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'基于单片机的交流调速系统设计考生姓名：准考证号：专业层次：本科院（系）：机械与动力工程学院指导教师：职称：讲师重庆科技学院二O一二年二月十五日 基于单片机的交流调速系统设计考生姓名：准考证号：专业层次：本科指导教师：院（系）：机械与动力工程学院重庆科技学院二O一二年二月十五日 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文中文摘要目录中文摘要I英文摘要II1调速系统总体方案设计12系统组成及工作原理23交流电机调速硬件系统设计43.1原器件的选择及其功能简介43.2系统主回路的设计93.2.1主回路的结构93.2.2参数计算和元件选择93.3转差频率控制原理及调节器的设计113.3.1转差频率控制原理113.3.2调节器设计123.4PWM控制信号的产生及变换器的设计133.4.1与的关系及低频补偿143.4.2变换器的设计153.5光电隔离及驱动电路设计183.6电动机的转速测量电路的设计193.7电动机的电流、电压测量电路的设计193.8键盘显示电路的设计203.9故障检测及保护电路设计214系统软件的设计234.1程序框图及其介绍234.2部分子程序275系统抗干扰措施295.1硬件抗干扰措施295.2软件抗干扰措施29总结31致谢32参考文献33附录一35重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文中文摘要35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文中文摘要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。关键词：MCS-51单片机，HEF4752，8253定时器，晶闸管，整流器，三相异步电动机35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文英文摘要DesignofACvariablespeedcontrolsystembasedonsinglechipmicrocomputerAbstractFrequencyconversionthatone-chipcomputercontroltransferspeedsystematicdesignphilosophywithtransfertodifferencefrequencycontrol.Achievethegoalofcontrollingrotationalspeedthroughchangingtheprocedure.Becausethemotorisnotbiginpowerinthedesign,therectifiercannotadoptcontrolledthecircuit,thecondenserstrainswaves;Goingagainstthebecomingdeviceadoptsthreephasesoftheelectrictransistortogoagainstthebecomingdevice.Thesystematicensemblearchitectureisbythemainreturncircuitmainly,drivethecircuit,thephotoelectricityisolatesthecircuit,HEF4752largescaleintegratedcircuit,protectsthecircuit,theIntelseriesone-chipcomputer,Intel8253timing/countdeviceof,Intel8255programmableinterfacechip,Intel8279keyboardnotincommonuse/display,I/Ointerfacechip,CD4527proportionfrequencydivisiondeviceandteststhespeedsuchcompositionasthegenerator,etc..Havethedependabilitythatcanmakethewholesystemoperateofmeasuringandprotectingthecircuittohaveguaranteeinthereturncircuitkeywords：MCS-51，HEF4752，time/counterofl8253，selenium，rectifier；35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文1调速系统总体方案设计1调速系统总体方案设计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。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：使电路更简单、可以实现较为复杂的控制、灵活性和适应性、无零点漂移、可以提供人机界面，多机连网工作等特点，因而采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，采用此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，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。35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文2系统组成及工作原理2系统组成及工作原理霍尔电流、电压传感器检测到的逆变模块三相输出电流、电压信号，经A/D转换后送入单片机。单片机通过8255控制PWM波发生器，产生的PWM波经光电耦合作用于逆变模块IPM，实现电机的变频调速。