可逆交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì))

1、用單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)文 摘 單片機(jī)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想是用轉(zhuǎn)差頻率進(jìn)行控制。通過(guò)改變程序來(lái)達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。由于設(shè)計(jì)中電動(dòng)機(jī)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(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要由主回路，驅(qū)動(dòng)電路，光電隔離電路，HEF4752大規(guī)模集成電路，保護(hù)電路，Intel系列單片機(jī)，Intel8253定時(shí)/記數(shù)器，Intel8255可編程接口芯片，Intel8279通用鍵盤(pán)/顯示器，I/O接口芯片，CD4527比例分頻器和測(cè)速發(fā)電機(jī)等組成?；芈分杏辛藱z測(cè)保護(hù)電路就可以使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性有了保障。關(guān)鍵詞 MCS-51單片機(jī)；HEF475

2、2；8253定時(shí)器；晶閘管；整流器；三相異步電動(dòng)機(jī)電氣傳動(dòng)從總體上分為調(diào)速和不調(diào)速兩大類。按照電動(dòng)機(jī)的類型不同，電氣傳動(dòng)又分為直流和交流兩大類，直流電動(dòng)機(jī)在19世紀(jì)先后誕生，但當(dāng)時(shí)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)是不調(diào)速系統(tǒng)，隨著社會(huì)化大生產(chǎn)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)技術(shù)越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)生產(chǎn)工藝的要求也越來(lái)越高，這就要求生產(chǎn)機(jī)械能夠在工作速度，快速啟動(dòng)和制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)等方面具有較好的運(yùn)行性能。從而推動(dòng)了電動(dòng)機(jī)的調(diào)速不斷向前發(fā)展，自從1834年直流電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)以后，直流電動(dòng)機(jī)作為調(diào)速電動(dòng)機(jī)的代表，在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。它的優(yōu)點(diǎn)主要在于調(diào)速范圍廣，靜差小，穩(wěn)定性能好以及具有良好的動(dòng)態(tài)性能，晶閘管變流裝置的應(yīng)用使直流拖動(dòng)發(fā)展到了

3、一個(gè)很高的水平，在可逆，可調(diào)速與高精度的拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)幾乎都采用直流拖動(dòng)系統(tǒng)。盡管如此，直流調(diào)速系統(tǒng)卻解決不了直流電動(dòng)機(jī)本身的換向問(wèn)題和在惡劣環(huán)境下的不適應(yīng)問(wèn)題，同時(shí)，制造大容量，高轉(zhuǎn)速以及高電壓直流電動(dòng)機(jī)也十分困難，這就限制了直流傳動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。 交流電動(dòng)機(jī)在1885年出現(xiàn)后，由于一直沒(méi)有理想的調(diào)速方案，只被應(yīng)用于恒速拖動(dòng)系統(tǒng)，從本世紀(jì)30年代起，不少國(guó)家才開(kāi)始提出各種交流調(diào)速的原始方案，晶閘管的出現(xiàn)使交流電動(dòng)調(diào)速的發(fā)展出現(xiàn)了一個(gè)質(zhì)的飛躍，使得半導(dǎo)體變流技術(shù)的交流調(diào)速得以實(shí)現(xiàn)，國(guó)際上在60 年代后期解決了交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方案中的關(guān)鍵問(wèn)題，70年代開(kāi)始就實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的高壓，大容量

4、，小型化，且已經(jīng)逐漸取代了大部分傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展迅速的很大一部分原因在于交流電動(dòng)機(jī)本身的優(yōu)點(diǎn)：沒(méi)有電刷和換向器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)。近年以來(lái)大功率半導(dǎo)體器件，大規(guī)模集成電路，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，加上交流電動(dòng)機(jī)本身的優(yōu)越特性，為交流調(diào)速提供了廣泛的應(yīng)用前景。目前交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)已具備了較寬的調(diào)速范圍，較高的穩(wěn)態(tài)精度，較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，較高的工作效率以及可以在四象限運(yùn)行等優(yōu)越性能，其動(dòng)態(tài)性能均可與直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)相比美。 交流調(diào)速系統(tǒng)與直流調(diào)速系統(tǒng)相比較，具有如下特點(diǎn)：（1）容量大 這是電動(dòng)機(jī)本身的容量所決定的。直流電動(dòng)機(jī)的單機(jī)容量能達(dá)到1214MW，而交流電動(dòng)機(jī)的容量

5、卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高與此數(shù)值。（2）轉(zhuǎn)速高，而且耐壓 直流電動(dòng)機(jī)受到換向器的限制，最高電壓只能達(dá)到1000多伏，而交流電動(dòng)機(jī)容量可達(dá)到610KV，甚至更高。一般直流電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速只能達(dá)到3000轉(zhuǎn)/min左右，而交流電動(dòng)機(jī)則可以高達(dá)每分鐘幾萬(wàn)轉(zhuǎn)。這使得交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)具有耐高壓，轉(zhuǎn)速高的特點(diǎn)。 （3）交流電動(dòng)機(jī)本身的體積，重量，價(jià)格比同等容量的直流電動(dòng)機(jī)要小，且交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，經(jīng)濟(jì)可靠，慣性小成了交流調(diào)速系統(tǒng)的一大優(yōu)點(diǎn)。（4）交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速裝置環(huán)境適應(yīng)性廣。直流電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，換向器工作要求高，使用中受到很多限制，如工廠里的酸洗車間，由于腐蝕嚴(yán)重，使用直流電動(dòng)機(jī)每周都要檢查碳刷，

6、維修起來(lái)比較困難，而交流電動(dòng)機(jī)卻可以用在十分惡劣的環(huán)境下不至于損壞。 （5）由于高性能，高精度，新型調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，交流拖動(dòng)系統(tǒng)已達(dá)到同直流拖動(dòng)系統(tǒng)一樣的性能指標(biāo)，越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于 國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域。 （6）交流調(diào)速裝置能顯著的節(jié)能。工業(yè)上大量使用的風(fēng)機(jī)，水泵，壓縮機(jī)類負(fù)載都是靠交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的，這類裝置的用電量占工業(yè)用電量的50%，以往都不對(duì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速，而僅采用擋板，節(jié)流閥來(lái)控制風(fēng)量或流量。大量的電能被白白的浪費(fèi)掉，如果采用交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)改變風(fēng)量或流量的話，效率就會(huì)大大的提高，從各方面來(lái)看，改造恒速交流電動(dòng)機(jī)為交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)，有著可觀的能源效益。 交流電動(dòng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

