logo资料库

基于单片机的变频调速系统设计.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.16M 资料格式：doc 举报 版权申诉
第1页 / 共28页
第2页 / 共28页
第3页 / 共28页
第4页 / 共28页
第5页 / 共28页
第6页 / 共28页
第7页 / 共28页
第8页 / 共28页
资料共28页，剩余部分请下载后查看
    引言
    第1章 概述
    第二章 电机变频调速系统
    第三章 系统主要模块简介与设计
    第四章 系统软件设计
    结论
    致谢语
    参考文献
    1.1 电动机调速系统的发展
    1.2 交流调速系统
    1.3 单片机控制的变频调速
    第2章 电机变频调速系统
    2.1 变频调速原理
    2.2 单片机控制的变频调速系统
    2.2.1 系统框图
    2.2.2 硬件系统原理图
    第3章 系统主要模块设计
    3.1 IPM模块
    3.1.1 IPM的基本工作特性
    3.1.2 IPM驱动电路的设计    
    3.1.3 IPM的选用　　
    3.1.3 IPM相关参数
    3.2 89C51主控制模块
    3.2.1 主要特性：
    3.2.2 管脚说明：
    3.2.3 振荡器特性：
    3.2.4 芯片擦除：
    3.3 SPWM波发生模块
    3.3.1 SA4828的引脚功能
    3.3.2 SA4828内部结构
    3.3.3 SA4828初始化编程
    3.4 其他模块简介
    3.4.1 串口通信
    3.4.2 驱动模块
    3.4.3 保护电路
    3.4.4 A/D模数转换模块
    3.4.5 速度反馈
    第4章 系统软件设计
    致谢语
    参考文献
    集美大学毕业设计 畅家海：基于单片机的变频调速系统设计 基于单片机的变频调速系统设计 [摘要] 本文介绍了一种利用专用集成电路SA4828 设计电机变频调速的方 法。系统主要包括主电路与控制电路，主电路采用IPM智能功率模块作为电机的 控制。控制电路由MCS-51系列的8051单片机最小系统和SA4828 三相SPWM 产生器 及少量的扩展外围芯片构成，充分发挥其控制电路简单、控制方式灵活、输出波 形优点多的特点，结合相应的软件，实现电机的调速要求。其中主要内容包括： SA4828的特性介绍及变频系统的主电路、驱动电路、保护电路、速度检测、调速 系统及软件编程设计方法。所设计的系统实现了变频调速的全数字化控制，实时 性好，可靠性高。 [关键词] 单片机 SA4828 变频调速 SPWM 电动机 The Design of Motor VVVF System Based On MCU Abstract: This article describes a use of SA4828 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) design motor VVVF system. The system includes the main circuit and control circuit, main circuit used as the Intelligent Power Module IPM motor control. The control circuit is constituted by the MCS-51 series of 8051 systems 、 three-phase SPWM generator SA4828 and the expansion of a small number of peripheral chips. Give full play to its control circuit is simple, flexible control, the advantages of multi-output waveform characteristics, combined with appropriate software, to achieve the speed requirements of motor control. The system has all-digital VVVF control, real-time, and high reliability. Key words: MCU SA4828 VVVF SPWM Motor-Control i
    参考文献 目录 引言 ............................................................... 2 第 1 章 概述 ........................................................ 3 1.1 电动机调速系统的发展 ...................................... 3 1.2 交流调速系统 .............................................. 4 1.3 单片机控制的变频调速 ...................................... 5 第二章 电机变频调速系统 ........................................... 5 2.1 系统调速原理 .............................................. 5 2.2 单片机控制的变频调速系统 ................................ 6 2.2.1 系统框图 ........................................... 6 2.2.2 硬件系统原理图 ................................... 7 第三章 系统主要模块简介与设计 ................................... 8 3.1 IPM 模块 .................................................. 8 图 3.1 IPM 内部结构图 3.1.1 IPM 的基本工作特性 ............ 8 3.1.2 IPM 驱动电路的设计 ................................. 10 3.1.3 IPM 的选用 ......................................... 11 3.1.3 IPM 相关参数 ....................................... 11 3.2 89C51 主控制模块 .......................................... 