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1、目录摘 要11、调速系统总体方案设计22、系统组成及工作原理23、交流电机调速硬件系统设计43.1 原器件的选择及其功能简介43.2 系统主回路的设计93.3 转差频率控制原理及调节器的设计113.3.1转差频率控制原理113.3.2 调节器设计113.4 PWM控制信号的产生及变换器的设计123.4.1 与的关系及低频补偿133.4.2 变换器的设计143.5 光电隔离及驱动电路设计173.8 键盘显示电路的设计193.9 故障检测及保护电路设计204、系统软件的设计214.1 程序框图及其介绍214.2 部分子程序255、系统抗干扰措施265.1硬件抗干扰措施265.2 软件抗干扰措施27
2、实习小结28参考文献29附录一30摘 要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，HEF4752大规模集成电路，保护电路，Intel系列单片机，Intel8253定时/记数器，Intel8255可编程接口芯片，Intel8279通用键盘/显示器，I/O接口芯片，CD4527比例分频器和测速发电机等组成。回路中有了检测保护电路就可以使整个系统运行的可靠性有了保障。关键词 MCS-51单片机；HEF4752
3、；8253定时器；晶闸管；整流器；三相异步电动机Abstract Frequency conversion that one-chip computer control transfer speed systematic design philosophy with transfer to difference frequency control. Achieve the goal of controlling rotational speed through changing the procedure. Because the motor is not big in power in th
4、e design, the rectifier can not adopt controlled the circuit, the condenser strains waves; Going against the becoming device adopts three phases of the electric transistor to go against the becoming device. The systematic ensemble architecture is by the main return circuit mainly, drive the circuit,
5、 the photo electricity isolates the circuit, HEF4752 large scale integrated circuit, protects the circuit, the Intel series one-chip computer, Intel8253 timing /count device of, Intel 8255 programmable interface chip,Intel8279 keyboard not in common use / display, I/O interface chip, CD4527 proporti
6、on frequency division device and tests the speed such composition as the generator ,etc. Have the dependability that can make the whole system operate of measuring and protecting the circuit to have guarantee in the return circuitkeywords MCS-51；HEF4752；time/counter of l8253；selenium；rectifier； 1、调速
7、系统总体方案设计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。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：使电路更简单、可以实现较为复杂的控制、 灵活性和适应性 、无零点漂移、可以提供人机界面，多机连网工作等特点，因而采用单片机作为电动机的核心控制元件来取代模拟