7、單，運(yùn)行可靠，價(jià)格低廉，維修方便，故而應(yīng)用面很廣，幾乎所有的調(diào)速傳動(dòng)都采用交流電動(dòng)機(jī)。盡管從1930年開(kāi)始，人們就致力于交流調(diào)速系統(tǒng)的研究，然而主要局限于利用開(kāi)關(guān)設(shè)備來(lái)切換主回路達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，制動(dòng)和有級(jí)調(diào)速的目的。變極對(duì)調(diào)速，電抗或自藕降壓?jiǎn)?dòng)以及繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻的有級(jí)調(diào)速都還處于開(kāi)發(fā)的階段。交流調(diào)速緩慢的主要原因是決定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要因素的交流電源頻率的改變和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距控制都是非常困難的，使交流調(diào)速的穩(wěn)定性，可靠性，經(jīng)濟(jì)性以及效率均不能滿足生產(chǎn)要求 。后來(lái)發(fā)展起來(lái)的調(diào)壓，調(diào)頻控制只控制了電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通，而不能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)距。轉(zhuǎn)差頻率控制在一定程度上能控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距。1

8、交流調(diào)速的現(xiàn)狀隨著電力電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和電力電子器件的更新?lián)Q代，變頻調(diào)速技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。據(jù)資料顯示，現(xiàn)在有90%以上的動(dòng)力來(lái)源來(lái)自電動(dòng)機(jī)。我國(guó)生產(chǎn)的電能60%用于電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)與人們的生活息息相關(guān)，密不可分，所以要對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速有足夠的重視。我們都知道，動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)是可以相互轉(zhuǎn)化的，從這個(gè)意義上說(shuō)電動(dòng)機(jī)也是最常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)源，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的最有效方式是對(duì)運(yùn)動(dòng)源的控制。因此，常常通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。實(shí)際上國(guó)外已將電動(dòng)機(jī)的控制改名為運(yùn)動(dòng)控制。 對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制可以分為簡(jiǎn)單控制和復(fù)雜控制兩大類。簡(jiǎn)單控制是指對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)，制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)控制和順序控制。這類控制可以通過(guò)繼電器，

9、可編程器件和開(kāi)關(guān)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。復(fù)雜控制是指對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)距，電壓，電流等物理量進(jìn)行控制。而且有時(shí)往往需要非常精確的控制。以前，對(duì)電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單控制的應(yīng)用較多，但是，隨著現(xiàn)代化步伐的前進(jìn)，人民對(duì)自動(dòng)化的需求也越來(lái)越高。使電動(dòng)機(jī)的復(fù)雜控制逐漸成為主流，其應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛。在軍事和雷達(dá)天線，火炮瞄準(zhǔn)，慣性導(dǎo)航，衛(wèi)星姿態(tài)，飛船光電池對(duì)太陽(yáng)的控制等。工業(yè)方面的各種加工中心，專用加工設(shè)備，數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人，塑料機(jī)械，繞線機(jī)，泵和壓縮機(jī)，軋機(jī)主傳動(dòng)等設(shè)備的控制。計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和辦公設(shè)備中的各種磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，繪圖儀，打印機(jī)，復(fù)印機(jī)等的控制；音像設(shè)備和家用電器中的錄音機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，洗衣機(jī)，冰箱空調(diào)，電扇

10、等的控制，我們統(tǒng)統(tǒng)稱其為電動(dòng)機(jī)的控制。交流調(diào)速控制作為對(duì)電動(dòng)機(jī)控制的一種手段。作用相當(dāng)明顯，這里就不再多做介紹，就交流調(diào)速系統(tǒng)目前的發(fā)展水平而言，可概括的如下：（1）已從中容量等級(jí)發(fā)展到了大容量、特大容量等級(jí)。并解決了交流調(diào)速的性能指標(biāo)問(wèn)題，填補(bǔ)了直流調(diào)速系統(tǒng)在特大容量調(diào)速的空白。（2）可以使交流調(diào)速系統(tǒng)具有高的可靠性和長(zhǎng)期的連續(xù)運(yùn)行能力，從而滿足有些場(chǎng)合不停機(jī)檢修的要求或?qū)煽啃缘奶厥庖蟆＃?）可以使交流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高性能、高精度的轉(zhuǎn)速控制。除了控制部分可以得到和直流調(diào)速控制同樣良好的性能外，異步電動(dòng)機(jī)本身固有的優(yōu)點(diǎn)，又使整個(gè)系統(tǒng)得到更好的動(dòng)態(tài)性能。采用數(shù)字鎖相控制的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

11、，調(diào)速精度可以達(dá)到0.002%。 根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式 n=(1-s)60f/p=n0。可知，當(dāng)極對(duì)P不變時(shí)，均勻的改變定子供電的頻率f，則可以連續(xù)的改變異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0。達(dá)到平滑調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速n的目的。這種調(diào)速方法稱為變頻調(diào)速。變頻調(diào)速具有很好的調(diào)速性能，應(yīng)用相當(dāng)廣泛，是交流調(diào)速的主流。保持V1 /F1=常數(shù)的恒壓頻比控制方式 在忽略定子阻抗壓降后可得到V1 /F1=C1m ，式中C1=4.44Kn1N1為常數(shù)，因此，在變頻時(shí)要維持磁通恒定，只要使V1 與F1成比例的改變即可。此時(shí)，由公式n0=(1-s)60 f1/p得，所以，帶負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速降落n為n=sn0=60f1s

12、/p,將異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式 T=3PU12R¹2/2SF1（R1+R¹2/S）2+（X1+X¹2）2近似處理后得，可以導(dǎo)出，由此可見(jiàn)，當(dāng)為恒值時(shí)，對(duì)于同一轉(zhuǎn)矩，是基本不變的。也就是說(shuō)，在恒壓頻比條件下改變頻率時(shí)，機(jī)械特性基本是批心平行上下移動(dòng)的，頻率降低，轉(zhuǎn)速下降， 太小將限制調(diào)速系統(tǒng)的帶負(fù)載能力，所以在低頻時(shí)，采用定子壓降補(bǔ)償法來(lái)適當(dāng)?shù)奶岣唠妷海栽鰪?qiáng)帶負(fù)載的能力。從而達(dá)到比較滿意的效果。保持=常數(shù)的恒磁通控制方式 對(duì)于=常數(shù)的控制方式，無(wú)法保證最大的轉(zhuǎn)距。對(duì)于要求調(diào)速范圍的的恒轉(zhuǎn)距負(fù)載，則希望在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)不變，即使保持恒定?？刹捎?常數(shù)的恒磁通控制方式。

13、保持=常數(shù)，此時(shí)，機(jī)械特性曲線形狀不變，不同定子頻率下的機(jī)械特性曲線平行，且最大轉(zhuǎn)距保持不變，但由于異步電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不好測(cè)量和控制，所以在實(shí)際應(yīng)用中，采用電壓補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)達(dá)到維持最大轉(zhuǎn)距的目的?？紤]到低頻空載時(shí)，由于電阻壓降減小，應(yīng)減少補(bǔ)償量，否則將使電動(dòng)機(jī)中增大，導(dǎo)致磁路過(guò)飽和而帶來(lái)的問(wèn)題，故與的曲線是折線。保持=常數(shù)的恒功率控制方式 變頻調(diào)速時(shí)，在定子頻率大于額定頻率的情況下，若仍按照上述方法進(jìn)行控制，則定子電壓要高于額定電壓，這是不允許的。所以當(dāng)在頻率超過(guò)額定頻率時(shí)，往往使定子電壓不再升高，而保持為額定電壓不變，這樣一來(lái)，氣隙磁通就就會(huì)小于額定磁通，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)距減少，保持=常數(shù)時(shí)的