13 3.2.1 主要特性： ........................................13 3.2.2 管脚说明： ........................................13 3.2.3 振荡器特性： ..................................... 15 3.2.4 芯片擦除： ........................................15 3.3 SPWM 波发生模块 ..........................................15 3.3.1 SA4828 的引脚功能 .................................. 15 3.3.2 SA4828 内部结构 .................................... 16 3.3.3 SA4828 初始化编程 .................................. 18 3.4 其他模块简介 ............................................. 20 3.4.1 串口通信 ........................................... 20 3.4.2 驱动模块 ........................................... 21 3.4.3 保护电路 ........................................... 22 3.4.4 速度反馈 ........................................... 24 3.3.5 A/D 模数转换模块 ................................... 23 第四章 系统软件设计 ............................................... 24 结论 .............................................................. 27 致谢语 ............................................................ 28 参考文献 .......................................................... 28 引言 对于可调速的电力拖动系统，工程上往往根据电动机电流形式分为直流调速 系统和交流调速系统两类。它们最大的不同之处主要在于交流电力拖动免除了改 变直流电机电流流向变化的机械向器——整流子。 20世纪70年代后，大规模集 成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动 系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以 2
    参考文献 及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动 媲美。 许多传统的由直流电机调速系统拖动的工业设备改由交流变额调速系统拖 动，从而提高了系统的可靠性，减少了系统的维护费用。随着变频调速应用的日 益广泛，相关技术的日益成熟，人们不仅对变频调速系统的精度要求越来越高， 而且对控制的功能要求越来越多，对系统的智能化要求越来越高，对系统的抗扰 能力要求越来越高，以满足生产的需求并适应不同的工作环境。 在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不 断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动 化，深受工业行业的青睐。交流变频调速的优异特性：调速时平滑性好，效率高。 低速时，特性静关率较高，相对稳定性好； 调速范围较大，精度高；起动电流 低，对系统及电网无冲击，节电效果明显；变频器体积小，便于安装、调试、维 修简便，易于实现过程自动化；在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为 降低。 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。 本文主要内容是研究采用单片机 89C51 与 SA4828 芯片组成 SPWM 波发生电 路，并结合智能功率模块 IPM，通过软件编程控制电动机变频调 第 1 章 概述 1.1 电动机调速系统的发展 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。 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，人们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， 3
    参考文献 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。 功率半导体器件的不断进步，尤其是新型可关断器件，如 BJT（双极型晶体 管）、MOSFET（金属氧化硅场效应管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的实用化， 使得开关高频化的 PWM 技术成为可能。目前功率半导体器件正向高压、大功率、 高频化、集成化和智能化方向发展。脉宽调制技术 PWM （Pulse Width Modu- lation）就是利用功率半导体器件的高频开通和关断，把直流电压变成按一定 宽度规律变化的电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效地控制和消除谐波。PWM 技术可分为三大类：正弦 PWM、优化 PWM 及随机 PWM。 随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很 大提高，这使得全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。目前 适于交流传动系统的微处理器有单片机、数字信号处理器（Digital Signal Processor——DSP）、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit——ASIC）等。其中，高性能的计算机结构形式采用超高速缓冲储存器、 多总线结构、流水线结构和多处理器结构等。核心控制算法的实时完成、功率器 件驱动信号的产生以及系统的监控、保护功能都可以通过微处理器实现，为交流 传动系统的控制提供很大的灵活性，且控制器的硬件电路标准化程度高， 成本 低，使得微处理器组成全数字化控制系统达到了较高的性能价格比。 