单片机控制变频调速的设计.docx

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1、防灾科技学院成人高等教育毕业论文题目单片机控制变频调速的设计专业电气工程及自动化层次专升本学号15351027答辩人董益志指导教师完成时间1 .概述12 .电机变频调速系统22.1变频调速原理22.2单片机控制的变频调速系统32.2.1系统框图32.2.2硬件系统原理图33.系统主要模块设计431IPM4图3.1IPM内部结构图53.289C51主控制模块73.2.1主要特性73.2.2管脚说明83.2.3振荡器特性93.3SPWM波发生模块93.3.1SA4828的引脚功能103.3.2SA4828内部结构113.3.3SA4828初始化编程133.4其他模块简介151.4. 1串口通信15

2、1.5. 2A/D模数转换模块164 .系统软件设计185 .结论20参考文献21单片机控制变频调速的设计摘要：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SPTVM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

3、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1 .概述对于可调速电力驱动系统,该项目通常基于电机电流分为两种直流调速系统和交流调速系统。它们最大的区别主要在于交流调速系统从直流电机电流流向设备的变化。20世纪70年代以来，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，交流调速系统系统逐渐具有动态速度范围，范围广，速度高精度稳定，响应速度快，可逆运行而在四象限方面表现良好，速度性能可与直流调速系统相媲美。许多传统的直流电机调速系统由工业设备驱动的交流驱动系统驱动,提高了系统的可靠性，降低了系统的维护成本。随着应用频率控制频率的增加

4、，技术变得越来越成熟，人们不仅对VVVF系统的精度要求越来越高，控制系统也越来越多的功能需求越来越多的智能系统需要更高的响应能力更多、更高，以满足生产需要，适应不同的工作条件。交流变频调速具有绝对的优势，性能和可靠性提高的速度不断降低，特别是变频调速效果明显，易于实现过程自动化，为了方便工业部门。交流变频调速优良特点：速度稳定，效率高。低速静态特性较高，相对稳定；速度范围高，精度高；启动电流低，电网系统无冲击，节能效果明显；变频器电源体积小，安装方便，维护方便，易于实现过程自动化；恒转矩转速，低速电机过载能力大大降低。交流变频调速具有绝对的优势，其性能和可靠性的速度不断提高，特别是变频调速效果

5、明显，易于实现过程自动化，以方便工业部门。交流变频调速特点：速度稳定，效率高。低静态特性相对稳定性高；高精准度；高速范围，起动电流低，电力系统无冲击，节能效果明显；电力变频器体积小，安装方便，维修方便，易于实现自动化：恒转矩转速，低速电机过载能力大大降低。交流电机由于结构简单，运行可靠，成本低，维护方便而得到广泛应用。虽然从1930年开始，人们一直致力于交流调速系统的研究，但主要限于使用开关设备切换主电路来控制电机起动，制动和速度控制的目的。异步电动机串联变频器的转速仍处于开发阶段。主要原因是交流电动机控制速度慢，转矩和功率频率高，主要因素是电机转速的主要因素，使得稳定性，可靠性，经济性和效率

6、的汇率不能满足生产要求。后来开发的FM控制只能控制电机的气隙磁通，转矩不能调整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2 .电机变频调速系统3 .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：。(IT)(2.11)式中：n电动机的转速，m/minfl电动机的同步转速，r/minS电动机的转差率s=(nl-n)=nnl而同步转速则主

7、要取决于频率nO-P(2.12)式中：/输入频率，HzP一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：.二6(V(IT)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TM=I2COS2(2.14)(式中：电磁转矩，弧：主磁通，,2：转子电流，CQS%：转子回路功率因素,k，：比例系数)，可知，电机磁通的减小，势必

8、造成电机电磁转矩的减小。由于电机设计，电机磁体接近饱和值，如果进一步增加磁通量，会使电机饱和，导致电机通过励磁电流大，增加电机铜损和铁损，过热会损坏电机绕组。因此，在改变电机的频率时，电动机的电压应协调一致，以保持电机的恒定通量。2. 2单片机控制的变频调速系统2.2. 1系统框图设串键示 鬼如 显 LL Zfx 、 外备口如用电动机回路A/D检测电路图2.1电动机变频调速系统框图2. 2.2硬件系统原理图三相负载1Po05 8压测Rsr渣等电一二一二RTRB空BTBBW离动路 隔驱电图2.2单片机与SA4828控制的变频系统原理图主电路由交流交直流（集成模块设计）和电机组成。主控制电路包括微