14、恒功率控制方式所要求的電壓與頻率的協(xié)調(diào)關(guān)系?？芍?，忽略時(shí)；。額定轉(zhuǎn)距（式中為過(guò)載倍數(shù)），對(duì)于恒功率調(diào)速，有，可得出，只要滿足=常數(shù)的條件，即可達(dá)到恒功率調(diào)速。恒電流控制方式 在變頻調(diào)速時(shí)，保持異步電動(dòng)機(jī)的定子電流為恒值，稱為恒流控制方式。的恒定是通過(guò)PI調(diào)節(jié)器的電流閉環(huán)調(diào)節(jié)作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。恒流變頻調(diào)速與恒磁通變頻調(diào)速的機(jī)械特性基本一樣。都屬于恒轉(zhuǎn)距調(diào)速，在變頻調(diào)速時(shí)，最大轉(zhuǎn)距是不變的，由于恒流控制限制了，所以恒流時(shí)的最大轉(zhuǎn)距要比恒磁通時(shí)小得多，使過(guò)載能力降低。因此，這種控制方式只適用于負(fù)載不大的場(chǎng)合。2 用單片機(jī)控制的交流調(diào)速微處理器（單片機(jī)）取代模擬電路作為電動(dòng)機(jī)的控制器，具有如下特點(diǎn)：（1）

15、使電路更簡(jiǎn)單 模擬電路為了實(shí)現(xiàn)控制邏輯需要許多電子元件，使電路更復(fù)雜，采用微處理器后，絕大多數(shù)控制邏輯可通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。（2）可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的控制 微處理器具有更強(qiáng)的邏輯功能，運(yùn)算速度快，精度高，有大容量的存儲(chǔ)單元。因此，有能力實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制。（3）靈活性和適應(yīng)性 微處理器的控制方式是有軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如果需要修改控制規(guī)律，一般不必改變系統(tǒng)的硬件電路，只須修改程序即可，在系統(tǒng)調(diào)試和升級(jí)時(shí)，可以不斷嘗試選擇最優(yōu)參數(shù)，非常方便。 ( 4 ) 無(wú)零點(diǎn)漂移，控制精度高 數(shù)字控制不會(huì)出現(xiàn)模擬電路中經(jīng)常遇見(jiàn)的零點(diǎn)漂移問(wèn)題，無(wú)論被控量是大還是小，都可以保證足夠的控制精度。（5）可以提供人機(jī)界面，多機(jī)連網(wǎng)工作

16、。用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)可謂功能強(qiáng)大，它有極高的速度，很強(qiáng)的運(yùn)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(guò)大，所以只用于大型的控制系統(tǒng)，可編程控制器則恰好相反，它只能完成邏輯判斷，定時(shí)，記數(shù)和簡(jiǎn)單的運(yùn)算，由于功能太弱，所以它只能用于簡(jiǎn)單的電動(dòng)機(jī)控制。在民用生產(chǎn)中，通常用介于工控機(jī)和可編程控制器之間的單片機(jī)作為微處理器。本次設(shè)計(jì)就是用單片機(jī)作為電動(dòng)機(jī)的控制器。在設(shè)計(jì)中用單片機(jī)作為電動(dòng)機(jī)的核心控制元件來(lái)取代模擬電路，就可以將傳統(tǒng)的調(diào)速方案中的一些缺點(diǎn)避免，達(dá)到提高控制精度的目的。在本次設(shè)計(jì)中所用到的控制方式是用轉(zhuǎn)差頻率閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)恒壓頻比調(diào)速系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，異步電動(dòng)機(jī)在不同的頻率下都

17、能夠獲得較硬的機(jī)械特性曲線，但是不能保證必要的調(diào)速精度；而且在動(dòng)態(tài)過(guò)程中由于不能保持所需要的轉(zhuǎn)距，動(dòng)態(tài)性能也很差，它只能用于對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能要求都不高的場(chǎng)合。如果異步電動(dòng)機(jī)能像直流電動(dòng)機(jī)一樣，用控制電樞電流的方法來(lái)控制轉(zhuǎn)距，那么就能夠得到和支流電動(dòng)機(jī)一樣的動(dòng)靜態(tài)性能。轉(zhuǎn)差頻率控制是一種解決異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)距控制問(wèn)題的方法，采用這種控制方案的調(diào)速系統(tǒng)，可以獲得與直流電動(dòng)機(jī)恒磁通調(diào)速相似的性能。轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念，原理由式 可以得出異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式 令式中 ，它是轉(zhuǎn)差頻率。 又由式 即： 所以： 式中 由于異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線上有一最大值，當(dāng)轉(zhuǎn)差頻率小于臨界轉(zhuǎn)差頻率（對(duì)應(yīng)于電

18、磁轉(zhuǎn)距最大的轉(zhuǎn)差率）時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在穩(wěn)定工作區(qū)，電動(dòng)機(jī)的電流比較?。划?dāng)轉(zhuǎn)差率大于臨界轉(zhuǎn)差率時(shí)，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定工作區(qū)，電動(dòng)機(jī)的電流增大，轉(zhuǎn)距減小。所以在調(diào)速過(guò)程中要使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率小于臨界轉(zhuǎn)差率。也就是說(shuō)，異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)的轉(zhuǎn)差率很小，從而 也很小，可以認(rèn)為 ， ，所以可近似寫(xiě)成。此式表明，在轉(zhuǎn)差頻率很小的范圍內(nèi)，只要能夠保持氣隙磁通 不變，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距就近似與轉(zhuǎn)差頻率成正比，這就是說(shuō)，在異步電動(dòng)機(jī)中控制，就能和直流電動(dòng)機(jī)中控制電流一樣，能夠達(dá)到控制轉(zhuǎn)距的目的。控制轉(zhuǎn)差頻率就代表了控制轉(zhuǎn)距，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本原理。轉(zhuǎn)差頻率控制的基本規(guī)律 上面只是近似找到了轉(zhuǎn)距與轉(zhuǎn)差頻率的正比關(guān)

19、系，可以用它表明轉(zhuǎn)差頻率控制的基本原理，但是這一正比關(guān)系必須有兩個(gè)條件才能成立。首先轉(zhuǎn)差頻率必須較小，即控制系統(tǒng)必須對(duì)限幅，使其滿足；其中，對(duì)應(yīng)于最大轉(zhuǎn)距時(shí)的轉(zhuǎn)差頻率。這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本規(guī)律之一。對(duì)限幅的功能由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。上述的第二個(gè)條件是氣隙磁通必須保持恒定。異步電動(dòng)機(jī)可以控制的量是定子電流，而中包括勵(lì)磁電流分量和負(fù)載電流分量，只有保持勵(lì)磁電流分量恒定，才能使氣隙磁通 恒定，而和 均難以直接測(cè)量，若能找到，和 之間的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)負(fù)載改變引起變化時(shí)，只要調(diào)節(jié)，使保持不變，問(wèn)題就解決了。圖1 轉(zhuǎn)差頻率控制的基本規(guī)律根據(jù)并聯(lián)支路的分流公式取等式兩側(cè)向量的副值相等，得：令常數(shù)，可以看出圖

