單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1、單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 0 -摘要單片機(jī)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計思想是用轉(zhuǎn)差頻率進(jìn)行控制。通過改變程序來達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。在設(shè)計中采用交流調(diào)速系統(tǒng)，整流器采用不可控電路，電容器濾波；逆變器采用電力晶體管三相逆變器。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要由主回路，驅(qū)動電路，光電隔離電路，HEF4752 大規(guī)模集成電路，保護(hù)電路，Intel 系列單片機(jī)，Intel8253 定時/記數(shù)器，Intel8255 可編程接口芯片，Intel8279通用鍵盤/顯示器，I/O 接口芯片，CD4527 比例分頻器和測速發(fā)電機(jī)等組成。回路中有了檢測保護(hù)電路就可以使整個系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性有了保障。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 MCS-51

2、單片機(jī)HEF47528253 定時器晶閘管整流器三相異步電動機(jī)單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 1 -目目 錄錄緒緒 言言.31 交流調(diào)速的現(xiàn)狀.52 用單片機(jī)控制的交流調(diào)速.83 系統(tǒng)設(shè)計的參數(shù).164 用單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計.174.1 調(diào)速系統(tǒng)總體方案設(shè)計 .174.2 原器件的選擇 .184.3 系統(tǒng)主回路的設(shè)計以及參數(shù)計算 .254.4 單元模塊的設(shè)計 .274.4.1 轉(zhuǎn)差頻率控制原理及調(diào)節(jié)器的設(shè)計 .274.4.2 PWM 控制信號的產(chǎn)生及變換器的設(shè)計.294.4.3 光電隔離及驅(qū)動電路設(shè)計 .364.4.4 故障檢測及保護(hù)電路設(shè)計 .364.4.5 模擬量輸入通道

3、的設(shè)計 .374.5 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 .374.5.1 程序框圖及其介紹 .374.5.2 部分子程序 .425 結(jié)束語.44參參 考考 文文 獻(xiàn)獻(xiàn).44致致 謝謝.44附附 錄錄.45單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 2 -緒言緒言電氣傳動從總體上分為調(diào)速和不調(diào)速兩大類。按照電動機(jī)的類型不同，電氣傳動又分為直流和交流兩大類，直流電動機(jī)在 19 世紀(jì)先后誕生，但當(dāng)時的電氣傳動系統(tǒng)是不調(diào)速系統(tǒng)，隨著社會化大生產(chǎn)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)技術(shù)越來越復(fù)雜，對生產(chǎn)工藝的要求也越來越高，這就要求生產(chǎn)機(jī)械能夠在工作速度，快速啟動和制動，正反轉(zhuǎn)等方面具有較好的運(yùn)行性能。從而推動了電動機(jī)的調(diào)速不斷向前發(fā)展，自從 18

4、34 年直流電動機(jī)出現(xiàn)以后，直流電動機(jī)作為調(diào)速電動機(jī)的代表，在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。它的優(yōu)點(diǎn)主要在于調(diào)速范圍廣，靜差小，穩(wěn)定性能好以及具有良好的動態(tài)性能，晶閘管變流裝置的應(yīng)用使直流拖動發(fā)展到了一個很高的水平，在可逆，可調(diào)速與高精度的拖動技術(shù)領(lǐng)域中相當(dāng)長時間內(nèi)幾乎都采用直流拖動系統(tǒng)。盡管如此，直流調(diào)速系統(tǒng)卻解決不了直流電動機(jī)本身的換向問題和在惡劣環(huán)境下的不適應(yīng)問題，同時，制造大容量，高轉(zhuǎn)速以及高電壓直流電動機(jī)也十分困難，這就限制了直流傳動系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。 交流電動機(jī)在 1885 年出現(xiàn)后，由于一直沒有理想的調(diào)速方案，只被應(yīng)用于恒速拖動系統(tǒng)，從上世紀(jì) 30 年代起，不少國家才開始提出各種交流調(diào)

5、速的原始方案，晶閘管的出現(xiàn)使交流電動調(diào)速的發(fā)展出現(xiàn)了一個質(zhì)的飛躍，使得半導(dǎo)體變流技術(shù)的交流調(diào)速得以實現(xiàn)，國際上在 60 年代后期解決了交流電動機(jī)調(diào)速方案中的關(guān)鍵問題，70 年代開始就實現(xiàn)了產(chǎn)品的高壓，大容量，小型化，且已經(jīng)逐漸取代了大部分傳統(tǒng)的直流電動機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展迅速的很大一部分原因在于交流電動機(jī)本身的優(yōu)點(diǎn)：沒有電刷和換向器，結(jié)構(gòu)簡單，壽命長。近年以來大功率半導(dǎo)體器件，大規(guī)模集成電路，電子計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，加上交流電動機(jī)本身的優(yōu)越特性，為交流調(diào)速提供了廣泛的應(yīng)用前景。目前交流電力拖動系統(tǒng)已具備了較寬的調(diào)速范圍，較高的穩(wěn)態(tài)精度，較快的動態(tài)響應(yīng)，較高的工作效率以及可以在四象限運(yùn)行

6、等優(yōu)越性能，其動態(tài)性能均可與直流電動機(jī)拖動系統(tǒng)相比美。 交流調(diào)速系統(tǒng)與直流調(diào)速系統(tǒng)相比較，具有如下特點(diǎn)：（1）容量大 這是電動機(jī)本身的容量所決定的。直流電動機(jī)的單機(jī)容量能達(dá)到 1214MW，而交流電動機(jī)的容量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高與此數(shù)值。（2）轉(zhuǎn)速高，而且耐壓 直流電動機(jī)受到換向器的限制，最高電壓只能單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 3 -達(dá)到 1000 多伏，而交流電動機(jī)容量可達(dá)到 610KV，甚至更高。一般直流電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速只能達(dá)到 3000 轉(zhuǎn)/min 左右，而交流電動機(jī)則可以高達(dá)每分鐘幾萬轉(zhuǎn)。這使得交流電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)具有耐高壓，轉(zhuǎn)速高的特點(diǎn)。 （3）交流電動機(jī)本身的體積，重量，價格比同等容量

7、的直流電動機(jī)要小，且交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，經(jīng)濟(jì)可靠，慣性小成了交流調(diào)速系統(tǒng)的一大優(yōu)點(diǎn)。（4）交流電動機(jī)的調(diào)速裝置環(huán)境適應(yīng)性廣。直流電動機(jī)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，換向器工作要求高，使用中受到很多限制，如工廠里的酸洗車間，由于腐蝕嚴(yán)重，使用直流電動機(jī)每周都要檢查碳刷，維修起來比較困難，而交流電動機(jī)卻可以用在十分惡劣的環(huán)境下不至于損壞。 （5）由于高性能，高精度，新型調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，交流拖動系統(tǒng)已達(dá)到同直流拖動系統(tǒng)一樣的性能指標(biāo)，越來越廣泛的應(yīng)用于 國民經(jīng)濟(jì)的各個生產(chǎn)領(lǐng)域。 （6）交流調(diào)速裝置能顯著的節(jié)能。工業(yè)上大量使用的風(fēng)機(jī)，水泵，壓縮機(jī)類負(fù)載都是靠交流電動機(jī)拖動的，這類裝置的用電量占工業(yè)