控制系统各功能元件的选型与设计：（1）、单片机选用INTEL公司生产的8051单片机，它主要通过并行8255口担负控制系统的信号处理：接收系统对转矩、阀门开启、关闭及阀门开度等设定信号，并提供三相PWM波发生器所需要的控制信号；处理IPM发出的故障信号和报警信号；处理通过模拟输入口接收的电流、电压、位置等检测信号；提供显示电动执行机构的工作状态信号；执行控制系统来的控制信号，向控制系统反馈信号；（2）、三相PWM波发生器PWM波的产生通常有模拟和数字两种方法。模拟法电路复杂，有温漂现象，精度低，限制了系统的性能；数字法是按照不同的数字模型用计算机算出各切换点，并存入内存，然后通过查表及必要的计算产生PWM波，这种方法占用的内存较大，不能保证系统的精度。为了满足智能功率模块所需要的PWM波控制信号，保证微处理器有足够的时间进行整个系统的检测、保护、控制等功能，文中选用MITEL公司生产的HEF4752作为三相PWM发生器。HEF4752是专用大规模集成电路，具有独立的标准微处理器接口，芯片内部包含了波形、频率、幅值等控制信息。（3）、智能逆变模块IPM为了满足执行机构体积小，可靠性高的要求，电机电源采用智能功率模块IPM。主要适用功率小于5．5kW的三相异步电机，其额定电压为380V，功率因数为0.75。该功率模块集功率开关和驱动电路、制动电路于一体，并内置过电流、短路、欠电压和过热保护以及报警输出，是一种高性能的功率开关器件。4）、电压、电流及检测检测电压、电流主要是为了计算电机的力矩，以及变频器输出回路短路、断相保护和逆变模块故障诊断。由于变频器输出的电流和电压的频率范围为0～50Hz，采用常规的电流、电压互感器无法满足要求。为了快速反映出电流的大小，采用霍尔型电流互感器检测IPM输出的三相电流，对于IPM输出电压的检测采用分压电路。35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文2系统组成及工作原理单片机控制系统可编程接口芯片定时/计数器芯片比例分频器比较器输入显示芯片键盘显示器PWM波形发生器A/D转换器放大电路主电路UI检测保护电路测速电路图2.1调速系统总体框图35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计3交流电机调速硬件系统设计3.1原器件的选择及其功能简介（1）74LS138图3.174LS138引脚图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3.1.1所示，译码功能如表所示，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。表3.174LS138真值表输入输出G1G2A/G2B/CBAY7/Y6/Y5/Y4/Y3/Y2/Y1/Y0/1000001111111010000111111101100010111110111000111111011110010011101111100101110111111001101011111110011101111111其它状态11111111（2）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。35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计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3.28253引脚图CLK：输入脉冲线。计数器就是对这个脉冲计数。8253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。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3.3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。35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计图3.3HEF4752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3.2HEF4752管脚功能35重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计引脚名 称功    能引脚名 称功    能1OBC1B相换流开关信号115B测试电路用信号2OBM2B相主开关信号216C测试电路用信号3OBM1B相主开关信号117VCT电压时钟4RCT最高开关频率基时钟18CSP电流采样脉冲5CW电机换相控制信号19OYC2Y相换流开关信号26OCT推迟输出时钟20OYC1Y相换流开关信号17K选择互锁推迟间隔21OYM2Y相主开关信号28ORM1R相主开关信号122OYM1Y相主开关信号135 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计9ORM2R相主开关信号223RSYNR相同步信号10ORC1R相换流开关信号124L停止/启动系统11ORC2R相换流开关信号225I选择晶闸管模式12FCT频率时钟26VAV平均电压13A复位输入控制27OBC2B相换流开关信号214VSS接地端28VDD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）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。引脚说明由图可知，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。35重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计35重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计图3.48255引脚图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。CS/：片选信号线，低电平有效，表示芯片被选中。