用单片机控制的电机交流调速系统设计设计

用单片机控制的电机交流调速系统设计 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，HEF4752大规模集成电路，保护电路，Intel系列单片机，Intel8253定时/记数器，Intel8255可编程接口芯片，Intel8279通用键盘/显示器，I/O接口芯片，CD4527比例分频器和测速发电机等组成。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。非传统的CMOS变革了存储器技术。直到现在，我们仍然依靠DRAM作为主要的存储体。不幸的是，随着芯片的缩小，只有芯片外围速度上的增长——处理器芯片和它相关的缓存速度每两年增加一倍。这就是存储器代沟并且是人们焦虑的根源。存储技术的一个可能突破是，使用一种非传统的CMOS管，在计算机整体性能上将导致一个很大的进步，将解决大存储器的需求，即缓存不能解决的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 关键词:MCS-51单片机；HEF4752；8253定时器；晶闸管；整流器 Exchange the speed of adjusting to design systematically with the electrical machinery that the one-chip computer controls ABSTRACT Frequency conversion that one-chip computer control transfer speed systematic design philosophy with transfer to difference frequency control. Achieve the goal of controlling rotational speed through changing the procedure . Because the motor is not big in power in the design, the rectifier can not adopt controlledly the circuit, the condenser strains waves; Going against the becoming device adopts three phases of the electric transistor to go against the becoming device. The systematic ensemble architecture is by the main return circuit mainly, drive the circuit, the photo electricity isolates the circuit, HEF4752 large scale integrated circuit, protects the circuit, the Intel series one-chip computer, Intel8253 timing /count device of,Intel8255 programmable interface chip,Intel8279 keyboard not in common use / display, I/O interface chip, CD4527 proportion frequency division device and tests the speed such composition as the generator ,etc.. Have the dependability that can make the whole system operate of measuring and protecting the circuit to have guarantee in the return circuit.Unconventional CMOS could revolutionalize memory technology. Up to now, we have relied on DRAMs for main memory. Unfortunately, these are only increasing in speed marginally as shrinkage continues, whereas processor chips and their associated cache memory continue to double in speed every two years. The result is a growing gap in speed between the processor and the main memory. This is the memory gap and is a current source of anxiety. A breakthrough in memory technology, possibly using some form of unconventional CMOS, could lead to