东海科学技术学院
毕业论文（设计）
题目：电机变频驱动系统远程通信网
络的设计（控制部分）
系：机电工程系
学生姓名：
专业：电子信息工程
班级：
指导教师：
起止日期：
年月日
摘要
在现代工业中，电动机是应用面广、数量巨大的电力设备之一，电动机的运行与控制对产品质量和生成效益联系紧密。变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向，它在频率范围、调速精度、输出性能、功率因数、工作效率、使用方便等方面是别的调速方式无法比拟的，其优越性体现在显著的节电性能和快速调速性能。
变频调速系统的核心即变频器的性能已成为调速性能优劣的决定因素。本文对变频器的内部结构（整流器、滤波器、逆变器）和最重要的调速控制环节作了介绍，叙述了恒U/f控制的原理以及PWM波形生成原理与控制算法，分析了基于恒U/f控制的变频调速系统。选用单片机控制方式，给出了直流电机的控制方案，能应用PWM控制技术，实现直流电机的启动、停止、加速、减速、正反转控制等功能。
关键词：变频调速；单片机；恒U/f控制；脉宽调制（PWM）
Abstract
Inmodernindustry,themotoriswideapplicationandgreatnumberofelectricequipment,electricmotorcontrolandoperationofproductqualityandbenefitcloselylinked.Frequencyconversiontechnologyistheimportantpowertransmissiontechnologydevelopmentdirection,itinthefrequencyrangeandaccuracy,speedandpowerfactor,theoutputperformanceefficiencyandconvenienceetcisanotherwayofunmatchedspeed,theadvantagesofsavingembodiedinthesignificantperformanceandfastspeed.
Variablefrequencyvariablespeedsystemisthecoreoftheconverterperformancehasbecomethefactorsgoverningperformance.Basedontheinternalstructureofconverter(rectifier,filter,inverter)andthemostimportantlinkofthespeedcontrolisintroduced,anddescribestheconstant-voltagefrequencyratiocontrolprincipleandPWMgenerativeprincipleandcontrolalgorithm,basedontheanalysisoftheconstant-voltagefrequencyratiocontrolvariablefrequencyspeedregulationsystem.Choosesinglechipmicrocomputercontrolmodeispresented,dcmotorcontrolscheme,theapplicationofPWMcontroltechnology,canrealizethedcmotorstartandstop,accelerationanddeceleration,positive&negativecontroletc.Function.
Keywords:variablefrequencyvariablespeed,singlechipmicrocomputer,U/fcontrolmethod,Pulsewidthmodulation(PWM)
目录
第一章绪论 1
1.1选题的背景 1
1.2本课题有关内容的发展现状 1
1.3本课题的主要任务 2
第二章变频器 3
2.1变频器的结构及工作原理 3
2.2变频器的分类 4
2.3常见变频器的选用 5
第三章变频控制器通信系统 7
3.1变频控制器通信系统的基本概念 7
3.2电机的变频调速方式 7
3.2.1恒U/f控制方式原理 7
3.2.2PWM控制技术原理 9
3.2.3PWM调制方式 12
第四章硬件电路设计 15
4.1系统原理与组成 15
4.2整流电路的设计 15
4.3滤波电路的设计 16
4.4逆变电路的设计 16
4.5控制电路的设计 17
4.4.1复位电路 17
4.4.2时钟电路 18
4.4.3键盘输入电路 18
第五章单片机编程实现电机变频控制 19
5.1单片机选择 19
5.2程序的设计分析 20
5.2.1程序总体思路 20
5.2.2定时中断和PWM脉宽控制 22
5.2.3按键处理和电机调速 22
总结 24
致谢 25
[参考文献] 26
附录1程序清单 27
电机变频驱动系统远程通信网络的设计（控制部分）
第一章绪论
1.1选题的背景
