单片机控制的交流调速系统设计

目录摘要................................................................21引言..............................................................31.1交流调速系统的现状...........................................31.2交流调速系统的特点...........................................41.3交流调速系统原理.............................................52交流调速系统的硬件设计............................................62.1交流调速系统控制回路设计.....................................62.2交流调速系统参数设计.........................................72.3元器件的选用................................................113交流调速系统软件设计.............................................233.1主程序设计及说明............................................233.2子程序设计..................................................264结论.............................................................285参考文献.........................................................286致谢.............................................................29单片机控制的交流调速系统设计摘要交流变频调速具有调速范围宽，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。本课题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，SA8282大规模集成电路，保护电路，AT89C51单片机，8255可编程接口芯片，I/O接口芯片，测速发电机等组成。可以满足各种不同场合的应用，以达到调速节能的效果。关键词:AT89C51单片机；SA8282；转差频率；交流调速；三相异步电动机1引言1.1交流调速系统的现状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。1.2交流调速系统的特点对于可调速的电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两类。这主要是根据采用什么电流制型式的电动机来进行电能与机械能的转换而划分的，所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能—机械能的转换装置，并对其进行控制以产生所需要的转速。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。1.3交流调速系统原理异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为pnfn/6011(1-1)其中1n为同步转速(r/min)1f为定子频率，也就是电源频率(Hz);pn为磁极对数。异步电机的轴转速为pnsfsnn/)1(60)1(11(1-2)其中s为异步电机的转差率，11/)(nnns由上面的公式可以看出，改变电源的供电频率可以改变电机的转速。在对异步电机调速时，希望电机的主磁通保持额定值不变。任何电动机的电磁转矩都是磁通和电流相互作用的结果，主磁通小了，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降;主磁通大了，会使电动机的磁路饱和，并导致励磁电流畸变，励磁电流过大，严重时会使绕组过热损坏电机。主磁通是由励磁电流产生的，两者之间的关系是由磁化特性决定的。由电机理论知道，三相异步电机定子每相电动势的有效值为11144.4nfEm.其中E1为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值(V),1f为定子频率(Hz),1n为定子每相绕组匝数，m为极磁通里(Wb)。由上式可见主磁通中.是由E1和1f。共同决定的，如果保持E1和1f之比不变，就可以保持主磁通不变。2交流调速系统的硬件设计2.1交流调速系统控制回路设计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xnnrrnnCsxrrsEPTn(2-1)当实际转差额定空载转速相比很小时（0nn）220rxnn可以从式中约去，这样式(2-1)可以简化为：2022222102nrCrrnnCTsmnmn其中1602nnps(2-2)从式(2-2)中可得，当转差频率s较小且磁通m恒定时，电机的电磁转矩T与s成正比。这时只要控制转差频率s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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为恒值，即保持励磁电流m恒定，而励磁电流m与定子电流1有如下关系，222221221LrLLrfsmms（2-3）因此若，1按照上述规律变化，则m恒定，即m恒定。转差频率控制策略是：利用测速环节得到转速U与转速给定U、比较，限制输出频率，使转差率SU(即S)不太大；控制定子电流1，使得励磁电流m保持恒定；这时控制s实现调速。系统原理图如图2-l所示。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见图2-1所示。图2-1调速系统总体结构图如图2-2所示，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交流调速系统参数设计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：KWn2.2,min/1440rn,VUs380,接法,8.4采用转差频率控制方法，由单片机组成核心。调速范围（2.2—51HZ），无级调速，静差率005S。根据对象参数，完成各功能单元的结构设计，参数计算。图2-2转差频率控制变频调速系统原理图从图2-2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U,表转矩给定。函数发生器输入转差频率产生1iU。信号，并控制定子电流。以保持m为恒值；加法器对转差频率和转速信号求和得到变频器的