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随着单片机技术的日新月异,特别是高性能价格比的单片机涌现,使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成,为电动机的控制提供了更大的灵活性。
随着电力电子技术的日益发展和PWM控制技术的成熟,利用单片机组成的变频调速控制器可以实现从低频(1~2Hz)起动到50Hz,可以消除以往工作频率50Hz直接起动对电机的冲击,延长电机的使用寿命,同时由于变频器的输出电压可以自适应调节,使负载电机可以工作在额定电压以下,不仅节能且可延长电机的使用寿命。
基于单片机控制的变频调速系统是河南理工大学工矿技术开发公司委托开发的一个项目,这个项目主要用于对矿井中主、副井提升机的模拟,以便演示矿井的工作过程,要求以手动和自动两种方式实现,并能实时显示主、副井提升机的深度。
为此设计的控制系统,以单片机为核心,在键盘、显示和数-模转换当中采用模块化设计,这样不但易于编程,而且方便对系统的整体调试。
项目的开发目的主要是用作教学模型,如果实现的效果好,会非常便于演示,能够很好的配合教师教学,也能帮助学生更好地理解矿井中主、副井提升机的工作过程,如果效果不好,也会影响教学。
通过此项目的研究,理论联系实际,丰富了自己项目开发的经验,也为社会做出了一定的贡献,缓解教师的教学压力,活跃了课程气氛。
1.2国内外研究综述
在提升机机械和电气传动技术飞速发展的同时,电子技术和计算机技术的发展,使提升机的电气控制系统更是日新月异。
早在七十年代,国外就将可编程控制器应用于提升机控制,八十年代初,计算机又被用于提升机的监视和管理。
此时期一些著名的提升机制造公司,如西门子、ABB、ALSTHOM都利用新的技术和装备,开发或完善了提升的安全保护和监控装置,然而,国内在提升机电控技术方面没有多少进展,曾以很昂贵的价格从国外引进一些提升机电控设备,有的是晶闸管数字直流调速系统,有的是交-交变频的现代交流调速系统。
随着变频调速技术的发展,目前,对矿井中提升机的控制主要是通过变频器。
国外交流变频调速技术正处于高速发展阶段,法国阿尔斯通已能提供单机容量达3万kW的电气传动设备用于船舶推进系统;
意大利ABB公司提供了单机容量为6万kW的设备用于抽水蓄能电站;
德国西门子公司SimovertA电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10~2600kVA和SimovertPGTOPWM变频调速设备单机容量为100~900kVA,其控制系统已实现全数字化,用于电力机车、风机、水泵传动;
日本富士BJT变频器最大单机容量可达700kVA,IGBT变频器已形成系列产品,其控制系统也已实现全数字化。
然而,从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距10~15年,国内只有少数科研单位有制造大功率变频器的技术,在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。
在中小功率变频技术方面,国内几乎所有的产品都是普通的V/f控制,仅有少量的样机采用矢量控制,品种与质量还不能满足市场需要,每年大量进口。
随着计算机技术的发展,无论是生产还是生活当中,人们对数字化信息的依赖程度越来越高。
如果说计算机是大脑,网络是神经,那么电机传动系统就是骨骼和肌肉。
它们之间的完美结合才是现代产业发展方向。
为了使交流调速系统与信息系统紧密结合,同时也为了提高交流调速系统自身的性能,必须使交流调速系统实现全数字化控制。
单片机已经在交流调速系统中得到了广泛地应用。
例如由Intel公司1983年开发生产的MCS-96系列是目前性能较高的单片机系列之一,适用于高速、高精度的工业控制。
其高档型:
8×
196KB、8×
196KC、8×
196MC等在通用开环交流调速系统中的应用较多。
由于交流电机控制理论不断发展,控制策略和控制算法也日益复杂。
扩展卡尔曼滤波、FFT、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等等均应用到了各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。
因此,DSP芯片在全数字化的高性能交流调速系统中找到施展身手的舞台。
如TI公司的MCS320F240等DSP芯片,以其较高的性能价格比成为了全数字化交流调速系统的首选。
最近TI公司推出的MCS320F240X系列产品更将价格降低到了单片机的水平。
在小功率交流调速方面,由于国外产品的规模效应,使得国内厂家在价格上、工艺上和技术上均无法与之抗衡。
而在高压大功率方面,国外公司又为我们留下了赶超的空间。
首先,国外的电网电压等级一般为3000V,而我国的电网电压等级为6000V和10000V;