8、电路，就可以将传统的调速方案中的一些缺点避免，达到提高控制精度的目的。在本次设计中所用到的控制方式是用转差频率闭环控制。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，采用此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。为了使系统具
9、有较好的动静态性能，满足设计要求，可将整个系统设计为转速单闭环控制系统，采用转差频率调节方式，对转速进行动态调节，考虑电动机负载为恒转距负载，在高频段，采用恒比例控制方式来做近似恒磁通控制方式；在低频，采用恒磁通补偿方法来维持磁通的恒定，实现恒磁通变频调速。当频率高于额定转速时，维持，实现恒功率调节。选用大规模集成电路HEF4752来产生PWM控制信号，以减轻单片机的负担，使它能够有足够的时间来完成闭环控制，系统检测和保护等任务。2、系统组成及工作原理霍尔电流、电压传感器检测到的逆变模块三相输出电流、电压信号，经A/D转换后送入单片机。单片机通过8255控制PWM波发生器，产生的PWM波经光电
10、耦合作用于逆变模块IPM，实现电机的变频调速。控制系统各功能元件的选型与设计：（1）、单片机选用INTEL公司生产的8051单片机，它主要通过并行8255口担负控制系统的信号处理：接收系统对转矩、阀门开启、关闭及阀门开度等设定信号，并提供三相PWM波发生器所需要的控制信号；处理IPM发出的故障信号和报警信号；处理通过模拟输入口接收的电流、电压、位置等检测信号；提供显示电动执行机构的工作状态信号；执行控制系统来的控制信号，向控制系统反馈信号；（2）、三相PWM波发生器PWM波的产生通常有模拟和数字两种方法。模拟法电路复杂，有温漂现象，精度低，限制了系统的性能；数字法是按照不同的数字模型用计算机算
11、出各切换点，并存入内存，然后通过查表及必要的计算产生PWM波，这种方法占用的内存较大，不能保证系统的精度。为了满足智能功率模块所需要的PWM波控制信号，保证微处理器有足够的时间进行整个系统的检测、保护、控制等功能，文中选用MITEL公司生产的HEF4752作为三相PWM发生器。HEF4752是专用大规模集成电路，具有独立的标准微处理器接口，芯片内部包含了波形、频率、幅值等控制信息。（3）、智能逆变模块IPM为了满足执行机构体积小，可靠性高的要求，电机电源采用智能功率模块IPM。主要适用功率小于55kW的三相异步电机，其额定电压为380V，功率因数为0.75。该功率模块集功率开关和驱动电路、制动
12、电路于一体，并内置过电流、短路、欠电压和过热保护以及报警输出，是一种高性能的功率开关器件。（4）、电压、电流及检测检测电压、电流主要是为了计算电机的力矩，以及变频器输出回路短路、断相保护和逆变模块故障诊断。由于变频器输出的电流和电压的频率范围为050Hz，采用常规的电流、电压互感器无法满足要求。为了快速反映出电流的大小，采用霍尔型电流互感器检测IPM输出的三相电流，对于IPM输出电压的检测采用分压电路。单片机控制系统可编程接口芯片定时/计数器芯片比例分频器比较器输入显示芯片键盘显示器PWM波形发生器A/D转换器放大电路主电路U I检测保护电路测速电路图1 调速系统总体框图3、交流电机调速硬件系
13、统设计3.1 原器件的选择及其功能简介（1） 74LS138 74LS138是一种3-8译码器，有三个输入端，经译码产生8种状态。其引脚如图6所示，译码功能如表所示，由表可知，当译码器的输入为某一个编码时其输出就有一个固定的引脚输出为低电平，其余的为高电平。图2 74LS138引脚图表1 74LS138 真 值 表 输 入 输 出G1G2A/G2B/CBAY7/Y6/Y5/Y4/Y3/Y2/Y1/Y0/1000001111111010000111111101100010111110111000111111011110010011101111100101110111111001101011111
14、110011101111111 其它状态11111111（2）可编程计数/定时芯片8253主要功能；1）一个芯片上有三个独立的16位计数器通道;2）每个计数器都可以按照二进制或二十进制计数；3）每个计数器的技术速率可高到2MHz。4）.每个通道有六种工作方式，可由程序设置和改变;5）.所有的输入输出与TTL兼容。30每个通道有三条引线：图3 8253引脚图CLK：输入脉冲线。计数器就是对这个脉冲计数。8253规定，加在CLK引脚的输入时钟周期不能小于380ns . GATE：门控制信号输入引脚。这是控制计数器工作的一个外部信号。当GATE引脚为低电平时，通常都是禁止计数器工作;只有当GATE为