a major advance in overall performance on problems with large memory requirements, that is, problems which fail to fit into the cache. Keys words:MCS-51；HEF4752；time/counter of l8253；selenium；rectifier 目 录 I摘 要 IIABSTRACT 11 绪 论 32 交流调速的现状 63 用单片机控制的交流调速 124 用单片机控制的电机交流调速系统设计 124.1 调速系统总体 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计 134.2 原器件的选择 204.3 系统主回路的设计以及参数计算 224.4 单元模块的设计 224.4.1 转差频率控制原理及调节器的设计 234.4.2 模拟量输入通道的设计 244.4.3 变换器的设计 274.4.4 光电隔离及驱动电路设计 274.4.5 故障检测及保护电路设计 284.5 系统软件的设计 304.5.1 部分子程序 32结 论 33致 谢 34参考文献 35附 录 1 绪 论 电气传动从总体上分为调速和不调速两大类。按照电动机的类型不同，电气传动又分为直流和交流两大类，直流电动机在19世纪先后诞生，但当时的电气传动系统是不调速系统，随着社会化大生产的不断发展，生产技术越来越复杂，对生产工艺的要求也越来越高，这就要求生产机械能够在工作速度，快速启动和制动，正反转等方面具有较好的运行性能。从而推动了电动机的调速不断向前发展，自从1834年直流电动机出现以后，直流电动机作为调速电动机的代表，在工业中得到了广泛的应用。它的优点主要在于调速范围广，静差小，稳定性能好以及具有良好的动态性能，晶闸管变流装置的应用使直流拖动发展到了一个很高的水平，在可逆，可调速与高精度的拖动技术领域中相当长时间内几乎都采用直流拖动系统。尽管如此，直流调速系统却解决不了直流电动机本身的换向问题和在恶劣环境下的不适应问题，同时，制造大容量，高转速以及高电压直流电动机也十分困难，这就限制了直流传动系统的进一步发展。 交流电动机在1885年出现后，由于一直没有理想的调速方案，只被应用于恒速拖动系统，从本世纪30年代起，不少国家才开始提出各种交流调速的原始方案，晶闸管的出现使交流电动调速的发展出现了一个质的飞跃，使得半导体变流技术的交流调速得以实现，国际上在60年代后期解决了交流电动机调速方案中的关键问题，70年代开始就实现了产品的高压，大容量，小型化，且已经逐渐取代了大部分传统的直流电动机的应用领域。交流调速系统发展迅速的很大一部分原因在于交流电动机本身的优点：没有电刷和换向器，结构简单，寿命长。近年以来大功率半导体器件，大规模集成电路，电子计算机技术的发展，加上交流电动机本身的优越特性，为交流调速提供了广泛的应用前景。目前交流电力拖动系统已具备了较宽的调速范围，较高的稳态精度，较快的动态响应，较高的工作效率以及可以在四象限运行等优越性能，其动态性能均可与直流电动机拖动系统相比美。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于此数值。 （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[1]。 2 交流调速的现状 随着电力电子技术，计算机技术的不断发展和电力电子器件的更新换代，变频调速技术得到了飞速的发展。据资料显示，现在有90%以上的动力来源来自电动机。我国生产的电能60%用于电动机，电动机与人们的生活息息相关，密不可分，所以要对电动机的调速有足够的重视。我们都知道，动力和运动是可以相互转化的，从这个意义上说电动机也是最常见的运动源，对运动控制的最有效方式是对运动源的控制。因此，常常通过对电动机的控制来实现运动控制。实际上国外已将电动机的控制改名为运动控制。 对电动机的控制可以分为简单控制和复杂控制两大类。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可以通过继电器，可编程器件和开关元件来实现。复杂控制是指对电动机的转速，转角，转距，电压，电流等物理量进行控制。而且有时往往需要非常精确的控制。以前，对电动机的简单控制的应用较多，但是，随着现代化步伐的前进，人民对自动化的需求也越来越高。使电动机的复杂控制逐渐成为主流，其应用领域极为广泛。在军事和雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳的控制等。工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，绕线机，泵和压缩机，轧机主传动等设备的控制。计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，绘图仪，打印机，复印机等的控制；音像设备和家用电器中的录音机，数码相机，洗衣机，冰箱空调，电扇等的控制，我们统统称其为电动机的控制。 交流调速控制作为对电动机控制的一种手段。作用相当明显，这里就不再多做介绍，就交流调速系统目前的发展水平而言，可概括的如下： （1）已从中容量等级发展到了大容量、特大容量等级。并解决了交流调速的性能指标问题，填补了直流调速系统在特大容量调速的空白。 （2）可以使交流调速系统具有高的可靠性和长期的连续运行能力，从而满足有些场合不停机检修的要求或对可靠性的特殊要求。 （3）可以使交流调速系统实现高性能、高精度的转速控制。除了控制部分可以得到和直流调速控制同样良好的性能外，异步电动机本身固有的优点，又使整个系统得到更好的动态性能。采用数字锁相控制的异步电动机变频调速系统，调速精度可以达到0.002%。 根据异步电动机的转速表达式n=(1-s)60f/p= n0。可知，当极对P不变时，均匀的改变定子供电的频率f，则可以连续的改变异步电动机的同步转速n0。达到平滑调节电动机实际运行转速n的目的。这种调速方法称为变频调速。变频调速具有很好的调速性能，应用相当广泛，是交流调速的主流。 保持V1 /F1=常数的恒压频比控制方式在忽略定子阻抗压降后可得到V1 /F1=C1Φm ，式中C1=4.44Kn1N1为常数，因此，在变频时要维持磁通恒定，只要使V1 与F1成比例的改变即可。此时，由公式n0=(1-s)60f1/p得，所以，带负载时转速降落Δn为Δn=s n0=60f1s/p,将异步电动机的转矩公式T=3PU12R¹2/{2SF1П[（R1+R¹2/S）2+（X1+X¹2）2]}近似处理后得 ，可以导出 ，由此可见，当 为恒值时，对于同一转矩 ， 是基本不变的。也就是说，在恒压频比条件下改变频率时，机械特性基本是平行上下移动的，频率降低，转速下降， 太小将限制调速系统的带负载能力，所以在低频时，采用定子压降补偿法来适当的提高电压 ，以增强带负载的能力,从而达到比较满意的效果。 保持 =常数的恒磁通控制方式对于 =常数的控制方式，无法保证最大的转距。对于要求调速范围的的恒转距负载，则希望在整个调速范围内 不变，即使保持 恒定。可采用 =常数的恒磁通控制方式。保持 =常数，此时，机械特性曲线形状不变，不同定子频率下的机械特性曲线平行，且最大转距保持不变，但由于异步电动机的感应电动势 不好测量和控制，所以在实际应用中，采用电压补偿的方法来达到维持最大转距的目的。考虑到低频空载时，由于电阻压降减小，应减少补偿量，否则将使电动机中 增大，导致磁路过饱和而带来的问题，故 与 的曲线是折线。 保持 =常数的恒功率控制方式变频调速时，在定子频率大于额定频率的情况下，若仍按照上述方法进行控制，则定子电压要高于额定电压，这是不允许的。所以当在频率超过额定频率时，往往使定子电压不再升高，而保持 为额定电压不变，这样一来，气隙磁通就会小于额定磁通，从而导致转距减少，保持 =常数时的恒功率控制方式所要求的电压与频率的协调关系。可知， ，忽略 时； 。额定转距 （式中 为过载倍数），对于恒功率调速，有 ，可得出 ，只要满足 =常数的条件，即可达到恒功率调速。 恒电流控制方式：在变频调速时，保持异步电动机的定子电流 为恒值，称为恒流控制方式。 的恒定是通过PI调节器的电流闭环调节作用来实现的。恒流变频调速与恒磁通变频调速的机械特性基本一样。都属于恒转距调速，在变频调速时，最大转距 是不变的，由于恒流控制限制了 ，所以恒流时的最大转距 要比恒磁通时小得多，使过载能力降低。因此，这种控制方式只适用于负载不大的场合。 3 用单片机控制的交流调速 微处理器（单片机）取代模拟电路作为电动机的控制器，具有如下特点： （1）使电路更简单 模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路更复杂，采用微处理器后，绝大多数控制逻辑可通过软件来实现。 （2）可以实现较为复杂的控制 微处理器具有更强的逻辑功能，运算速度快，精度高，有大容量的存储单元。因此，有能力实现复杂的控制。 （3）灵活性和适应性 微处理器的控制方式是用软件来实现的，如果需要修改控制规律，一般不必改变系统的硬件电路，只须修改程序即可，在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便。 （4）无零点漂移，控制精度高 数字控制不会出现模拟电路中经常遇见的零点漂移问题，无论被控量是大还是小，都可以保证足够的控制精度。 （5）可以提供人机界面，多机连网工作。 用工业控制计算机可谓功能强大，它有极高的速度，很强的运算能力和接口功能，方便的软件功能，但是由于成本高，体积过大，所以只用于大型的控制系统，可编程控制器则恰好相反，它只能完成逻辑判断，定时，记数和简单的运算，由于功能太弱，所以它只能用于简单的电动机控制。在民用生产中，通常用介于工控机和可编程控制器之间的单片机作为微处理器。本次设计就是用单片机作为电动机的控制器。 在设计中用单片机作为电动机的核心控制元件来取代模拟电路，就可以将传统的调速方案中的一些缺点避免，达到提高控制精度的目的。在本次设计中所用到的控制方式是用转差频率闭环控制。 转速开环恒压频比调速系统虽然结构简单，异步电动机在不同的频率下都能够获得较硬的机械特性曲线，但是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要的转距，动态性能也很差，它只能用于对调速系统的动静态性能要求都不高的场合。如果异步电动机能像直流电动机一样，用控制电枢电流的方法来控制转距，那么就能够得到和支流电动机一样的动静态性能。转差频率控制是一种解决异步电动机电磁转距控制问题的方法，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相似的性能。