9、控制器模块、sa4825模块、SPWM波形产生电路、主电路、主电路、控制电路、驱动模块和外围设备（如键盘输入、液晶显示、A/D串行ADC,等）。以CPU为核心，利用键盘、显示器和通讯设备完成交流电机的速度控制。选择ATMEL公司的89C51单片机，与InteI51系列单片机兼容。其8kb内部闪存配置不需要扩展外部存储器。同时，8位单片机的总线结构是完全兼容SA4828,可直接连接。一个给定的速度不能设置在三个方面：键盘、增效剂、和主机。给定的无速度和N的实际速度是在八个LED。该系统可以对电机状态进行监测，进行速度控制，并进行动态响应跟踪，可将其发送给主机作为一种形式或曲线，便于观察和分析。3

10、.系统主要模块设计3. 1IPM模块IPM（智能电源模块），即智能电源模块，IPM一般采用IGBT作为电源开关组件，内置电流传感器和驱动电路集成结构。IPM具有高可靠性和易用性，赢得了不断增长的市场，特别适用于驱动电子电源设备和各种变频器，VVVF,冶金机械，电力牵引，伺服驱动等一种理想。它的内部结构如图3.1所示控制端子FoGND图3.1 IPM内部结构图-C主端子-E在选择IPM时，首先要根据变频器的容量和电源容量来确定其变频器的额定值和最大值，然后选择具体的型号。在选择材料时，根据IPM过电流动作值确定峰值电流和适当的热设计，确保结温始终低于最大结温水平，使基板温度始终低于热值。峰值电流

11、取决于电机的额定功率。下表显示了基于工作电压和电机峰值电流的C220V电机推荐的IPM类型。电机的峰值电流根据变频器和电机的效率和功率因数，最大负载和电流纹波决定。电机的最大峰值电流可以计算如下：1_POL,旧cPfCVac式中：P=电机功率（W）;OL=变频器最大过载系数；入=电流脉动因数；11=变频器的效率；WF=功率因数；VAC=交流线电压（V）。例如：电源Vac=220V交流，电机P=3.7kW,OL=150%,入=120%,=0.9,CT=O.76,则Ic（峰值）=36.1A。IPM相关参数PS21564-P、PS21564-SP智能IPM功率模块控制端口定义：1：VUFS（U组驱动

12、电源地）2：NC（不接）3：VUFB（U组驱动电源正极）4：VPl（控制电源正极）5：NC（不接）6：UP（U组信号输入）7：VVFS（V组驱动电源地）8：NC（不接）9：VVFB（V组驱动电源正极）10：VPl（控制电源正极）11：NC（不接）12：VP（V组信号输入）13：VWFS（V组驱动电源地）14：NC（不接）15：VWFB（W组驱动电源正极）16：VPl（控制电源正极）17：NC（不接）图3. 3三菱PS21564-P IPM管脚图18：WP（W组信号输入）19：NC（不接）20:VNO（过流取样时间设置）19XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD121:UN（U组下桥信号输入）

13、18XAL2P0.2/AD2P0.3/AD322:VN（V组下桥信号输入）P0.4/AD4P0.5/AD523:WN（W组下桥信号输入）9RSTP0.6/AD6P0.7/AD724:FO（故障输出T氐有效P2.0/A825:CFO（故障延时设置）293037P2.1/A9P2.2/A1026:CIN（过流取样时间设PSENALEEAP2.3/A11P2.4/A12P25/A1327:VNC（与直流母线,光耦副边共P2.6/A14地）P2.7/A15P1.0P3.0/RXD28：VNl（控制电源正极）2_HP1.1P1.2P3.1XDP3.2INT229：NC（不接）4_P1.3P3.3INT5

14、P1.4P3.411-01430：NC（不接）6_P1.5P3.5111157P1.6P3.6/WR1631：P（直流母线正极）8_P1.7P3.7/RD1732：U（U组输出）33：V（V组输出）图3.4三菱PS21564芯片图34：W（W组输出）35：N：（与直流母线地之间串取样电阻）3.289C51主控制模块89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPERoMFaIShProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。3.2.1 主要特性 与MCS-51兼容图3. 5 89C51仿真芯片图 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：100O写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 .2.2管脚说明VCC：