15、高电平时，才允许计数器工作。OUT：输出引脚。当计数到“0”时，OUT引线上必然有输出，输出信号的波形取决于工作方式。本次设计用到芯片8253的工作方式三，当记数值N为偶数时，输出为对称方波，前N/2记数期间，OUT输出为高电平，后N/2记数期间，OUT输出为低电平。若记数值N为奇数值时，将输出不对称方波，即在前（2N+1）/2记数期间，OUT输出高电平，后（2N-1）记数期间输出低电平。（3）HEF4752随着电力电子技术及大规模集成电路的发展，基于集成SPWM电路构成的变频调速系统以其结构简单、运行可靠、节能效果显著、性价比高等突出优点而得到广泛应用。本文介绍的变频调速系统是以大规模专用集
16、成电路HEF4752为核心构成的控制电路，由HEF4752产生的三相SPWM信号经隔离、放大后，驱动由IGBT构成的三相逆变器，使之输出SPWM的波形，实现异步电动机变频调速。HEF4752简介 HEF4752如图8所示，是采用LOCMOS工艺制造的大规模集成电路，专门用来产生三相SPWM信号。它的驱动输出经隔离放大后，可驱动GTO和GTR逆变器，在交流变频调速中作控制器件。图4 HEF4752引脚图主要特点如下：1）能产生三对相位差120的互补SPWM主控脉冲，适用于三相桥结构的逆变器。2）采用多载波比自动切换方式，随着逆变器的输出频率降低，有级地自动增加载波比，从而抑制低频输出时因高次谐波
17、产生的转矩脉冲和噪声等所造成的恶劣影响。调制频率可调范围为0100Hz，且能使逆变器输出电压同步调节。3）为防止逆变器上下桥臂直通，在每相主控脉冲间插入死区间隔，间隔时间连续可调。引脚说明：HEF4752为28脚双列直插式标准封装DIP芯片，它有7个控制输入，4个时钟输入，12个驱动信号输出，3个控制输出。各管脚功能描述如表所列。表2 HEF4752管脚功能引 脚名 称功 能1OBC1B相换流开关信号12OBM2B相主开关信号23OBM1B相主开关信号14RCT最高开关频率基时钟5CW电机换相控制信号6OCT推迟输出时钟7K选择互锁推迟间隔8ORM1R相主开关信号19ORM2R相主开关信号21
18、0ORC1R相换流开关信号111ORC2R相换流开关信号212FCT频率时钟13A复位输入控制14VSS接地端15B测试电路用信号16C测试电路用信号17VCT电压时钟18CSP电流采样脉冲19OYC2Y相换流开关信号220OYC1Y相换流开关信号121OYM2Y相主开关信号222OYM1Y相主开关信号123RSYNR相同步信号24L停止/启动系统25I选择晶闸管模式26VAV平均电压27OBC2B相换流开关信号228VDD工作电压(10V)输入引脚功能1 )输入引脚I用来决定逆变器驱动输出模式的选择，当引脚I为低电平时，驱动模式是晶体管，当引脚I为高电平时，驱动模式是晶闸管。2)输入控制信号
19、引脚K和时钟输入引脚OCT共同决定逆变器每对输出信号的互锁推迟间隔时间。（4） 82558255是可编程的并行I/O接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口，三种工作方式，可通过编程改变其功能，因而使用方便，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。8255的引脚图如图9所示。引脚说明由图可知，8255共有40个引脚，各引脚功能如下：D0D7： 三态双向数据线，与单片机数据总线相连，用来传递数据信息。CS/： 片选信号线，低电平有效，表示芯片被选中。图5 8255引脚图RD/： 读出信号线，低电平有效，控制数据的读出。WR/： 写入信号线，低电平有效，控制数据的写入。Vcc： +
20、5V电源。PA7PA0： A口输入/输出线。PB7PB0： B口输入/输出线。PC7PC0： C口输入/输出线。RESET： 复位信号线。A1A0： 地址线，用来选择8255内部端口。本次设计用到8255的工作方式0，且A口作为输入，B口，C口作为输出。 8255地址口的选定： 片选CS/，地址选择端A1，A0。分别接于P0.7,P0.1,P0.0其它地址线全悬空。显然只要保证P0.7为低电平时，选中该8255，若P0.1,P0.0再为“00”选中8255的A口，同理P0.1,P0.0为“01”，“10”，“11”分别选中B口，C口及控制口。若地址用16位表示，其他无用端全选为1，则8255的
