1、PAGE XXXIX基于單片機的交流調速系統設計考生姓名： 準考證號： 專業層次： 本科 院 （系）：機械與動力工程學院指導教師： 職 稱： 講師 重慶科技學院二O一二年二月十五日基于單片機的交流調速系統設計考生姓名： 準考證號： 專業層次： 本科 指導教師： 院 （系）：機械與動力工程學院重慶科技學院二O一二年二月十五日重慶科技學院高等教育自學考試本科畢業論文 中文摘要目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc317666651 中文摘要 PAGEREF _Toc317666651 h I HYPERLINK l _Toc317666652 英文摘要 PAGERE

2、F _Toc317666652 h II HYPERLINK l _Toc317666653 1調速系統總體方案設計 PAGEREF _Toc317666653 h 1 HYPERLINK l _Toc317666654 2系統組成及工作原理 PAGEREF _Toc317666654 h 2 HYPERLINK l _Toc317666655 3交流電機調速硬件系統設計 PAGEREF _Toc317666655 h 4 HYPERLINK l _Toc317666656 3.1 原器件的選擇及其功能簡介 PAGEREF _Toc317666656 h 4 HYPERLINK l _Toc3

3、17666657 3.2 系統主回路的設計 PAGEREF _Toc317666657 h 9 HYPERLINK l _Toc317666658 3.2.1 主回路的結構 PAGEREF _Toc317666658 h 9 HYPERLINK l _Toc317666659 3.2.2 參數計算和元件選擇 PAGEREF _Toc317666659 h 9 HYPERLINK l _Toc317666660 3.3 轉差頻率控制原理及調節器的設計 PAGEREF _Toc317666660 h 11 HYPERLINK l _Toc317666661 3.3.1轉差頻率控制原理 PAGERE

4、F _Toc317666661 h 11 HYPERLINK l _Toc317666662 3.3.2 調節器設計 PAGEREF _Toc317666662 h 12 HYPERLINK l _Toc317666663 3.4 PWM控制信號的產生及變換器的設計 PAGEREF _Toc317666663 h 13 HYPERLINK l _Toc317666664 3.4.1 與的關系及低頻補償 PAGEREF _Toc317666664 h 14 HYPERLINK l _Toc317666665 3.4.2 變換器的設計 PAGEREF _Toc317666665 h 15 HYPE

5、RLINK l _Toc317666666 3.5 光電隔離及驅動電路設計 PAGEREF _Toc317666666 h 18 HYPERLINK l _Toc317666667 3.6 電動機的轉速測量電路的設計 PAGEREF _Toc317666667 h 19 HYPERLINK l _Toc317666668 3.7 電動機的電流、電壓測量電路的設計 PAGEREF _Toc317666668 h 19 HYPERLINK l _Toc317666669 3.8 鍵盤顯示電路的設計 PAGEREF _Toc317666669 h 20 HYPERLINK l _Toc3176666

6、70 3.9 故障檢測及保護電路設計 PAGEREF _Toc317666670 h 21 HYPERLINK l _Toc317666671 4 系統軟件的設計 PAGEREF _Toc317666671 h 23 HYPERLINK l _Toc317666672 4.1 程序框圖及其介紹 PAGEREF _Toc317666672 h 23 HYPERLINK l _Toc317666673 4.2部分子程序 PAGEREF _Toc317666673 h 27 HYPERLINK l _Toc317666674 5 系統抗干擾措施 PAGEREF _Toc317666674 h 29

7、HYPERLINK l _Toc317666675 5.1硬件抗干擾措施 PAGEREF _Toc317666675 h 29 HYPERLINK l _Toc317666676 5.2 軟件抗干擾措施 PAGEREF _Toc317666676 h 29 HYPERLINK l _Toc317666677 總結 PAGEREF _Toc317666677 h 31 HYPERLINK l _Toc317666678 致謝 PAGEREF _Toc317666678 h 32 HYPERLINK l _Toc317666679 參考文獻 PAGEREF _Toc317666679 h 33 H

8、YPERLINK l _Toc317666680 附錄一 PAGEREF _Toc317666680 h 35 PAGE 37摘 要單片機控制的變頻調速系統設計思想是用轉差頻率進行控制。通過改變程序來達到控制轉速的目的。由于設計中電動機功率不大，所以整流器采用不可控電路，電容器濾波；逆變器采用電力晶體管三相逆變器。系統的總體結構主要由主回路，驅動電路，光電隔離電路，HEF4752大規模集成電路，保護電路，Intel系列單片機，Intel8253定時/記數器，Intel8255可編程接口芯片，Intel8279通用鍵盤/顯示器，I/O接口芯片，CD4527比例分頻器和測速發電機等組成。回路中有了

9、檢測保護電路就可以使整個系統運行的可靠性有了保障。關鍵詞： MCS-51單片機，HEF4752，8253定時器，晶閘管，整流器，三相異步電動機重慶科技學院高等教育自學考試本科畢業論文 英文摘要Design of AC variable speed control system based on single chip microcomputerAbstractFrequency conversion that one-chip computer control transfer speed systematic design philosophy with transfer to differ