35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计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，CJ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）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。其引脚如图3.5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：35重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计图3.5ADC0809引脚图IN0—IN7：8路模拟信号输入端。D0—D7：8位数字量输出端。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=000—111分别对应IN0—IN7通道地址。35重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计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。35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计VR（+）和VR（-）为参考电压输入端。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。（6）82798279是一种通用可编程键盘，显示器接口芯片。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3.2系统主回路的设计3.2.1主回路的结构系统主回路是交—直—交电压型变频电路，其图3.6如下所示：图3.6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。3.2.2参数计算和元件选择1）大功率开关管35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计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，则大功率晶体管的参数为,，,。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3.7所示。图3.7QCA50A—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。35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计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。3.3转差频率控制原理及调节器的设计3.3.1转差频率控制原理由电机学的知识可知：其中：35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计图3.8系统控制结构图电动机正常运行时，，这时有。所以：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。3.3.2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的调节器，即：其中得：所以35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计式中------控制增量；------转速误差；------转速给定；------转速反馈；因，所以与之和反映了频率，即为频率指令信号。控制结构框图和控制曲线如下图所示。为死区，它是为了避免因量化误差，舍入误差引起系统运行不平衡而引起的。ΔUnAΔUnB(–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。a)控制结构框图b）控制曲线图3.9控制结构框图和曲线图3.4PWM控制信号的产生及变换器的设计在本系统中，控制信号用HEF4752大规模集成块来产生。要使HEF4752正常工作，必须提供4路时钟信号和4个开关信号。将HEF4752的Ⅰ端接地，使HEF4752工作在晶体管模块式，将K端接+5v电源，使每两路互补信号之间有较大的输出延迟，CW端，L端分别接8255C口的PC1、PC0。这样剩下的只有4个控制端了。FCT端为频率控制端，VCT端为电压控制端，逆变器的输出频率和电压就是通过控制着两个端输入的方波信号频率来控制的。而电动机转速的调节是通过调频，调压实现的。所以，必须在转差调节器与HEF4752之间正比的方波信号为FCT和VCT时钟信号。35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计3.4.1与的关系及低频补偿考虑到8098单片机中A/D转换器分辨率为10位，所以频率指令信号用10位二进制数来表示。频率指令信号、频率与的关系如下：所以有。当=50Hz时，=1000Hz，=168000Hz。为了使成立，必须满足，故取=168000Hz/0.5=336000Hz在=2050Hz范围内，维持=336000Hz不变，这样可自动维持=常数。在020Hz范围内，引入低频补偿，以维持磁通恒定。低频补偿的思想是：在低频段，按一定规律减少，使比值增大，从而使相对增大，以补偿定子绕组电阻上的压降，维持磁通恒定。低频补偿曲线如图11所示，补偿的规律如下：取=/4=8400Hz当=20Hz时，有=+20Hz=所以可解得35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计=(–)/20Hz=(336000–84000)/20=12600下面来简单估算一下，看取=84000Hz、=12600是否合适。额定状态有≈0.5K=380V所以K=760，U1=760*3360当=20Hz时，=760*3360*20V/336000=152V当=0.2Hz时，=760*3360*0.2V/（84000+12600*0.2）≈5.9V图3.10低频补偿曲线图与未补偿时的U1比较，当=0.2Hz时，大约提高了5.9V。