转差频率控制的基本概念，原理由式 可以得出异步电动机的机械特性方程式 令式中 ，它是转差频率。又由式 即： 所以： 式中 由于异步电动机机械特性曲线上有一最大值，当转差频率小于临界转差频率（对应于电磁转距最大的转差率）时，电动机运行在稳定工作区，电动机的电流比较小；当转差率大于临界转差率时，电动机进入不稳定工作区，电动机的电流增大，转距减小。所以在调速过程中要使电动机的转差频率小于临界转差率。也就是说，异步电动机稳定工作时的转差率很小，从而 也很小，所以 可近似写成 。此式表明，在转差频率 很小的范围内，只要能够保持气隙磁通 不变，异步电动机的转距就近似与转差频率成正比，这就是说，在异步电动机中控制 ，就能和直流电动机中控制电流一样，能够达到控制转距的目的。控制转差频率就代表了控制转距，这就是转差频率控制的基本原理[2]。 转差频率控制的基本规律,上面只是近似找到了转距与转差频率的正比关系，可以用它表明转差频率控制的基本原理，但是这一正比关系必须有两个条件才能成立。首先转差频率 必须较小，即控制系统必须对 限幅，使其满足 ；其中 ， 对应于最大转距时的转差频率。这就是转差频率控制的基本规律之一。对 限幅的功能由转速调节器来实现。上述的第二个条件是气隙磁通必须保持恒定。异步电动机可以控制的量是定子电流 ，而 中包括励磁电流分量 和负载电流分量 ，只有保持励磁电流分量 恒定，才能使气隙磁通 恒定，而 和 均难以直接测量，若能找到 ， 和 之间的函数关系。当负载改变引起 变化时，只要调节 ，使 保持不变，问题就解决了。 - - 0 + + 图3.1 转差频率控制的基本规律 根据并联支路的分流公式 取等式两侧向量的副值相等，得： 令 常数，可以看出图2.1，它具有如下性质：（1）当 =0时， ，在理想空载时定子电流等于励磁电流；（2）若 值增大，定子电流 也相应增大；（3）当 时， ，这是 曲线的渐近线；（4） 为正负值时， 的对应值不变， 左右对称。上述关系表明：只要对定子电流 和 的关系符合图3.1或符合 的规律，就能保持气隙磁通 恒定，这就是转差频率控制的基本规律之二，它有函数电流发生器来实现。 总结起来，转差频率控制的基本规律是： （1）在 的范围内，转距基本上与 成正比，条件是气隙磁通 恒定。 （2）定子电流 和 的关系符合图2.1或式子 的规律，就能够保证气隙磁通 恒定。 转差频率控制的变频调速系统实现上述转差频率控制的转速闭环变频调速结构原理，可以看出该系统具有以下特点： （1）采用电流源变频器，使控制对象具有较好的动态响应，而且便于回馈制动，这是提高系统动态性能的基础。 （2）和直流电动机双闭环调速系统一样，外环是转速环，内环是电流环，转速调节器的输出是转差频率给定值 ，代表转距给定。 （3）转差频率 的控制作用分两路，分别作用在可控整流器和逆变器上。前者通过 函数发生器，按 的大小产生相应的 信号，再通过电流调节器控制定子电流，以保持 恒定，另一路按 产生对于于定子频率 的控制电压 ，决定逆变器的输出频率。 （4）转速给定信号 ， ， 都反向，相序鉴别器判断 的极性以决定环形分配器的输出相序，而 信号本身则经过绝对值变换器决定输出频率的大小，这样就很方便的实现了异步电动机的可逆运行。 调速系统的工作原理 （1）起动过程 起动过程如图3.2所示。首先说明起动过程是一个恒定子电流，恒转差角频率起动的过程，转速给定信号 由电位器设定，作为转速调节器的输入信号，在起动瞬间（对应于图中的A点电动机的转速） ，而测速发电机TG输出信号， 图3.2 调速系统的工作原理图[3] 转速调节器的输入信号最大，其输出最大达到限幅值 而转速调节器的输出信号送给了电流函数发生器，所以此时函数发生器的输出达到最大值，因而其输出也达到最大给定值 ，接下去的电流调节环的速度比转速调节环的速度快得多，可以认为，转速过度过程中实际定子电流 始终跟踪了 ，而在起动过程中由于电动机转速还没有达到给定值，转速调节器输出 不会从限幅值 退下来，转差频率给顶值一直保持 不变， 也一直保持 不变。所以可以认为起动过程是一个恒定子电流，恒转差频率驱动过程。 由式子 可知，定子电流 ，转差频率 恒定，则励磁电流 也恒定，因此气隙磁通 恒定。图3.2中，A点对应于起动瞬间，由于电动机的转速为0（W=0），所以按 产生的对应于顶子额定电流为 ，记为 ，如果逆变器输出频率保持 不变，则电动机的工作点将沿着这条曲线达到B点，记此时的异步电动机的转速为 ，假如控制系统此时对其进行采样，按 产生的定子频率 为 ，由于电动机的转速不能突变，因此电动机的工作点移到了这条曲线上的C点。按以上的方法分析下去，可以知道异步电动机的工作点将沿着A B C D ·······移动，最终达到稳定工作点N。 以上分析中，控制系统对转速进行采样的时刻时间断的，如果控制采用连续系统方法，则电动机的转速变化将立即通过控制系统改变控制器的输出频率。这样，沿着A B C D ·········的连线将趋向于沿着A C E G ·········这条曲线，而这条曲线说明在异步电动机起动过程中，电磁转距保持不变，这一结论可以从上面的定子电流 ，转角频率 ，气隙磁通 恒定。 负载变化时，若转速给定信号为 ，电动机工作点为N，当负载变化从 增加为 时，电动机的转速W将逐渐降低，测速发电机输出信号 减少，转速调节器 增大，按 产生的对应于定子频率 由于 增大而增大，控制电压 增大，决定了逆变器的输出频率增加，电动机的机械特性曲线上移，最终电动机在新的工作点 处稳定工作。 