电机控制技术已经广泛的运用于机床、电动工具、电力机车、机器人、家用电器、计算机的驱动器、汽车、船舶、轧钢、造纸和纺织等行业。全世界上大概有多达100亿台电机运用于各个行业，近年来，我国空调一年的产量就已经超过1000万台，可见电机控制技术已经在工业中占据不可替代的位置[1-3]。而变频器是工业生产应用中最理想,最有前途的调速控制设备之一,在工业控制、信息家电等领域都有着广泛的应用,对于在线监测并实时诊断电机状态具有十分重要的意义,将使系统工作稳定、安全可靠、提高系统的自动化程度。
电机行业已是一个比较老的行业，其在工业上应用了一个多世纪，虽然随着新材料的使用、计算机技术的发展，电机建模的改进和电机计算机辅助设计软件的不断推出，电机在功率密度、效率、可靠性等方面已与最初的电机有了很大的改进，但它相对的变化比较缓慢。直流电机由于其便于控制和控制精度比较高的特点，在很长一段时间内被广泛应用，被人们认为难以被其它电机所取代，但随着电力电子技术的发展，各种新型器件和先进的控制方法在电机控制变换器系统中的应用，在很多的场合直流电机正逐渐被交流异步电机所代替，有人认为，在二十一世纪，直流电机将会在传动领域逐渐消失，而交流异步电机和其它类型电机的应用范围将逐渐增加。过去直流电机占主要地位的调速传动领域，将逐渐被交流电机变频控制所占领。交流电机变频控制在频率范围、动态响应、调速精度、低频转矩、输出性能、功率因数、工作效率、使用方便等方面是以往的交流控制方式无法比拟的，其优越性体现在两个方面:一是节电显著;二是卓越的控制性能。随着电力电子技术的发展变频控制系统性能逐渐改进，而成本不断下降，在另一方面，全球性的能源危机使人们对能源的绿色利用越来越重视，对于消耗了30%左右能量的电机，其驱动系统也越来越引起人们的重视，每一台电机配备一个变频控制驱动系统正获得越来越多的认同和采用，同时对变频控制驱动系统也提出了高效率、高精度、高可靠性、多功能、智能化、小型化、低成本等要求[1-3]。
90年代中国高耗能产品的耗能量一般比发达国家高出12%～55%左右，但是其中有90%以上的能源在开采、加工转换、储运和终端利用过程中损失和浪费。如果进行单位GNP能耗（吨标准煤/千美元）的国家比较，在90年代中期中国分别是瑞士、意大利、日本、法国、德国、英国、美国、加拿大的14.4倍、11.3倍、10.6倍、8.8倍、8.3倍、7.2倍、4.6倍、和4.2倍。1995年，中国火电厂煤耗为412克标准煤/kWh，是国际先进水平的1.27倍[1-3]。由此可见，对能源的高效利用在我国已经是迫在眉睫，尤其是作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有力可挖的。我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。我国各类在用电机中，80%以上为0.55～220kw以下的中小型异步电动机,并且在用电机拖动系统的总体装备水平却仅相当于发达国家50年代水平。所以国家的十五计划中，将在电机系统节能方面的投入大约500亿元人民币[1-3]，因此变频控制系统将在我国具有非常巨大的潜力和市场。
1.2本课题有关内容的发展现状
近20年来，以功率晶体管GTR为逆变器功率元件。8位微处理器为控制核心。按恒压频比U/F控制原理实现异步电动机调速的变频器，在性能上出现了巨大的进步。第一是所用的电力电子器件GTR以基本上为绝缘栅双二极管IGBT所代替，进而广泛采用智能模块IPM，使得容量和电压等级不断扩大和提高。第二是8位微处理器基本为16为所代替，甚至采用功能更强的32位微处理器或双处理器，使其功能变得含有；逻辑和智能控制的综合功能。第三是改善压频比的同时，推出可以实现矢量控制和转矩直接控制，使得不仅可以实现宽调速，还可以伺服控制[3-5]。变频控制技术的发展可以分为三个方面：
（1）电力电子器件的更新，逆变器从采用半控制器件到GTR全控制器件，他的输出波形从交流方波变为脉宽调制PWM波，大大减小了谐波分量，拓宽了变频调速的范围并且减小了转矩的脉动幅度。由于GTR在变频调速是会产生噪音，不受用户喜欢，现在已基本被IGBT代替。而智能功率模块IPM是以IGBT为开关器件，同时含有驱动电路和保护电路，是一种功率集成电路。
（2）控制策略的发展，第一代变频器采用的是按恒U/f比控制方式，它根据异步电动机等效电路是的线性U/f比进行变频调速。第二代变频器主要采用矢量控制方式，它参照直流电动机的控制方式，将异步电动机的定子电流空间矢量分解为转子励磁分量和转矩分量。与它一起发展的还有直接转矩控制方式，将异步电动机的转矩作为被控量，强调转矩的直接效果，不刻意追求输出电流为正弦波形。
（3）功能综合化，新一代的变频器由于有功能很强的微处理器支持，除了可以完成基本功能外还具有可编程、参数辨识及通信功能。比如：自动加减速，程序运行，节电运行，电动机参数辨识，通信和反馈功能。
1.3本课题的主要任务
本课题在掌握电机变频调速基本原理的基础上，采用单片机编程等知识，运用变频调速的基本控制方式和控制算法，使单片机控制变频器的运行状态。给出了电机变频驱动系统远程通信网络的总体设计方案，并详细阐述了其中关键技术的研究和设计。具体工作包括：