10、ence frequency control. Achieve the goal of controlling rotational speed through changing the procedure. Because the motor is not big in power in the design, the rectifier can not adopt controlled the circuit, the condenser strains waves; Going against the becoming device adopts three phases of the

11、electric transistor to go against the becoming device. The systematic ensemble architecture is by the main return circuit mainly, drive the circuit, the photo electricity isolates the circuit, HEF4752 large scale integrated circuit, protects the circuit, the Intel series one-chip computer, Intel8253

12、 timing /count device of, Intel 8255 programmable interface chip,Intel8279 keyboard not in common use / display, I/O interface chip, CD4527 proportion frequency division device and tests the speed such composition as the generator ,etc. Have the dependability that can make the whole system operate o

13、f measuring and protecting the circuit to have guarantee in the return circuitkeywords：MCS-51，HEF4752，time/counter of l8253，selenium，rectifier； 重慶科技學院高等教育自學考試本科畢業論文 1 調速系統總體方案設計調速系統總體方案設計用工業控制計算機可謂功能強大，它有極高的速度，很強的運算能力和接口功能，方便的軟件功能，但是由于成本高，體積過大，所以只用于大型的控制系統，可編程控制器則恰好相反，它只能完成邏輯判斷，定時，記數和簡單的運算，由于功能太弱，所以

14、它只能用于簡單的電動機控制。在民用生產中，通常用介于工控機和可編程控制器之間的單片機作為微處理器。本次設計就是用單片機作為電動機的控制器。微處理器（單片機）取代模擬電路作為電動機的控制器，具有如下特點：使電路更簡單、可以實現較為復雜的控制、 靈活性和適應性 、無零點漂移、可以提供人機界面，多機連網工作等特點，因而采用單片機作為電動機的核心控制元件來取代模擬電路，就可以將傳統的調速方案中的一些缺點避免，達到提高控制精度的目的。在本次設計中所用到的控制方式是用轉差頻率閉環控制。轉速開環恒壓頻比的調速系統，雖然結構簡單，異步電動機在不同頻率小都能獲得較硬的機械特性但不能保證必要的調速精度，而且在動態

15、過程中由于不能保持所需的轉速，動態性能也很差，它只能用于對調速系統的靜，動態性能要求不高的場合。如果異步電動機能象直流電動機一樣，用控制電樞電流的方法來控制轉矩，那么就可能得到和直流電動機一樣的較為理想的靜，動態特性。轉差頻率控制是一種解決異步電動機電磁轉矩控制問題的方法，采用此控制方案的調速系統，可以獲得與直流電動機恒磁通調速系統相似的性能。為了使系統具有較好的動靜態性能，滿足設計要求，可將整個系統設計為轉速單閉環控制系統，采用轉差頻率調節方式，對轉速進行動態調節，考慮電動機負載為恒轉距負載，在高頻段，采用恒比例控制方式來做近似恒磁通控制方式；在低頻，采用恒磁通補償方法來維持磁通的恒定，實現

16、恒磁通變頻調速。當頻率高于額定轉速時，維持，實現恒功率調節。選用大規模集成電路HEF4752來產生PWM控制信號，以減輕單片機的負擔，使它能夠有足夠的時間來完成閉環控制，系統檢測和保護等任務。重慶科技學院高等教育自學考試本科畢業論文 2 系統組成及工作原理2 系統組成及工作原理霍爾電流、電壓傳感器檢測到的逆變模塊三相輸出電流、電壓信號，經A/D轉換后送入單片機。單片機通過8255控制PWM波發生器，產生的PWM波經光電耦合作用于逆變模塊IPM，實現電機的變頻調速。控制系統各功能元件的選型與設計：（1）、單片機選用INTEL公司生產的8051單片機，它主要通過并行8255口擔負控制系統的信號處理

17、：接收系統對轉矩、閥門開啟、關閉及閥門開度等設定信號，并提供三相PWM波發生器所需要的控制信號；處理IPM發出的故障信號和報警信號；處理通過模擬輸入口接收的電流、電壓、位置等檢測信號；提供顯示電動執行機構的工作狀態信號；執行控制系統來的控制信號，向控制系統反饋信號；（2）、三相PWM波發生器PWM波的產生通常有模擬和數字兩種方法。模擬法電路復雜，有溫漂現象，精度低，限制了系統的性能；數字法是按照不同的數字模型用計算機算出各切換點，并存入內存，然后通過查表及必要的計算產生PWM波，這種方法占用的內存較大，不能保證系統的精度。為了滿足智能功率模塊所需要的PWM波控制信號，保證微處理器有足夠的時間進

18、行整個系統的檢測、保護、控制等功能，文中選用MITEL公司生產的HEF4752作為三相PWM發生器。HEF4752是專用大規模集成電路，具有獨立的標準微處理器接口，芯片內部包含了波形、頻率、幅值等控制信息。（3）、智能逆變模塊IPM為了滿足執行機構體積小，可靠性高的要求，電機電源采用智能功率模塊IPM。主要適用功率小于55kW的三相異步電機，其額定電壓為380V，功率因數為0.75。該功率模塊集功率開關和驅動電路、制動電路于一體，并內置過電流、短路、欠電壓和過熱保護以及報警輸出，是一種高性能的功率開關器件。4）、電壓、電流及檢測檢測電壓、電流主要是為了計算電機的力矩，以及變頻器輸出回路短路、斷