如果 不改变，但转速给顶信号从 增大到 时，速度调节器的输入为正值，其输出 将增大，按 产生的对应于定子频率 ，由于 增大而增大，控制电压 增大，决定了逆变器的输出频率增加，电动机的机械曲线上移，当 增大时，电动机的工作点将瞬间地从 点转到 对应的特性曲线上的A点，在A点电磁转距 ，因而电动机将加速，转速上升，按 产生的对应于定子频率 由于 增大而增大，逆变器的输出频率增加，电动机的机械特性曲线上移，只要 ，定子频率 将不断增大，电动机的工作点将沿着图中的A到 曲线运动，到了 点时，电动机的转速 ，电磁转距 ，电动机将在 点上稳定运行，这就完成了电动机的加速过程。 当转速给定信号反相时，速度调节器输出负限幅值， ，按 产生的对应于定子频率 由于 变负而减小逆变器的输出频率降低，电动机的机械特性曲线下移，电动机以最大制动转距减少到零。当转速接近于零时，按 产生的对应的 由正值变负时，通过相序鉴别器使环形分配器的相序改变，电动机实现反向运行。 转差频率控制系统的动态性能虽比转速开环系统有较大提高，但是在采用经典线性控制理论和工程设计方法分析和设计，仍要作较大的近似处理。在建立转差频率控制系统的动态结构图时，仍做如下处理： （1）忽略异步电动机的铁损。 （2）忽略异步电动机旋转电动势对系统动态过程的影响，或者说，忽略哦率和转速对电压控制系统的影响。 （3）认为组成系统的各环节的输入输出关系都是线性的。 （4）认为磁通 在动态过程中保持不变。 4 用单片机控制的电机交流调速系统设计 4.1 调速系统总体方案设计 图4.1 调速系统总体框图 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。如果异步电动机能像直流电动机一样，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。 为了使系统具有较好的动静态性能，满足设计要求，可将整个系统设计为转速单闭环控制系统，采用转差频率调节方式，对转速进行动态调节，考虑电动机负载为恒转距负载，在高频段，采用恒比例控制方式来做近似恒磁通控制方式；在低频段，采用恒磁通补偿方法来维持磁通的恒定，实现恒磁通变频调速。当频率高于额定转速时，维持 ，实现恒功率调节。选用大规模集成电路HEF4752来产生PWM控制信号，以减轻单片机的负担，使它能够有足够的时间来完成闭环控制，系统检测和保护等任务。 由于电动机功率不大，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，HEF4752大规模集成电路，保护电路，51-单片机，8253定时/记数器，8255可编程接口芯片，8279通用键盘/显示器，I/O接口芯片，CD4527比例分频器和测速发电机等组成[4]。 4.2 原器件的选择 （1）74LS138 74LS138是一种3-8译码器，有三个输入端，经译码产生8种状态。其引脚如图4.2所示，译码功能如表4.1所示，由表可知，当译码器的输入为某一个编码时其输出就有一个固定的引脚输出为低电平，其余的为高电平。 图4.2 74LS138引脚图 表4.1 74LS138真值表 输 入 输 出 G1 G2A/ G2B/ C B A Y7/ Y6/ Y5/ Y4/ Y3/ Y2/ Y1/ Y0/ 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 其它状态 — — 1 1 1 1 1 1 1 1 （2）8253 主要功能： 1）一个芯片上有三个独立的16位计数器通道； 2）每个计数器都可以按照二进制或二——十进制计数； 3）每个计数器的技术速率可高到2MHz； 4）每个通道有六种工作方式，可由程序设置和改变； 5）所有的输入输出与TTL兼容。 图4.3 8253引脚图 每个通道有三条引线： CLK：输入脉冲线。计数器就是对这个脉冲计数。8253 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 ，加在CLK引脚的输入时钟周期不能小于380ns。 GATE：门控制信号输入引脚。这是控制计数器工作的一个外部信号。当GATE引脚为低电平时，通常都是禁止计数器工作；只有当GATE为高电平时，才允许计数器工作。 OUT：输出引脚。当计数到“0”时，OUT引线上必然有输出，输出信号的波形取决于工作方式[5]。 本次设计用到芯片8253的工作方式三，当记数值N为偶数时，输出为对称方波，前N/2记数期间，OUT输出为高电平，后N/2记数期间，OUT输出为低电平。若记数值N为奇数值时，将输出不对称方波，即在前（2N+1）/2记数期间，OUT输出高电平，后（2N-1）记数期间输出低电平。 （3）HEF4752 随着电力电子技术及大规模集成电路的发展，基于集成SPWM电路构成的变频调速系统以其结构简单、运行可靠、节能效果显著、性价比高等突出优点而得到广泛应用。本文介绍的变频调速系统是以大规模专用集成电路HEF4752为核心构成的控制电路，由HEF4752产生的三相SPWM信号经隔离、放大后，驱动由IGBT构成的三相逆变器，使之输出SPWM的波形，实现异步电动机变频调速。 HEF4752简介,HEF4752如图4.4所示，是采用LOCMOS工艺制造的大规模集成电路，专门用来产生三相SPWM信号。