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单片机控制的电机交流调速系统设计.doc
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单片机控制的电机交流调速系统设计
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单片机控制的电机交流调速系统设计
- 1 -
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 HEF4752 8253 定时器 晶闸管 整流器
三相异步电动机
单片机控制的电机交流调速系统设计
- 2 -
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
单片机控制的电机交流调速系统设计
- 3 -
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
单片机控制的电机交流调速系统设计
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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。
单片机控制的电机交流调速系统设计
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第一章 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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