21、A，B，CJ及控制口地址可为FF7CH，FF7DH，FF7FH，如果无用位为“0”，则4个地址为0000H，0001H，0002H，0003H，只要保证CS/，A1，A0的状态，无用位设为“0”，或“1”无关。掌握了确定地址的方法，地址便可以灵活的选出了。（5）ADC0809ADC0809是一种逐次逼近式8路模拟输入，8位数字量输出的A/D转换器。其引脚如图10所示，由引脚可见，ADC0809共有28个引脚，采用双插直列示封装，其引脚主要功能如下：图6 ADC0809 引脚图IN0IN7 ：8路模拟信号输入端。D0D7 ：8位数字量输出端。A，B，C 与ALE：控制8路模拟通道的切换，A，B，
22、C 分别与三根地址线或数据线相连，三者编码对应8个通道地址口。C，B，A=000111分别对应IN0IN7通道地址。OE，START，CLK为控制信号端，OE为输出允许端。START为启动信号输入端，CLK为时钟信号输入端。VR（+）和VR（-）为参考电压输入端。ADC0809 虽然有8路模拟通道可以同时输入8路模拟信号，但每个瞬间只能转换一路，各路之间的切换由软件变换通道地址实现。（6） 8279 8279是一种通用可编程键盘，显示器接口芯片。如图11所示，它能完成键盘输入和显示控制两种功能，键盘部分提供一种扫描方式，对键盘不断扫描，自动消抖，自动识别出按下的键并给出编码，能对双键或N键同时
23、按下进行保护。8279的组成：1）I/O控制及数据缓冲器2）控制和时序寄存器及定时控制3）扫描计数器4）回复缓冲器，键盘抖动及控制5）FIFO/传感器RAM及其状态寄存器6）显示RAM和显示地址寄存器3.2 系统主回路的设计3.2.1 主回路的结构 系统主回路是交直交电压型变频电路，其图12如下所示：图7 系统主回路电路图整流采用三相桥式不可控整流器，组成滤波电路，三个元件和 一起构成尖峰电压吸收电路（又称直流侧阻容吸收电路），用以削弱因逆变器换流而引起的尖峰电压，采用的是GRT三相桥式PWM逆变器。3.2.2 参数计算和元件选择1）大功率开关管 SPWM正弦脉宽调制方法的直流利用率为0.86
24、6，即。为了使逆变器输出380V的线电压，要求直流侧的电源电压： 考虑到大功率的晶体管的管压降等，取，则大功率晶体管的参数为，。选择晶体管模块QCA50A100A三块，作为大功率开关管。QCA50A100A为两单元组件，c-e极带反向续流二极管，绝缘式结构，其极限参数为： ，它的内部结构图如图13所示。图8 QCA50A100模块内部结构2） 三相整流桥 整流桥输入侧电压为：，直流侧功率可估算如下： 取电动机的效率为0.82，则电动机的输入功率为 。取逆变器的效率为0.93，则 直流侧的功率为： ，故直流侧电流：。整流二极管最高反压：。基于以上数据，选用MDS型三相整流桥模块，其最大输出电流为
25、40A，最高耐压为1000V。3） LC滤波器 取，其最大耐压。选择两只2200uF，耐压在500V以上的电容器并联使用。滤波电感在这里主要用来限制电流脉动（PWM变频调速系统不存在电流不连续问题）和短路电流上升率，按照晶体管三相桥式整流电路限制电流脉动的电感量算式估计如下（取）考虑到电动机和整流变压器存在一定的电感量，取实际的串联电感为100mH。选择两台电感量各为50mH，额定电流不小于6.4A的电抗器串联。4） 直流侧阻容吸收电路 按照晶体管三相桥式整流电路直流侧组容吸收电路参数式进行估算： 其中，选择系列纸电容。的额定功率取为2W，选择RJ系列金属膜电阻。选用2CP1G，额定电流，最高
26、耐压800V。5） 大功率晶体管阻容吸收电路 取电动机起制动电流为额定电流的3倍，即关断时间，升泵电压 ，则：的耐压值与GRT相同，取为的电容，阻值取为100欧。3.3 转差频率控制原理及调节器的设计3.3.1转差频率控制原理由电机学的知识可知： 其中：图9 系统控制结构图电动机正常运行时，这时有。 所以：当采用恒磁通控制方式进行变频调速时，近似恒定，近似恒定，这时有，其中近似为一常数，T近似的正比于转差频率。 因此，通过对转差频率控制，就可以达到控制电动机转距的目的，从而调节电动机的转速。3.3.2 调节器设计本系统采用增量式转差频率调节方式，转差调节器设计为带有死区的调节器，即： 因，所以