8、用電量的 50%，以往都不對電動機(jī)調(diào)速，而僅采用擋板，節(jié)流閥來控制風(fēng)量或流量。大量的電能被白白的浪費(fèi)掉，如果采用交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)來改變風(fēng)量或流量的話，效率就會大大的提高，從各方面來看，改造恒速交流電動機(jī)為交流調(diào)速電動機(jī)，有著可觀的能源效益。 交流電動機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，價格低廉，維修方便，故而應(yīng)用面很廣，幾乎所有的調(diào)速傳動都采用交流電動機(jī)。盡管從 1930 年開始，人們就致力于交流調(diào)速系統(tǒng)的研究，然而主要局限于利用開關(guān)設(shè)備來切換主回路達(dá)到控制電動機(jī)啟動，制動和有級調(diào)速的目的。變極對調(diào)速，電抗或自藕降壓啟動以及繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻的有級調(diào)速都還處于開發(fā)的階段。交流調(diào)速緩慢的主要

9、原因是決定電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要因素的交流電源頻率的改變和電動機(jī)的轉(zhuǎn)距控制都是非常困難的，使交流調(diào)速的穩(wěn)定性，可靠性，經(jīng)濟(jì)性以及效率均不能滿足生產(chǎn)要求 。后來發(fā)展起來的調(diào)壓，調(diào)頻控制只控制了電動機(jī)的氣隙磁通，而不能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)距。轉(zhuǎn)差頻率控制在一定程度上能控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)距。單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 4 -1 1 交流調(diào)速的現(xiàn)狀交流調(diào)速的現(xiàn)狀隨著電力電子技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和電力電子器件的更新?lián)Q代，變頻調(diào)速技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。據(jù)資料顯示，現(xiàn)在有 90%以上的動力來源來自電動機(jī)。我國生產(chǎn)的電能 60%用于電動機(jī)，電動機(jī)與人們的生活息息相關(guān)，密不可分，所以要對電動機(jī)的調(diào)速有足夠的重視。我們都

10、知道，動力和運(yùn)動是可以相互轉(zhuǎn)化的，從這個意義上說電動機(jī)也是最常見的運(yùn)動源，對運(yùn)動控制的最有效方式是對運(yùn)動源的控制。因此，常常通過對電動機(jī)的控制來實現(xiàn)運(yùn)動控制。實際上國外已將電動機(jī)的控制改名為運(yùn)動控制。 對電動機(jī)的控制可以分為簡單控制和復(fù)雜控制兩大類。簡單控制是指對電動機(jī)進(jìn)行啟動，制動，正反轉(zhuǎn)控制和順序控制。這類控制可以通過繼電器，可編程器件和開關(guān)元件來實現(xiàn)。復(fù)雜控制是指對電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)距，電壓，電流等物理量進(jìn)行控制。而且有時往往需要非常精確的控制。以前，對電動機(jī)的簡單控制的應(yīng)用較多，但是，隨著現(xiàn)代化步伐的前進(jìn)，人民對自動化的需求也越來越高。使電動機(jī)的復(fù)雜控制逐漸成為主流，其應(yīng)用領(lǐng)域極為

11、廣泛。在軍事和雷達(dá)天線，火炮瞄準(zhǔn)，慣性導(dǎo)航，衛(wèi)星姿態(tài)，飛船光電池對太陽的控制等。工業(yè)方面的各種加工中心，專用加工設(shè)備，數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人，塑料機(jī)械，繞線機(jī)，泵和壓縮機(jī)，軋機(jī)主傳動等設(shè)備的控制。計算機(jī)外圍設(shè)備和辦公設(shè)備中的各種磁盤驅(qū)動器，繪圖儀，打印機(jī)，復(fù)印機(jī)等的控制；音像設(shè)備和家用電器中的錄音機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，洗衣機(jī)，冰箱空調(diào)，電扇等的控制，我們統(tǒng)統(tǒng)稱其為電動機(jī)的控制。交流調(diào)速控制作為對電動機(jī)控制的一種手段。作用相當(dāng)明顯，這里就不再多做介紹，就交流調(diào)速系統(tǒng)目前的發(fā)展水平而言，可概括的如下：（1）已從中容量等級發(fā)展到了大容量、特大容量等級。并解決了交流調(diào)速的性能指標(biāo)問題，填補(bǔ)了直流調(diào)速系統(tǒng)在特大容

12、量調(diào)速的空白。（2）可以使交流調(diào)速系統(tǒng)具有高的可靠性和長期的連續(xù)運(yùn)行能力，從而滿足有些場合不停機(jī)檢修的要求或?qū)煽啃缘奶厥庖?。?）可以使交流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)高性能、高精度的轉(zhuǎn)速控制。除了控制部分可以得到和直流調(diào)速控制同樣良好的性能外，異步電動機(jī)本身固有的優(yōu)點(diǎn)，又單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 5 -使整個系統(tǒng)得到更好的動態(tài)性能。采用數(shù)字鎖相控制的異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速精度可以達(dá)到 0.002%。 根據(jù)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式 n=(1-s)60f/p=n0。可知，當(dāng)極對 P 不變時，均勻的改變定子供電的頻率 f，則可以連續(xù)的改變異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 n0。達(dá)到平滑調(diào)節(jié)電動機(jī)實際運(yùn)行轉(zhuǎn)速

13、 n 的目的。這種調(diào)速方法稱為變頻調(diào)速。變頻調(diào)速具有很好的調(diào)速性能，應(yīng)用相當(dāng)廣泛，是交流調(diào)速的主流。保持保持 V1 /F1=常數(shù)的恒壓頻比控制方式常數(shù)的恒壓頻比控制方式 在忽略定子阻抗壓降后可得到 V1 /F1=C1m ，式中 C1=4.44Kn1N1為常數(shù)，因此，在變頻時要維持磁通恒定，只要使 V1 與 F1成比例的改變即可。此時，由公式 n0=(1-s)60 f1/p 得，所以，帶負(fù)載時轉(zhuǎn)速降落 n 為 n=sn0=60f1s/p,將異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式 T=3PU12R2/2SF1（R1+R2/S）2+（X1+X2）2近似處理后得，可以導(dǎo)出，由此可見，當(dāng)21112(3 /2 )(/)/T

14、PUFSFRS2122113/2R TSFPUF為恒值時，對于同一轉(zhuǎn)矩，是基本不變的。也就是說，在恒壓頻比11/UF1T1sF條件下改變頻率時，機(jī)械特性基本是批心平行上下移動的，頻率降低，轉(zhuǎn)速下降， 太小將限制調(diào)速系統(tǒng)的帶負(fù)載能力，所以在低頻時，采用定子壓降補(bǔ)償T法來適當(dāng)?shù)奶岣唠妷?，以增?qiáng)帶負(fù)載的能力。從而達(dá)到比較滿意的效果。1U保持保持=常數(shù)的恒磁通控制方式常數(shù)的恒磁通控制方式 對于=常數(shù)的控制方式，無法保證maxT11/UF最大的轉(zhuǎn)距。對于要求調(diào)速范圍的的恒轉(zhuǎn)距負(fù)載，則希望在整個調(diào)速范圍內(nèi)不變，即使保持恒定。可采用=常數(shù)的恒磁通控制方式。保持maxTm11/EF=常數(shù)，此時，機(jī)械特性曲線形