19、相保護和逆變模塊故障診斷。由于變頻器輸出的電流和電壓的頻率范圍為050Hz，采用常規的電流、電壓互感器無法滿足要求。為了快速反映出電流的大小，采用霍爾型電流互感器檢測IPM輸出的三相電流，對于IPM輸出電壓的檢測采用分壓電路。單片機控制系統單片機控制系統可編程接口芯片定時/計數器芯片比例分頻器比較器輸入顯示芯片鍵盤顯示器PWM波形發生器A/D轉換器放大電路主電路U I檢測保護電路測速電路圖2.1 調速系統總體框圖重慶科技學院高等教育自學考試本科畢業論文 3 交流電機調速硬件系統設計3 交流電機調速硬件系統設計3.1 原器件的選擇及其功能簡介（1） 74LS138圖3.1 74LS138引腳圖

20、74LS138是一種3-8譯碼器，有三個輸入端，經譯碼產生8種狀態。其引腳如圖3.1.1表3.1 74LS138 真 值 表 輸 入 輸 出G1G2A/G2B/CBAY7/Y6/Y5/Y4/Y3/Y2/Y1/Y0/1000001111111010000111111101100010111110111000111111011110010011101111100101110111111001101011111110011101111111 其它狀態11111111（2）可編程計數/定時芯片8253主要功能；1）一個芯片上有三個獨立的16位計數器通道;2）每個計數器都可以按照二進制或二十進制計數；3

21、）每個計數器的技術速率可高到2MHz。4）.每個通道有六種工作方式，可由程序設置和改變;5）.所有的輸入輸出與TTL兼容圖3.2 8253引腳圖CLK：輸入脈沖線。計數器就是對這個脈沖計數。8253規定，加在CLK引腳的輸入時鐘周期不能小于380ns .GATE：門控制信號輸入引腳。這是控制計數器工作的一個外部信號。當GATE引腳為低電平時，通常都是禁止計數器工作;只有當GATE為高電平時，才允許計數器工作。OUT：輸出引腳。當計數到“0”本次設計用到芯片8253的工作方式三，當記數值N為偶數時，輸出為對稱方波，前N/2記數期間，OUT輸出為高電平，后N/2記數期間，OUT輸出為低電平。若記數

22、值N為奇數值時，將輸出不對稱方波，即在前（2N+1）/2記數期間，OUT輸出高電平，后（2N-1）記數期間輸出低電平（3）HEF4752隨著電力電子技術及大規模集成電路的發展，基于集成SPWM電路構成的變頻調速系統以其結構簡單、運行可靠、節能效果顯著、性價比高等突出優點而得到廣泛應用。本文介紹的變頻調速系統是以大規模專用集成電路HEF4752為核心構成的控制電路，由HEF4752產生的三相SPWM信號經隔離、放大后，驅動由IGBT構成的三相逆變器，使之輸出SPWM的波形，實現異步電動機變頻調速。HEF4752簡介 HEF4752如圖3.3所示，是采用LOCMOS工藝制造的大規模集成電路，專門用

23、來產生三相SPWM信號。它的驅動輸出經隔離放大后，可驅動GTO和GTR逆變器，在交流變頻調速中作控制器件。圖3.3 HEF4752引腳圖主要特點如下：1）能產生三對相位差120的互補SPWM主控脈沖，適用于三相橋結構的逆變器。2）采用多載波比自動切換方式，隨著逆變器的輸出頻率降低，有級地自動增加載波比，從而抑制低頻輸出時因高次諧波產生的轉矩脈沖和噪聲等所造成的惡劣影響。調制頻率可調范圍為0100Hz，且能使逆變器輸出電壓同步調節。3）為防止逆變器上下橋臂直通，在每相主控脈沖間插入死區間隔，間隔時間連續可調。引腳說明：HEF4752為28腳雙列直插式標準封裝DIP芯片，它有7個控制輸入，4個時鐘

24、輸入，12個驅動信號輸出，3個控制輸出。各管腳功能描述如表所列。表3. 2 HEF4752管腳功能引 腳名 稱功 能引 腳名 稱功 能1OBC1B相換流開關信號115B測試電路用信號2OBM2B相主開關信號216C測試電路用信號3OBM1B相主開關信號117VCT電壓時鐘4RCT最高開關頻率基時鐘18CSP電流采樣脈沖5CW電機換相控制信號19OYC2Y相換流開關信號26OCT推遲輸出時鐘20OYC1Y相換流開關信號17K選擇互鎖推遲間隔21OYM2Y相主開關信號28ORM1R相主開關信號122OYM1Y相主開關信號19ORM2R相主開關信號223RSYNR相同步信號10ORC1R相換流開關信