其次,高压大功率交流调速系统无法进行大规模的批量生产,因为国外的劳动力成本,特别是具有一定专业知识的劳动力成本较高。
在交流调速的研究与制造过程中,硬件的设计与组装占了相当大的比重。
电机制造以及调速装置的制造需要大批的技术熟练工人,对人员的素质也有一定要求。
而国外相关产业的人工成本相对较高,在近十年内,交流调速的制造业有可能向发展中国家转移。
对中国来说,这也是一个机遇,如果我们抓住这个机会,再利用本身的市场有利条件,有可能在我国形成交流调速系统的制造业中心,使我国工业上一个新的台阶。
需要注意的是发达国家在高技术领域是不会轻易放弃的,他们非常注意核心技术及软件的保护和保密,为此,必须加大该领域的科研与开发的力度。
1.3需求分析
1、任务概述
设计一个控制系统,能以手动和自动两种方式利用变频器调节电动机的转速,模拟矿井中提升机的运动,并能显示电动机的转动速度、控制频率及主、副井提升机中罐笼的位置。
2、功能要求
①220V小电机可以实现四限速运动(通过变频器)
②数码显示频率变化
③数码显示速度变化
④模拟显示深度指示(通过发光柱)
⑤数码显示深度变化
⑥自动方式下能够自动完成提升机的爬行、加速、匀速、减速和爬行这五个状态,然后停止
手动方式下能够按照人为的操作控制电机运转
⑧一个行程控制在1.5米左右
1.4 可行性分析
爬行加速匀速减速爬行
1.5cm2cm8cm2cm1.5cm
图1-1提升机运行的五个状态
根据要求,一个行程要实现爬行、加速、匀速、减速和爬行五个状态,如图1-1所示。
在自动控制程序中就要明确地划分每个状态的有效行程,使之自动过渡到下一个状态,所以需要确定每个状态下的运行时间。
考虑使用光电式码盘,将电机转动产生的电脉冲传给单片机,单片机内部的计数器对电脉冲计数,当到达预定值时就会自动转向相应的状态。
这里需要两个计数器同时计数,一个用于状态间的切换,一个用于计数显示主、副井提升机的深度位置,同时将输入给DAC0832的数据通过一定的算法直接计算出电机的速度,再通过数码管显示。
在自动控制程序的运行过程中,不可能精确每一时刻的电机状况,所以这里将采用模糊控制理论,假定在每一个状态都以这个运行状态内的最高速度进行运算,推出每个状态大约要停留多长时间。
在实际的运行中,按照工矿理论,必须先爬行,电机初始时没有转动,所以要事先给一个速度,到达到这个速度后就要匀速运行,爬行以后要加速,一直可以加到电机的最高转速,当然对于这么短距离间的控制,不可能让它达到,之后要匀速运行一段时间,然后开始减速运行,当减到一定的速度后就要再爬行,之后电机就停了,这样就走了一个行程。
为了设计程序的方便,刚一开始默认为自动方式,所以先要走一个行程,走完以后就要判断是否需要手动控制,若不需要,则停一段时间会再一次的自动运行。
如果按下手动键,则电机会在手动操作键盘的指示下运转,由于控制距离短,为了不使在手动方式的操作下而越出边界,在程序中设定了一个界线,如果运行到了这个界线而没有及时按爬行键,使之停下来,程序就要自动将键盘封锁起来,直接运行爬行程序,当电机停下后再把键盘打开,等待操作人员选择下次运行的方式。
在电机运行的过程中,要循环动态扫描显示主、副井提升机的高度以及电机运行的速度和频率,可以达到显示稳定无闪烁。
使用D/A转换器将主控MCU中的用于控制电机转速的数字信号转换为适合变频器的模拟信息,再通过V/F变换就可用于控制电机运转。
通过变频器的控制面板可以直接控制电机的运转,不过使用时要正确的设定该参数,显然对于一般用户来说较麻烦。
变频器上一个RS485通信接口,方便单片机通过串口与变频器进行通信,为了减少不必要的麻烦,这里没有使用。
另外还有一些接线端子上,能通过外接信号进行控制,这样就可以通过单片机上设置的按键进行控制了。
1.5 开发工具简介
用单片机组成应用系统时,其应用程序的编程、修改、调试,运行结果是否符合设计要求,软件、硬件故障的判断以及程序固化等等问题,靠系统自身根本无法解决,必须借助外界的帮助。
在方案论证时就必须对关键性的环节进行试验、模拟;
在对软件、硬件分别调试时,有的应用程序较长,必须靠外界对程序进行机器码的翻译;
在系统联调时,必须对软件、硬件各部分进行全面测试,仔细检查样机是否达到了系统设计的性能指标,以便充分暴露可能存在的问题。
要完成以上工作必须依靠开发工具。
好的开发工具能够起到事半功倍的效果。
目前支持单片机开发的工具很多,有必要选择使用。
1.5.1KEILCx51
单片机开发中除必要的硬件外,同样离不开软件,我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法[1]:
一种是手工汇编,另一种是机器汇编。
目前已极少使用手工汇编的方法了。