15、狀不變，不同定子頻率下的機(jī)械特性曲線平maxT行，且最大轉(zhuǎn)距保持不變，但由于異步電動機(jī)的感應(yīng)電動勢不好測量和控制，1E所以在實際應(yīng)用中，采用電壓補(bǔ)償?shù)姆椒▉磉_(dá)到維持最大轉(zhuǎn)距的目的。考慮到低頻空載時，由于電阻壓降減小，應(yīng)減少補(bǔ)償量，否則將使電動機(jī)中增大，m導(dǎo)致磁路過飽和而帶來的問題，故與的曲線是折線。U1F保持保持=常數(shù)的恒功率控制方式常數(shù)的恒功率控制方式 變頻調(diào)速時，在定子頻率大于額定頻率dP單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 6 -的情況下，若仍按照上述方法進(jìn)行控制，則定子電壓要高于額定電壓，這是不允許的。所以當(dāng)在頻率超過額定頻率時，往往使定子電壓不再升高，而保持為額定電壓不變，這樣一來，氣

16、隙磁通就就會小于額定磁通，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)距1U減少，保持=常數(shù)時的恒功率控制方式所要求的電壓與頻率的協(xié)調(diào)關(guān)系?？蒬P知，忽略時；。額定轉(zhuǎn)距21221111234() mPUTF RRxx1R211()mUTCF（式中為過載倍數(shù)） ，對于恒功率調(diào)速，有，可得出21121mUTCF1111nnT FT F，只要滿足=常數(shù)的條件，即可達(dá)到恒功率調(diào)速。111111UUFF11UF恒電流控制方式恒電流控制方式 在變頻調(diào)速時，保持異步電動機(jī)的定子電流為恒值，1I稱為恒流控制方式。的恒定是通過 PI 調(diào)節(jié)器的電流閉環(huán)調(diào)節(jié)作用來實現(xiàn)的。1I恒流變頻調(diào)速與恒磁通變頻調(diào)速的機(jī)械特性基本一樣。都屬于恒轉(zhuǎn)距調(diào)速，在變頻調(diào)

17、速時，最大轉(zhuǎn)距是不變的，由于恒流控制限制了，所以恒流時的最mT1I大轉(zhuǎn)距要比恒磁通時小得多，使過載能力降低。因此，這種控制方式只適用mT于負(fù)載不大的場合。單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 7 -2 用單片機(jī)控制的交流調(diào)速用單片機(jī)控制的交流調(diào)速微處理器（單片機(jī)）取代模擬電路作為電動機(jī)的控制器，具有如下特點(diǎn)：（1）使電路更簡單 模擬電路為了實現(xiàn)控制邏輯需要許多電子元件，使電路更復(fù)雜，采用微處理器后，絕大多數(shù)控制邏輯可通過軟件來實現(xiàn)。（2）可以實現(xiàn)較為復(fù)雜的控制 微處理器具有更強(qiáng)的邏輯功能，運(yùn)算速度快，精度高，有大容量的存儲單元。因此，有能力實現(xiàn)復(fù)雜的控制。（3）靈活性和適應(yīng)性 微處理器的控制方式

18、是有軟件來實現(xiàn)的，如果需要修改控制規(guī)律，一般不必改變系統(tǒng)的硬件電路，只須修改程序即可，在系統(tǒng)調(diào)試和升級時，可以不斷嘗試選擇最優(yōu)參數(shù)，非常方便。 ( 4 ) 無零點(diǎn)漂移，控制精度高 數(shù)字控制不會出現(xiàn)模擬電路中經(jīng)常遇見的零點(diǎn)漂移問題，無論被控量是大還是小，都可以保證足夠的控制精度。（5）可以提供人機(jī)界面，多機(jī)連網(wǎng)工作。用工業(yè)控制計算機(jī)可謂功能強(qiáng)大，它有極高的速度，很強(qiáng)的運(yùn)算能力和接口功能，方便的軟件功能，但是由于成本高，體積過大，所以只用于大型的控制系統(tǒng)，可編程控制器則恰好相反，它只能完成邏輯判斷，定時，記數(shù)和簡單的運(yùn)算，由于功能太弱，所以它只能用于簡單的電動機(jī)控制。在民用生產(chǎn)中，通常用介于工控機(jī)

19、和可編程控制器之間的單片機(jī)作為微處理器。本次設(shè)計就是用單片機(jī)作為電動機(jī)的控制器。在設(shè)計中用單片機(jī)作為電動機(jī)的核心控制元件來取代模擬電路，就可以將傳統(tǒng)的調(diào)速方案中的一些缺點(diǎn)避免，達(dá)到提高控制精度的目的。在本次設(shè)計中所用到的控制方式是用轉(zhuǎn)差頻率閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比調(diào)速系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單，異步電動機(jī)在不同的頻率下都能夠獲得較硬的機(jī)械特性曲線，但是不能保證必要的調(diào)速精度；而且在動態(tài)過程中由于不能保持所需要的轉(zhuǎn)距，動態(tài)性能也很差，它只能用于對調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能要求都不高的場合。如果異步電動機(jī)能像直流電動機(jī)一樣，用控制電樞電流的方法來控制轉(zhuǎn)距，那么就能夠得到和支流電動機(jī)一樣的動靜態(tài)性能。單片機(jī)控制的

20、電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 8 -轉(zhuǎn)差頻率控制是一種解決異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)距控制問題的方法，采用這種控制方案的調(diào)速系統(tǒng)，可以獲得與直流電動機(jī)恒磁通調(diào)速相似的性能。轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念，原理由式 可以得出異步2222122221111211233/(/ )() ppmellN I RN U RSPTW SWRRSWLL電動機(jī)的機(jī)械特性方程式 令式中 211222221121123()()()epllUSW RTNWSRRS WLL，它是轉(zhuǎn)差頻率。 又由式 即： 1sWSW11114.44gNmUEFN K 所以： 式中 1111114.442gnmEFN KUWW222221212()()emmsl

21、lWRTKSRRWLL22211114.4433()22nmppnN KKNN N K由于異步電動機(jī)機(jī)械特性曲線上有一最大值，當(dāng)轉(zhuǎn)差頻率小于臨界轉(zhuǎn)差頻率（對應(yīng)于電磁轉(zhuǎn)距最大的轉(zhuǎn)差率）時，電動機(jī)運(yùn)行在穩(wěn)定工作區(qū)，電動機(jī)的電流比較??；當(dāng)轉(zhuǎn)差率大于臨界轉(zhuǎn)差率時，電動機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定工作區(qū)，電動機(jī)的電流增大，轉(zhuǎn)距減小。所以在調(diào)速過程中要使電動機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率小于臨界轉(zhuǎn)差率。也就是說，異步電動機(jī)穩(wěn)定工作時的轉(zhuǎn)差率很小，從而 也很小，1sWSW可以認(rèn)為 ， ，所以可近似寫成。此12SRR122()llLLReT22/emmsTKWR式表明，在轉(zhuǎn)差頻率很小的范圍內(nèi)，只要能夠保持氣隙磁通 不變，異步sWm電動機(jī)的轉(zhuǎn)距