这个5.9V用来补偿定子绕组上的电阻压降。从估算结果上看，显然是比较合适的，故取=84000Hz，=12600，　　　　　3.4.2变换器的设计以上找出了、、与的关系，剩下的就是怎样按照关系式产生频率为、方波信号。单片机上系统时钟频率为12MHz，将其6分频后，得到2MHz的时钟信号φ，再对φ进行、分频后作为FCT、VCT时钟信号。显然，、应与Uf1频率指令信号成一定关系变化，其关系可推导如下：35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计所以可解得：　　　　　　　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3.4.2所示。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18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。35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计图3.11变换器硬件连接图采用一级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0.000.99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3.12CD4527引脚图35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计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。3.5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，输入信号，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3.13所示。35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计图3.13EX359驱动模块内部结构3.6电动机的转速测量电路的设计本系统采用M/T法进行速度的测量。脉冲发生器则采用红外发射及接受器件TLP947,在电机的转轴上应有黑白相间的条纹的铝环，当铝环随电机转动时，有TPL947作为脉冲发生器可以产生一系列脉冲，单片机则可进行M/T法测速。M/T法的基本原理:速度检测时间TS由两部分组成,TS=T0+ΔT,其中T0为设定的固定不变的时间;ΔT为从T0时间结束到此后出现的第一个测速脉冲为止的时间。设在T0时间内取得的测速脉冲数为m1,在TS=T0+ΔT时间内取得的时基脉冲计数取为m2,则转速n=60θ2πTS。其中角位移θ=2πm1P,P为增量式光电编码器转动1周输出的测速脉冲数;TS=m2/fC,fC为时基频率,则:n=60fCm1Pm2。从测量精度上看,这种方法在整个转速范围内都有较好的分辨率。图3.14转速测量电路3.7电动机的电流、电压测量电路的设计35重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计电压检测采用运算放大器配合光电耦合器件与单片实现接口，35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计直流检测往往存在二个最明显的困难:一是直流测量仪表不便串入电路中;二是直流检测电路与被测电路不能直接耦合,否则就会影响被测电路的直流工作点,即直流检测的隔离成为问题。而用霍尔传感器检测直流信号可以较好地解决上述困难。UGN23501M霍尔传感器具有高灵敏度、工作温度范围宽(-20～85℃)等特点,但使用不当,它的霍尔电压UH与磁感应强度B为非线性关系,线性度为33%,且存在不平衡电压UHe,这必定会影响检测系统的准确度。通过实验和分析,找出最佳线性工作状态,且消除了不平衡电压。检测电路以集成AD522芯片为放大级。设计的直流电流检测电路线性度好,具有较高的准确度。AD522为双端输入,单端输出的测量放大器。具有高输入阻抗、线性度良好等特点。设计的直流电流检测电路线性度为8.2%;最大相对误差为1.4%,它适合于不便直接测量且测量准确度要求较高的场合。设计的直流电流检测系统如下图所示。图3.15直流电流检测电35重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计3.8键盘显示电路的设计键盘显示电路采用了8279专用控制芯片，它具有显示器自动扫描、闭合键的键号自动识别的功能其最大的键盘配置可达64个，最多可接16位显示器，完全满足系统的要求8279与8051接口也十分方便这样简化了电路设计，又提高了单片机的工作效率。具体应用电路如下图。本系统采用了16个按键的配置，即10个数字键和6个功能键。数字键为0—9，功能键为：---启动停止键，PID---PID参数设置键，SPEED----电机转速设置键，SENTER---设置确认键，P/N----电机正反转控制键，RESET---系统复位键。为了能够精确地显示PID参数、电机转速等系统运行参数，以及你能够详尽地描述系统的启动、制动等运行状态。本系统采用8位8段共阴极LED显示器。LED的位选线由扫描线SL0—SL3和段选线经驱动器提供。8279的中断请求信号IRQ经反向器与8051的INT1相连。ALE作为8279的时钟信号直接连到其CLK端由8279设置适当的分频数，分频至100KHz。P0口作为数据线，用于8279写入显示字、控制字以及读回按下键的键值。35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计图3.18键盘与显示电路图3.9故障检测及保护电路设计故障检测及保护电路如图3.9.1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。