单片机控制的电机交流调速系统设计 - 图文

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。在设计中采用交流调速系统，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

三相异步电动机

HEF4752 8253定时器 晶闸管 整流器

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单片机控制的电机交流调速系统设计

目 录

绪 言............................................................... 3 1 交流调速的现状 ................................................... 5 2 用单片机控制的交流调速 ........................................... 8 3 系统设计的参数 .................................................. 16 4 用单片机控制的电机交流调速系统设计 .............................. 17 4.1 调速系统总体方案设计 ........................................ 17 4.2 原器件的选择 ................................................ 18 4.3 系统主回路的设计以及参数计算 ................................ 25 4.4 单元模块的设计 .............................................. 27

4.4.1 转差频率控制原理及调节器的设计 ....................... 27 4.4.2 PWM控制信号的产生及变换器的设计 ...................... 29 4.4.3 光电隔离及驱动电路设计 ............................... 36 4.4.4 故障检测及保护电路设计 ............................... 36 4.4.5 模拟量输入通道的设计 ................................. 37 4.5 系统软件的设计 ............................................... 37

4.5.1 程序框图及其介绍 ...................................... 37 4.5.2 部分子程序 ............................................ 42 5 结束语 .......................................................... 44 参 考 文 献 ...................................................... 44 致 谢 ............................................................ 44 附 录 ............................................................ 45

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单片机控制的电机交流调速系统设计

绪言

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，从上世纪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与此数值。

（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

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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。

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1 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%。

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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)60 f1/p得，所以，带负载时转速降落Δn为Δn=sn0=60f1s/p,将异步电动机的转矩公式 T=3PU12R12/{2SF1

'П[（R1+R12/S）2+（X1+X12）2]}近似处理后得T?(3P/2?)(U1/F1)2SF1/R2?S，'R2T可以导出SF1?，由此可见，当U1/F1为恒值时，对于同一转矩T1，223PU1/2?F1sF1是基本不变的。也就是说，在恒压频比条件下改变频率时，机械特性基本是批心平行上下移动的，频率降低，转速下降， T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U1，以增强带负载的能力。从而达到比较满意的效果。

保持Tmax=常数的恒磁通控制方式 对于U1/F1=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Tmax不变，即使保持?m恒定。可采用E1/F1=常数的恒磁通控制方式。保持Tmax=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E1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?m增大，导致磁路过饱和而带来的问题，故U与F1的曲线是折线。

保持Pd=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U1为额

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定电压不变，这样一来，气隙磁通就就会小于额定磁通，从而导致转距减少，保持Pd=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，

U12U12Tm?，忽略R1时；Tm?C()。额定转距Tm?C12'2F1?F124?F1[R1?R1?(x1?x2)]3PU12（式中?为过载倍数），对于恒功率调速，有TnF1?TF，可得出11n11U1F11?U1，F1只要满足U1=常数的条件，即可达到恒功率调速。 F1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I1为恒值，称为恒流控制方式。I1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Tm是不变的，由于恒流控制限制了I1，所以恒流时的最大转距

Tm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。

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2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有软件来实现的，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。

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转差频率控制的基本概念，原理

P由式Te?m??1''3NpI2R22W1S?'3NpU12R2/S'W1[(R1?R2/S)2?W12(Ll1?L'l2)2] 可以得出异步

'U12SW1R2电动机的机械特性方程式 Te?3Np() 令式中 '2W1(SR1?R2)?S2W12(Ll1?L'l2)2Ws?SW1，它是转差频率。 又由式 U1?Eg?4.44F1N1KN1?m 即：

'U1Eg4.44F1N1Kn1?mWR22 所以： Te?Km?m 式中 ??'22'2W1W12?(SR1?R2)?Ws(Ll1?Ll2)Km?3Np(4.44N1Kn1232)?NpN12Kn1 2?2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 Ws?SW1也很小，可以认

'''为 SR1?R2， (Ll1?L'l2)?R2，所以Te可近似写成Te?Km?2W/Rms2。此式表明，

在转差频率Ws很小的范围内，只要能够保持气隙磁通 ?m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Ws，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。 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Ws必须较小，即控制系统必须对Ws限幅，使其满足Ws?Wsmax；其中Wsmax?SmW1，这就是转差频率控制的基本规律之一。对Ws限Sm对应于最大转距时的转差频率。

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I1，而I1中包括励磁电流分量I0和负载电流分

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量I2'，只有保持励磁电流分量I0恒定，才能使气隙磁通 ?m恒定，而I0和 I2'均难以直接测量，若能找到I0，I1和 Ws之间的函数关系。当负载改变引起Ws变化时，只要调节I1，使I0保持不变，问题就解决了。

图1 转差频率控制的基本规律

根据并联支路的分流公式

''R2/S?jW1L'l2R2?jWsL'L2 I0?I1'?I1'''R2/S?jW1(Ll2?Lm)R2?jWS(Ll2?Lm)1R2?Ws2L'l22取等式两侧向量的副值相等，得：I0?I1R?W(L?Lm)'222s'l22 令I0?常数，可以看出图1，它具有如下性质：（1），当Ws=0时，I0?I1，在理想空载时定子电流等于励磁电流；（2），若Ws值增大，定子电流I1也相应增