20、1，它具有如下性質(zhì)：（1），當(dāng)=0時(shí)，在理想空載時(shí)定子電流等于勵(lì)磁電流；（2），若值增大，定子電流也相應(yīng)增大；（3），當(dāng)時(shí)， ，這是曲線的漸近線；（4），為正負(fù)值時(shí)，的對(duì)應(yīng)值不變，左右對(duì)稱。上述關(guān)系表明：只要對(duì)定子電流和 的關(guān)系符合圖1或符合 的規(guī)律，就能保持氣隙磁通 恒定，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本規(guī)律之二，它有函數(shù)電流發(fā)生器來(lái)實(shí)現(xiàn)?？偨Y(jié)起來(lái)，轉(zhuǎn)差頻率控制的基本規(guī)律是：（1）在的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)距基本上與成正比，條件是氣隙磁通 恒定。（2）定子電流和 的關(guān)系符合圖1或式子 的規(guī)律，就能夠保證氣隙磁通 恒定。轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上述轉(zhuǎn)差頻率控制的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變頻調(diào)速結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示，可以看出

21、該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）采用電流源變頻器，使控制對(duì)象具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而且便于回饋制動(dòng)，這是提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的基礎(chǔ)。（2）和直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一樣，外環(huán)是轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出是轉(zhuǎn)差頻率給定值，代表轉(zhuǎn)距給定。（3）轉(zhuǎn)差頻率的控制作用分兩路，分別作用在可控整流器和逆變器上。前者通過(guò)函數(shù)發(fā)生器，按的大小產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，再通過(guò)電流調(diào)節(jié)器控制定子電流，以保持恒定，另一路按產(chǎn)生對(duì)于于定子頻率的控制電壓，決定逆變器的輸出頻率。（4）轉(zhuǎn)速給定信號(hào)，都反向，相序鑒別器判斷的極性以決定環(huán)形分配器的輸出相序，而信號(hào)本身則經(jīng)過(guò)絕對(duì)值變換器決定輸出頻率的大小，這樣就很方便的實(shí)現(xiàn)了異步電動(dòng)機(jī)的

22、可逆運(yùn)行。調(diào)速系統(tǒng)的工作原理（1）起動(dòng)過(guò)程 起動(dòng)過(guò)程如圖2所示。首先說(shuō)明起動(dòng)過(guò)程是一個(gè)恒定子電流，恒轉(zhuǎn)差角頻率起動(dòng)的過(guò)程，轉(zhuǎn)速給定信號(hào)由電位器設(shè)定，作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)，在起動(dòng)瞬間（對(duì)應(yīng)于圖中的A點(diǎn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速），而測(cè)速發(fā)電機(jī)TG輸出信號(hào)， 圖2 調(diào)速系統(tǒng)的工作原理圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)最大，其輸出最大達(dá)到限幅值而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)送給了電流函數(shù)發(fā)生器，所以此時(shí)函數(shù)發(fā)生器的輸出達(dá)到最大值，因而其輸出也達(dá)到最大給定值，接下去的電流調(diào)節(jié)環(huán)的速度比轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)的速度快得多，可以認(rèn)為，轉(zhuǎn)速過(guò)度過(guò)程中實(shí)際定子電流始終跟蹤了，而在起動(dòng)過(guò)程中由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速還沒(méi)有達(dá)到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出不會(huì)從限幅值退下

23、來(lái)，轉(zhuǎn)差頻率給頂值一直保持不變，也一直保持不變。所以可以認(rèn)為起動(dòng)過(guò)程是一個(gè)恒定子電流，恒轉(zhuǎn)差頻率驅(qū)動(dòng)過(guò)程。由式子 可知，定子電流，轉(zhuǎn)差頻率恒定，則勵(lì)磁電流也恒定，因此氣隙磁通 恒定。圖三中，A點(diǎn)對(duì)應(yīng)于起動(dòng)瞬間，由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為0（W=0），所以按產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)于頂子額定電流為，記為，如果逆變器輸出頻率保持不變，則電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)將沿著這條曲線達(dá)到B點(diǎn)，記此時(shí)的異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為，假如控制系統(tǒng)此時(shí)對(duì)其進(jìn)行采樣，按產(chǎn)生的定子頻率為，由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能突變，因此電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)移到了這條曲線上的C點(diǎn)。按以上的方法分析下去，可以知道異步電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)將沿著ABCD移動(dòng)，最終達(dá)到穩(wěn)定工作點(diǎn)N。以上分析中，控

24、制系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行采樣的時(shí)刻時(shí)間斷的，如果控制采用連續(xù)系統(tǒng)方法，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化將立即通過(guò)控制系統(tǒng)改變控制器的輸出頻率。這樣，沿著ABCD的連線將趨向于沿著A C E G這條曲線，而這條曲線說(shuō)明在異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，電磁轉(zhuǎn)距保持不變，這一結(jié)論可以從上面的定子電流，轉(zhuǎn)角頻率，氣隙磁通恒定。負(fù)載變化圖3 負(fù)載變化圖負(fù)載變化如圖3所示，負(fù)載變化時(shí)，若轉(zhuǎn)速給定信號(hào)為，電動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)為N，當(dāng)負(fù)載變化從增加為時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速W將逐漸降低，測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出信號(hào)減少，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器增大，按產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)于定子頻率由于增大而增大，控制電壓增大，決定了逆變器的輸出頻率增加，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線上移，最終電動(dòng)機(jī)在新的工作點(diǎn)處

25、穩(wěn)定工作。調(diào)速過(guò)程如果不改變，但轉(zhuǎn)速給頂信號(hào)從增大到時(shí)，速度調(diào)節(jié)器的輸入為正值，其輸出將增大，按產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)于定子頻率，由于增大而增大，控制電壓增大，決定了逆變器的輸出頻率增加，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械曲線上移，當(dāng)增大時(shí)，電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)將瞬間地從點(diǎn)轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的特性曲線上的A點(diǎn)，在A點(diǎn)電磁轉(zhuǎn)距，因而電動(dòng)機(jī)將加速，轉(zhuǎn)速上升，按產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)于定子頻率由于增大而增大，逆變器的輸出頻率增加，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線上移，只要，定子頻率將不斷增大，電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)將沿著圖中的A到曲線運(yùn)動(dòng)，到了點(diǎn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，電磁轉(zhuǎn)距，電動(dòng)機(jī)將在點(diǎn)上穩(wěn)定運(yùn)行，這就完成了電動(dòng)機(jī)的加速過(guò)程。電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)當(dāng)轉(zhuǎn)速給定信號(hào)反相時(shí)，速度調(diào)節(jié)器輸出負(fù)限幅值，