（1）对现今的变频器的认识和理解；
（2）对变频控制器通信系统的组成结构和工作原理的研究；运用单片机编程实现电机控制的方法；
（3）完成程序设计与调试。
第二章变频器
2.1变频器的结构及工作原理
变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备将信号传第三章变频控制器通信系统
3.1变频控制器通信系统的基本概念
因为在许多变频器的应用现场，电机与操作室距离较远。如将变频器安装在现场，不便于工人的观察与操作；如安装在操作室内，则动力线拉的距离太远，成本高，且对变频器本身及系统中其他设备造成干扰。针对上述应用情况，开发研制了变频器远程控制器变频器远程控制器是一种实现变频器远程操作的智能仪表，通过网络远程控制变频器的启动、停止、加速、减速、正反转，并实时显示变频器的工作频率、转速等运行状态信息。这样就可将变频器安装在电动机附近，通过屏蔽通讯线或无线模块接到远端操作室内仪表盘上的变频器远程控制器上，在操作室内就能观察和操作变频器的运行状态。另外，变频器远程控制器还可接外置操作按钮，有手动自动切换及监听等功能可接入计算机控制系统，便于工程使用。（3-3）
因此，变频器中要维持磁通不变，只要使U1与f1成比例改变就可以了。
他它的特点为步转速n0与频率f1正比
（3-4）
转速降落在同一转矩下为恒值；最大转距随f1变化。
(1)恒转矩调速
要保持ΦM不变，当频率f1从额定值f1N下调节时，必须同时降低E1使E1/f1为常数，这就是用电动势与频率之比恒定的控制方式。当电动势的值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压U1≈E1，则得E1/f1为常数。这是恒压频比的控制方式。在恒压频比的条件下改变频率f时，我们能证明:机械特性基本上是平行下移的，如图所示，当转矩T增大到最大值后，特性曲线就折回来了。如果电动机在不同转速n下都具有额定电流，则电机都能在温升允许条件下长期运行，这时转矩T基本上随磁通变化，由于在基频以下调速时磁通恒定，所以转矩T也恒定。根据电机与拖动原理，在基频以下调速属于“恒转矩调速”的性质。低频时，U1和E1都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能再忽略。这时，可以人为地把电压U1抬高一些，以便近似地补偿定子压降[4-5]。
(2)恒功率调速
频率从f1N往上增高，但电压U1却不超过额定电压认U1N,最多只能保持U1=U1N由此可知，这将迫使磁通随频率升高而降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。由于电压U1=U1N不变，我们不难证明当频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩T减小，机械特性上移，如图所示。由于频率提高而电压不变，气隙磁动势必然减弱，导致转矩T减小。由于转速n升高了，可以认为输出功率基本不变。这属于磁恒功率调速[4-5]。
把恒转矩调速和恒功率调速两种情况合起来，可得如图3-3所示的电动机变频调速控制特性。
3.2.2PWM控制技术原理
一个脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有，要么完全无。电压或电流源是以一种通或断的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。PWM的优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。PWM的理论基础即窄脉冲的面积相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，环节的输出响应波形基本相同（低频段非常接近，仅在高频段略有差异）[5]。如图3-4形状不同而冲量相同的各种窄脉冲。
用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波如图3-5所示，正弦半波N等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等，用矩形脉冲代替等幅，不等宽，中点重合，面积相等，它的宽度按正弦规律变化。这是SPWM波形即脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。如果要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。
脉宽调制分等幅PWM波和不等幅PWM波，由直流电源产生的PWM波通常为等幅PWM波，而输入电源是交流，得到不等幅PWM波，但都是基于面积等效原理进行控制，本质是相同的。当电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波，PWM波形可等效的各种波形，如直流斩波电路（等效直流波形）、SPWM波（等效正弦波形）还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理。