25、號124L停止/啟動系統11ORC2R相換流開關信號225I選擇晶閘管模式12FCT頻率時鐘26VAV平均電壓13A復位輸入控制27OBC2B相換流開關信號214VSS接地端28VDD工作電壓(10V)輸入引腳功能1 )輸入引腳I用來決定逆變器驅動輸出模式的選擇，當引腳I為低電平時，驅動模式是晶體管，當引腳I為高電平時，驅動模式是晶閘管。2)輸入控制信號引腳K和時鐘輸入引腳OCT共同決定逆變器每對輸出信號的互鎖推遲間隔時間。（4） 82558255是可編程的并行I/O接口芯片，它具有3個8位的并行I/O口，三種工作方式，可通過編程改變其功能，因而使用方便，通用性強，可作為單片機與多種外圍設備連

26、接時的中間接口電路。8255的引腳圖如圖3.4所示。引腳說明由圖可知，8255共有40個引腳，各引腳功能如下：D0D7： 三態雙向數據線，與單片機數據總線相連，用來傳遞數據信息。圖3.4 8255引腳圖RD/： 讀出信號線，低電平有效，控制數據的讀出。WR/： 寫入信號線，低電平有效，控制數據的寫入。CS/： 片選信號線，低電平有效，表示芯片被選中。Vcc： +5V電源。PA7PA0： A口輸入/輸出線。PB7PB0： B口輸入/輸出線。PC7PC0： C口輸入/輸出線。RESET： 復位信號線。A1A0： 地址線，用來選擇8255內部端口。本次設計用到8255的工作方式0，且A口作為輸入，B

27、口，C口作為輸出。 8255地址口的選定： 片選CS/，地址選擇端A1，A0。分別接于P0.7,P0.1,P0.0其它地址線全懸空。顯然只要保證P0.7為低電平時，選中該8255，若P0.1,P0.0再為“00”選中8255的A口，同理P0.1,P0.0為“01”，“10”，“11”分別選中B口，C口及控制口。若地址用16位表示，其他無用端全選為1，則8255的A，B，CJ及控制口地址可為FF7CH，FF7DH，FF7FH，如果無用位為“0”，則4個地址為0000H，0001H，0002H，0003H，只要保證CS/，A1，A0的狀態，無用位設為“0”，或“1”無關。掌握了確定地址的方法，地址

28、便可以靈活的選出了。（5）ADC0809ADC0809是一種逐次逼近式8路模擬輸入，8位數字量輸出的A/D轉換器。其引腳如圖3.5所示，由引腳可見，ADC0809共有28個引腳，采用雙插直列示封裝，其引腳主要功能如下：圖3.5 ADC0809 引腳圖IN0IN7 ：8路模擬信號輸入端。D0D7 ：8位數字量輸出端。A，B，C 與ALE：控制8路模擬通道的切換，A，B，C 分別與三根地址線或數據線相連，三者編碼對應8個通道地址口。C，B，A=000111分別對應IN0IN7通道地址。OE，START，CLK為控制信號端，OE為輸出允許端。START為啟動信號輸入端，CLK為時鐘信號輸入端。VR（

29、+）和VR（-）為參考電壓輸入端。ADC0809 雖然有8路模擬通道可以同時輸入8路模擬信號，但每個瞬間只能轉換一路，各路之間的切換由軟件變換通道地址實現。（6） 8279 8279是一種通用可編程鍵盤，顯示器接口芯片。它能完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能，鍵盤部分提供一種掃描方式，對鍵盤不斷掃描，自動消抖，自動識別出按下的鍵并給出編碼，能對雙鍵或N鍵同時按下進行保護。8279的組成：1）I/O控制及數據緩沖器2）控制和時序寄存器及定時控制3）掃描計數器4）回復緩沖器，鍵盤抖動及控制5）FIFO/傳感器RAM及其狀態寄存器6）顯示RAM和顯示地址寄存器3.2 系統主回路的設計3.2.1 主回路的

30、結構系統主回路是交直交電壓型變頻電路，其圖3.6如下所示：圖3.6 系統主回路電路圖整流采用三相橋式不可控整流器,，組成濾波電路，三個元件和 一起構成尖峰電壓吸收電路（又稱直流側阻容吸收電路），用以削弱因逆變器換流而引起的尖峰電壓，采用的是GRT三相橋式PWM逆變器。3.2.2 參數計算和元件選擇1）大功率開關管 SPWM正弦脈寬調制方法的直流利用率為0.866，即。為了使逆變器輸出380V的線電壓，要求直流側的電源電壓：考慮到大功率的晶體管的管壓降等，取，則大功率晶體管的參數為,，,。選擇晶體管模塊QCA50A100A三塊，作為大功率開關管。QCA50A100A為兩單元組件，c-e極帶反向續

31、流二極管，絕緣式結構，其極限參數為： ，它的內部結構圖如圖3.7所示。圖3.7 QCA50A100模塊內部結構2） 三相整流橋 整流橋輸入側電壓為：，直流側功率可估算如下： 取電動機的效率為0.82，則電動機的輸入功率為。取逆變器的效率為0.93，則 直流側的功率為： ，故直流側電流：。整流二極管最高反壓：。基于以上數據，選用MDS型三相整流橋模塊，其最大輸出電流為40A，最高耐壓為1000V。3） LC濾波器 取，其最大耐壓。選擇兩只2200uF，耐壓在500V以上的電容器并聯使用。濾波電感在這里主要用來限制電流脈動（PWM變頻調速系統不存在電流不連續問題）和短路電流上升率，按照晶體管三相橋