35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文3交流电机调速硬件系统设计图3.19过电流，过电压保护电路35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文4系统软件的设计4系统软件的设计4.1程序框图及其介绍（1）系统主程序主程序框图如图4.1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4.1系统主程序框图（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21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。（3）增量式PI运算子程序增量式PI运算子程序框图如图22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35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文4系统软件的设计。图4.2转速调节程序框图（4）可逆切换程序可逆切换程序由停车控制和可逆切换控制两部分组成，其程序框图如图4.1.3所示。系统的停车与工作由工作/停车控制开关控制，其开关状态由PC6输入。在可逆切换程序中，先对PC6进行判断。若PC6=0，表示命令停车，这时接下来判断转速是否为0。若不为0，则经PC2输出“1”电平，使HEF4752的L端为0，封锁其输出信号，使逆变器输出为0，电动机转速下降。当转速已降到0时，经PC3输出“1”电平信号，切换主回路电源，然后显示停车标志“0000”。若PC6=1，则表示继续工作，于是转去检测正/反开关状态，进入可逆切换部分。电动机的转向由正/反控制开关控制，其开关状态由PC7输入。现以正转到反转为例说明切换过程。当正/反转开关由“正”转到“反”时，PC7输入0电平，表示反转，接下来判断当前转向是正（CW=1）还是反（CW=35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文4系统软件的设计0），若转向为正，表示与给定转向不一致，需进行切换，于是经PC2输出1电平，使HEF4752的L端为0，封锁其输出信号，使逆变器输出为0，电动机转速下降。然后判断电动机转速是否为0。当转速未降到0时，不开放L端，电动机转速继续下降。一旦转速降到0，则经PC1输出0电平至CW端，经PC2输出0电平，开放L端，于是HEF4752输出相序为U、W、V的PWM控制信号，逆变器重新开始工作，输出相序为U、W、V，使电动机反向启动，至此，切换过程结束。从反转到正转的切换过程与上述过程相仿，不再赘述。图4.3增量式PI运算子程序框图35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文4系统软件的设计图4.4可逆切换程序（5）故障处理程序故障处理程序即为8051外部中断服务程序，其程序框图如图4.5所示。图4.5故障处理程序35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文4系统软件的设计4.2部分子程序35重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文4系统软件的设计对于0809的编程，采用软件延时的方法Main:MOVR1,#DATAMOVDPTR,#7FF8HMOVR7,#08HLOOP:MOVX@DPTR,AMOVR6,#0AHDLAY:NOPNOPNOPDJNZR6,DLAYMOVXA,@DPTRMOV@R1,AINCDPTRINCR1DJNZR7,LOOP…………对于8253编程，计数器工作在方式3MOVDPTR,#7FFFHMOVA,0B6HMOVX@DPTR,AMOVDPTR,#7FFFHMOVA,#32HMOVX@DPTR,ACLRAMOVX@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。MOVA,#90HMOVDPTR,#0FF7FHMOVX@DPTR,AMOVDPTR,#0FF7CHMOVXA,@DPTR35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文4系统软件的设计MOVDPTR,#0FF7DHMOVA,#DATA1MOVX@DPTR,#0FF7EHMOVA,#DATA2MOVX@DPTR,A35重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文5系统抗干扰措施35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文5系统抗干扰措施5系统抗干扰措施变频调速系统长期运行于环境恶劣的工业现场，并且变频器本身内部的主电路功率开关元件工作在大电流的高频通断状态，因此也可产生高频电磁辐射，因而抗干扰措施是必不可少的。本系统在软件、硬件两方面采取了抗干扰措施。5.1硬件抗干扰措施在主电路中，在逆变器的交流输入端、整流电路后及逆变电路交流输出端均设有滤波电路，以消除来自外部的噪音干扰及逆变电路本身的干扰。在控制电路中主要在去了如下抗干扰措施：电源系统抗干扰措施，在电源输入端设电源滤波器：电源变压器采用抗干扰性能好的屏蔽变压器；主机部分采用单独的稳压电路，采用78和79系列三端稳压块，辅以pi型滤波电路；外围电路采用单独的电源供电。采用屏蔽保护措施，以隔离空间辐射，对噪音特别大的部件（如电抗器Ld等）用金属盒罩起来，以减少对单片机等部分的干扰。对容易受干扰的模拟电路、数字电路加设屏蔽金属罩并接地，使干扰信号被短路接地。过程通道抗干扰措施，在输入/输出口中全部采用高速光电偶和器件（如4N30等）来切断模拟电路和单片机数字电路之间的电路联系，并且所有传输线均采用双绞线。印制电路板抗干扰措施，设计时主要从尽量控制噪音源，尽量减少噪音的传播和耦合，尽量减少噪音的吸收三个方面考虑设计印制电路板和布线，具体措施如下：坚硬之电路板设计分为3个区，模拟电路区（易受干扰）、数字电路区（易受干扰，同时又是干扰源）、功率驱动区（干扰源）来减少噪音的传播和耦合。印制电路板设计采用并联一点接地法，单点节点源，3个电路的电源线、地线由该点分三路引出。