22、就近似與轉(zhuǎn)差頻率成正比，這就是說，在異步電動機(jī)中控制，sW就能和直流電動機(jī)中控制電流一樣，能夠達(dá)到控制轉(zhuǎn)距的目的?？刂妻D(zhuǎn)差頻率就代表了控制轉(zhuǎn)距，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本原理。轉(zhuǎn)差頻率控制的基本規(guī)律 上面只是近似找到了轉(zhuǎn)距與轉(zhuǎn)差頻率的正比關(guān)系，可以用它表明轉(zhuǎn)差頻率控制的基本原理，但是這一正比關(guān)系必須有兩個條件才能成立。首先轉(zhuǎn)差頻率必須較小，即控制系統(tǒng)必須對限幅，使其滿足；其中sWsWmaxssWW，對應(yīng)于最大轉(zhuǎn)距時的轉(zhuǎn)差頻率。這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本max1smWS WmS規(guī)律之一。對限幅的功能由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)。上述的第二個條件是氣隙磁sW單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 9 -通必須保持恒

23、定。異步電動機(jī)可以控制的量是定子電流，而中包括勵磁電1I1I流分量和負(fù)載電流分量，只有保持勵磁電流分量恒定，才能使氣隙磁通 0I2I0I恒定，而和 均難以直接測量，若能找到，和 之間的函數(shù)關(guān)系。m0I2I0I1IsW當(dāng)負(fù)載改變引起變化時，只要調(diào)節(jié)，使保持不變，問題就解決了。sW1I0I圖 1 轉(zhuǎn)差頻率控制的基本規(guī)律根據(jù)并聯(lián)支路的分流公式2122201121222/()()lsLlmSlmRSjW LRjW LIIIRSjW LLRjWLL取等式兩側(cè)向量的副值相等，得：221222012222()slslmRW LIIRWLL令常數(shù)，可以看出圖 1，它具有如下性質(zhì)：（1） ，當(dāng)=0 時，0I s

24、W，在理想空載時定子電流等于勵磁電流；（2） ，若值增大，定子電流01IIsW也相應(yīng)增大；（3） ，當(dāng)時， ，這是曲線的1IsW 2102mllLLIIL1()SIf W漸近線；（4） ，為正負(fù)值時，的對應(yīng)值不變，左右對稱。上述sW1I1()SIf W關(guān)系表明：只要對定子電流和 的關(guān)系符合圖 1 或符合1IsW 的規(guī)律，就能保持氣隙磁通 恒定，這就是轉(zhuǎn)差221222012222()slslmRW LIIRWLLm單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 10 -頻率控制的基本規(guī)律之二，它有函數(shù)電流發(fā)生器來實現(xiàn)?？偨Y(jié)起來，轉(zhuǎn)差頻率控制的基本規(guī)律是：（1）在的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)距基本上與成正比，條件是氣隙磁通

25、maxssWWSW恒定。m（2）定子電流和 的關(guān)系符合圖 1 或式子 1IsW221222012222()slslmRW LIIRWLL的規(guī)律，就能夠保證氣隙磁通 恒定。m轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)上述轉(zhuǎn)差頻率控制的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變頻調(diào)速結(jié)構(gòu)原理圖如圖 2 所示，可以看出該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）采用電流源變頻器，使控制對象具有較好的動態(tài)響應(yīng)，而且便于回饋制動，這是提高系統(tǒng)動態(tài)性能的基礎(chǔ)。（2）和直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一樣，外環(huán)是轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出是轉(zhuǎn)差頻率給定值，代表轉(zhuǎn)距給定。*SWU（3）轉(zhuǎn)差頻率的控制作用分兩路，分別作用在可控整流器和逆變器上。sW前者通過函數(shù)發(fā)生器，

26、按的大小產(chǎn)生相應(yīng)的信號，再通過電1()sIf W*SWU*1 iU流調(diào)節(jié)器控制定子電流，以保持恒定，另一路按產(chǎn)生對于于定m1sWWW子頻率的控制電壓，決定逆變器的輸出頻率。1W1wU（4）轉(zhuǎn)速給定信號，都反向，相序鑒別器判斷的極性以*swUwU1WU1WU決定環(huán)形分配器的輸出相序，而信號本身則經(jīng)過絕對值變換器決定輸出頻1WU率的大小，這樣就很方便的實現(xiàn)了異步電動機(jī)的可逆運(yùn)行。調(diào)速系統(tǒng)的工作原理（1）起動過程 起動過程如圖 2 所示。首先說明起動過程是一個恒定子電流，恒轉(zhuǎn)差角頻率起動的過程，轉(zhuǎn)速給定信號由電位器設(shè)定，作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)*wU器的輸入信號，在起動瞬間（對應(yīng)于圖中的 A 點(diǎn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速），

27、而測0sW 速發(fā)電機(jī) TG 輸出信號， 0WU單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 11 -圖 2 調(diào)速系統(tǒng)的工作原理圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入信號最大，其輸出最大達(dá)到限幅值而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出*WSU信號送給了電流函數(shù)發(fā)生器，所以此時函數(shù)發(fā)生器的輸出達(dá)到最大值，因而其輸出也達(dá)到最大給定值，接下去的電流調(diào)節(jié)環(huán)的速度比轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)的速度*maxilU快得多，可以認(rèn)為，轉(zhuǎn)速過度過程中實際定子電流始終跟蹤了，而在起動1I*1 iU過程中由于電動機(jī)轉(zhuǎn)速還沒有達(dá)到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出不會從限幅值*WSU退下來，轉(zhuǎn)差頻率給頂值一直保持不變，也一直保持不變。*maxwsU*maxwsU*1 iU*1maxiU所以可以認(rèn)

28、為起動過程是一個恒定子電流，恒轉(zhuǎn)差頻率驅(qū)動過程。由式子 可知，定子電流，轉(zhuǎn)差頻率恒定，221222012222()slslmRW LIIRWLL1IsW則勵磁電流也恒定，因此氣隙磁通 恒定。圖三中，A 點(diǎn)對應(yīng)于起動瞬間，0Im由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為 0（W=0） ，所以按產(chǎn)生的對應(yīng)于頂子額定電流1SWWW為，記為，如果逆變器輸出頻率保持不變，則電動機(jī)的1sSWWWW11W11W工作點(diǎn)將沿著這條曲線達(dá)到 B 點(diǎn)，記此時的異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為，假如控1BW制系統(tǒng)此時對其進(jìn)行采樣，按產(chǎn)生的定子頻率為，1SWWW1W1SBWWW由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)速不能突變，因此電動機(jī)的工作點(diǎn)移到了這條曲線上的 C 點(diǎn)。按以上的