32、式整流電路限制電流脈動的電感量算式估計如下（取）考慮到電動機和整流變壓器存在一定的電感量，取實際的串聯電感為100mH。選擇兩臺電感量各為50mH，額定電流不小于6.4A的電抗器串聯。4） 直流側阻容吸收電路 按照晶體管三相橋式整流電路直流側組容吸收電路參數式進行估算： 其中，選擇系列紙電容。的額定功率取為2W，選擇RJ系列金屬膜電阻。選用2CP1G，額定電流，最高耐壓800V。5） 大功率晶體管阻容吸收電路 取電動機起制動電流為額定電流的3倍，即關斷時間，升泵電壓，則：的耐壓值與GRT相同，取為的電容，阻值取為100歐。3.3 轉差頻率控制原理及調節器的設計3.3.1轉差頻率控制原理由電機學

33、的知識可知： 其中：圖3.8 系統控制結構圖電動機正常運行時，這時有。 所以：當采用恒磁通控制方式進行變頻調速時，近似恒定，近似恒定，這時有，其中近似為一常數，T近似的正比于轉差頻率。 因此，通過對轉差頻率控制，就可以達到控制電動機轉距的目的，從而調節電動機的轉速。3.3.2 調節器設計本系統采用增量式轉差頻率調節方式，轉差調節器設計為帶有死區的調節器，即：其中得：所以式中控制增量； 轉速誤差； 轉速給定； 轉速反饋； 因，所以與之和反映了頻率，即為頻率指令信號。控制結構框圖和控制曲線如下圖所示。為死區，它是為了避免因量化誤差，舍入誤差引起系統運行不平衡而引起的。UnAUnB(UnA UnB)

34、為線性調節區，當Un（K）UnB時，輸出限幅，用以現在轉差頻率的最大增量，亦即限制的最大增量，亦即限制的最大增量，防止系統過沖，提高系統的穩定性。決定系統的積分系數（）,它由電位器給定，通過A/D轉換器轉換后輸入。當UnB確定后，通過調節電位器，就能改變積分系數，整定方便。UnA的值根據靜態精度要求和實際系統工作時的最低轉速來確定，UnB、UsM通過實驗確定。a) 控制結構框圖 b） 控制曲線圖3.9 控制結構框圖和曲線圖3.4 PWM控制信號的產生及變換器的設計在本系統中，控制信號用HEF4752大規模集成塊來產生。要使HEF4752 正常工作，必須提供4路時鐘信號和4個開關信號。將HEF4

35、752的端接地，使HEF4752工作在晶體管模塊式，將K端接+5v電源，使每兩路互補信號之間有較大的輸出延遲，CW端，L端分別接8255C口的PC1、PC0。這樣剩下的只有4個控制端了。FCT端為頻率控制端，VCT端為電壓控制端，逆變器的輸出頻率和電壓就是通過控制著兩個端輸入的方波信號頻率來控制的。而電動機轉速的調節是通過調頻，調壓實現的。所以，必須在轉差調節器與HEF4752之間正比的方波信號為FCT和VCT時鐘信號。3.4.1 與的關系及低頻補償考慮到8098單片機中A/D轉換器分辨率為10位，所以頻率指令信號用10位二進制數來表示。頻率指令信號、頻率與的關系如下：所以有。當=50Hz時，

36、=1000Hz，=168000Hz。為了使成立，必須滿足，故取 =168000Hz/0.5=336000Hz在=20 50 Hz范圍內，維持 =336000 Hz不變，這樣可自動維持=常數。在020Hz范圍內，引入低頻補償，以維持磁通恒定。低頻補償的思想是：在低頻段，按一定規律減少，使比值增大，從而使相對增大，以補償定子繞組電阻上的壓降，維持磁通恒定。低頻補償曲線如圖11所示，補償的規律如下：取= /4 = 8400Hz當=20Hz時，有 = + 20Hz = 所以可解得 = ()/20Hz = (33600084000)/20 = 12600下面來簡單估算一下，看取=84000Hz、=126

37、00是否合適。 額定狀態有 0.5K=380V 所以K=760，U1=760*3360 當=20 Hz時，=760*3360*20 V/336000=152 V 當=0.2Hz時，=760*3360*0.2V /（84000+12600*0.2）5.9 V圖3.10 低頻補償曲線圖與未補償時的U1比較，當=0.2Hz時，大約提高了5.9 V。這個5.9 V用來補償定子繞組上的電阻壓降。從估算結果上看，顯然是比較合適的，故取=84000Hz，=12600，3.4.2 變換器的設計以上找出了、與的關系，剩下的就是怎樣按照關系式產生頻率為、方波信號。單片機上系統時鐘頻率為12MHz，將其6分頻后，得