Lm?L'l2大；（3），当Ws??时， I1?I0，这是I1?f(WS)曲线的渐近线；（4），

L'l2Ws为正负值时，I1的对应值不变，I1?f(WS)左右对称。上述关系表明：只要对定子电流I1和 Ws的关系符合图1或符合I0?I11R2?Ws2L'l22R?W(L?Lm)'222s'l22 的规律，就

能保持气隙磁通 ?m 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。

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总结起来，转差频率控制的基本规律是：

（1）在Ws?Wsm转距基本上与WS成正比，条件是气隙磁通 ?mxa的范围内，恒定。

（2）定子电流I1和 Ws的关系符合图1或式子I0?I1规律，就能够保证气隙磁通 ?m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图如图2所示，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UW，代表转距给定。 S1R2?Ws2L'l22R?W(L?Lm)'222s'l22 的

（3）转差频率Ws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I1?f(Ws)函数发生器，按UW的大小产生相应的Ui1信号，再通过电流S调节器控制定子电流，以保持?m恒定，另一路按Ws?W?W1产生对于于定子频率W1的控制电压Uw1，决定逆变器的输出频率。

*

（4）转速给定信号Uw，Uw，UW1都反向，相序鉴别器判断UW1的极性以决s

定环形分配器的输出相序，而UW1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Uw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）Ws?0，而测速发电机TG输出信号UW?0，

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图2 调速系统的工作原理图

*转速调节器的输入信号最大，其输出最大达到限幅值UWS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Uilmax，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I1始终跟踪了Ui*1，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UWS不会从限幅值Uwsmax***退下来，转差频率给顶值一直保持Uws不变，也一直保持UUmaxi1i1max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I0?I11R2?Ws2L'l22R?W(L?Lm)'222s'l22 可知，定子电流I1，转差频率Ws恒定，则

励磁电流I0也恒定，因此气隙磁通 ?m恒定。图三中，A点对应于起动瞬间，由于电动机的转速为0（W=0），所以按WS?W?W1产生的对应于顶子额定电流为

Ws?WS?W?W1，记为W11，如果逆变器输出频率保持W11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W1B，假如控制系统此时对其进行采样，按WS?W?W1产生的定子频率W1为W1?WS?WB，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

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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I1，转角频率Ws，气隙磁通?m恒定。 负载变化

图3 负载变化图

*负载变化如图3所示，负载变化时，若转速给定信号为UW，电动机工作点

为N，当负载变化从TL1增加为TL2时，电动机的转速W将逐渐降低，测速发电

*机输出信号UW减少，转速调节器Uws增大，按WS?W?W1产生的对应于定子频*率W1由于Uws增大而增大，控制电压UW1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N'处稳定工作。 调速过程

**如果TL?TL1不改变，但转速给顶信号从UW速度调节器的输1增大到UW2时，**入为正值，其输出Uws将增大，按WS?W?W1产生的对应于定子频率W1，由于Uws增大而增大，控制电压UW1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Wws增大时，电动机的工作点将瞬间地从N1点转到W12对应的特性

曲线上的A点，在A点电磁转距Te?TL1，因而电动机将加速，转速上升，按

*增大而增大，逆变器的输出频率增WS?W?W1产生的对应于定子频率W1由于Wws- 13 -

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加，电动机的机械特性曲线上移，只要W?W1'，定子频率W1将不断增大，电动机的工作点将沿着图中的A到N2曲线运动，到了N2点时，电动机的转速W?W1'，电磁转距Te?TL1，电动机将在N2点上稳定运行，这就完成了电动机的加速过程。 电动机反转

**当转速给定信号反相时，速度调节器输出负限幅值，UWS??Uwsmax，按*变负而减小逆变器的输出频率降WS?W?W1产生的对应于定子频率W1由于Wws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WS?W?W1产生的对应的W1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。 近似动态结构

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?m在动态过程中保持不变。

参照转速开环的变频调速系统的动态结构图，可以画出转差控制系统的近似动态结构图，如图4所示：

图4 近似动态结构图

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以上就本次变频设计的控制方法规律等做了介绍，它就是本次设计的理论部分。

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3 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：

PN?2.2KW，nN?1440r/min,US?380V,?接法，IN?4.8A

采用转差频率控制方法，由单片机组成核心。调速范围（0.2?51HZ），无级调速，静差率S?5%。根据对象参数，完成各功能单元的结构设计，参数计算。

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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5 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。

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U1?Un，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

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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。 4.2 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6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。 图6 74LS138引脚图 表1 74LS138 真 值 表

输 入 G1 1 1 1 1 1 1 1 1 输 出 G2A/ G2B/ C B A Y7/ Y6/ Y5/ Y4/ Y3/ Y2/ Y1/ Y0/ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 其它状态