目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术，逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合，PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。PWM控制技术信号波的产生有计算法和调制法。
计算法是根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。
调制法即输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波，通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称。
与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求，当调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波，调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波[12-13]。
结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明，如图3-6单相桥式逆变电路，它的控制规律为：在u0正半周，V1通，V2断，V3和V4交替通断，负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负，负载电流为正的区间，V1和V4导通时，u0等于Ud。当UdV4关断时，负载电流通过V1和D3续流，u0=0，负载电流为负的区间，V1和V4仍导通，i0为负，实际上i0从D1和D4流过，仍有u0=Ud，Ud关断V3开通后，io从V3和D1续流，u0=0，u0总可得到Ud和0两种电平。u0负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和Ud交替通断，u0可得—Ud和0两种电平。
(1)单极性PWM控制方式（单相桥逆变）
现在PWM脉冲列的宽度可通过计算方法术出，进行计算机定时控制，但原始的脉宽制方法是利用信号波为基准，受其调制的信号称为载波，在单极性PWM控制中,三角波作为载波，当调制波和载波相交时内其交点确定逆变器开关的通断时刻，如图3-7所示。这时的调制情况是:当调制波电压高于三角载波电压时，相应比较器的输出电压为正电平，反之则为零电平。负半周用同样的方法调制后再倒相而成[8-9]。根据图3-7ur和uc的交点时刻控制IGBT开关的通断，在ur正半周，V1保持通，V2保持断，当ur>uc时使V4通，V3断，u0=Ud；当uruc时使V3断，V4通，u0=0。
(2)双极性PWM控制方式（单相桥逆变）
双极性PWM的信号波有正负极性，它输出的脉冲列可让同一桥臂上、下两个开关交行导通和关断，输出脉冲只有正、负电平而无零电平，图3-8双极性PWM波形。其调制方法和单极性相似，只是输出脉冲电压的极性不同．即在同—周期波内同时存在正极性和负极性的信号。
双极性调制技术与单极性相同，只是功率开关器件通断情况不一样。根据图3-8在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负。在ur一周期内，输出PWM波只有正负Ud两种电平，在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件的通断，在ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同，当ur>uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号，如io>0，V1和V4通，如i0<0，D1和D4通，u0=Ud;当ur0，D2和D3通，u0=-Ud[8-9]。
单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制。由于单极性工作制电压波型中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以本文采用了单极性工作制。
3.2.3PWM调制方式
载波比N即载波频率fc与调制信号频率fr之比，根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。在变频过程中，即调制信号周期变化过程中，载波个数不变的调制称为同步调制，载波个数相应变化的调制称为异步调制。
异步调制即载波信号和调制信号不同步的调制方式，在整个变频范围内，载波比都是变化的。通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的，在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大。但是这种调制，在信号频率较低时，载波的数量显得稀疏，电流波形脉动大，谐波分量剧增，电动机的谐波损耗及脉动转矩也相应增大[12-13]。而且此时载波的边频带靠近信号波，容易干扰基波频域。