27、与之和反映了频率，即为频率指令信号。控制结构框图和控制曲线如下图所示。为死区，它是为了避免因量化误差，舍入误差引起系统运行不平衡而引起的。UnAUnB(UnA UnB)为线性调节区，当Un（K）UnB时，输出限幅，用以现在转差频率的最大增量，亦即限制的最大增量，亦即限制的最大增量，防止系统过冲，提高系统的稳定性。决定系统的积分系数（）,它由电位器给定，通过A/D转换器转换后输入。当UnB确定后，通过调节电位器，就能改变积分系数，整定方便。UnA的值根据静态精度要求和实际系统工作时的最低转速来确定，UnB、UsM通过实验确定。图10 控制结构框图和曲线图a) 控制结构框图 b） 控制曲线3.4
28、PWM控制信号的产生及变换器的设计在本系统中，控制信号用HEF4752大规模集成块来产生。要使HEF4752 正常工作，必须提供4路时钟信号和4个开关信号。将HEF4752的端接地，使HEF4752工作在晶体管模块式，将K端接+5v电源，使每两路互补信号之间有较大的输出延迟，CW端，L端分别接8255C口的PC1、PC0。这样剩下的只有4个控制端了。FCT端为频率控制端，VCT端为电压控制端，逆变器的输出频率和电压就是通过控制着两个端输入的方波信号频率来控制的。而电动机转速的调节是通过调频，调压实现的。所以，必须在转差调节器与HEF4752之间正比的方波信号为FCT和VCT时钟信号。3.4.1
29、 与的关系及低频补偿 考虑到8098单片机中A/D转换器分辨率为10位，所以频率指令信号用10位二进制数来表示。频率指令信号、频率与的关系如下：所以有=168Uf1，Uf1=20f1。当f1=50Hz时，Uf1=1000Hz，=168000Hz。为了使成立，必须满足，故取 =168000Hz/0.5=336000Hz在f1=20 50 Hz范围内，维持 =336000 Hz不变，这样可自动维持U1/f1=常数。在020Hz范围内，引入低频补偿，以维持磁通恒定。低频补偿的思想是：在低频段，按一定规律减少，使比值增大，从而使U1=K相对增大，以补偿定子绕组电阻上的压降，维持磁通恒定。低频补偿曲线如
30、图11所示，补偿的规律如下：取fVCT0 = fVCT(nom)/4 = 8400Hz当f1=20Hz时，有 fVCT = fVCT0 + 20Hz = fVCT(nom)所以可解得 = (fVCT(nom)fVCT0)/20Hz = (33600084000)/20 = 12600下面来简单估算一下，看取fVCT0=84000Hz、=12600是否合适。 额定状态有 U1=KfFCT/fVCT0.5K=380V 所以K=760，U1=760*fFCT/fVCT=760*3360f1/fVCT 当f1=20 Hz时，U1=760*3360*20 V/336000=152 V 当f1=0.2Hz
31、时，U1=760*3360*0.2V /（84000+12600*0.2）5.9 V图12 低频补偿曲线图 与未补偿时的U1比较，当f1=0.2Hz时，U1大约提高了5.9 V。这个5.9 V用来补偿定子绕组上的电阻压降。从估算结果上看，显然是比较合适的，故取fVCT0=84000Hz，=12600，则3.4.2 变换器的设计以上找出了fFCT、fVCT与Uf1的关系，剩下的就是怎样按照关系式产生频率为fFCT、fVCT方波信号。单片机上系统时钟频率为12MHz，将其6分频后，得到2MHz的时钟信号，再对进行、分频后作为FCT、VCT时钟信号。显然，Pf、Pv应与Uf1频率指令信号成一定关系变
32、化，其关系可推导如下：所以 可解得： 分频系数变化范围较大，需采用16位分频器，所以可通过扩展一片可编程定时/计数器8253来完成整数分频。8253内部有三个6位计数器，完全可满足设计要求。由于Pf、Pv都不是一个纯整数，为了保证系统的精度，可扩展2片比例乘法器CD4527，用它进行比例分频。二进制码/方波信号变换器硬件连线图如图17所示。CD4527是BCD比例乘法器，其Q端输出脉冲书具有如下关系 N0 = BCD输入数 * / 10如果输入的BCD数为6，则每输入10个时钟脉冲，可在输出端得到6个输出脉冲。CD4527引脚如图18所示各引脚功能如下：A、B、C、D： BCD数输入端。输入的
33、BCD数决定芯片的乘法系数（分频系数）。CP：时钟脉冲输入端。INHIN：时钟CP禁止输入端。INHIN为“0”，允许输入，为“1”时禁止输入。Cr：清零端，Cr为“0”时正常工作，为“1”时芯片清零。SET“9”：置9端，工作时接地。ST和CF：分别为选通端和级联端。用于级联。“9”OUT：状态“9”输出端。INHout：时钟禁止输出端当有脉冲输出时，INHout输出“1”电平。Q、Q/：脉冲输出端。图13 变换器硬件连接图 采用一级CD4527，只能获得小数点后一位的乘法系数，为了获得小数点后两位的乘法系数（即0.000.99的比例分频系数），本系统中采用级联的方法进行加法运算，对进行两位
