【正文】 基于單片機控制的交流電機調壓調速系統(tǒng)的設計引言近年來由于微型機的快速發(fā)展，國外交直流系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)達到實用階段。由于以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路的標準化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響，且單片機具有功能強、體積小、可靠性好和價格便宜等優(yōu)點，現(xiàn)已逐漸成為工廠自動化和各控制領域的支柱之一。其控制軟件能夠進行邏輯判斷和復雜運算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調節(jié)的最優(yōu)化、自適應、非線性、智能化等控制規(guī)律。所以微機數(shù)字控制系統(tǒng)在各個方面的 性能都遠遠優(yōu)于模擬控制系統(tǒng)且應用越來越廣泛。在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中，絕大多數(shù)工作機械的運行時由電動機拖動的，因而掌握拖動系統(tǒng)的調速知識是十分重要的。電動機調速分為直流調速和交流調速。直流電動機的調速性能好，因此在調速領域中曾一直占主導地位。交流電動機與直流電動機相比，具有結構簡單、構造方便、成本低廉、運行可靠、堅固耐用、運行效率高等許多優(yōu)點，以前未得到大規(guī)模的應用，主要是由于調速困難。隨著現(xiàn)代科學技術的高速發(fā)展，現(xiàn)代電力電子技術、微電子學、現(xiàn)代控制理論、微機控制技術等為交流電機調速提供了全新的理論和技術，使得交流電力拖動系統(tǒng)逐步具備了寬的調速范圍、高地穩(wěn)速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動態(tài)響應以及在四象限作可逆運行等良好的技術性能。可以說，自20世紀80年代開始交流調速技術就已進入了一個新的時代，也就是可以與直流調速相媲美并逐漸取而代之占據(jù)電力傳動主導地位的時代。本文主要內容是研究采用單片機控制的調壓調速系統(tǒng)，通過軟件編程控制電動機的變壓調速。第一章 緒論 在電氣時代的今天，電動機一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用。無論是在工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、商務與辦公設備中，還是在日常生活中的家用電器中，都大量地使用著各種各樣的電動機。據(jù)資料統(tǒng)計，現(xiàn)在有90%以上的動力源來自于電動機。我國生產(chǎn)的電能大約有60%用于電動機。可見，電動機與人們的生活息息相關、密不可分。我們知道，動力和運動是可以相互轉換的，從這個意義上講，電動機是最常用的運動源。對運動控制的最有效的方式是對運動源的控制，因此，常常通過對電動機的控制來實現(xiàn)運動控制。實際上，現(xiàn)在國外已將電動機控制改為運動控制。對電動機的控制一般可分為簡單控制和復雜控制兩種：簡單控制是指對電動機進行啟動、制動和順序控制，這類控制可通過繼電器、可編程控制器和開關元件來實現(xiàn)；復雜控制是指對電動機的轉速、轉角、轉矩、電壓和電流等物理量進行控制，而且有時往往需要非常精確。以前對電動機簡單控制的應用比較多，但是現(xiàn)在人們對電動機控制水平要求越來越高，使電動機的復雜控制逐漸成為應用主流，其應用領域非常廣泛。交流調速基本上是由異步電動機調速和同步電動機調速兩大部分組成。其中，籠型異步電動機結構簡單、堅固耐用、維修工作量小、運行效率高、轉動慣量小、動態(tài)響應快，因此在工藝上可以達到高電壓、大容量、高轉速的效果。但是，異步電動機功率因數(shù)不高，與等容量同步電動機相比，所用變頻裝置容量要偏大。盡管普通的同步電動機在結構上要比籠型異步電動機復雜，但卻比直流電動機簡單，與等容量的直流電動機相比，它具有效率高、過載能力大、體積小、轉動慣量小，維護簡單等優(yōu)點，并且可以達到大容量、高轉速和高電壓的技術工藝水平。與異步電動機調速系統(tǒng)相比，同步電動機具有功率因數(shù)高、效率高、調速性能好等方面的優(yōu)勢，尤其適用于低轉速負載不斷沖擊的生產(chǎn)機械工作環(huán)境下。在結構上，同步電動機（除永磁式外）在轉子側需加一套勵磁裝置，和籠型異步電動機相比，增加了一定的維護工作量。同步電動機矢量控制比異步電動機復雜，需準備監(jiān)測轉子裝置或轉子磁鏈位置。當前，異步電動機調速和同步電動機調速在電氣傳動領域中都占很大比重，成為電氣傳動的主流。從20實際后半葉開始，控制系統(tǒng)硬件已由模擬技術轉向數(shù)字技術。微型計算機在性能、速度、價格、體積等方面的不斷發(fā)展為現(xiàn)代交流調速技術實現(xiàn)提供額重要保證?，F(xiàn)在16位以及32位微處理機應用十分廣泛，由于微處理機的運算速度高且價格較低，使得交流調速系統(tǒng)可以采用全自動化控制，這樣不僅使傳動系統(tǒng)獲得高精度、高可靠性，還為新的控制理論與方法提供了物質基礎。從發(fā)展趨勢上看，交流數(shù)字調速有以下兩個發(fā)展方向：①采用專用的硬件、大規(guī)模集成電路（IC）。研制交流調速系統(tǒng)專用的IC芯片，可以控制系統(tǒng)硬件小型化、簡單化。