同步调制即N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定，三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数，当fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除；当fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。由于载波比会随着输出频率的降低而连续变化时，逆变器输出电压的波形其相位也会发生变化，很难保持三相输出的对称关系，因此会引起电动机的工作不稳定[12-13]。
为了克服同步调制和异步调制的缺点，可以将他们结合起来，组成分段同步调制方式。即把fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同，在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低，为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法，同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近[12-13]。
PWM信号实时计算需要数学模型。建立数学模型的方法有多种，例如谐波消去法、等面积法、采样型PWM以及由它们派生出来的各种算法。对对称规则采样法做一下介绍。
规则采样法是一种应用较广的工程实用方法,一般采用三角波作为载波.其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波,再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断,从而实现SPWM法当只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(即采样周期)内的位置是对称的,这种方法称为对称规则采样.当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(此时为采样周期的两倍)内的位置一般并不对称,这种方法称为非对称规则采样
规则采样法是对自然采样法的改进,其主要优点就是计算简单便于在线实时运算,其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦其缺点是直流电压利用率较低,线性控制范围较小,其中调制度
0
(3-5)
由式可得取样时刻SPWM脉冲的频宽：
(3-6)
脉冲两边的间隙宽度为：
(3-7)
生成SPWM脉冲中各参数的计算：SPWM脉冲的周期为TC
同步调制原理可知，载波比,由此得
(3-8)
调制度M:由式可知SPWM脉冲的脉宽t，与调制度M成正比，而脉宽又决定了SPWM脉冲序列的基波电压的幅值，即M决定了变频器正弦电压的幅值。因此在恒U/f:调频调压时有：
(3-9)
式3-9中B,C为常数
各取样时刻t的正弦函数
同步调制使正弦调制波以一上升段的过零点与三角载波以下降段的过零点重合，并把该时刻作为零时刻。由于对称规则采样法的采样时刻是在每个三角波的负峰值处，所以各采样时刻(k=0，1，2，……，N-1)，这里k=0对应第一个采样时刻，刻的正弦函数为：
(3-10)
分段同步调制时的载波比N
同步调制方式中，载波比为常数且为3的倍数。考虑到固定的载波比，在正弦调制频率的高频段，关可能过高，以至于超过主电路功率开关器件的最高频率，以及T过短，以至小于定时器控制所允许的时间;而在低频段，关过低可能使负载电机产生较大的转矩脉动和噪声。因此采用分段同步调制，即低频段采用大载波比，高频段采用小载波比。
第四章硬件电路设计
4.1系统原理与组成
基于定子电压和频率之间的比例关系，通过对一个信号的控制同时对定子的电压和频率信号进行调节来达到变频调速的目的，电源电流通过整流电路进行整流，再通过滤波电路使电压变化平稳。最后经过逆变电路转化成可调节的电流。在整个过程中通过对逆变电路的控制来实现对变频器的调速控制。
系统采用SPWM控制方式，主要依靠单片机控制电路产生SPWM控制信号。系统电路可分为变频电路（整流电路、滤波电路、逆变驱动电路）、单片机控制电路、电动机。
以下是系统的结构模块：
4.2整流电路的设计
整流器是与电源相连接的，产生脉动的直流电压的电路。整流器有两种基本类型——可
控的和不可控的。本设计为桥式整流电路它是由四只整流二极管D1~4和负载电阻RL组成。工作原理如图所示。在U的正半周，D1、D3导通，D2、D4截止，电流由R次级上端经D1→RL→D3回到R次级下端，在负载RL上得到一半波整流电压。在U的负半周，D1、D3截止，D2、D4导通，电流由R次级的下端经D2→RL→D4回到R次级上端，在负载RL上得到另一半波整流电压。这样就在负载RL上得到一个与全波整流相同的电压波形，其电流的计算与全波整流相同（4-1）
加上滤波电容后，的最高电压可达交流线电压的峰值：