机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码,用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51,随着单片机开发技术的不断发展,从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发,单片机的开发软件也在不断发展,Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件,这从近年来各仿真厂商纷纷宣布支持Keil即可看出。
KEIL目前的版本是v8.08,它是一个基于Windows的软件开发平台,有一个功能强大的编辑器、项目管理器和制作工具。
uVision3支持8051的所有KEIL工具,包括C编译器、宏汇编器、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案,通过一个集成开发环境(uVision)将这些部份组合在一起。
运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU,16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间。
1、建立源文件
使用菜单“File->
New”或者点击工具栏的新建文件按钮,即可在项目窗口的右侧打开一个新的文本编辑窗口,在该窗口中输入以下汇编语言源程序。
保存该文件,注意必须加上扩展名(汇编语言源程序一般用ASM或A51为扩展名)。
2、建立工程文件
在项目开发中,并不是仅有一个源程序就行了,还要为这个项目选择CPU,确定编译、汇编、连接的参数,指定调试的方式,有一些项目还会有多个文件组成等,为管理和使用方便,Keil使用工程(Project)这一概念,将这些参数设置和所需的所有文件都加在一个工程中,只能对工程而不能对单一的源程序进行编译和连接等操作。
点击“Project->
NewProject...”菜单,出现一个对话框,要求给将要建立的工程起一个名字,不需要扩展名。
输入一个名字,点击“保存”按钮,出现第二个对话框,这个对话框要求选择目标CPU(即所用芯片的型号)。
如果选择Atmel公司的89C51芯片,点击ATMEL前面的“+”号,展开该层,点击其中的89C51,然后再点击“确定”按钮,回到主界面,此时,在工程窗口的文件页中,出现了“Target1”,前面有“+”号,点击“+”号展开,可以看到下一层的“SourceGroup1”,点击“SourceGroup1”使其反白显示,然后,点击鼠标右键,出现一个下拉菜单,选中其中的“AddfiletoGroup‘SourceGroup1’”,出现一个对话框,要求寻找源文件,浏览找到所需的文件,将它加入项目。
工程建立好以后,还要对工程进行进一步的设置,以满足要求。
1.5.2PROTEUS
PROTEUS系统包括ISIS.EXE(电路原理图设计、电路原理仿真)、ARES.EXE(印刷电路板设计)两个主要程序三大基本功能。
其中最令人称赞的是电路原理仿真功能,除有普通分离器件、小规模集成器件的仿真功能以外,还具有多种带有CPU的可编程序器件的仿真功能;
具有多种总线、存储器、RS232终端仿真功能;
具有电动机、液晶显示器等特殊器件的仿真功能;
对可编程器件可以灵活地外挂各种编译、编辑工具,使用非常方便。
具有多种虚拟仪器帮助完成实时仿真调试;
具有传输特性、频率特性、电压波动分析、噪声分析等多种图形分析工具、可以完成电路参数和可靠性分析。
电路原理图是有电子器件符号和连接导线组成的图形。
在图中器件有编号、名称、参数等属性,连接导线有名称、连接的器件引脚等属性。
电路原理图的设计就是放置器件并把相应的器件引脚用导线连接起来,并修改器件和导线的属性。
1、建立设计文件
打开ISIS系统,选择文件菜单中的新建,打开图纸选择窗口,选择合适的图纸类型,确认后自动建立一个缺省标题(UNTITLED)的文件,再选择文件菜单的另存为,建立自己名称的设计文件。
2、放置对象
根据对象的类别在工具箱选择相应模式的图标。
②根据对象的具体类型选择子模式图标
③如果对象类型是元件、端点、管脚、图形、符号或标记,从选择器里选择你想要的对象的名字。
对于元件、端点、管脚和符号,可能首先需要从库中调出。
④如果对象是有方向的,将会在预览窗口显示出来,你可以通过点击旋转各镜象图标来调整对象的朝向。
⑤最后,指向编辑窗口并点击鼠标左键放置对象。
对于不同的对象,确切的步骤可能略有不同,但你会发现和其它的图形编辑软件是类似的,而且很直观。
3、放置连线
如果你想让ISIS自动定出走线路径,只需单击另一个连接点。
另一方面,如果你想自己决定走线路径,只需在想要拐点处点击鼠标左键。
当你连接了一条线之后,将鼠标移到另一个器件引脚,双击就可以画出同样的一条线。
在电路设计好后,放置信号源,在Design菜单下,选择ConfigurePowerRails弹出对话框,可以选择网络标号所对应的电压(如设置GND,VCC的电压值等),这样可以给调试带来很大的方便。
当虚拟仪器连接好后,编辑窗口左下角的
可以帮助启动仿真过程,所对应的功能分别是:
