基于单片机转差频率的交流调速系统

运动控制系统课程设计题 目：基于单片机转差频率的交流调速系统 专业班级： 姓 名： 学 号： 指导教师：目录1引言 (3)2设计方案 (4)2.1调速系统总体方案设计 (4)2.2转差频率控制转速的基本原理 (5)3硬件设计 (6)3.1硬件清单列表 (6)3.2重要元件的功能 (7)3.2.1单片机AT89C51 (7)3.2.2译码器 (8)3.2.3可编程计数/定时芯片8253 (8)3.2.4大规模专用集成电路HEF4752 (9)3.2.5可编程的并行I/O接口芯片8255 (10)3.2.6 A/D转换器ADC0809 (11)3.2.7通用可编程键盘8279 (11)3.3系统主电路图 (12)3.4 转差调节器的设计 (12)3.5 PWM控制信号的产生及变换器的设计 (14)3.6 光电隔离及驱动电路设计 (14)3.7 电动机的转速测量电路的设计 (15)3.8 电动机的电流、电压测量电路的设计 (16)3.9 键盘显示电路的设计 (17)3.10 故障检测及保护电路设计 (18)3.11参数计算 (19)3.11.1大功率开关管 (19)3.11.2三相整流桥 (19)3.11.3 LC滤波器 (20)3.11.4 直流侧阻容吸收电路 (20)3.11.5 大功率晶体管阻容吸收电路 (21)4软件设计 (21)4.1 程序框图及其介绍 (21)4.1.1系统主程序 (21)4.1.2 转速调节程序 (23)4.2 部分子程序 (24)4.2.1 0809的编程 (24)4.2.2 8253编程 (24)4.2.3 8255编程 (25)心得体会 (26)参考文献 (27)1引言近年来，交流电机调速技术中最活跃、发展最快的就是变频调速技术，变频调速技术的出现使频率成为可以充分利用的资源。

交流电动机采用变频调速不但能实现无级调速，而且可以根据负载的特性不同通过适当调节电压和频率之间的关系，使电动机始终运行在高效区，并保证良好的动态特性。

同时，交流电动机采用变频起动更能显著改善交流电动机的起动性能，大幅降低电动机的起动电流，增加起动转矩转差频率控制异步电动机变频调速是公认的一项性能较优越的控制策略，是当前高校电传动、电机拖动等课程重要的知识点。

目前，市面上出售的教学实验装置大多是由模拟电路构成。

实验系统的性能由于受到温度等因素的影响而有所降低，不利于开展转差频率控制变频调速实验。

从20实际后半叶开始，控制系统硬件已由模拟技术转向数字技术。

微型计算机在性能、速度、价格、体积等方面的不断发展为现代交流调速技术实现提供额重要保证。

现在16位以及32位微处理机应用十分广泛，由于微处理机的运算速度高且价格较低，使得交流调速系统可以采用全自动化控制，这样不仅使传动系统获得高精度、高可靠性，还为新的控制理论与方法提供了物质基础。

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。

可以说，自20世纪80年代开始交流调速技术就已进入了一个新的时代，也就是可以与直流调速相媲美并逐渐取而代之占据电力传动主导地位的时代。

2设计方案2.1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如图2.1所示。

图2.1 调速系统总体结构图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。

2.2转差频率控制转速的基本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： ()()()220222102222221211)(3⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+∆Φ=+=σσωωωx n n r r n n C sx r r s E P T n (2-1)当实际转差额定空载转速相比很小时（0n n <<∆），220r x n n <<∆σ,可以从式中约去，这样式(2-1)可以简化为：()()2022222102n r C r r n n C T s m n m n 'Φ=∆Φ≈ωω其中1602ωπωn n p s ∆=∆= (2-2) 从式(2-2)中可得，当转差频率s ω较小且磁通m Φ恒定时，电机的电磁转矩T 与s ω成正比。

这时只要控制转差频率s ω就能控制转矩T ，从而实现对转速的控制。

若要使转差频率s ω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m Φ为恒值，即保持励磁电流m I 恒定，而励磁电流m I 与定子电流1 I 有如下关系，()()[]()222221221σσωωωL r L L r f s m m s '+''++'I ==I （2-3） 因此若1I 按照上述规律变化，则m I 恒定，即m Φ恒定。

转差频率控制策略是：利用测速环节得到转速ωU 与转速给定*ωU 、比较，限制输出频率，使转差率S U ω (即S ω)不太大；控制定子电流1I ，使得励磁电流m I 保持恒定；这时控制s ω实现调速。

系统原理图如图2.2所示。

图2.2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S U ω,表转矩给定。

函数发生器输入转差频率产生*ωU 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。

3硬件设计3.1硬件清单列表3.2重要元件的功能3.2.1单片机AT89C51AT89C51提供4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位，其引脚图如图3.1所示。

图3.1 AT89C51引脚图3.2.2译码器74LS138是一种3-8译码器，有三个输入端，经译码产生8种状态。

译码功能，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。

引脚图如图3.2所示。

图3.2 74LS138引脚图3.2.3可编程计数/定时芯片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。

引脚图如图3.3所示。

图3.3 8253引脚图本次设计用到芯片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。

3.2.4大规模专用集成电路HEF4752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。

主要特点如下：1.产生三对相位差120°的互补SPWM主控脉冲，适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。

3.2.5可编程的并行I/O接口芯片82558255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3.4所示。

图3.4 8255引脚图本次设计用到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。

3.2.6 A/D转换器ADC0809ADC0809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。