二极管整流器在电源接通时，电容中将流过较大的充电电流(亦称浪湧电流)，可能烧坏二极管，必须采取相应措施；本文采用串联允电电阻方式抑制浪湧电流。
4.4逆变电路的设计
逆变器一般接成单相桥式电路，组成单相变频电源，由电力电子开关S1～S4组成的三相逆变器主电路．电力电子开关可以是晶闸管．也可以是其他全控器件。在一个周期中，控制各个开关轮流导通和关断，使输出端获得单相交流电压，改变开关导通和关断时间，则可得到不同的输出频率[7]。如图4-4所示
根据输出的需要，本设计开关器件由V1～V4为使用常用的BJT开关元件和D01～D04四个二极管组成。开关管受到来自控制电路的PWM信号的控制而通断，将直流母线电压变成按一定的规律变化的PWM电压来驱动电动机。
电动机的正反转如图4-5所示，当V1管和V4管导通时，电流就从电源正极经V2从左至右穿过电机，然后再经V4回到电源负极，该流向的电流将驱动电动机顺时针转动。当V1管和V4管导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。当V2管和V3管导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。
4.5控制电路的设计
本控制电路设计框图如图4-6所示，由时钟电路、复位电路、单片机组成。控制部分采用汇编语言编程控制，AT89C51芯片的定时器产生SPWM脉冲波形，通过调节波形的宽度来控制逆变驱动电路中GTR开关元件通断时间，就能够实现对电机速度的控制。
4.4.1复位电路
复位是DPS的初始化操作，其主要作用是把单片机初始化，使芯片从0000H单元开始执行程序。它可以使系统进入的正常初始化之外，如果程序运行时出错或者你的操作失误使系统处于死机时，你可以按复位键以重新开启。
复位电路在刚电时，开始电容是没有电的，电容内的电阻很低，通电后，的电通过电阻给电解电容进行充电，电容两端的电会由慢慢的升到（一般小于0.3秒），正因为这样，复位脚的电由低电位升到高电位，内部电路复位工作这是上电复当按下复位键时，电容两端放电，电容又回到，于是又进行复位工作这是手动复位。
第五章单片机编程实现电机变频控制
5.1单片机选择
20世纪80年代单片机技术高速的发展起来，目前在市场在运用的单片机产品就有50多个系列。本设计采用的是AT89C51单片机。
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51主要特性与MCS-51兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24MHz三级程序存储器锁定128×8位内部RAM32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AT89C51管脚说明：VCC：供电电压GND：接地P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。PWM，送出预设占空比的PWM波形。PWM（正弦脉冲宽度调制）是一系列周期固定、占空比可调的脉冲系列，由于每个脉冲的高电平时间和低电平时间之和必须等于周期数，所以输出电平的维持时间必须由定时器来控制。
设PWM周期为T，高电平时间为TH，低电平时间为TL，电压为VCC，A为占空比，则输出电压的平均值为：
（5-1）
当VCC固定时，电压值由PWM波形的占空比A决定，而PWM的占空比由单片机内部用于控制SPWM输出的寄存器值决定。通过对单片机定时器初始值的不同设置，来实现占空比PWM输出控制。用定时器T完成PWM输出，计数计数初值计算方法：65536－X)=30000，转换为十六进制：=35536＝8AD0H。主要由3部分组成：主程序、扫描程序、中断处理程序。主程序流程如图所示。H可定时60ms。当60ms定时时间到，定时器溢出则响应该定时中断处理程序，完成对定时器的再次赋值。PWM脉宽控制由一个脉冲周期可以由高电平持续时间系数DIAN0和低电平持续时间系数DIAN1组成，本设计中采用的脉冲频率为16.6Hz，可得DIAN0+DIAN1=65536，占空比为DIAN0/(DIAN0+DIAN1)，因此要实现定频调宽的调速方式，只需通过程序改变全局变量DIAN0，DIAN1的值，该子程序流程图如图5-2。
5.2.3按键处理和电机调速
采用中断方式，按下键，单片机P3.2脚产生一负跳沿，响应该中断处理程序，完成延时去抖动、键码识别、按键功能执行。如图5-3键盘中断处理流程。调速档通过（0-10）共11档固定占空比，即相应档位相应改变DIAN0，DIAN1的值，以实现调速档位的实现。
总结
在几个月的学习工作中，通过图书馆、上网查阅许多相关资料，了解了变频调速系统工作原理，加深了对电机变频调速控制系统的认识，熟悉了单片机在控制系统中的运用。并且在所学知识的基础上，利用已有的变频调速系统设计，尝试了自己的一些研究。并且将我原来所学的知识系统化，理论化，实用化。对如何使用已有知识及获取相关资料方面的能力又有了提高。
本设计基本上达到了设计目的。实现通过单片机对电动机的进行控制，通过合理的设备选型、参数设置和软件设计，提高了电动机调速运行的可靠性。