执行、单步执行、暂停、停止。
2系统硬件设计
单片机变频调速系统的硬件是由单片机控制系统、变频器电路、数/模转换电路、信号检测电路和电源电路等五大部分组成,其系统框图如图2-1所示。
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图2-1变频调速系统框图
2.1单片机控制系统
单片机控制系统由AT89C51,复位电路,时钟电路,键盘电路和显示电路构成,其系统组成框图如图2-2所示。
图2-2 单片机控制系统框图
AT89C51是采用高性能的静态80C51设计由先进CMOS工艺制造并带有非易失性Flash程序存储器全部支持12时钟和6时钟操作。
它片内有8KB的ROM、256字节的RAM、有32条I/O口线、3个16位定时/计数器、6输入4优先级嵌套中断结构、1个串行I/O口(可用于多机通信I/O扩展或全双工UART)以及片内振荡器和时钟电路。
此外,由于器件采用了静态设计,可提供很宽的操作频率范围(频率可降至0)。
可实现两个由软件选择的节电模式-空闲模式和掉电模式。
空闲模式冻结CPU,但RAM、定时器、串口和中断系统仍然工作。
掉电模式保存RAM的内容,但是冻结振荡器,导致所有其它的片内功能停止工作。
由于设计是静态的,时钟可停止而不会丢失用户数据。
运行可从时钟停止处恢复。
时钟电路是采用内部方式,即在AT89C51的XTAL1和XTAL2端外接石英晶体作为定时元件,内部反相放大器自激振荡,产生时钟。
此处选用的石英频率为fOSC=6MHz,小电容为22pF,则得到的时钟频率为6MHz。
其接线图如图2-3所示。
图2-3时钟电路图
复位电路接成按钮式的,从RST引脚接入AT89C51,其接线图如图2-4所示。
复位信号是高电平有效,并且高电平有效的持续时间应为24个振荡周期以上。
复位以后,07H写入栈指针SP,P0口~P3口均置1,程序计数PC和其他特殊功能寄存器SFR全部清零。
图2-4复位电路图
键盘是由若干个按键组成的开关矩阵,它是一种廉价的输入设备。
本次设计需要6个按键,由于I/O口线足够使用,因此用P1口就可以直接满足要求,无须使用特殊设计,直接将按键接到P1口的引脚上,以组成独立连接式按键接口电路。
按键输入采用低电平有效,上拉电阻保证了按键断开时,I/O口线有确定的高电平。
键的定义为,K1用于手动,K2用于自动,K3用于爬行,K4用于加速,K5用于匀速,K6用于减速,其接线图如图2-5所示。
图2-5键盘电路图
显示电路中使用六片74HC595,第一片用于连接数码管公共端,起到循环扫描点亮各位数码管的作用,第二片用于给2个两位数码管送数据,显示主、副井提升机的数字深度,第三片用于给其中一个四位数码管送电机转动的频率数据,第四片用于给另一个四位数码管送电机转动的速度数据,第五、六片用于给发光柱送数据,显示主、副井提升机的模拟深度。
其连线如图2-6所示。
图2-674HC595控制
74HC595芯片是一种串入并出的芯片,8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器,具有高阻关断状态(三态)。
特点:
8位串行输入、8位串行或并行输出、存储状态寄存器。
输出寄存器可以直接清除100MHz的移位频率输出能力,并行输出,总线驱动,串行输出(标准);
中等规模集成电路应用,串行到并行的数据转换,远程控制锁存器。
74HC595是硅结构的CMOS器件,兼容低电压TTL电路,遵守JEDEC标准。
它是具有8位移位寄存器和一个存储器,三态输出功能。
数据在SCHcp的上升沿输入,在STcp的上升沿进入的存储寄存器中去。
如果两个时钟连在一起,则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。
移位寄存器有一个串行移位输入(Ds),一个串行输出(Q7’)和一个异步的低电平复位,存储寄存器有一个并行8位的,具备三态的总线输出,当使能OE时(为低电平),存储寄存器的数据输出到总线。
CPD决定动态的能耗,PD=CPD×
VCC×
f1+∑(CL×
VCC2×
f0),F1=输入频率,CL=输出电容,f0=输出频率(MHz),Vcc=电源电压。
其引脚及逻辑符号如图2-7所示。
图2-7引脚及逻辑符号
2.2变频器电路
变频器主电路为交-直-交电压型变频器电路,具体做法是把交流电网(380V或220V)经过整流器变换为直流电源,然后再经逆变器变换为电压、频率可调的变频电源。
整流器由6个晶闸管组成三相可控桥式整流电路,将三相交流电整流后再由电容滤波,为变频调速主回路提供直流电源,且经由这6个晶闸管控制的导通与截止来实现电源的软开关。
逆变器功率元件由GTR1至GTR66支功率晶体管组成,D13至D186支二极管组成功率晶体管的保护部分。
[9]
在进行电机调速时,通常要考虑的一
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