26、按產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)于定子頻率由于變負(fù)而減小逆變器的輸出頻率降低，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線下移，電動(dòng)機(jī)以最大制動(dòng)轉(zhuǎn)距減少到零。當(dāng)轉(zhuǎn)速接近于零時(shí)，按產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)的由正值變負(fù)時(shí)，通過(guò)相序鑒別器使環(huán)形分配器的相序改變，電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)反向運(yùn)行。近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能雖比轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)系統(tǒng)有較大提高，但是在采用經(jīng)典線性控制理論和工程設(shè)計(jì)方法分析和設(shè)計(jì)，仍要作較大的近似處理。在建立轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖時(shí)，仍做如下處理：（1）忽略異步電動(dòng)機(jī)的鐵損。（2）忽略異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響，或者說(shuō)，忽略哦率和轉(zhuǎn)速對(duì)電壓控制系統(tǒng)的影響。（3）認(rèn)為組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的。（4）認(rèn)為磁通

27、在動(dòng)態(tài)過(guò)程中保持不變。參照轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，可以畫(huà)出轉(zhuǎn)差控制系統(tǒng)的近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示：圖4 近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 以上就本次變頻設(shè)計(jì)的控制方法規(guī)律等做了介紹，它就是本次設(shè)計(jì)的理論部分。3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參數(shù) 對(duì)一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)：，接法， 采用轉(zhuǎn)差頻率控制方法，由單片機(jī)組成核心。調(diào)速范圍（），無(wú)級(jí)調(diào)速，靜差率。根據(jù)對(duì)象參數(shù)，完成各功能單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，參數(shù)計(jì)算。4 用單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 調(diào)速系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)圖5 調(diào)速系統(tǒng)總體框圖轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)恒壓頻比的調(diào)速系統(tǒng)，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，異步電動(dòng)機(jī)在不同頻率小都能獲得較硬的機(jī)械特性但不能保證必要

28、的調(diào)速精度，而且在動(dòng)態(tài)過(guò)程中由于不能保持所需的轉(zhuǎn)速，動(dòng)態(tài)性能也很差，它只能用于對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的靜，動(dòng)態(tài)性能要求不高的場(chǎng)合。如果異步電動(dòng)機(jī)能象直流電動(dòng)機(jī)一樣，用控制電樞電流的方法來(lái)控制轉(zhuǎn)矩，那么就可能得到和直流電動(dòng)機(jī)一樣的較為理想的靜，動(dòng)態(tài)特性。轉(zhuǎn)差頻率控制是一種解決異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩控制問(wèn)題的方法，采用這種控制方案的調(diào)速系統(tǒng)，可以獲得與直流電動(dòng)機(jī)恒磁通調(diào)速系統(tǒng)相似的性能。 為了使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)靜態(tài)性能，滿足設(shè)計(jì)要求，可將整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)速單閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)差頻率調(diào)節(jié)方式，對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，考慮電動(dòng)機(jī)負(fù)載為恒轉(zhuǎn)距負(fù)載，在高頻段，采用恒比例控制方式來(lái)做近似恒磁通控制方式；在低頻段，采用恒磁通補(bǔ)

29、償方法來(lái)維持磁通的恒定，實(shí)現(xiàn)恒磁通變頻調(diào)速。當(dāng)頻率高于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，維持，實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)節(jié)。選用大規(guī)模集成電路HEF4752來(lái)產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，以減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，使它能夠有足夠的時(shí)間來(lái)完成閉環(huán)控制，系統(tǒng)檢測(cè)和保護(hù)等任務(wù)。由于電動(dòng)機(jī)功率不大，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(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要由主回路，驅(qū)動(dòng)電路，光電隔離電路，HEF4752大規(guī)模集成電路，保護(hù)電路，51-單片機(jī)，8253定時(shí)/記數(shù)器，8255可編程接口芯片，8279通用鍵盤(pán)/顯示器，I/O接口芯片，CD4527比例分頻器和測(cè)速發(fā)電機(jī)等組成。4.2 原器件的選擇（1） 74LS138 74LS138

30、是一種3-8譯碼器，有三個(gè)輸入端，經(jīng)譯碼產(chǎn)生8種狀態(tài)。其引腳如圖6所示，譯碼功能如表所示，由表可知，當(dāng)譯碼器的輸入為某一個(gè)編碼時(shí)其輸出就有一個(gè)固定的引腳輸出為低電平，其余的為高電平。圖6 74LS138引腳圖表1 74LS138 真 值 表 輸 入 輸 出G1G2A/G2B/CBAY7/Y6/Y5/Y4/Y3/Y2/Y1/Y0/1000001111111010000111111101100010111110111000111111011110010011101111100101110111111001101011111110011101111111 其它狀態(tài)11111111 （2） 8253

31、主要功能1）一個(gè)芯片上有三個(gè)獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)器通道;2）每個(gè)計(jì)數(shù)器都可以按照二進(jìn)制或二十進(jìn)制計(jì)數(shù)；3）每個(gè)計(jì)數(shù)器的技術(shù)速率可高到2MHz。4）.每個(gè)通道有六種工作方式，可由程序設(shè)置和改變;5）.所有的輸入輸出與TTL兼容。圖7 8253引腳圖每個(gè)通道有三條引線：CLK：輸入脈沖線。計(jì)數(shù)器就是對(duì)這個(gè)脈沖計(jì)數(shù)。8253規(guī)定，加在CLK引腳的輸入時(shí)鐘周期不能小于380ns .GATE：門(mén)控制信號(hào)輸入引腳。這是控制計(jì)數(shù)器工作的一個(gè)外部信號(hào)。當(dāng)GATE引腳為低電平時(shí)，通常都是禁止計(jì)數(shù)器工作;只有當(dāng)GATE為高電平時(shí)，才允許計(jì)數(shù)器工作。OUT：輸出引腳。當(dāng)計(jì)數(shù)到“0”時(shí)，OUT引線上必然有輸出，輸出信號(hào)的

32、波形取決于工作方式。本次設(shè)計(jì)用到芯片8253的工作方式三，當(dāng)記數(shù)值N為偶數(shù)時(shí)，輸出為對(duì)稱方波，前N/2記數(shù)期間，OUT輸出為高電平，后N/2記數(shù)期間，OUT輸出為低電平。若記數(shù)值N為奇數(shù)值時(shí)，將輸出不對(duì)稱方波，即在前（2N+1）/2記數(shù)期間，OUT輸出高電平，后（2N-1）記數(shù)期間輸出低電平。（3）HEF4752隨著電力電子技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，基于集成SPWM電路構(gòu)成的變頻調(diào)速系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、節(jié)能效果顯著、性價(jià)比高等突出優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。本文介紹的變頻調(diào)速系統(tǒng)是以大規(guī)模專用集成電路HEF4752為核心構(gòu)成的控制電路，由HEF4752產(chǎn)生的三相SPWM信號(hào)經(jīng)隔離、放大后，驅(qū)