接地线尽量粗，构成闭合回路。对于转速检测、电流检测、电压检测等重要的信号线，尽量做的粗而短，并在其两侧加上保护线；对于通过扁平电缆引出的信号，采用地线-信号-地线的结构。每个集成电路芯片的电源和地之间加一个去耦电容，电容选用了高频特性好的独石电容或瓷片电容。5.2软件抗干扰措施单片机应用系统的抗干扰不可能完全依赖硬件解决，也采取必要的软件抗干扰措施，具体措施如下：1)35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文5系统抗干扰措施采用指令冗余设计，在程序的关键地方插入一些空指令（NOP），失控的程序遇到该指令后，转入正常的运行轨道，保证接下来的指令完整的执行，不被拆散。插入方法如下：Ø各种转移指令前插入NOP指令Ø在较重要的指令前（如中断操作、堆栈设置等）插入NOP指令Ø每隔若干条指令插入NOP指令1)设置程序指针陷阱，在每个程序后面或程序段后，插入NOP、NOP、NOP、NOP、;JMP—START指令。设置软件陷阱后，一旦单片机受干扰，使程序指针混乱，执行一段程序后，就会落入程序陷阱，回到初始化程序开始执行，从而避免系统死机。2)当程序弹飞到一个零时构成的死循环中，指令冗余和软件陷阱也无能为力之时，系统将会“死机”。为了防止这种情况发生，系统采用了“看门狗（watchdog）”技术，watchdog实际上不依赖于CPU单独的定时器，系统正常运行时必须每隔一定时间清一次watchdog,当程序插入死循环后将不能按时清watchdog,watchdog将产生溢出信号，该溢出信号将CPU复位或向CPU请求中断，将程序拉出死循环。3)对于控制系统的变量，采用循环采样和重复输出方式可提高系统检测的准确性和控制的可靠性。4)设置电机启/停、正/反转等输入状态寄存器，当检测到的实际输出状态与设置输出状态不符时，将输出状态的寄存器的内容重新输出来予以纠正。5)设置自检程序，在单片机内的特定位或诶村单元设状态标志，在系统运行时不间断循环测试，以保证系统信息储存、传输、运算的可靠性。35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文总结总结微控是我们综合学习的一个难得的机会，同时它也是检验对单片机、微机原理接口技术等课程综合学习水平的一个机会。在此次课程设计中涉及到的知识面很广，经过查阅大量的资料，从中吸取对设计有帮助的东西来达到一个优化的目的。在设计过程中肯定有以前没有学习过的新知识需要自学，这就需要耐心，需要刻苦的钻研和推敲，特别是对于各部分的衔接是经过论证后得出的。通过这次课程设计，真正的学习到了不少东西，特别是对于自己动脑思考问题，动手解决问题的能力无疑是上了一个台阶，让自己知道了从事技术方面的学生扎实的基本功是必不可少的，对于创新能力的培养和加强得引起高度的重视，光课堂的学习是不够的，通过自学是提高的一个途径，能够将所学到的知识和自学的新知识柔和在一起已证明了我们具有一定的能力。当然了，方案肯定能再次得到优化，这是以后在学习工作中需要考虑的问题。35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文致谢致谢本文的研究工作是在我的老师韩亚军的精心指导和悉心关怀下完成的，在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着老师辛勤的汗水和心血。老师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受的启迪。从尊敬的老师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向我的老师致以最衷心的感谢和深深的敬意。在此，向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友表示由衷的谢意！衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师！35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文参考文献35重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文参考文献参考文献[1]陈杰,黄鸿．传感器与检测技术[M].北京：高等教育出版社，2002．[2]何希才.传感器技术与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.[3]王幸之.AT89系列单片机原理与接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.[4]郑学坚周斌.微型计算机原理及应用[M].北京：清华大学出版社，2006.[5]杨宁胡学军.单片机与控制技术[M].北京航空航天大学出版社2005.3[6]王建华黄河清.计算机控制技术[M].高等教育出版社2005.12[7]钟肇新等．《可编程控制器原理及应用》[M]．广州：华南理工大学出版社，2008[8]谢克明．夏路易.可编程控制器原理与程序设计[M]．北京：北京电子工业出版社，2005[9]郭春平．基于变结构理论的感应电机直接转矩控制研究[D].西南交通大学硕士学位论文，2008[10]贾涛，王耀南，黄守道，李新田．基于转速动态估计其的无速度传感器感应电机矢量控制系统研究[J]．电气传动自动化，2004，26(4)：1-435 论文原创性声明本人以信誉声明：所呈交的毕业论文是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，论文中引用它（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含它人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。毕业论文作者（签字）：李满签字日期：2012年2月15日35 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文附录一附录一35'