1.2 交流调速系统 20 世纪 70 年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控 制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、 高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调 速性能方面可以与直流电力拖动媲美。 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，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%。 在交流调速技术中，交流电动机的调速方法有三种：变极调速、改变转差率 调速和变频调速。其中变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断 完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化， 深受工业行业的青睐。 交流变频调速的优异特性 (1) 调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。 (2) 调速范围较大，精度高。 4
    参考文献 (3) 起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。 (4) 变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。 (5) 易于实现过程自动化。 (6) 必须有专用的变频电源，目前造价较高。 (7) 在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。 1.3 单片机控制的变频调速 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。 第 2 章 电机变频调速系统 2.1 变频调速原理 变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速 方法。变频可以调速这个概念，可以说是交流电动机“与生俱来”的。同步电 动机不消说，即使是异步电动机，其转速也是取决于同步转速(即旋转磁场的转 速)的： n  1(0 n  s ) （2.11） 式中： n ——电动机的转速，m/min 0n ——电动机的同步转速，r/min s ——电动机的转差率 s=(n1-n/)=△n/ n1 而同步转速则主要取决于频率 5
    参考文献 n 0  f 60 p （2.12） 式中： f ——输入频率，Hz p ——电动机的磁极对数 由式（2.11）与式（2.12）可知变频调速技术的基本原理是根据电机转 速与工作电源输入频率成正比的关系： ) 60 f  s n  1( p （2.13） 由上式可知，在电动机磁极对数不变的情况下，通过改变电动机工作 电源频率达到改变电机转速的目的。 在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，希望保持电机中 每极磁通量为额定值，并保持不变。如果磁通太弱，即电机出现欠励磁， 将会影响电机的输出转矩，由 T M  K  COS MT 2  2 I （2.14） （式中 MT ：电磁转矩， M ：主磁通， 2I ：转子电流， 2COS :转子回 路功率因素， TK ：比例系数)，可知，电机磁通的减小，势必造成电机电磁 转矩的减小。 由于电动机设计时，电动机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增 大磁通，将使电动机铁心出现饱和，从而导致电动机中流过很大的励磁电 流，增加电动机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电动机。 因此，在改变电动机频率时，应对电动机的电压进行协调控制，以维持电 动机磁通的恒定。 2.2 单片机控制的变频调速系统 2.2.1 系统框图 6
    参考文献 保护电路 外 围 设 备（如串 口 、 键 盘、显示 等） AT89C51 SA4828 电动机 回 路 A/D 检测电路 图2.1 电动机变频调速系统框图 2.2.2 硬件系统原理图 2.2 单片机与SA4828控制的变频系统原理图 图 7
    参考文献 该硬件系统主要包括主电路与控制电路两个部分，其中主电路包括交-直- 交变频电路（本设计采用IPM集成模块）与电动机；控制电路包括89C51主控制 模块、SA4825产生SPWM波模块、驱动模块以及外围设备模块（如键盘输入、液 晶显示、A/D模数转换以及串口等）。以CPU为核心，配以键盘、显示、通讯等设 备，完成对交流电动机的速度控制。这里选用了ATMEL公司的89C51单片机，它与 Intel 51系列单片机完全兼容。其内部配置了8KB的Flash Memory ，无须扩展外部存 贮器。同时这种8位单片机的总线结构与SA4828完全兼容，可以直接相连。给定转 速nO可以用三种方式设定：键盘、电位器和上位机。用8位LED分别显示给定转速nO 和实际转速n，一目了然。系统对电动机运行状态的数据监测、调速效果、动态响应 的跟踪情况都可以传送到上位机，以表格或曲线的形式输出，以便于观察分析。 第3章 系统主要模块设计 3.1 IPM模块 IPM（Intelligent Power Module），即智能功率模块，不仅把功率开关器 件和驱动电路集成在一起。而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电 路，并可将检测信号送到CPU。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路 以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM自身 不受损坏。IPM一般使用IGBT作为功率开关元件，内藏电流传感器及驱动电路 的集成结构。IPM以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于 驱动电机的变频器和各种逆变电源，是变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服 驱动、变频家电的一种非常理想的电力电子器件。其内部结构如图3.1。 图3.1 IPM内部结构图 8 图
    分享到：
    赞 收藏

    相关推荐

    资料库

    课程资源

    共收录17145份资料，累计13个分类，关注成员有19位，主要包括：PHP,网络管理,网页制作,Java,.Net,数据库,3G/移动开发,C/C++,游戏开发,嵌入式,讲义,软件测试,专业指导

    热门标签

    PHP 网络管理 网页制作 Java .Net 数据库 3G/移动开发 C/C++ 游戏开发 嵌入式 讲义 软件测试 专业指导

    最新资料