29、方法分析下去，可以知道異步電動機(jī)的工作點(diǎn)將沿著 ABCD移動，最終達(dá)到穩(wěn)定工作點(diǎn) N。以上分析中，控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速進(jìn)行采樣的時刻時間斷的，如果控制采用連單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 12 -續(xù)系統(tǒng)方法，則電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化將立即通過控制系統(tǒng)改變控制器的輸出頻率。這樣，沿著 ABCD的連線將趨向于沿著 A C E G這條曲線，而這條曲線說明在異步電動機(jī)起動過程中，電磁轉(zhuǎn)距保持不變，這一結(jié)論可以從上面的定子電流，轉(zhuǎn)角頻率，氣隙磁通恒定。1IsWm負(fù)載變化圖 3 負(fù)載變化圖負(fù)載變化如圖 3 所示，負(fù)載變化時，若轉(zhuǎn)速給定信號為，電動機(jī)工作點(diǎn)*WU為 N，當(dāng)負(fù)載變化從增加為時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 W 將逐漸

30、降低，測速發(fā)電1LT2LT機(jī)輸出信號減少，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器增大，按產(chǎn)生的對應(yīng)于定子頻WU*wsU1SWWW率由于增大而增大，控制電壓增大，決定了逆變器的輸出頻率增加，1W*wsU1WU電動機(jī)的機(jī)械特性曲線上移，最終電動機(jī)在新的工作點(diǎn)處穩(wěn)定工作。N調(diào)速過程如果不改變，但轉(zhuǎn)速給頂信號從增大到時，速度調(diào)節(jié)器的1LLTT*1WU*2WU輸入為正值，其輸出將增大，按產(chǎn)生的對應(yīng)于定子頻率，由*wsU1SWWW1W于增大而增大，控制電壓增大，決定了逆變器的輸出頻率增加，電動機(jī)*wsU1WU的機(jī)械曲線上移，當(dāng)增大時，電動機(jī)的工作點(diǎn)將瞬間地從點(diǎn)轉(zhuǎn)到對應(yīng)*wsW1N*12W的特性曲線上的 A 點(diǎn)，在 A 點(diǎn)電磁轉(zhuǎn)距，因

31、而電動機(jī)將加速，轉(zhuǎn)速上升，1eLTT按產(chǎn)生的對應(yīng)于定子頻率由于增大而增大，逆變器的輸出頻1SWWW1W*wsW單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 13 -率增加，電動機(jī)的機(jī)械特性曲線上移，只要，定子頻率將不斷增大，1WW1W電動機(jī)的工作點(diǎn)將沿著圖中的 A 到曲線運(yùn)動，到了點(diǎn)時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速2N2N，電磁轉(zhuǎn)距，電動機(jī)將在點(diǎn)上穩(wěn)定運(yùn)行，這就完成了電動機(jī)1WW1eLTT2N的加速過程。電動機(jī)反轉(zhuǎn)當(dāng)轉(zhuǎn)速給定信號反相時，速度調(diào)節(jié)器輸出負(fù)限幅值，按*maxWSwsUU 產(chǎn)生的對應(yīng)于定子頻率由于變負(fù)而減小逆變器的輸出頻率降1SWWW1W*wsW低，電動機(jī)的機(jī)械特性曲線下移，電動機(jī)以最大制動轉(zhuǎn)距減少到零。當(dāng)轉(zhuǎn)

32、速接近于零時，按產(chǎn)生的對應(yīng)的由正值變負(fù)時，通過相序鑒別器使環(huán)1SWWW1W形分配器的相序改變，電動機(jī)實現(xiàn)反向運(yùn)行。近似動態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的動態(tài)性能雖比轉(zhuǎn)速開環(huán)系統(tǒng)有較大提高，但是在采用經(jīng)典線性控制理論和工程設(shè)計方法分析和設(shè)計，仍要作較大的近似處理。在建立轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖時，仍做如下處理：（1）忽略異步電動機(jī)的鐵損。（2）忽略異步電動機(jī)旋轉(zhuǎn)電動勢對系統(tǒng)動態(tài)過程的影響，或者說，忽略哦率和轉(zhuǎn)速對電壓控制系統(tǒng)的影響。（3）認(rèn)為組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的。（4）認(rèn)為磁通在動態(tài)過程中保持不變。m參照轉(zhuǎn)速開環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，可以畫出轉(zhuǎn)差控制系統(tǒng)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如

33、圖 4 所示：單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 14 -圖 4 近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 以上就本次變頻設(shè)計的控制方法規(guī)律等做了介紹，它就是本次設(shè)計的理論部分。單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 15 -3 3 系統(tǒng)設(shè)計的參數(shù)系統(tǒng)設(shè)計的參數(shù) 對一臺三相異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。異步電動機(jī)的參數(shù)：，接法，2.2NPKW1440 /min,380 ,NSnrUV4.8NIA 采用轉(zhuǎn)差頻率控制方法，由單片機(jī)組成核心。調(diào)速范圍（） ，無級調(diào)速，靜差率。根據(jù)對象參數(shù)，完成各功能單元0.251HZ5%S 的結(jié)構(gòu)設(shè)計，參數(shù)計算。單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 16 -4 用單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計用單

34、片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計4.1 調(diào)速系統(tǒng)總體方案設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)總體方案設(shè)計圖 5 調(diào)速系統(tǒng)總體框圖轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比的調(diào)速系統(tǒng)，雖然結(jié)構(gòu)簡單，異步電動機(jī)在不同頻率小都能獲得較硬的機(jī)械特性但不能保證必要的調(diào)速精度，而且在動態(tài)過程中由于不能保持所需的轉(zhuǎn)速，動態(tài)性能也很差，它只能用于對調(diào)速系統(tǒng)的靜，動態(tài)性能要求不高的場合。如果異步電動機(jī)能象直流電動機(jī)一樣，用控制電樞電流的方法來控制轉(zhuǎn)矩，那么就可能得到和直流電動機(jī)一樣的較為理想的靜，動態(tài)特性。轉(zhuǎn)差頻率控制是一種解決異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩控制問題的方法，采用這種控制方案的調(diào)速系統(tǒng)，可以獲得與直流電動機(jī)恒磁通調(diào)速系統(tǒng)相似的性能。 為了使系統(tǒng)具有較好的動靜態(tài)

35、性能，滿足設(shè)計要求，可將整個系統(tǒng)設(shè)計為轉(zhuǎn)速單閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)差頻率調(diào)節(jié)方式，對轉(zhuǎn)速進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，考慮電動機(jī)負(fù)載為恒轉(zhuǎn)距負(fù)載，在高頻段，采用恒比例控制方式來做近似恒磁通控制方式；在低頻段，采用恒磁通補(bǔ)償方法來維持磁通的恒定，實現(xiàn)恒磁通變頻調(diào)速。當(dāng)頻率高于額定轉(zhuǎn)速時，維持，實現(xiàn)恒功率調(diào)節(jié)。選用大規(guī)模集成1nUU電路 HEF4752 來產(chǎn)生 PWM 控制信號，以減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，使它能夠有足夠的時間來完成閉環(huán)控制，系統(tǒng)檢測和保護(hù)等任務(wù)。由于電動機(jī)功率不大，整流器采用不可控電路，電容器濾波；逆變器采用單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 17 -電力晶體管三相逆變器。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要由主回路，驅(qū)動