38、到2MHz的時鐘信號，再對進行、分頻后作為FCT、VCT時鐘信號。顯然，、應與Uf1頻率指令信號成一定關系變化，其關系可推導如下：所以可解得： 分頻系數變化范圍較大，需采用16位分頻器，所以可通過擴展一片可編程定時/計數器8253來完成整數分頻。8253內部有三個6位計數器，完全可滿足設計要求。由于Pf、Pv都不是一個純整數，為了保證系統的精度，可擴展2片比例乘法器CD4527，用它進行比例分頻。二進制碼/方波信號變換器硬件連線圖如圖3.4.2所示。CD4527是BCD比例乘法器，其Q端輸出脈沖書具有如下關系 N0 = BCD輸入數 * / 10如果輸入的BCD數為6，則每輸入10個時鐘脈沖，

39、可在輸出端得到6個輸出脈沖。CD4527引腳如圖18所示各引腳功能如下：A、B、C、D： BCD數輸入端。輸入的BCD數決定芯片的乘法系數（分頻系數）。CP：時鐘脈沖輸入端。INHIN：時鐘CP禁止輸入端。INHIN為“0”，允許輸入，為“1Cr：清零端，Cr為“0”時正常工作，為“1SET“9”ST和CF：分別為選通端和級聯端。用于級聯。“9”OUT：狀態“9”輸出端。INHout：時鐘禁止輸出端當有脈沖輸出時，INHout輸出“1”電平。Q、Q/：脈沖輸出端。圖3.11 變換器硬件連接圖采用一級CD4527，只能獲得小數點后一位的乘法系數，為了獲得小數點后兩位的乘法系數（即0.000.99

40、的比例分頻系數），本系統中采用級聯的方法進行加法運算，對進行兩位數的比例分頻，連接圖如圖所示。第一級CD4527輸出的脈沖數為。由于Q1與CF1連接，故Q1的輸出脈沖經第二級CD4527直接從Q2輸出，脈沖不變。由于INHout1到CP1端第9個脈沖后才為“0”，即INHout2在第10個脈沖來時才為“0”，允許脈沖輸入，故100個脈沖中只從CP2端輸入10個，所以輸出脈沖數為，總的輸出脈沖數為：式中： A、B比例分頻系數，分別對應于1/10位和1/100位。圖3.12 CD4527引腳圖8253是可編程序定時/計數器，片內具有3個獨立的16位計數器通道，每個通道有6種工作方式。關于8253引

41、腳功能、工作方式等這里不再贅述。本系統中，設定0、1、2通道工作在方式3（方波信號發生器），用比例分頻的輸出分別作為0、1通道的計數時鐘信號，對進行整數位分頻，產生FCT、VCT兩路時鐘信號。0、1通道的計數值即位整數分頻系數，由CPU通過執行幾條輸出指令置入。2通道用來產生RCT、OCT時鐘信號RCT、OCT共用一路時鐘信號，且頻率固定。因取，則。時鐘的頻率為2MHz，故RCT可由時鐘經7分頻來獲得，故置通道計數值為7。 由于整數分頻和小數分頻分開進行，所以需將分頻系數分別分解為純整數和純小數兩部分，整數部分送8253的0、1通道作為計數值，小數部分送比例分頻器CD4527作為比例分頻系數。

42、與關系如下：對應的一個值，有多組取值。考慮到由于硬件的限制，只能取小數點后兩位這一條件，與，與必定有一最佳組合。基于這一想法，取使的絕對值趨于最小，且為偶數的一組值,和使的絕對值也趨于最小，且為偶數的一組值為兩位純小數）。這種尋優法的計算法的計算量工作量較大，難以實時完成。本系統中采用查表的方法獲得,。用高級語言程序離線生成和兩個表格，存入內存。系統運行時，根據求得的頻率指令信號，查表獲得對應的分頻系數,，然后將它們送到相應的比例分頻器和8253的0、1通道，8253的0、1通道便會產生相應頻率的方波信號輸出，這樣就完成了二進制碼到方波信號的變換。比例乘法器CD4527不能直接與CPU連接，系

43、統中可擴展一片8255，用它作為二路比例乘法器與CPU的接口。8253定時/計數器則直接與CPU連接。3.5 光電隔離及驅動電路設計HEF4752輸出的PWM控制信號功率很小，無法直接驅動GTR，要經過脈沖功率放大才能驅動GTR，脈沖功率放大電路選用模塊EX359。該模塊是一個帶有光隔離的功率放大電路，其電源電壓為12V，輸入信號，輸出電壓（對應GTR導通）和-2V（對應GTR關斷），工作頻率為，可驅動50A以下的逆變器，其內部電路如圖3.13所示。圖3.13 EX359驅動模塊內部結構3.6 HYPERLINK l _Toc278485905 電動機的轉速測量電路的設計本系統采用 M/ T法

44、進行速度的測量。脈沖發生器則采用紅外發射及接受器件TLP947,在電機的轉軸上應有黑白相間的條紋的鋁環，當鋁環隨電機轉動時，有TPL947作為脈沖發生器可以產生一系列脈沖，單片機則可進行M/ T法測速。M/ T 法的基本原理:速度檢測時間 TS 由兩部分組成 , TS = T0 +T ,其中 T0 為設定的固定不變的時間;T 為從 T0 時間結束到此后出現的第一個測速脈沖為止的時間。設在 T0 時間內取得的測速脈沖數為 m1 ,在 TS = T0 +T 時間內取得的時基脈沖計數取為 m2 ,則轉速n =602 TS。 其中角位移=2m1P, P為增量式光電編碼器轉動 1 周輸出的測速脈沖數;