33、動(dòng)由IGBT構(gòu)成的三相逆變器，使之輸出SPWM的波形，實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速。HEF4752簡(jiǎn)介 HEF4752如圖8所示，是采用LOCMOS工藝制造的大規(guī)模集成電路，專門(mén)用來(lái)產(chǎn)生三相SPWM信號(hào)。它的驅(qū)動(dòng)輸出經(jīng)隔離放大后，可驅(qū)動(dòng)GTO和GTR逆變器，在交流變頻調(diào)速中作控制器件。圖8 HEF4752引腳圖主要特點(diǎn)如下：1）能產(chǎn)生三對(duì)相位差120°的互補(bǔ)SPWM主控脈沖，適用于三相橋結(jié)構(gòu)的逆變器。2）采用多載波比自動(dòng)切換方式，隨著逆變器的輸出頻率降低，有級(jí)地自動(dòng)增加載波比，從而抑制低頻輸出時(shí)因高次諧波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈沖和噪聲等所造成的惡劣影響。調(diào)制頻率可調(diào)范圍為0100Hz，且能使逆變器輸

34、出電壓同步調(diào)節(jié)。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(qū)間隔，間隔時(shí)間連續(xù)可調(diào)。引腳說(shuō)明：HEF4752為28腳雙列直插式標(biāo)準(zhǔn)封裝DIP芯片，它有7個(gè)控制輸入，4個(gè)時(shí)鐘輸入，12個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，3個(gè)控制輸出。各管腳功能描述如表所列。表2 HEF4752管腳功能引  腳 名  稱 功     能 1 OBC1B 相換流開(kāi)關(guān)信號(hào)1 2 OBM2B 相主開(kāi)關(guān)信號(hào)2 3 OBM1B 相主開(kāi)關(guān)信號(hào)1 4 RCT 最高開(kāi)關(guān)頻率基準(zhǔn)時(shí)鐘 5 CW 電機(jī)換相控制信號(hào) 6 OCT 推遲輸出時(shí)鐘 7 K 選擇互鎖推遲間隔 8 ORM1 R相

35、主開(kāi)關(guān)信號(hào)1 9 ORM2 R相主開(kāi)關(guān)信號(hào)2 10 ORC1 R相換流開(kāi)關(guān)信號(hào)1 11 ORC2 R相換流開(kāi)關(guān)信號(hào)2 12 FCT 頻率時(shí)鐘 13 A 復(fù)位輸入控制 14 VSS 接地端 15 B 測(cè)試電路用信號(hào) 16 C 測(cè)試電路用信號(hào) 17 VCT 電壓時(shí)鐘 18 CSP 電流采樣脈沖 19 OYC2 Y相換流開(kāi)關(guān)信號(hào)2 20 OYC1 Y相換流開(kāi)關(guān)信號(hào)1 21 OYM2 Y相主開(kāi)關(guān)信號(hào)2 22 OYM1 Y相主開(kāi)關(guān)信號(hào)1 23 RSYN R相同步信號(hào) 24 L 停止/啟動(dòng)系統(tǒng) 25 I 選擇晶體管/晶閘管模式 26 VAV 平均電壓 27 OBC2 B相換流開(kāi)關(guān)信號(hào)2 28 VDD 工作

36、電壓(10V) 輸入引腳功能1 )輸入引腳I用來(lái)決定逆變器驅(qū)動(dòng)輸出模式的選擇，當(dāng)引腳I為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)模式是晶體管，當(dāng)引腳I為高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)模式是晶閘管。2)輸入控制信號(hào)引腳K和時(shí)鐘輸入引腳OCT共同決定逆變器每對(duì)輸出信號(hào)的互鎖推遲間隔時(shí)間。（4） 82558255是可編程的并行I/O接口芯片，它具有3個(gè)8位的并行I/O口，三種工作方式，可通過(guò)編程改變其功能，因而使用方便，通用性強(qiáng)，可作為單片機(jī)與多種外圍設(shè)備連接時(shí)的中間接口電路。8255的引腳圖如圖9所示。引腳說(shuō)明由圖可知，8255共有40個(gè)引腳，各引腳功能如下：D0D7： 三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線，與單片機(jī)數(shù)據(jù)總線相連，用來(lái)傳遞數(shù)據(jù)信息。CS/： 片

37、選信號(hào)線，低電平有效，表示芯片被選中。圖9 8255引腳圖RD/： 讀出信號(hào)線，低電平有效，控制數(shù)據(jù)的讀出。WR/： 寫(xiě)入信號(hào)線，低電平有效，控制數(shù)據(jù)的寫(xiě)入。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(fù)位信號(hào)線。A1A0： 地址線，用來(lái)選擇8255內(nèi)部端口。 本次設(shè)計(jì)用到8255的工作方式0，且A口作為輸入，B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(shí)，選中該8255，若P0.1,

38、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(wú)用端全選為1，則8255的A，B，CJ及控制口地址可為FF7CH，F(xiàn)F7DH，F(xiàn)F7FH，如果無(wú)用位為“0”，則4個(gè)地址為0000H，0001H，0002H，0003H，只要保證CS/，A1，A0的狀態(tài)，無(wú)用位設(shè)為“0”，或“1”無(wú)關(guān)。掌握了確定地址的方法，地址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(shù)字量輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。其引腳如圖10所示。由引腳可見(jiàn)，ADC0809共有28個(gè)引腳，采用雙插直列示

39、封裝，其引腳主要功能如下：1） IN0IN7 是8路模擬信號(hào)輸入端。圖10 ADC0809 引腳圖2）D0D7 是8位數(shù)字量輸出端。3）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(shù)據(jù)線相連，三者編碼對(duì)應(yīng)8個(gè)通道地址口。C，B，A=000111分別對(duì)應(yīng)IN0IN7通道地址。ADC0809 雖然有8路模擬通道可以同時(shí)輸入8路模擬信號(hào)，但每個(gè)瞬間只能轉(zhuǎn)換一路，各路之間的切換由軟件變換通道地址實(shí)現(xiàn)。4） OE，START，CLK為控制信號(hào)端，OE為輸出允許端，START為啟動(dòng)信號(hào)輸入端，CLK為時(shí)鐘信號(hào)輸入端。5）VR（+）和VR（-）為參考電壓輸入端。（6） 8279

40、圖11 8279引腳圖 8279是一種通用可編程鍵盤(pán)，顯示器接口芯片。如圖11所示，它能完成鍵盤(pán)輸入和顯示控制兩種功能，鍵盤(pán)部分提供一種掃描方式，對(duì)鍵盤(pán)不斷掃描，自動(dòng)消抖，自動(dòng)識(shí)別出按下的鍵并給出編碼，能對(duì)雙鍵或N鍵同時(shí)按下進(jìn)行保護(hù)。8279的組成：1）I/O控制及數(shù)據(jù)緩沖器2）控制和時(shí)序寄存器及定時(shí)控制3）掃描計(jì)數(shù)器4）回復(fù)緩沖器，鍵盤(pán)抖動(dòng)及控制5）FIFO/傳感器RAM及其狀態(tài)寄存器6）顯示RAM和顯示地址寄存器4.3 系統(tǒng)主回路的設(shè)計(jì)以及參數(shù)計(jì)算（1）主回路的結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)主回路是交直交電壓型變頻電路，其圖12如下所示：圖12 系統(tǒng)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(gè)