36、電路，光電隔離電路，HEF4752 大規(guī)模集成電路，保護(hù)電路，51-單片機(jī)，8253 定時/記數(shù)器，8255 可編程接口芯片，8279 通用鍵盤/顯示器，I/O 接口芯片，CD4527 比例分頻器和測速發(fā)電機(jī)等組成。4.24.2 原器件的選擇原器件的選擇（1） 74LS138 74LS138 是一種 3-8 譯碼器，有三個輸入端，經(jīng)譯碼產(chǎn)生 8 種狀態(tài)。其引腳如圖 6 所示，譯碼功能如表所示，由表可知，當(dāng)譯碼器的輸入為某一個編碼時其輸出就有一個固定的引腳輸出為低電平，其余的為高電平。圖 6 74LS138 引腳圖表 1 74LS138 真 值 表 輸 入 輸 出G1G2A/G2B/CBAY7/

37、Y6/Y5/Y4/Y3/Y2/Y1/Y0/1000001111111010000111111101100010111110111000111111011110010011101111100101110111111001101011111110011101111111 其它狀態(tài)11111111 （2 2） 82538253 主要功能1）一個芯片上有三個獨(dú)立的 16 位計數(shù)器通道;2）每個計數(shù)器都可以按照二進(jìn)制或二十進(jìn)制計數(shù)；單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 18 -3）每個計數(shù)器的技術(shù)速率可高到 2MHz。4）.每個通道有六種工作方式，可由程序設(shè)置和改變;5）.所有的輸入輸出與 TTL 兼容。

38、D08OUT010D17GATE011D26CLK09D35D44D53D62OUT113D71GATE114CLK115CS21RD22WR23OUT217A019GATE216A120CLK2188253圖 7 8253 引腳圖每個通道有三條引線：CLK：輸入脈沖線。計數(shù)器就是對這個脈沖計數(shù)。8253 規(guī)定，加在 CLK 引腳的輸入時鐘周期不能小于 380ns .GATE：門控制信號輸入引腳。這是控制計數(shù)器工作的一個外部信號。當(dāng)GATE 引腳為低電平時，通常都是禁止計數(shù)器工作;只有當(dāng) GATE 為高電平時，才允許計數(shù)器工作。OUT：輸出引腳。當(dāng)計數(shù)到“0”時，OUT 引線上必然有輸出，輸出

39、信號的波形取決于工作方式。本次設(shè)計用到芯片 8253 的工作方式三，當(dāng)記數(shù)值 N 為偶數(shù)時，輸出為對稱方波，前 N/2 記數(shù)期間，OUT 輸出為高電平，后 N/2 記數(shù)期間，OUT 輸出為低電平。若記數(shù)值 N 為奇數(shù)值時，將輸出不對稱方波，即在前（2N+1）/2 記數(shù)期間，OUT 輸出高電平，后（2N-1）記數(shù)期間輸出低電平。（3 3）HEF4752HEF4752隨著電力電子技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，基于集成 SPWM 電路構(gòu)成的變頻調(diào)速系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、節(jié)能效果顯著、性價比高等突出優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。本文介紹的變頻調(diào)速系統(tǒng)是以大規(guī)模專用集成電路 HEF4752 為核心構(gòu)成的控制電

40、路，由 HEF4752 產(chǎn)生的三相 SPWM 信號經(jīng)隔離、放大后，驅(qū)動單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 19 -由 IGBT 構(gòu)成的三相逆變器，使之輸出 SPWM 的波形，實現(xiàn)異步電動機(jī)變頻調(diào)速。HEF4752 簡介 HEF4752 如圖 8 所示，是采用 LOCMOS 工藝制造的大規(guī)模集成電路，專門用來產(chǎn)生三相 SPWM 信號。它的驅(qū)動輸出經(jīng)隔離放大后，可驅(qū)動GTO 和 GTR 逆變器，在交流變頻調(diào)速中作控制器件。OBC-11L24OBC-227I25K7OBM-13CW5OBM-22A13B15ORM-18C16ORM-29FCT12OYC-120VCT17OYC-219RCT4OCT6

41、OYM-122OYM-221RSYN23ORC-110VAV26ORC-211CSP18HEF4752圖 8 HEF4752 引腳圖主要特點(diǎn)如下：1）能產(chǎn)生三對相位差 120的互補(bǔ) SPWM 主控脈沖，適用于三相橋結(jié)構(gòu)的逆變器。2）采用多載波比自動切換方式，隨著逆變器的輸出頻率降低，有級地自動增加載波比，從而抑制低頻輸出時因高次諧波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈沖和噪聲等所造成的惡劣影響。調(diào)制頻率可調(diào)范圍為 0100Hz，且能使逆變器輸出電壓同步調(diào)節(jié)。3）為防止逆變器上下橋臂直通，在每相主控脈沖間插入死區(qū)間隔，間隔時間連續(xù)可調(diào)。引腳說明：HEF4752 為 28 腳雙列直插式標(biāo)準(zhǔn)封裝 DIP 芯片，它有 7 個

42、控制輸入，4 個時鐘輸入，12 個驅(qū)動信號輸出，3 個控制輸出。各管腳功能描述如表所列。表 2 HEF4752 管腳功能引 腳 名 稱 功 能 1 OBC1B 相換流開關(guān)信號 1 單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 20 -2 OBM2B 相主開關(guān)信號 2 3 OBM1B 相主開關(guān)信號 1 4 RCT 最高開關(guān)頻率基準(zhǔn)時鐘 5 CW 電機(jī)換相控制信號 6 OCT 推遲輸出時鐘 7 K 選擇互鎖推遲間隔 8 ORM1 R 相主開關(guān)信號 1 9 ORM2 R 相主開關(guān)信號 2 10 ORC1 R 相換流開關(guān)信號 1 11 ORC2 R 相換流開關(guān)信號 2 12 FCT 頻率時鐘 13 A 復(fù)位輸入

43、控制 14 VSS 接地端 15 B 測試電路用信號 16 C 測試電路用信號 17 VCT 電壓時鐘 18 CSP 電流采樣脈沖 19 OYC2 Y 相換流開關(guān)信號 2 20 OYC1 Y 相換流開關(guān)信號 1 21 OYM2 Y 相主開關(guān)信號 2 22 OYM1 Y 相主開關(guān)信號 1 23 RSYN R 相同步信號 24 L 停止/啟動系統(tǒng) 25 I 選擇晶體管/晶閘管模式 26 VAV 平均電壓 27 OBC2 B 相換流開關(guān)信號 2 28 VDD 工作電壓(10V) 單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 21 -輸入引腳功能1 )輸入引腳 I 用來決定逆變器驅(qū)動輸出模式的選擇，當(dāng)引腳 I