34、数的比例分频，连接图如图所示。第一级CD4527输出的脉冲数为。由于Q1与CF1连接，故Q1的输出脉冲经第二级CD4527直接从Q2输出，脉冲不变。由于INHout1到CP1端第9个脉冲后才为“0”，即INHout2在第10个脉冲来时才为“0”，允许脉冲输入，故100个脉冲中只从CP2端输入10个，所以输出脉冲数为，总的输出脉冲数为：式中： A、B比例分频系数，分别对应于1/10位和1/100位。图14 CD4527引脚图8253是可编程序定时/计数器，片内具有3个独立的16位计数器通道，每个通道有6种工作方式。关于8253引脚功能、工作方式等这里不再赘述。本系统中，设定0、1、2通道工作在方
35、式3（方波信号发生器），用比例分频的输出分别作为0、1通道的计数时钟信号，对进行整数位分频，产生FCT、VCT两路时钟信号。0、1通道的计数值即位整数分频系数，由CPU通过执行几条输出指令置入。2通道用来产生RCT、OCT时钟信号RCT、OCT共用一路时钟信号，且频率固定。因取，则 。时钟的频率为2MHz，故RCT可由时钟经7分频来获得，故置通道计数值为7。 由于整数分频和小数分频分开进行，所以需将分频系数分别分解为纯整数和纯小数两部分，整数部分送8253的0、1通道作为计数值，小数部分送比例分频器CD4527作为比例分频系数。与关系如下： 对应的一个值，有多组取值。考虑到由于硬件的限制，只能
36、取小数点后两位这一条件，与，与必定有一最佳组合。基于这一想法，取使的绝对值趋于最小，且为偶数的一组值和使的绝对值也趋于最小，且为偶数的一组值为两位纯小数）。这种寻优法的计算法的计算量工作量较大，难以实时完成。本系统中采用查表的方法获得。用高级语言程序离线生成和两个表格，存入内存。系统运行时，根据求得的频率指令信号，查表获得对应的分频系数，然后将它们送到相应的比例分频器和8253的0、1通道，8253的0、1通道便会产生相应频率的方波信号输出，这样就完成了二进制码到方波信号的变换。比例乘法器CD4527不能直接与CPU连接，系统中可扩展一片8255，用它作为二路比例乘法器与CPU的接口。8253
37、定时/计数器则直接与CPU连接。3.5 光电隔离及驱动电路设计HEF4752输出的PWM控制信号功率很小，无法直接驱动GTR，要经过脉冲功率放大才能驱动GTR，脉冲功率放大电路选用模块EX359。该模块是一个带有光隔离的功率放大电路，其电源电压为12V，输入信号，输出电压（对应GTR导通）和-2V（对应GTR关断），工作频率为，可驱动50A以下的逆变器，其内部电路如图15所示。图15 EX359驱动模块内部结构3.6 电动机的转速测量电路的设计本系统采用 M/ T法进行速度的测量。脉冲发生器则采用红外发射及接受器件TLP947,在电机的转轴上应有黑白相间的条纹的铝环，当铝环随电机转动时，有TP
38、L947作为脉冲发生器可以产生一系列脉冲，单片机则可进行M/ T法测速。M/ T 法的基本原理:速度检测时间 TS 由两部分组成 , TS = T0 +T ,其中 T0 为设定的固定不变的时间;T 为从 T0 时间结束到此后出现的第一个测速脉冲为止的时间。设在 T0 时间内取得的测速脉冲数为 m1 ,在 TS = T0 +T 时间内取得的时基脉冲计数取为 m2 ,则转速n =602 TS。 其中角位移=2m1P, P为增量式光电编码器转动 1 周输出的测速脉冲数; TS = m2 / f C , f C为时基频率 ,则: n =60 f C m1Pm2。从测量精度上看 ,这种方法在整个转速范围
39、内都有较好的分辨率。图16转速测量电路3.7 电动机的电流、电压测量电路的设计电压检测采用运算放大器配合光电耦合器件与单片实现接口，直流检测往往存在二个最明显的困难:一是直流测量仪表不便串入电路中;二是直流检测电路与被测电路不能直接耦合 ,否则就会影响被测电路的直流工作点 ,即直流检测的隔离成为问题。而用霍尔传感器检测直流信号可以较好地解决上述困难。UGN23501M霍尔传感器具有高灵敏度、工作温度范围宽( - 2085 )等特点 ,但使用不当 , 它的霍尔电压 UH与磁感应强度 B 为非线性关系,线性度为33 %,且存在不平衡电压 UHe ,这必定会影响检测系统的准确度。通过实验和分析,找出