它的驱动输出经隔离放大后，可驱动GTO和GTR逆变器，在交流变频调速中作控制器件。 图4.4 HEF4752引脚图 主要特点如下： 1）能产生三对相位差120°的互补SPWM主控脉冲，适用于三相桥结构的逆变器。 2）采用多载波比自动切换方式，随着逆变器的输出频率降低，有级地自动增加载波比，从而抑制低频输出时因高次谐波产生的转矩脉冲和噪声等所造成的恶劣影响。调制频率可调范围为0～100Hz，且能使逆变器输出电压同步调节。 3）为防止逆变器上下桥臂直通，在每相主控脉冲间插入死区间隔，间隔时间连续可调。引脚说明： HEF4752为28脚双列直插式 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 封装DIP芯片，它有7个控制输入，4个时钟输入，12个驱动信号输出，3个控制输出。各管脚功能描述如表所列。 表4.2 HEF4752管脚功能 引  脚 名  称 功     能 1 OBC1B 相换流开关信号1 2 OBM2B 相主开关信号2 3 OBM1B 相主开关信号1 4 RCT 最高开关频率基准时钟 5 CW 电机换相控制信号 6 OCT 推迟输出时钟 7 K 选择互锁推迟间隔 8 ORM1 R相主开关信号1 9 ORM2 R相主开关信号2 10 ORC1 R相换流开关信号1 11 ORC2 R相换流开关信号2 12 FCT 频率时钟 13 A 复位输入控制 14 VSS 接地端 15 B 测试电路用信号 16 C 测试电路用信号 17 VCT 电压时钟 18 CSP 电流采样脉冲 19 OYC2 Y相换流开关信号2 20 OYC1 Y相换流开关信号1 21 OYM2 Y相主开关信号2 22 OYM1 Y相主开关信号1 23 RSYN R相同步信号 24 L 停止/启动系统 25 I 选择晶体管/晶闸管模式 26 VAV 平均电压 27 OBC2 B相换流开关信号2 28 VDD 工作电压(10V) 输入引脚功能 1)输入引脚I用来决定逆变器驱动输出模式的选择，当引脚I为低电平时，驱动模式是晶体管，当引脚I为高电平时，驱动模式是晶闸管。 2)输入控制信号引脚K和时钟输入引脚OCT共同决定逆变器每对输出信号的互锁推迟间隔时间。 （4）8255 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4.5所示。 图4.5 8255引脚图 引脚说明： 8255共有40个引脚，各引脚功能如下： D0—D7：三态双向数据线，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。 PA7—PA0：A口输入/输出线。 PB7—PB0：B口输入/输出线。 PC7—PC0：C口输入/输出线。 RESET：复位信号线。 A1—A0：地址线，用来选择8255内部端口。 本次设计用到8255的工作方式0，且A口作为输入，B口，C口作为输出。 8255地址口的选定： 片选CS/，地址选择端A1，A0。分别接于P0.7,P0.1,P0.0其它地址线全悬空。显然只要保证P0.7为低电平时，选中该8255，若P0.1,P0.0再为“00”选中8255的A口，同理P0.1,P0.0为“01”，“10”，“11”分别选中B口，C口及控制口。若地址用16位表示，其他无用端全选为1，则8255的A，B，C，J及控制口地址可为FF7CH，FF7DH，FF7FH，如果无用位为“0”，则4个地址为0000H，0001H，0002H，0003H，只要保证CS/，A1，A0的状态，无用位设为“0”，或“1”无关。掌握了确定地址的方法，地址便可以灵活的选出了。 （5）ADC0809 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4.6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）IN0—IN7是8路模拟信号输入端。 2）D0—D7是8位数字量输出端。 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，三编码对应8个通道地址口。C，B，A=000—111分别对应IN0—IN7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。 图4.6 ADC0809引脚图 （6）8279 8279是一种通用可编程键盘，显示器接口芯片。如图4.7所示,它能完成键盘输入和显示控制两种功能，键盘部分提供一种扫描方式，对键盘不断扫描，自动消抖，自动识别出按下的键并给出编码，能对双键或N键同时按下进行保护。 8279的组成： 1）I/O控制及数据缓冲器 2）控制和时序寄存器及定时控制 3）扫描计数器 4）回复缓冲器，键盘抖动及控制 5）FIFO/传感器RAM及其状态寄存器 6）显示RAM和显示地址寄存器[6]。 图4.7 8279引脚图 4.3 系统主回路的设计以及参数计算 （1）主回路的结构 系统主回路是交—直—交电压型变频电路，其图4.8如下所示： 图4.8 系统主回路电路图 整流采用三相桥式不可控整流器， ， ， 组成滤波电路， ， ， 三个元件和 一起构成尖峰电压吸收电路（又称直流侧阻容吸收电路），用以削弱因逆变器换流而引起的尖峰电压，采用的是GRT三相桥式PWM逆变器。 （2）参数计算和元件选择 1)大功率开关管 SPWM正弦脉宽调制方法的直流利用率为0.866，即 。为了使逆变器输出380V的线电压，要求直流侧的电源电压： 考虑到大功率的晶体管的管压降等，取 。选择晶体管模块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，绝缘式结构，其极限参数为： ，它的内部结构图如图4.9所示。 图4.9 QCA50A—100模块内部结构 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： 取电动机的效率为0.82，则电动机的输入功率为 。取逆变器的效率为0.93，则 直流侧的功率为： ，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 。选择两只2200uF，耐压在500V以上的电容器并联使用。 滤波电感在这里主要用来限制电流脉动（PWM变频调速系统不存在电流不连续问题）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的电感量算式估计如下（取 ） 考虑到电动机和整流变压器存在一定的电感量，取实际的串联电感为100mH。选择两台电感量各为50mH，额定电流不小于6.4A的电抗器 串联。 （4）直流侧阻容吸收电路 按照晶体管三相桥式整流电路直流侧组容吸收电路参数式进行估算： 其中， 选择 系列纸电容。 的额定功率取为2W， 选择RJ系列金属膜电阻。 选用2CP1G，额定电流 ，最高耐压800V。 （5）大功率晶体管阻容吸收电路 取电动机起制动电流 为额定电流的3倍，即 关断时间 ，升泵电压 ，则： 的耐压值与GRT相同，取 为 的电容， 阻值取为100欧[7]。 4.4 单元模块的设计 4.4.1 转差频率控制原理及调节器的设计 （1）转差频率控制原理 由电机学的知识可知： 其中 图4.10 系统控制结构图 电动机正常运行时得： 当采用恒磁通控制方式进行变频调速时， 近似恒定， 近似恒定，这时有 ，其中 近似为一常数，T近似的正比于转差频率 。 因此，通过对转差频率控制，就可以达到控制电动机转距的目的，从而调节电动机的转速 。 （2）调节器设计 因 ，所以 与 之和反映了频率 ，即为频率指令信号。 为死区，它是为了避免因量化误差，舍入误差引起系统运行不平衡而引起的。ΔUnA ΔUnB(–ΔUnA–ΔUnB)为线性调节区，当∣ΔUn（K）∣>ΔUnB时，输出限幅，用以现在转差频率的最大增量，亦即限制 的最大增量，亦即限制 的最大增量，防止系统过冲，提高系统的稳定性。Δ 决定系统的积分系数（ ）,它由电位器给定，通过A/D转换器转换后输入。当ΔUnB确定后，通过调节电位器，就能改变积分系数 ，整定方便。ΔUnA的值根据静态精度要求和实际系统工作时的最低转速来确定，ΔUnB、ΔUsM通过实验确定[9]。 4.4.2 模拟量输入通道的设计 由于本次设计中选用的MCS-51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ADC0808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 [10]。 4.4.3 变换器的设计 分频系数变化范围较大，需采用16位分频器，所以可通过扩展一片可编程定时/计数器8253来完成整数分频。8253内部有三个6位计数器，完全可满足设计要求。由于Pf、Pv都不是一个纯整数，为了保证系统的精度，可扩展2片比例乘法器CD4527，用它进行比例分频。二进制码/方波信号变换器硬件连线图如图4.11所示。 图4.11 变换器硬件连接图 CD4527是BCD比例乘法器，其Q端输出脉冲书具有如下关系 N0 = BCD输入数 * / 10 如果输入的BCD数为6，则每输入10个时钟脉冲，可在输出端得到6个输出脉冲。CD4527引脚如图4.11所示各引脚功能如下： A、B、C、D： BCD数输入端。输入的BCD数决定芯片的乘法系数（分频系数）。 CP：时钟脉冲输入端。 INHIN：时钟CP禁止输入端。INHIN为“0”，允许输入，为“1”时禁止输入。 Cr：清零端，Cr为“0”时正常工作，为“1”时芯片清零。 SET“9”：置9端，工作时接地。 ST和CF：分别为选通端和级联端。用于级联。 “9”OUT：状态“9”输出端。 INHout：时钟禁止输出端，当有脉冲输出时，INHout输出“1”电平。 Q、Q/：脉冲输出端。 采用一级CD4527，只能获得小数点后一位的乘法系数，为了获得小数点后两位的乘法系数（即0.00~0.99的比例分频系数），本系统中采用级联的方法进行加法运算，对φ进行两位数的比例分频，连接图如图所示。第一级CD4527输出的脉冲数为 。由于Q1与CF1连接，故Q1的输出脉冲经第二级CD4527直接从Q2输出，脉冲不变。由于INHout1到CP1端第9个脉冲后才为“0”，即INHout2在φ第10个脉冲来时才为“0”，允许脉冲输入，故100个φ脉冲中只从CP2端输入10个，所以输出脉冲数为 ，总的输出脉冲数为： 式中：A、B—比例分频系数，分别对应于1/10位和1/100位。 图4.12 CD4527引脚图 8253是可编程序定时/计数器，片内具有3个独立的16位计数器通道，每个通道有6种工作方式。