器所以需要在外部电路中加上模数转换电路。经过考虑选用的是ADC0809芯片。它能完成8路模拟量的转换，为了削弱反馈信号中的交流分量，在需在反馈信号输入前加一RC滤波电路，取，对应的时间常数为。19第3章 系统软件的设计3.1 主程序的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，启动软件定时器10ms(采样周期)。所以，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时器O的中断服务程序，其程序框图如图3-2所示。在转速调节程序中，完成转速、的采样，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，它包括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运算子程序框图结 论回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次课程设计的过程中，我拥有了无数难忘的回忆和收获。在课程设计的过程中，我遇到的问题很多，有些是在自己知识所在范围之外，每当无法实现自己的想法或者运行不下去的时候，我就会出现浮躁的情绪，但是我没有放弃，而是适时地调节自己的心态，在同学老师的帮助下，完成了本次的设计。我从资料的收集中，掌握了很多单片机和运动控制的知识，让我对我所学过的知识有所巩固和提高，并且让我对当今它们的最新发展技术有所了解。在整个过程中，我学到了新知识，增长了见识。在今后的日子里，我仍然要不断地充实自己，争取在所学领域有所作为。感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是课程设计得以完成的基础。脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，会对我未来的学习和工作有很大的帮助。也为将来的人生之路做好了一个很好的铺垫。参考文献1 阮毅 陈伯时.电力拖动自动控制系统.第四版.北京：机械工业出版社，20092 李朝青.单片机原理及接口技术.第三版.北京：北京航空航天大学出版社，20083 张毅刚 彭喜元.MCS51单片机应用设计.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，20014 陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统.第三版.上海：上海大学出版社，2008 5 王兆安、黄俊. 电力电子技术.第四版.北京：机械工业出版社，20006 陈国呈.PWM变频器调速及软开关电力变换技术.北京：机械工业出版社，20017 李友善.自动控制原理.北京：国防工业出版社.19818 陈伯时、谢鸿鸣.交流传动系统的控制策略.电工技术学报，2005