41、元件和 一起構(gòu)成尖峰電壓吸收電路（又稱直流側(cè)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。（2） 參數(shù)計(jì)算和元件選擇1) 大功率開(kāi)關(guān)管 SPWM正弦脈寬調(diào)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(cè)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(shù)為，。選擇晶體管模塊QCA50A100A三塊，作為大功率開(kāi)關(guān)管。QCA50A100A為兩單元組件，c-e極帶反向續(xù)流二極管，絕緣式結(jié)構(gòu)，其極限參數(shù)為： ，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖13所示。圖13 QCA50A100模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)2） 三相整流橋 整流橋輸入側(cè)電

42、壓為：，直流側(cè)功率可估算如下： 取電動(dòng)機(jī)的效率為0.82，則電動(dòng)機(jī)的輸入功率為 。取逆變器的效率為0.93，則 直流側(cè)的功率為： ，故直流側(cè)電流：。整流二極管最高反壓：。基于以上數(shù)據(jù)，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(lián)使用。濾波電感在這里主要用來(lái)限制電流脈動(dòng)（PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)不存在電流不連續(xù)問(wèn)題）和短路電流上升率，按照晶體管三相橋式整流電路限制電流脈動(dòng)的電感量算式估計(jì)如下（?。┛紤]到電動(dòng)機(jī)和整流變壓器存在一定的電感量，取實(shí)際的串聯(lián)電感為100mH。選擇兩臺(tái)電感量各為

43、50mH，額定電流不小于6.4A的電抗器串聯(lián)。（4）直流側(cè)阻容吸收電路 按照晶體管三相橋式整流電路直流側(cè)組容吸收電路參數(shù)式進(jìn)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(dòng)機(jī)起制動(dòng)電流為額定電流的3倍，即關(guān)斷時(shí)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。4.4 單元模塊的設(shè)計(jì)4.4.1 轉(zhuǎn)差頻率控制原理及調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)（1）轉(zhuǎn)差頻率控制原理由電機(jī)學(xué)的知識(shí)可知： 其中：圖14 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，這時(shí)有。 所以：當(dāng)采用恒磁通控制方式進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，

44、近似恒定，近似恒定，這時(shí)有，其中近似為一常數(shù)，T近似的正比于轉(zhuǎn)差頻率。 因此，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)差頻率控制，就可以達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)距的目的，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。（2）調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用增量式轉(zhuǎn)差頻率調(diào)節(jié)方式，轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)為帶有死區(qū)的調(diào)節(jié)器，即： 因，所以與之和反映了頻率，即為頻率指令信號(hào)。控制結(jié)構(gòu)框圖和控制曲線如下圖所示。為死區(qū)，它是為了避免因量化誤差，舍入誤差引起系統(tǒng)運(yùn)行不平衡而引起的。UnAUnB(UnA UnB)為線性調(diào)節(jié)區(qū)，當(dāng)Un（K）>UnB時(shí)，輸出限幅，用以現(xiàn)在轉(zhuǎn)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(tǒng)過(guò)沖，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。決定系統(tǒng)的積分系數(shù)（）,它由

45、電位器給定，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸入。當(dāng)UnB確定后，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器，就能改變積分系數(shù)，整定方便。UnA的值根據(jù)靜態(tài)精度要求和實(shí)際系統(tǒng)工作時(shí)的最低轉(zhuǎn)速來(lái)確定，UnB、UsM通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。圖15 控制結(jié)構(gòu)框圖和曲線圖a) 控制結(jié)構(gòu)框圖 b） 控制曲線4.4.2 PWM控制信號(hào)的產(chǎn)生及變換器的設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中，控制信號(hào)用HEF4752大規(guī)模集成塊來(lái)產(chǎn)生。要使HEF4752 正常工作，必須提供4路時(shí)鐘信號(hào)和4個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)。將HEF4752的端接地，使HEF4752工作在晶體管模塊式，將K端接+5v電源，使每?jī)陕坊パa(bǔ)信號(hào)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

46、4個(gè)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(guò)控制著兩個(gè)端輸入的方波信號(hào)頻率來(lái)控制的。而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)是通過(guò)調(diào)頻，調(diào)壓實(shí)現(xiàn)的。所以，必須在轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)器與HEF4752之間正比的方波信號(hào)為FCT和VCT時(shí)鐘信號(hào)。（1）與的關(guān)系及低頻補(bǔ)償 考慮到8098單片機(jī)中A/D轉(zhuǎn)換器分辨率為10位，所以頻率指令信號(hào)用10位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示。頻率指令信號(hào)、頻率與的關(guān)系如下： 所以有=168Uf1，Uf1=20f1。當(dāng)f1=50Hz時(shí)，Uf1=1000Hz，=168000Hz。為了使成立，必須滿足，故取 =168000Hz/0.5=336000Hz在f1=2050 Hz范

47、圍內(nèi)，維持 =336000 Hz不變，這樣可自動(dòng)維持U1/f1=常數(shù)。在020Hz范圍內(nèi)，引入低頻補(bǔ)償，以維持磁通恒定。低頻補(bǔ)償?shù)乃枷胧牵涸诘皖l段，按一定規(guī)律減少，使比值增大，從而使U1=K相對(duì)增大，以補(bǔ)償定子繞組電阻上的壓降，維持磁通恒定。低頻補(bǔ)償曲線如圖16所示，補(bǔ)償?shù)囊?guī)律如下：取fVCT0 = fVCT(nom)/4 = 8400Hz當(dāng)f1=20Hz時(shí)，有 fVCT = fVCT0 + 20Hz = fVCT(nom)所以可解得 = (fVCT(nom)fVCT0)/20Hz = (33600084000)/20 = 12600下面來(lái)簡(jiǎn)單估算一下，看取fVCT0=84000Hz、=126

48、00是否合適。 額定狀態(tài)有 U1=KfFCT/fVCT0.5K=380V 所以K=760，U1=760*fFCT/fVCT=760*3360f1/fVCT 當(dāng)f1=20 Hz時(shí)，U1=760*3360*20 V/336000=152 V 當(dāng)f1=0.2Hz時(shí)，U1=760*3360*0.2V /（84000+12600*0.2）5.9 V圖16 低頻補(bǔ)償曲線圖 與未補(bǔ)償時(shí)的U1比較，當(dāng)f1=0.2Hz時(shí)，U1大約提高了5.9 V。這個(gè)5.9 V用來(lái)補(bǔ)償定子繞組上的電阻壓降。從估算結(jié)果上看，顯然是比較合適的，故取fVCT0=84000Hz，=12600，則（1） 變換器的設(shè)計(jì)以上找出了fFCT、