40、最佳线性工作状态,且消除了不平衡电压。检测电路以集成AD522 芯片为放大级。设计的直流电流检测电路线性度好,具有较高的准确度。AD522为双端输入,单端输出的测量放大器。具有高输入阻抗、线性度良好等特点。设计的直流电流检测电路线性度为8. 2 %;最大相对误差为 1. 4 % ,它适合于不便直接测量且测量准确度要求较高的场合。设计的直流电流检测系统如下图所示。图17直流电流检测电3.8 键盘显示电路的设计键盘显示电路采用了8279专用控制芯片，它具有显示器自动扫描、闭合键的键号自动识别的功能其最大的键盘配置可达64个，最多可接16位显示器，完全满足系统的要求8279与8051接口也十分方便这
41、样简化了电路设计，又提高了单片机的工作效率。具体应用电路如下图。本系统采用了16个按键的配置，即10个数字键和6个功能键。数字键为09，功能键为：-启动停止键，PID-PID参数设置键，SPEED-电机转速设置键，SENTER-设置确认键，P/N-电机正反转控制键，RESET-系统复位键。为了能够精确地显示PID参数、电机转速等系统运行参数，以及你能够详尽地描述系统的启动、制动等运行状态。本系统采用8位8段共阴极LED显示器。LED的位选线由扫描线SL0SL3和段选线经驱动器提供。8279的中断请求信号IRQ经反向器与8051的INT1相连。ALE作为8279的时钟信号直接连到其CLK端由82
42、79设置适当的分频数，分频至100KHz。P0口作为数据线，用于8279写入显示字、控制字以及读回按下键的键值。图18 键盘与显示电路图3.9 故障检测及保护电路设计故障检测及保护电路如图20所示，该电路采用电阻取样的电压、电流保护电路，通过调节电位器RP1、RP2来设定最大的允许电压、电流值。电路中C1、C2接8255的C 口中的PC2、PC3，O端接HEF4752的L控制端。这样保护电路可通过门1输出控制信号的封锁HEF4752输出的PWM控制信号，断开主回路电源。A1、A2接8255的C 口中的PC4、PC5，通过PC4、PC5输入故障信号，用以检测故障类型。图19 过电流，过电压保护电
43、路4、系统软件的设计4.1 程序框图及其介绍（1） 系统主程序主程序框图如图20所示。先进行芯片初始化，然后，清系统工作区，开放8051外部中断，启动软件定时器10ms(采样周期)。所以，系统初始化完毕，进入控制循环：显示转速中断服务（和运算，查表求出）可逆切换程序输出控制量显示转速。 图20 系统主程序框图（2） 转速调节程序转速调节程序即为软件定时器O的中断服务程序，其程序框图如图21所示。在转速调节程序中，完成转速、的采样，进行PI运算，求出频率指令信号，然后查表求得分频系数。（3） 增量式PI运算子程序增量式PI运算子程序框图如图22所示，它包括按图所示控制曲线计算转差频率增量, 由求
44、出转差频率控制量，再由求出频率指令信号。图21 转速调节程序框图（4） 可逆切换程序可逆切换程序由停车控制和可逆切换控制两部分组成，其程序框图如图23所示。系统的停车与工作由工作/停车控制开关控制，其开关状态由PC6输入。在可逆切换程序中，先对PC6进行判断。若PC6 = 0，表示命令停车，这时接下来判断转速是否为0。若不为0，则经PC2输出“1”电平，使HEF4752的L端为0，封锁其输出信号，使逆变器输出为0，电动机转速下降。当转速已降到0时，经PC3输出“1”电平信号，切换主回路电源，然后显示停车标志“0000”。若PC6 = 1，则表示继续工作，于是转去检测正/反开关状态，进入可逆切换
45、部分。电动机的转向由正/反控制开关控制，其开关状态由PC7输入。现以正转到反转为例说明切换过程。当正/反转开关由“正”转到“反”时，PC7输入0电平，表示反转，接下来判断当前转向是正（CW = 1）还是反（CW = 0），若转向为正，表示与给定转向不一致，需进行切换，于是经PC2输出1电平，使HEF4752的L端为0，封锁其输出信号，使逆变器输出为0，电动机转速下降。然后判断电动机转速是否为0。当转速未降到0时，不开放L端，电动机转速继续下降。一旦转速降到0，则经PC1输出0电平至CW端，经PC2输出0电平，开放L端，于是HEF4752输出相序为U、W、V的PWM控制信号，逆变器重新开始工作，输出相序为U、W、V，使电动机反向启动，至此，切换过程结束。从反转到正转的切换过程与上述过程相仿，不再赘述。 图22 增量式PI运算子程序框图图23 可逆切换程序（5）故障处理程序故障处理程序即为8051外部中断服务程序，其程序框图如图24所示。图25 故障处理程序4.2 部分子程序对于0