（2） 8253 主要功能

1 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；

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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。

876543212122231920D0D1D2D3D4D5D6D7CSRDWRA0A1OUT0GATE0CLK0101198253OUT1GATE1CLK1131415OUT2GATE2CLK2171618 图7 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，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

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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8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。

182623CSPVAVRSYNORC-2ORC-1OYM-2OYM-111102122HEF4752641712161513572524OCTRCTVCTFCTCBACWKILOYC-2OYC-1ORM-2ORM-1OBM-2OBM-1OBC-2OBC-119209823271 图8 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2 HEF4752管脚功能

引名功 能 脚 称 1 C1B OB相换流开关信号1 - 20 -

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OB2 M2B 3 M1B 4 T 5 6 T 7 8 M1 9 M2 10 C1 11 C2 12 T 13 14 S 15 16 17 相主开关信号2 OB相主开关信号1 最高开关频率基准时钟 RCCW OC电机换相控制信号 推迟输出时钟 选择互锁推迟间隔 R相主开关信号1 K ORORR相主开关信号2 ORR相换流开关信号1

ORR相换流开关信号2

FC频率时钟 复位输入控制 接地端 测试电路用信号 测试电路用信号 电压时钟 A VSB C VC- 21 -

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T 18 P 19 C2 20 C1 21 M2 22 M1 23 YN 24 25 CS电流采样脉冲 OYY相换流开关信号2

OYY相换流开关信号1

OYY相主开关信号2 OYY相主开关信号1 RSR相同步信号 停止/启动系统 选择晶体管/晶闸管L I 模式 VA26 V 27 C2 28 D 输入引脚功能

平均电压 OBB相换流开关信号2

VD工作电压(10V) 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。

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（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9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。 CS/： 片选信号线，低电平有效，表示芯片被选中。

343332313029282753698356D0D1D2D3D4D5D6D7RDWRA0A1RESETCSPA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7432140393837181920212223242514151617131211108255 图9 8255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。 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。

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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10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。

图10 ADC0809 引脚图

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。

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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。 （6） 8279

27262524121314151617181942210112139OUTA0OUTA1OUTA2OUTA3DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7IRQCSRDWRA0CLKRESETOUTB0OUTB1OUTB2OUTB3BDSL0SL1SL2SL3RL0RL1RL2RL3RL4RL5RL6RL7SHIFTCNTL/S313029282332333435383912567836378279 图11 8279引脚图

8279是一种通用可编程键盘，显示器接口芯片。如图11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

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分别作为0、1通道的计数时钟信号，对?'f,?'v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fRCT?280fc(max)取fc(max)?1KHz，则 fRCT?280KHz。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Pf,Pv分别分解为纯整数Zf,Zv和纯小数xf,xv两部分，整数部分Zf,Zv送8253的0、1通道作为计数值，小数部分xf,xv送比例分频器CD4527作为比例分频系数。zf,zv,xf,xv与Uf1关系如下：

对应Uf1的一个值，(zf,xf),(zv,xv)有多组取值。考虑到由于硬件的限制，

xf,xv只能取小数点后两位这一条件，zf与xf，zv与xv必定有一最佳组合。基于2*106这一想法，取使(且zf为偶数的一组值zf,xf和?)的绝对值趋于最小，

[xf]168Uf1zv2*106使的绝对值也趋于最小，且zf为偶数的一组值?[xv]84000*630Uf1。这种寻优法的计算法的计算量工作量较大，难以zv,xv,([xf],[xv]为两位纯小数）

实时完成。本系统中采用查表的方法获得zf,xf,zv,xv。用高级语言程序离线生成

zf(zf,xf)?Uf1和(zv,xv)?Uf1两个表格，存入内存。系统运行时，根据求得的频率指令信号Uf1，查表获得对应的分频系数zf,xf,zv,xv，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

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口。8253定时/计数器则直接与CPU连接。 4.4.3 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4?5V，输出电压1.6V（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19所示。

图19 EX359驱动模块内部结构

4.4.4 故障检测及保护电路设计

故障检测及保护电路如图20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。

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图20 过电流，过电压保护电路

4.4.5 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R?10K?，C?0.47uF，对应的时间常数为0.005S。 4.5 系统软件的设计 4.5.1 程序框图及其介绍

（1） 系统主程序

主程序框图如图21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（Un,Un和?USM,PI运算，查表求出

zf,xf,zv,xv）→可逆切换程序→输出控制量→显示转速。

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图21 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22所示。在转速调节程序中，完成转速、?USM的采样，进行PI运算，求出频率指令信号

Uf1，然后查表求得分频系数zf,xf,zv,xv。

（3） 增量式PI运算子程序

增量式PI运算子程序框图如图23所示，它包括按图所示控制曲线计算转差频率增量?US(K), 由?US(K)求出转差频率控制量US(K)，再由US(K)求出频率

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指令信号Uf1(K)。

图22 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24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

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