45、TS = m2 / f C , f C為時基頻率 ,則: n =60 f C m1Pm2。從測量精度上看 ,這種方法在整個轉速范圍內都有較好的分辨率。圖3.14 轉速測量電路3.7 HYPERLINK l _Toc278485905 電動機的電流、電壓測量電路的設計電壓檢測采用運算放大器配合光電耦合器件與單片實現接口，直流檢測往往存在二個最明顯的困難:一是直流測量儀表不便串入電路中;二是直流檢測電路與被測電路不能直接耦合 ,否則就會影響被測電路的直流工作點 ,即直流檢測的隔離成為問題。而用霍爾傳感器檢測直流信號可以較好地解決上述困難。UGN23501M霍爾傳感器具有高靈敏度、工作溫度范圍寬(

46、- 2085 )等特點 ,但使用不當 , 它的霍爾電壓 UH與磁感應強度 B 為非線性關系,線性度為33 %,且存在不平衡電壓 UHe ,這必定會影響檢測系統的準確度。通過實驗和分析,找出最佳線性工作狀態,且消除了不平衡電壓。檢測電路以集成AD522 芯片為放大級。設計的直流電流檢測電路線性度好,具有較高的準確度。AD522為雙端輸入,單端輸出的測量放大器。具有高輸入阻抗、線性度良好等特點。設計的直流電流檢測電路線性度為8. 2 %;最大相對誤差為 1. 4 % ,它適合于不便直接測量且測量準確度要求較高的場合。設計的直流電流檢測系統如下圖所示。圖3.15 直流電流檢測電重慶科技學院高等教育自

47、學考試本科畢業論文 3 交流電機調速硬件系統設計3.8 鍵盤顯示電路的設計鍵盤顯示電路采用了8279專用控制芯片，它具有顯示器自動掃描、閉合鍵的鍵號自動識別的功能其最大的鍵盤配置可達64個，最多可接16位顯示器，完全滿足系統的要求8279與8051接口也十分方便這樣簡化了電路設計，又提高了單片機的工作效率。具體應用電路如下圖。本系統采用了16個按鍵的配置，即10個數字鍵和6個功能鍵。數字鍵為09，功能鍵為：啟動停止鍵，PIDPID參數設置鍵，SPEED電機轉速設置鍵，SENTER設置確認鍵，P/N電機正反轉控制鍵，RESET系統復位鍵。為了能夠精確地顯示PID參數、電機轉速等系統運行參數，以及

48、你能夠詳盡地描述系統的啟動、制動等運行狀態。本系統采用8位8段共陰極LED顯示器。LED的位選線由掃描線SL0SL3和段選線經驅動器提供。8279的中斷請求信號IRQ經反向器與8051的INT1相連。ALE作為8279的時鐘信號直接連到其CLK端由8279設置適當的分頻數，分頻至100KHz。P0口作為數據線，用于8279寫入顯示字、控制字以及讀回按下鍵的鍵值。圖3.18 鍵盤與顯示電路圖3.9 故障檢測及保護電路設計故障檢測及保護電路如圖3.9.1所示，該電路采用電阻取樣的電壓、電流保護電路，通過調節電位器RP1、RP2來設定最大的允許電壓、電流值。電路中C1、C2接8255的C 口中的PC

49、2、PC3，O端接HEF4752的L控制端。這樣保護電路可通過門1輸出控制信號的封鎖HEF4752輸出的PWM控制信號，斷開主回路電源。A1、A2接8255的C 口中的PC4、PC5，通過PC4、PC5輸入故障信號，用以檢測故障類型。圖3.19 過電流，過電壓保護電路重慶科技學院高等教育自學考試本科畢業論文 4 系統軟件的設計4 系統軟件的設計4.1 程序框圖及其介紹（1）系統主程序主程序框圖如圖4.1所示。先進行芯片初始化，然后，清系統工作區，開放8051外部中斷，啟動軟件定時器10ms(采樣周期)。所以，系統初始化完畢，進入控制循環：顯示轉速中斷服務和運算，查表求出()可逆切換程序輸出控制

50、量顯示轉速。 圖4.1 系統主程序框圖（2）轉速調節程序轉速調節程序即為軟件定時器O的中斷服務程序，其程序框圖如圖21所示。在轉速調節程序中，完成轉速、的采樣，進行PI運算，求出頻率指令信號，然后查表求得分頻系數。（3）增量式PI運算子程序增量式PI運算子程序框圖如圖22所示，它包括按圖所示控制曲線計算轉差頻率增量, 由求出轉差頻率控制量，再由求出頻率指令信號。圖4.2 轉速調節程序框圖（4）可逆切換程序可逆切換程序由停車控制和可逆切換控制兩部分組成，其程序框圖如圖4.1.3所示。系統的停車與工作由工作/停車控制開關控制，其開關狀態由PC6輸入。在可逆切換程序中，先對PC6進行判斷。若PC6