44、為低電平時，驅(qū)動模式是晶體管，當(dāng)引腳 I 為高電平時，驅(qū)動模式是晶閘管。2)輸入控制信號引腳 K 和時鐘輸入引腳 OCT 共同決定逆變器每對輸出信號的互鎖推遲間隔時間。（4 4） 825582558255 是可編程的并行 I/O 接口芯片，它具有 3 個 8 位的并行 I/O 口，三種工作方式，可通過編程改變其功能，因而使用方便，通用性強(qiáng)，可作為單片機(jī)與多種外圍設(shè)備連接時的中間接口電路。8255 的引腳圖如圖 9 所示。引腳說明由圖可知，8255 共有 40 個引腳，各引腳功能如下：D0D7： 三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線，與單片機(jī)數(shù)據(jù)總線相連，用來傳遞數(shù)據(jù)信息。CS/： 片選信號線，低電平有效，表示芯片被

45、選中。D034D133D232D331D430D529D628D727PA 04PA 13PA 22PA 31PA 440PA 539PA 638PA 737PB018PB119PB220PB321PB422PB523PB624PB725PC014PC115PC216PC317PC413PC512PC611PC710RD5WR36A09A18RE SE T35CS68255圖 9 8255 引腳圖RD/： 讀出信號線，低電平有效，控制數(shù)據(jù)的讀出。WR/： 寫入信號線，低電平有效，控制數(shù)據(jù)的寫入。Vcc： +5V 電源。單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 22 -PA7PA0： A 口輸入/輸出

46、線。PB7PB0： B 口輸入/輸出線。PC7PC0： C 口輸入/輸出線。RESET： 復(fù)位信號線。A1A0： 地址線，用來選擇 8255 內(nèi)部端口。 本次設(shè)計用到 8255 的工作方式 0，且 A 口作為輸入，B 口，C 口作為輸出。 8255 地址口的選定： 片選 CS/，地址選擇端 A1，A0。分別接于P0.7,P0.1,P0.0 其它地址線全懸空。顯然只要保證 P0.7 為低電平時，選中該8255，若 P0.1,P0.0 再為“00”選中 8255 的 A 口，同理 P0.1,P0.0 為“01”，“10”，“11”分別選中 B 口，C 口及控制口。若地址用 16 位表示，其他無用端

47、全選為 1，則 8255 的 A，B，CJ 及控制口地址可為FF7CH，F(xiàn)F7DH，F(xiàn)F7FH，如果無用位為“0”，則 4 個地址為0000H，0001H，0002H，0003H，只要保證 CS/，A1，A0 的狀態(tài)，無用位設(shè)為“0”，或“1”無關(guān)。掌握了確定地址的方法，地址便可以靈活的選出了。（5） ADC0809ADC0809 是一種逐次逼近式 8 路模擬輸入，8 位數(shù)字量輸出的 A/D 轉(zhuǎn)換器。其引腳如圖 10 所示。由引腳可見，ADC0809 共有 28 個引腳，采用雙插直列示封裝，其引腳主要功能如下：1） IN0IN7 是 8 路模擬信號輸入端。單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 2

48、3 -圖 10 ADC0809 引腳圖2）D0D7 是 8 位數(shù)字量輸出端。3）A，B，C 與 ALE 控制 8 路模擬通道的切換，A，B，C 分別與三根地址線或數(shù)據(jù)線相連，三者編碼對應(yīng) 8 個通道地址口。C，B，A=000111 分別對應(yīng)IN0IN7 通道地址。ADC0809 雖然有 8 路模擬通道可以同時輸入 8 路模擬信號，但每個瞬間只能轉(zhuǎn)換一路，各路之間的切換由軟件變換通道地址實現(xiàn)。4） OE，START，CLK 為控制信號端，OE 為輸出允許端，START 為啟動信號輸入端，CLK 為時鐘信號輸入端。5）VR（+）和 VR（-）為參考電壓輸入端。（6） 8279OU TA027OU

49、TB031OU TA126OU TB130OU TA225OU TB229OU TA324OU TB328DB012BD23DB113DB214SL 032DB315SL 133DB416SL 234DB517SL 335DB618DB719RL 038RL 139IRQ4RL 21RL 32CS22RL 45RD10RL 56WR11RL 67A021RL 78CL K3SH IFT36RE SE T9CN TL/S378279圖 11 8279 引腳圖 8279 是一種通用可編程鍵盤，顯示器接口芯片。如圖 11 所示，它能完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能，鍵盤部分提供一種掃描方式，對鍵盤不斷

50、掃描，自動消抖，自動識別出按下的鍵并給出編碼，能對雙鍵或 N 鍵同時按下進(jìn)行保護(hù)。單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 24 -8279 的組成：1）I/O 控制及數(shù)據(jù)緩沖器2）控制和時序寄存器及定時控制3）掃描計數(shù)器4）回復(fù)緩沖器，鍵盤抖動及控制5）FIFO/傳感器 RAM 及其狀態(tài)寄存器6）顯示 RAM 和顯示地址寄存器4.3 系統(tǒng)主回路的設(shè)計以及參數(shù)計算系統(tǒng)主回路的設(shè)計以及參數(shù)計算（1）主回路的結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)主回路是交直交電壓型變頻電路，其圖 12 如下所示：圖 12 系統(tǒng)主回路電路圖整流采用三相橋式不可控整流器，組成濾波電路，1L2L0C2R2C三個元件和 一起構(gòu)成尖峰電壓吸收電路（又稱直流

51、側(cè)阻容吸收電路） ，2VD1VD用以削弱因逆變器換流而引起的尖峰電壓，采用的是 GRT 三相橋式 PWM 逆變器。（2） 參數(shù)計算和元件選擇1) 大功率開關(guān)管 SPWM 正弦脈寬調(diào)制方法的直流利用率為0.866，即。為了使逆變器輸出 380V 的線電壓，要求直流側(cè)的電1/.866dUUo源電壓： 考慮到大功率的晶體管的管壓降等，取380438.80.866dVUV，則大功率晶體管的參數(shù)為，450dUV()(23)9001350BR ceodUUV。選擇晶體管模塊 QCA50A100A 三塊，作()(23)9001350RR ceodUUV為大功率開關(guān)管。QCA50A100A 為兩單元組件，c-

52、e 極帶反向續(xù)流二極管，單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 25 -絕緣式結(jié)構(gòu)，其極限參數(shù)為： ，它的()1000 ,50 ,400*2BR ceoCMdUV IA PW內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 13 所示。圖 13 QCA50A100 模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)2） 三相整流橋 整流橋輸入側(cè)電壓為：，直流側(cè)功率21922.34dUUV可估算如下： 取電動機(jī)的效率為 0.82，則電動機(jī)的輸入功率為 。取逆變器的效率為 0.93，則 直流側(cè)的功率為： 122002.70.82VPKWKW ，故直流側(cè)電流：。整流二極管最12.90.93dPPKW29006.4450dddPIAAU高反壓：。22 62 6*192940R