49、fVCT與Uf1的關(guān)系，剩下的就是怎樣按照關(guān)系式產(chǎn)生頻率為fFCT、fVCT方波信號(hào)。單片機(jī)上系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為12MHz，將其6分頻后，得到2MHz的時(shí)鐘信號(hào)，再對(duì)進(jìn)行、分頻后作為FCT、VCT時(shí)鐘信號(hào)。顯然，Pf、Pv應(yīng)與Uf1頻率指令信號(hào)成一定關(guān)系變化，其關(guān)系可推導(dǎo)如下：所以 可解得： 分頻系數(shù)變化范圍較大，需采用16位分頻器，所以可通過(guò)擴(kuò)展一片可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器8253來(lái)完成整數(shù)分頻。8253內(nèi)部有三個(gè)6位計(jì)數(shù)器，完全可滿足設(shè)計(jì)要求。由于Pf、Pv都不是一個(gè)純整數(shù)，為了保證系統(tǒng)的精度，可擴(kuò)展2片比例乘法器CD4527，用它進(jìn)行比例分頻。二進(jìn)制碼/方波信號(hào)變換器硬件連線圖如圖17所示。圖17

50、 變換器硬件連接圖CD4527是BCD比例乘法器，其Q端輸出脈沖書(shū)具有如下關(guān)系 N0 = BCD輸入數(shù) * / 10如果輸入的BCD數(shù)為6，則每輸入10個(gè)時(shí)鐘脈沖，可在輸出端得到6個(gè)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(shù)輸入端。輸入的BCD數(shù)決定芯片的乘法系數(shù)（分頻系數(shù)）。CP：時(shí)鐘脈沖輸入端。INHIN：時(shí)鐘CP禁止輸入端。INHIN為“0”，允許輸入，為“1”時(shí)禁止輸入。Cr：清零端，Cr為“0”時(shí)正常工作，為“1”時(shí)芯片清零。SET“9”：置9端，工作時(shí)接地。ST和CF：分別為選通端和級(jí)聯(lián)端。用于級(jí)聯(lián)?！?”O(jiān)UT：狀態(tài)“9”輸出端。 INHou

51、t：時(shí)鐘禁止輸出端，當(dāng)有脈沖輸出時(shí)，INHout輸出“1”電平。Q、Q/：脈沖輸出端。 采用一級(jí)CD4527，只能獲得小數(shù)點(diǎn)后一位的乘法系數(shù)，為了獲得小數(shù)點(diǎn)后兩位的乘法系數(shù)（即0.000.99的比例分頻系數(shù)），本系統(tǒng)中采用級(jí)聯(lián)的方法進(jìn)行加法運(yùn)算，對(duì)進(jìn)行兩位數(shù)的比例分頻，連接圖如圖所示。第一級(jí)CD4527輸出的脈沖數(shù)為。由于Q1與CF1連接，故Q1的輸出脈沖經(jīng)第二級(jí)CD4527直接從Q2輸出，脈沖不變。由于INHout1到CP1端第9個(gè)脈沖后才為“0”，即INHout2在第10個(gè)脈沖來(lái)時(shí)才為“0”，允許脈沖輸入，故100個(gè)脈沖中只從CP2端輸入10個(gè)，所以輸出脈沖數(shù)為，總的輸出脈沖數(shù)為：式中：

52、A、B比例分頻系數(shù)，分別對(duì)應(yīng)于1/10位和1/100位。圖18 CD4527引腳圖8253是可編程序定時(shí)/計(jì)數(shù)器，片內(nèi)具有3個(gè)獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)器通道，每個(gè)通道有6種工作方式。關(guān)于8253引腳功能、工作方式等這里不再贅述。本系統(tǒng)中，設(shè)定0、1、2通道工作在方式3（方波信號(hào)發(fā)生器），用比例分頻的輸出分別作為0、1通道的計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)，對(duì)進(jìn)行整數(shù)位分頻，產(chǎn)生FCT、VCT兩路時(shí)鐘信號(hào)。0、1通道的計(jì)數(shù)值即位整數(shù)分頻系數(shù)，由CPU通過(guò)執(zhí)行幾條輸出指令置入。2通道用來(lái)產(chǎn)生RCT、OCT時(shí)鐘信號(hào)RCT、OCT共用一路時(shí)鐘信號(hào)，且頻率固定。因取，則 。時(shí)鐘的頻率為2MHz，故RCT可由時(shí)鐘經(jīng)7分頻來(lái)獲得，故置

53、通道計(jì)數(shù)值為7。 由于整數(shù)分頻和小數(shù)分頻分開(kāi)進(jìn)行，所以需將分頻系數(shù)分別分解為純整數(shù)和純小數(shù)兩部分，整數(shù)部分送8253的0、1通道作為計(jì)數(shù)值，小數(shù)部分送比例分頻器CD4527作為比例分頻系數(shù)。與關(guān)系如下： 對(duì)應(yīng)的一個(gè)值，有多組取值?？紤]到由于硬件的限制，只能取小數(shù)點(diǎn)后兩位這一條件，與，與必定有一最佳組合?；谶@一想法，取使的絕對(duì)值趨于最小，且為偶數(shù)的一組值和使的絕對(duì)值也趨于最小，且為偶數(shù)的一組值為兩位純小數(shù)）。這種尋優(yōu)法的計(jì)算法的計(jì)算量工作量較大，難以實(shí)時(shí)完成。本系統(tǒng)中采用查表的方法獲得。用高級(jí)語(yǔ)言程序離線生成和兩個(gè)表格，存入內(nèi)存。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)求得的頻率指令信號(hào)，查表獲得對(duì)應(yīng)的分頻系數(shù)，然后

54、將它們送到相應(yīng)的比例分頻器和8253的0、1通道，8253的0、1通道便會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)頻率的方波信號(hào)輸出，這樣就完成了二進(jìn)制碼到方波信號(hào)的變換。比例乘法器CD4527不能直接與CPU連接，系統(tǒng)中可擴(kuò)展一片8255，用它作為二路比例乘法器與CPU的接口。8253定時(shí)/計(jì)數(shù)器則直接與CPU連接。4.4.3 光電隔離及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)HEF4752輸出的PWM控制信號(hào)功率很小，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)GTR，要經(jīng)過(guò)脈沖功率放大才能驅(qū)動(dòng)GTR，脈沖功率放大電路選用模塊EX359。該模塊是一個(gè)帶有光隔離的功率放大電路，其電源電壓為12V，輸入信號(hào)，輸出電壓（對(duì)應(yīng)GTR導(dǎo)通）和-2V（對(duì)應(yīng)GTR關(guān)斷），工作頻率為，可驅(qū)動(dòng)50A以下的逆變器，其內(nèi)部電路如圖19所示。圖19 EX359驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.4.4 故障檢測(cè)及保護(hù)電路設(shè)計(jì)故障檢測(cè)及保護(hù)電路如圖20所示，該電路采用電阻取樣的電壓、電流保護(hù)電路，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器RP1、