关于8253引脚功能、工作方式等这里不再赘述。本系统中，设定0、1、2通道工作在方式3（方波信号发生器），用比例分频的输出 分别作为0、1通道的计数时钟信号，对 进行整数位分频，产生FCT、VCT两路时钟信号。0、1通道的计数值即位整数分频系数，由CPU通过执行几条输出指令置入。2通道用来产生RCT、OCT时钟信号RCT、OCT共用一路时钟信号，且频率固定。因 取 ，则 。时钟Φ的频率为2MHz，故RCT可由时钟Φ经7分频来获得，故置通道计数值为7。 由于整数分频和小数分频分开进行，所以需将分频系数 分别分解为纯整数 和纯小数 两部分，整数部分 送8253的0、1通道作为计数值，小数部分 送比例分频器CD4527作为比例分频系数。 与 关系如下： 对应 的一个值， 有多组取值。考虑到由于硬件的限制， 只能取小数点后两位这一条件， 与 ， 与 必定有一最佳组合。基于这一想法，取使 的绝对值趋于最小，且 为偶数的一组值 和使 的绝对值也趋于最小，且 为偶数的一组值 为两位纯小数）。这种寻优法的计算法的计算量工作量较大，难以实时完成。本系统中采用查表的方法获得 。用高级语言程序离线生成 和 两个表格，存入内存。系统运行时，根据求得的频率指令信号 ，查表获得对应的分频系数 ，然后将它们送到相应的比例分频器和8253的0、1通道，8253的0、1通道便会产生相应频率的方波信号输出，这样就完成了二进制码到方波信号的变换。比例乘法器CD4527不能直接与CPU连接，系统中可扩展一片8255，用它作为二路比例乘法器与CPU的接口。8253定时/计数器则直接与CPU连接。 4.4.4 光电隔离及驱动电路设计 HEF4752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。该模块是一个带有光隔离的功率放大电路，其电源电压为12V，输出电压 （对应GTR导通）和-2V（对应GTR关断），工作频率为 ，可驱动50A以下的逆变器，其内部电路如图4.13所示。 图4.13 EX359驱动模块内部结构 4.4.5 故障检测及保护电路设计 故障检测及保护电路如图4.14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HEF4752的L控制端。这样保护电路可通过门1输出控制信号的封锁HEF4752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。 图4.14 过电流，过电压保护电路 4.5 系统软件的设计 主程序框图如图4.15所示。先进行芯片初始化，然后，清系统工作区，开放8051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：显示转速→中断服务（ 和 运算，查表求出 ）→可逆切换程序→输出控制量→显示转速。 图4.15 系统主程序框图 4.5.1 部分子程序 对于0809的编程，采用软件延时的方法 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 ………… 对于8253编程，计数器工作在方式3 MOV DPTR, #7FFFH MOV A,0B6H MOVX @DPTR, A MOV DPTR, #7FFFH MOV A, #32H MOVX @DPTR, A CLR A MOVX @DPTR, A …………… 对于8255编程。工作在方式0，A口作为输入，B，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 在传统的可调速电气传动系统中，直流电动机调速系统占绝对优势。但是直流电动机结构复杂，价格高，又有换向器和电刷，在运行中常出故障。与此相反，鼠笼式异步电动机具有结构简单，运行可靠，价格便宜等优点。但是交流电动机调速困难。自从上世纪80年代初交流变频技术出现以来，使用变频调速器和调节器来进行交流电动机无级调速成为可能。它具有调速范围宽，稳速精度高，动态响应快，运行可靠等技术性能，已逐步取代直流电动机调速系统。然而目前的变频器大部分都是线路复杂，价格昂贵，常用于大、中功率的电动机。对于国内占有率极大的中、小型电动机采用这类变频器无疑是难以普及的。鉴于这种情况，我们设计了此种由8098单片机为主控制器的，具有高度灵活性和可靠性的低价格交流电动机变频调速系统。在本设计中以工NTEL公司的8098单片机作主控制器，并且可加上中继来加长距离,该系统可方便的组网控制或组成分布式集散控制系统。 致 谢 我在研究学习和课题设计期间，经张勇教授的悉心指导和耐心启发，学习到了设计课题的基本方法，具备了将一定的理论知识用于实践的能力，提高了自学水平，基本上达到的学以致用。张教授严谨的治学态度，渊博的知识，和谐的为人及忘我的工作精神让我钦佩不已，这不但使的我的毕业设计能够顺利的完成，还在为人做事方面给我做了一个好的榜样。我真诚的感谢他——张教授。 此外，我还要感谢实验室的王老师在我设计期间提供了完备的设计的器件及相关的资料。 感谢帮助过我的所有人。 感谢评阅和阅读本论文的老师付出的辛勤劳动!!! 参考文献 [1]李建华，马小妹，郭成安．基于方向图的动态闽值指纹图像二值化方法[N]．大连理工大学学报，2002-6-16（A4）． 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