本设计在硬件上采用了恒U/f控制的原理以及PWM控制技术来驱动逆变电路，解决了电机驱动的效率问题，在软件上也采用较为合理的系统结构及算法，提高了单片机的使用效率。但该设计也有不足之处，主要是在关于速度的反馈上，首先，速度的变化范围较小，其次无法提供较为直观的速度表示方式，因此，有必要引入传感器技术对速度进行反馈，以表达当前的转速并进行显示。
通过本次设计，对我的知识领域进行了一次扩展，专业技能得到进一步提高，同时锻炼了自己独立完成任务的能力，并掌握了很多软件、硬件开发方面的知识。另外，我还认识到无论做什么工作，都需要踏实，勤奋，严谨的态度，这对我以后的工作将会产生深远的影响。同时，也培养了自己认真的科学态度和严谨的工作作风，为将来能更好的适应工作岗位打下了良好的基础。
当然，本次设计还存在一些不足之处，例如：界面设计不够人性化，不能实现显示电机转速等。另外，由于实际条件的限制，本设计不能进行现场调试和试运行都是无法完成的。若以后条件允许，可以对以上设计进行进一步完善。当然，设计中肯定还有其他不足和纰漏之处，请各位老师指正。
致谢
在本次毕业设计结束之际，首先向我的指导老师刘玉良教授致以衷心的感谢，在刘玉良老师的精心帮助下顺利的完成了本次论文的撰写工作。课题设计过程中，感谢在实验室工作的各位老师给予我的帮助，同时对我参阅和利用了大量文献、资料的原作者一并致谢。很高兴和C06电信（2）班一起度过了大学的4年的生活，感谢同学们在学习和生活给予我的帮助和鼓励，感谢在我学习过程中给予我帮助的各位领导和老师。
最后，对各位专家、老师审阅我的论文深表感谢，请给予批评指正。
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附录1程序清单
;伪定义:
HDIAN0EQU30H ;高电平延迟时间存储单元
LDIAN0EQU31H
HDIAN1EQU32H;低电平延迟时间存储单元
LDIAN1EQU33H
COT0EQU34H;速度档位A(减速用)
COT1EQU35H;速度档位B(加速用)
WAYEQU36H;电机转动方式
DJ0EQUP2.6;电机控制端A
DJEQUP2.7;电机控制端B
K1EQUP1.0 ;启动，停止
K2EQUP1.1 ;加速
K3EQUP1.2 ;减速
K4EQUP1.3;方向控制
;主程序和中断程序入口
ORG0000H
LJMPMAIN
ORG 0003H
LJMPXINT0
ORG000BH
LJMPIN0
ORG 0100H
;初始化程序
MAIN:
MOVSP,#6FH
SETBF0
MOVWAY,#00H;正转
MOVCOT0,#5;变化量
MOVCOT1,#5
MOVTMOD,#01H;定时器0工作方式1
MOVTH0,#8AH
MOVTL0,#0D0H
MOVHDIAN0,#8AH
MOVLDIAN0,#0D0H
MOVHDIAN1,#8AH
MOVLDIAN1,#0D0H
MOVIE,#83H;开外中断及定时中断
CLRIT0;电平触发方式
CLREX0;禁止外中断
;主程序
STAR:
JNBK1,NEXT1;等待启动
SJMPSTAR
NEXT1:LCALLYAN_1MS;消除抖动
JBK1,STAR
SETBEX0;开外中断
SETBF0
SETBTR0;启动定时
SJMP$;等待中断
XINT0:
CLRET0;禁止外中断
JBK4,K11;方向键未按则跳转
LCALLYAN_3MS
JBK4,K11;消除抖动
MOVA,WAY;存转动方式
JZK41;正方向则跳转
MOVWAY,#00H;反方向改变为正方向
SJMPK11
K41: MOVWAY,#01H;正方向改变为反方向
K11:JBK1,K21;启停键未按则跳转
LCALLYAN_1MS
LCALLYAN_1MS
JBK1,K21;消除抖动
JNBF0,STAR1
STOP0:
CLRDJ
CLRF0;清标志位
CLRTR0;停止定时
SJMPFANHUI11
STAR1:SETBF0
SETBTR0
SJMPFANHUI
K21:JBK2,K33;加速键未按则跳转
LCALLYAN_3MS
JNBK2,JIASU;加速键按下则跳到加速子程序
K33:JBK3,FANHUI;减速键未按则跳转
LCALLYAN_3MS
JBK3,FANHUI;消除抖动
JIANSU:MOVA,COT0;存速度档位A(减速用)
CJNEA,#10,JIANSU1;档位判断
JIANSU1:JCJIANSU2;档位<10则继续加速
SJMPFANHUI
JIANSU2:DECCOT1;速度档位B(加速用)降1
INCCOT0;速度档位A(减速用)增1
MOVA,LDIAN0;高电平时间减少
CLRC
SUBBA,#200
MOVLDIAN0,A
MOVA,HDIAN0
SUBBA,#00H
MOVHDIAN0,A
CLRC
MOVA,LDIAN1;低电平时间增加
ADDA,#200
MOVLDIAN1,A
MOVA,HDIAN1
ADDCA,#00H
MOVHDIAN1,A
SJMPFANHUI
JIASU:MOVA,COT1;存速度档位B(加速用)