如富士電機公司推出的變頻器采用專用數(shù)字信號處理器（DSP）芯片，并采用金屬化表面技術（MST），是變頻器體積更小，可靠性更高。②采用通用計算機硬件，軟件模塊化、可編程化。㈠異步電動機目前，異步電動機應用較廣泛的調速系統(tǒng)有如下幾種典型類型。 轉速開環(huán)的變頻調速系統(tǒng)采用轉速開環(huán)、恒壓頻比，并且?guī)У皖l電壓補償?shù)目刂品绞?。其控制系統(tǒng)結構簡單、成本低、風機、水泵等節(jié)能調速常用這種系統(tǒng)。 轉速閉環(huán)轉差頻率控制的PWM變頻調速系統(tǒng)利用電動機穩(wěn)定運行時，在轉差率S很小的范圍內，當磁通不變時，轉矩與轉差角頻率成正比的關系來實現(xiàn)電動機的較高性能的調速，但此系統(tǒng)動態(tài)性能還不夠理想。 轉速、磁鏈雙閉環(huán)矢量控制的電流滯環(huán)型PWM變頻調速系統(tǒng)應用矢量控制理論，對轉速、磁鏈進行分別控制，由于又采用了滯環(huán)電流跟蹤型PWM逆變器，使該系統(tǒng)動態(tài)性能好，再配有精確的磁鏈觀測器，該系統(tǒng)可達到與直流電動機調速系統(tǒng)相媲美的程度。 異步電動機直接轉矩控制系統(tǒng)此系統(tǒng)利用直流轉矩控制方法，直接在定子坐標系中計算和控制電動機的磁通和轉矩，實時控制氣息磁通矢量按圓形軌跡運行，使轉矩相應時間限制在一個節(jié)拍以內，且無超調，動態(tài)性能比矢量控制還好，技術指標大大超過直流調速系統(tǒng)。 雙饋電動機亦稱同步串級調速它是定子由電源電網(wǎng)供電、轉子由變頻器電源供電的繞線型異步電動機。㈡同步電動機同步電動機調速是交流調速的量大分支之一，是近些年來發(fā)展起來的一門新技術，在電氣傳動中占有很重要的地位。隨著電力電子技術、微電子學、現(xiàn)代控制理論、微機控制進一步發(fā)展，同步電動機調速系統(tǒng)將會更加完善，在國民經(jīng)濟各個部門得到更廣泛應用，成為取代直流調速系統(tǒng)的重要力量。同步電動機調速系統(tǒng)目前有如下幾種典型類型。 永磁同步電機調速系統(tǒng)此系統(tǒng)主要用于小于10KW、要求有良好的靜態(tài)性能和動態(tài)響應的伺服裝置中。 交直交型負載換向同步電動機控制系統(tǒng)此系統(tǒng)又稱為“無換向器電動機”,它的功率可達幾十兆瓦，已實現(xiàn)全數(shù)字化，可用于負載平穩(wěn)的高速傳動設備中。 大容量交交變頻器供電的同步電動機矢量控系統(tǒng)此系統(tǒng)用于低速大型無齒輪傳動中。 開關磁阻電動機調速系統(tǒng)此系統(tǒng)是由電動機、角位移傳感器、功率電路和控制電路組成的機電統(tǒng)一體，各部分密切結合，缺一不可?？捎糜谳p工、化工、冶金等行業(yè)取代直流調速系統(tǒng)。 交流調速系統(tǒng)20世紀70年代以后，大規(guī)模集成電路計算機控制技術的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應用，使交流電力拖動系統(tǒng)逐步具備了寬的調速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動態(tài)響應以及四象限作可逆運行等良好的技術性能，在調速性能方面可以與直流拖動相媲美。交流調速控制作為對電動機控制的一種手段，作用相當明顯，就交流系統(tǒng)的目前發(fā)展水平而言，可概括如下：（1） 已從中容量等級發(fā)展道大容量、特大容量等級，并解決了交流調速性能指標問題，填補了直流調速系統(tǒng)在特大容量的空白。（2） 可以使交流調速系統(tǒng)具有高的可靠性和長期連續(xù)運行的能力，從而滿足有些場合不停機檢修的要求或對可靠性的特殊要求。（3） 可以使交流調速系統(tǒng)實現(xiàn)高性能、高精度的轉速控制，除了控制部分可以得到和支路調速系統(tǒng)的良好的性能外，異步電動機本身固有的優(yōu)點又使整個系統(tǒng)得到更好的動態(tài)性能。交流調速技術中，交流電動機的調速方法有三種：變極調速、改變轉差率調速和變頻調速。 選題的科學依據(jù)、意義以前電動機大多使用由模擬電路組成的控制柜進行控制，現(xiàn)在單片機已經(jīng)開始取代模擬電路作為電機控制器。它有如下特點：（1） 使電路更簡單：在模擬電路中，為了實現(xiàn)控制邏輯需要采用許多電子元件，電路比較復雜。采用單片機后，絕大多數(shù)控制邏輯可以通過軟件來實現(xiàn)。（2） 可以實現(xiàn)比較復雜的控制：單片機具有更強的邏輯運算功能，運算速度快、進度高，一般都有大容量的存儲單元，因此有能力實現(xiàn)復雜的控制等。（3） 靈活性和適應性：單片機的控制方式是由軟件完成的。如果要修改控制規(guī)律，一般不需要改變系統(tǒng)的硬件電路，只需要修改程序即可。在系統(tǒng)調試和升級的時候，可以不斷城市選擇不同的參數(shù)，非常方便。（4） 無零點漂移，控制精度高:數(shù)字控制不會出現(xiàn)模擬電路中經(jīng)常遇到的零點漂移問題。無論被控量的大與小，都可以保證足夠的控制精度。（5） 多機聯(lián)網(wǎng)工作，提供人機界面：新型單片機內多嵌有各種總線，可以方便的進行聯(lián)網(wǎng)通信，實現(xiàn)多機聯(lián)網(wǎng)工作；能夠和上位機進行通信，提供可視化人機界面，方便進行調節(jié)和控制。本課題主要涉及和研究采用單片機作為