53、MUUVV基于以上數(shù)據(jù)，選用 MDS 型三相整流橋模塊，其最大輸出電流為 40A，最高耐壓為 1000V。（3） LC 濾波器 取，其最大耐壓。選擇兩04400CuF26470UV只 2200uF，耐壓在 500V 以上的電容器并聯(lián)使用。濾波電感在這里主要用來限制電流脈動（PWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)不存在電流不連續(xù)問題）和短路電流上升率，按照晶體管三相橋式整流電路限制電流脈動的電感量算式估計如下（?。?0%iS 3322()*100.8*10192*12722*3.14*300 10%*6.4dmMdIdUUULmHmHfS I單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 26 -考慮到電動機(jī)和整流變壓器存在

54、一定的電感量，取實際的串聯(lián)電感為100mH。選擇兩臺電感量各為 50mH，額定電流不小于 6.4A 的電抗器串聯(lián)。12,L L（4）直流側(cè)阻容吸收電路 按照晶體管三相橋式整流電路直流側(cè)組容吸收電路參數(shù)式進(jìn)行估算：02222%6.5*0.816*6.410010070000 3*2.550* 3*192cdlIICKuFuFfU 220223*1920.1 3*170%6.5*0.816*6.4100100lRdURKII 其中，選擇系列紙電容。的額定功率取為 2W，選擇2C24uFCZJ2R2RRJ 系列金屬膜電阻。選用 2CP1G，額定電流，最高耐壓 800V。12,VD VD0.5A（5）

55、 大功率晶體管阻容吸收電路 取電動機(jī)起制動電流為mI額定電流的 3 倍，即關(guān)斷時間，升泵電壓 3*4.814.4 ,mIAA GRT6fTus，則：50PUV114.4*60.08642()2*(45050)m fdPI tCuFuFUU的耐壓值與 GRT 相同，取為的電容，阻值取為 100 歐。1C1C0.1,1000uFV1R4.4 單元模塊的設(shè)計單元模塊的設(shè)計4.4.1 轉(zhuǎn)差頻率控制原理及調(diào)節(jié)器的設(shè)計轉(zhuǎn)差頻率控制原理及調(diào)節(jié)器的設(shè)計（1）轉(zhuǎn)差頻率控制原理由電機(jī)學(xué)的知識可知： 其中：22cosmmTCI222222222222()EsEIrrsxxs單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 27

56、-圖 14 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖電動機(jī)正常運(yùn)行時，這時有。 所以：1S 22Rsx2221222221121,cos1,()smmmmmmsfsEsEEEITCCCfrrrff r 當(dāng)采用恒磁通控制方式進(jìn)行變頻調(diào)速時，近似恒定，近似恒定，11/Efm這時有，其中近似為一常數(shù)，T 近似的正比于轉(zhuǎn)差頻率msTK f11 2mmmEKCf r。 因此，通過對轉(zhuǎn)差頻率控制，就可以達(dá)到控制電動機(jī)轉(zhuǎn)距的目的，從而調(diào)sf節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。（2）調(diào)節(jié)器設(shè)計本系統(tǒng)采用增量式轉(zhuǎn)差頻率調(diào)節(jié)方式，轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)器設(shè)計為帶有死區(qū)的調(diào)節(jié)器，即： 單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 28 - 因，所以與之和反映了頻率，即為頻率指令信號。

57、1snfff( )SUk( )nUk1f控制結(jié)構(gòu)框圖和控制曲線如下圖所示。為死區(qū)，它是為了避免因nAnAUU量化誤差，舍入誤差引起系統(tǒng)運(yùn)行不平衡而引起的。UnAUnB(UnA UnB)為線性調(diào)節(jié)區(qū)，當(dāng)Un（K）UnB 時，輸出限幅，用以現(xiàn)在轉(zhuǎn)差頻率的最大增量，亦即限制的最大增量，亦即限制的最大增量，防1f1f止系統(tǒng)過沖，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。決定系統(tǒng)的積分系數(shù)（）,sMU1sMnBUKU它由電位器給定，通過 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸入。當(dāng) UnB 確定后，通過調(diào)節(jié)電位器，就能改變積分系數(shù)，整定方便。UnA 的值根據(jù)靜態(tài)精度要求和實際1K系統(tǒng)工作時的最低轉(zhuǎn)速來確定，UnB、UsM 通過實驗確定。圖 1

58、5 控制結(jié)構(gòu)框圖和曲線圖a) 控制結(jié)構(gòu)框圖 b） 控制曲線4.4.2 PWM 控制信號的產(chǎn)生及變換器的設(shè)計控制信號的產(chǎn)生及變換器的設(shè)計在本系統(tǒng)中，控制信號用 HEF4752 大規(guī)模集成塊來產(chǎn)生。要使 HEF4752 正常工作，必須提供 4 路時鐘信號和 4 個開關(guān)信號。將 HEF4752 的端接地，使 HEF4752 工作在晶體管模塊式，將 K 端接+5v 電源，使每兩路互補(bǔ)信號之間有較大的輸出延遲，CW 端，L 端分別接 8255C 口的 PC1、PC0。這樣剩下的只有 4 個控制端了。FCT 端為頻率控制端，VCT 端為電壓控制端，逆變器的輸出頻率和電壓就是通過控制著兩個端輸入的方波信號頻

59、率來控制的。而電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)是通過調(diào)頻，調(diào)壓實現(xiàn)的。所以，必須在轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)器與 HEF4752 之間正比的方波信號為 FCT 和 VCT 時鐘信號。（1）與的關(guān)系及低頻補(bǔ)償,VCTFCTff1fU單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 29 - 考慮到 8098 單片機(jī)中 A/D 轉(zhuǎn)換器分辨率為 10 位，所以頻率指令信號用 10 位二進(jìn)制數(shù)來表示。1fU頻率指令信號、頻率與的關(guān)系如下：1fU1fFCTf 所以有=168Uf1，Uf1=20f1。FCTf當(dāng) f1=50Hz 時，Uf1=1000Hz，=168000Hz。FCTf為了使成立，必須滿足，故取1FCTVCTfUKf0.5FCTVCTff

60、=168000Hz/0.5=336000Hz()VCT nomf在 f1=2050 Hz 范圍內(nèi)，維持 =336000 Hz 不變，這樣可自動維持VCTfU1/f1=常數(shù)。在 020Hz 范圍內(nèi)，引入低頻補(bǔ)償，以維持磁通恒定。低頻補(bǔ)償?shù)乃枷胧牵涸诘皖l段，按一定規(guī)律減少，使比值增大，從而使 U1=KVCTfFCTVCTff相對增大，以補(bǔ)償定子繞組電阻上的壓降，維持磁通恒定。低頻補(bǔ)償曲線FCTVCTff如圖 16 所示，補(bǔ)償?shù)囊?guī)律如下：取 fVCT0 = fVCT(nom)/4 = 8400Hz單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計- 30 -當(dāng) f1=20Hz 時，有 fVCT = fVCT0 + 2