CJNEA,#10,JIASU1;档位判断
JIASU1:JCJIASU2;档位<10则继续加速
SJMPFANHUI;档位为10则返回
JIASU2:DECCOT0;速度档位A(减速用)降1
INCCOT1;速度档位B(加速用)增1
MOVA,LDIAN0;高电平时间增加
ADDA,#200
MOVLDIAN0,A
MOVA,HDIAN0
ADDCA,#00H
MOVHDIAN0,A
MOVA,LDIAN1;低电平时间减少
CLRC
SUBBA,#200
MOVLDIAN1,A
MOVA,HDIAN1
SUBBA,#00H
MOVHDIAN1,A
FANHUI:SETBET0;开外中断
FANHUI11:RETI;返回
;PWM控制程序
IN0:CLREX0 ;禁止外中断
MOVA,WAY ;存转动方式
JZZHENGX ;way=0为正方向
FANX: SETBDJ;反转
MOVC,DJ0 ;存脉冲状态
JCLD0 ;判断当前脉冲是高还是低
HD0:MOVTL0,LDIAN0;下一时刻为高电平
MOVTH0,HDIAN0
SETBDJ0
SJMPFANHUI2
LD0:MOVTL0,LDIAN1;下一时刻为低电平
MOVTH0,HDIAN1
CLRDJ0
SJMPFANHUI2
ZHENGX:SETBDJ0;正转
MOVC,DJ ;存脉冲状态
JCLD ;判断当前脉冲是高还是低
HD:MOVTL0,LDIAN0;下一时刻为高电平
MOVTH0,HDIAN0
SETBDJ
SJMPFANHUI2
LD:MOVTL0,LDIAN1;下一时刻为低电平
MOVTH0,HDIAN1
CLRDJ
FANHUI2:SETBEX0
RETI
;延时程序
YAN_1MS:MOVR7,#2;1MS
DLAY11:MOVR6,#250
DLAY12:DJNZR6,DLAY12
DJNZR7,DLAY11
RET
YAN_3MS:MOVR7,#6;3MS
DLAY31:MOVR6,#250
DLAY32:DJNZR6,DLAY32
DJNZR7,DLAY31
RET
YAN_6MS:MOVR7,#20;6MS
DLAY61:MOVR6,#150
DLAY62:DJNZR6,DLAY62
DJNZR7,DLAY61
RET
END
浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文
I
II
III
IV
32
图3-1恒转矩调速机械系统
T
f4
f3
f2
f1N
n
n1N
0
f1N>f2>f3>f4
f4
f2
f1N
0
T
n
图3-2恒功率调速机械系统
恒功率
f1N
f3
0
Φm
U1N
U1
U1
fN
ω1
恒功率调速
恒转矩调速
Φm
图3-3电动机变频调速控制特性
f（t）
0
0
f（t）
0
f（t）
0
f（t）
t
t
t
t
图3-4形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
u
u
ωt
ωt
0
0
图3-5用PWM波代替正弦半波
图3-6单相桥式PWM逆变电路
信号波
载波
uc
调制
电路
ur
Ud
+
-
V4
V3
D4
D3
V1
V2
D2
D1
R
u0
图3-7单极性PWM控制方式波形
成
ur
+Ud
u0
0
ωt
0
ωt
u
uc
图3-8双极性PWM控制方式波形
u0
u
ωt
0
ωt
0
—Ud
+Ud
uc
ur
t
t
UC
B
C
E
U
U
0
0
A
D
t2
t1
t3
t2/2
t2/2
图3-8对称规则采样法
变频电路
电源
整流电路
滤波电路
逆变驱动电路
电动机
单片机
按键输入
图4-1系统的结构模块
RL
UL
D4
D2
D3
D1
U1
U2
图4-2整流电路
R
VT
图4-3滤波电路
图4-4逆变驱动电路工作原理
S1
S3
S2
S4
负载
图4-5逆变驱动电路
M
V4
V1
V2
V3
D02
D01
D04
D03
复位电路
时钟电路
单片机
逆变驱动电路驱动
按键输入
图4-6系统控制电路
Key
电源
RESET
图4-7复位电路
启停键
加速键
减速键
方向键
Key1
Key2
Key3
Key4
图4-8按键输入电路
等待中断
NO
初始化
开定时器中断
关外中断
是否有启停按键
开始
延时去抖动
是否有启停按键
NO
开外中断
启动定时
图
图
开外中断
中断返回
P2.7置0
P2.7置1
P2.6置0
P2.6置1
N
Y
中断响应
关外中断
定时中断请求
Way=0？
P2.6置1
P2.7置1
P2.7=1？
P2.6=1？
存定时
DIAN1
存定时
DIAN0
存定时
DIAN1
存定时
DIAN0
Y
Y
N
N
图
N
Y
N
N
Y
中断返回
Y
N
Y
N
F0=0
启动定时
电机启动
加速子程序
K3=1?
延时去抖动
K4=1?
K3=1?
K2=1?
Y
K1=1?
延时去抖动
N
Y
K4=1?
关外中断
外中断响应
中断请求
K4=1？
延时去抖动
改变way
K1=1？
N
Y
F0=0?
延时去抖动
减速子程序
F0=1
启动定时
电机启动
Y
Y
开外中断
N
N
|
|