51、= 0，表示命令停車，這時接下來判斷轉速是否為0。若不為0，則經PC2輸出“1”電平，使HEF4752的L端為0，封鎖其輸出信號，使逆變器輸出為0，電動機轉速下降。當轉速已降到0時，經PC3輸出“1”電平信號，切換主回路電源，然后顯示停車標志“0000”。若PC6 = 1，則表示繼續工作，于是轉去檢測正/反開關狀態，進入可逆切換部分。電動機的轉向由正/反控制開關控制，其開關狀態由PC7輸入。現以正轉到反轉為例說明切換過程。當正/反轉開關由“正”轉到“反”時，PC7輸入0電平，表示反轉，接下來判斷當前轉向是正（CW = 1）還是反（CW = 0），若轉向為正，表示與給定轉向不一致，需進行切換，于

52、是經PC2輸出1電平，使HEF4752的L端為0，封鎖其輸出信號，使逆變器輸出為0，電動機轉速下降。然后判斷電動機轉速是否為0。當轉速未降到0時，不開放L端，電動機轉速繼續下降。一旦轉速降到0，則經PC1輸出0電平至CW端，經PC2輸出0電平，開放L端，于是HEF4752輸出相序為U、W、V的PWM控制信號，逆變器重新開始工作，輸出相序為U、W、V，使電動機反向啟動，至此，切換過程結束。從反轉到正轉的切換過程與上述過程相仿，不再贅述。 圖4.3 增量式PI運算子程序框圖圖4.4 可逆切換程序（5）故障處理程序故障處理程序即為8051外部中斷服務程序，其程序框圖如圖4.5所示。圖4.5 故障處理

53、程序4.2部分子程序重慶科技學院高等教育自學考試本科畢業論文 4 系統軟件的設計對于0809的編程，采用軟件延時的方法Main: MOV R1, #DATAMOV DPTR, #7FF8HMOV R7, #08HLOOP: MOVX DPTR, AMOV R6, #0AHDLAY: NOPNOPNOPDJNZ R6,DLAYMOVX A,DPTRMOV R1,AINC DPTRINC R1DJNZ R7,LOOP對于8253編程，計數器工作在方式3MOV DPTR, #7FFFHMOV A,0B6HMOVX DPTR, AMOV DPTR, #7FFFHMOV A, #32HMOVX DPTR

54、, ACLR AMOVX DPTR, A對于8255編程。工作在方式0，A口作為輸入，B，C口作為輸出 。MOV A,#90HMOV DPTR,#0FF7FHMOVX DPTR, AMOV DPTR,#0FF7CHMOVX A,DPTRMOV DPTR,#0FF7DHMOV A,#DATA1MOVX DPTR,#0FF7EHMOV A,#DATA2MOVX DPTR,A重慶科技學院高等教育自學考試本科畢業論文 5 系統抗干擾措施5 系統抗干擾措施 變頻調速系統長期運行于環境惡劣的工業現場，并且變頻器本身內部的主電路功率開關元件工作在大電流的高頻通斷狀態，因此也可產生高頻電磁輻射，因而抗干擾措施

55、是必不可少的。本系統在軟件、硬件兩方面采取了抗干擾措施。5.1硬件抗干擾措施在主電路中，在逆變器的交流輸入端、整流電路后及逆變電路交流輸出端均設有濾波電路，以消除來自外部的噪音干擾及逆變電路本身的干擾。在控制電路中主要在去了如下抗干擾措施：電源系統抗干擾措施，在電源輸入端設電源濾波器：電源變壓器采用抗干擾性能好的屏蔽變壓器；主機部分采用單獨的穩壓電路，采用78和79系列三端穩壓塊，輔以pi型濾波電路；外圍電路采用單獨的電源供電。采用屏蔽保護措施，以隔離空間輻射，對噪音特別大的部件（如電抗器Ld等）用金屬盒罩起來，以減少對單片機等部分的干擾。對容易受干擾的模擬電路、數字電路加設屏蔽金屬罩并接地，

56、使干擾信號被短路接地。過程通道抗干擾措施，在輸入/輸出口中全部采用高速光電偶和器件（如4N30等）來切斷模擬電路和單片機數字電路之間的電路聯系，并且所有傳輸線均采用雙絞線。印制電路板抗干擾措施，設計時主要從盡量控制噪音源，盡量減少噪音的傳播和耦合，盡量減少噪音的吸收三個方面考慮設計印制電路板和布線，具體措施如下：堅硬之電路板設計分為3個區，模擬電路區（易受干擾）、數字電路區（易受干擾，同時又是干擾源）、功率驅動區（干擾源）來減少噪音的傳播和耦合。印制電路板設計采用并聯一點接地法，單點節點源，3個電路的電源線、地線由該點分三路引出。接地線盡量粗，構成閉合回路。對于轉速檢測、電流檢測、電壓檢測等重要的信號線，盡量做的粗而短，并在其兩側加上保護線；對于通過扁平電纜引出的信號，采用地線-信號-地線的結構。每個集成電路芯片的電源和地之間加一個去耦電容，電容選用了高頻特性好的獨石電容或瓷片電容。5.2 軟件抗干擾措施單片機應用系統的抗干擾不可能完全依賴硬件解決，也采取必要的軟件抗干擾措施，具體措施如下：采用指令冗余設計，在程序的關鍵地方插入一些空指令（N