【導讀】的快速發(fā)展下，永磁同步電機得以迅速的推廣應用。視的今天，對其研究就顯得非常必要。而ATMEL公司生產(chǎn)的AT89系列單片。大存儲容量、指令簡潔、方便易學等諸多優(yōu)點而廣泛應用在工業(yè)測控系統(tǒng)中。電能，提高效率的目的。本設計即是基于此方面的考慮，擬以ATMEL公司生。入單片機統(tǒng)計處理后得出的結果即可準確地跟蹤電壓和電流的有效值。綜合以上電壓、電流有效值和功率因數(shù)的測量結果可計算出。電機的輸入功率和有功功率。

　　

【正文】 CPU 的資源。CPU 采集到一系列數(shù)據(jù)，經(jīng)運算處理后由液晶顯示出來。最后本套電路還增添了一個開關作為人機交互的通道，這個開關經(jīng)簡單的消抖電路連接至單片機的 引腳，用戶可藉此自行選擇查看測量所得出的電壓或電流有效值。 此部分 電路原理圖如 圖 三 8 所示。 第 3 章 三相永磁電機輸入電壓和輸入電流有效值的測量方法 19 圖 三 8 采樣控制電路原理圖 （四）、 由瞬時值跟蹤有效值的理論依據(jù) 第 3 章 三相永磁電機輸入電壓和輸入電流有效值的測量方法 20 在本系統(tǒng)中，我們先通過快速的 A/D 轉換器 得到一連串 交流電壓和電流的瞬時值，這些離散的模擬信號 傳給單片機就可以按照以下的公式運算得出離散信號的有效值。 上式中， N 為整周期倍數(shù)的采樣點總數(shù)， VK 為第 K 次采樣值。 與傳統(tǒng)的模擬電壓表 測量電壓有效值 相比，被測電壓的瞬時值數(shù)據(jù)量化更實時準確， 而且很容易實現(xiàn)存儲、傳輸、處理等。在對交流電壓的測量，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣速率必須是信號最高頻率的兩倍以上，采樣頻率越高，時間軸上的信號分辨力就越高，所獲得的信號就越能反映原始信號的瞬時變化值。電壓測量的分辨率取決于 A/D 采樣器件的位數(shù)。 在實際應用中， A/D 轉換器處理輸出的離散瞬時值可先存儲在 SRAM 中，一段時間后再輸入單片機進行運算顯示 。相關操作均可由軟件進行方便地執(zhí)行。 第 4 章 三相永磁電機功率因數(shù)及輸入功率的測量方法 21 四、 三相永磁電機功率因數(shù)及 輸入 功率的測量方法 （五）、 功率因數(shù)的測量方法 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，往往需要對電動機運行期間的功率因數(shù)進行檢測 ，以便采取相應的補償措施來提高功率因數(shù)，達到節(jié)約電能的目的。 對于三相對稱負載，交流電任意一相的功率因數(shù)就等于系統(tǒng)的功率因數(shù)。記做 其中 為交變電壓和電流之間的相位差。 本章將給出通過測量單相電壓及電流之間的相位差來得到三相系統(tǒng)的功率因數(shù)的測量方法。 令τ為交變電壓和電流波形先后到來的時間差，則波形相位差 我們先用電壓、電流互感器將較大的交變電壓和交變電流變?yōu)榉逯翟?5V以內(nèi)的低壓信號，經(jīng)過零比較器，交變信號變?yōu)榉讲ㄐ盘枴＿^零比較器可采用圖 四 1 所示的設計方法。 圖 四 1 過零比較器 需要注意的是，該電路輸出信號為數(shù)字量，為保證可被單片機識別的足夠的幅度，運算放大器 LM324 的供電電壓應比 5V稍大，上圖為 。 圖 四 1 中，運算放大器的正輸入端與低電平相接， 當輸入信號為正時，輸出低電平；當輸入信號為負時，輸出高電平。因此 每當 輸入信號從 負值經(jīng)零過渡到正值時，輸出端會都出現(xiàn)一個負脈沖的 跳變，而 AT89S51 單片機的外部中斷接口是可以識別下降沿脈沖的，相鄰兩個下降沿相差的時間就是信號的一個周期。 這種測量方式的實際應用方法為：分別將原待測電壓和待測電流經(jīng)處理后的幅值在 5V內(nèi)的電壓信號通入過零比較器，將過零比較器的輸出端作為外部中斷來源分別接入 AT89S51 單片機的 和 端口，當單片機接收到來自過零比較器的下降沿時會產(chǎn)生中斷，于是轉入中斷處理，在中斷處理子程序中可立即開啟定時器 ，因來自待測電壓和待測電流產(chǎn)生的中斷有時間間隔且二者頻率相同，故兩個 中斷源一定順次接收到中斷。在下一次中斷到來后單片機可立即查看定時器計數(shù)值來計算這兩個來自不同中斷源的中斷之時差進而推算出電壓信號和電流信號的相位差 。 該過程可表示如下： 第 4 章 三相永磁電機功率因數(shù)及輸入功率的測量方法 22 如果單片機使用 12M 的晶振作為時鐘，執(zhí)行一條指令需要的時間為 1us，50Hz 交變電壓的周期為 20ms，故處理中斷子程序而對實驗結果造成的誤差是在允許范圍內(nèi)的。 據(jù)此方法測出相位差 后，立即可求得功率因數(shù)為 。 （六）、 電機輸入功率的求解方法 對 于單相負載，設： 則 令 ，則 從上式可以看出，瞬時功率有兩個分量，第一個為恒定量，第二個為正弦量，而且其頻率為電壓或電流頻率的兩倍。 瞬時功率還可以改寫為 顯然，上式中的第一項始終大于或等于零 ( )，它是瞬時功率中的不可逆部分；第二項是瞬時功率中的可逆部分，其值正負交替，這說明能量在外施電源和負載之間來回交換。 瞬時功率的實際意義不大，經(jīng)常采用平均功率的概念。平均功率又稱有功功率，描述了負載的熱效應， 計算式如下： 使用第三章講述的方法我們已經(jīng)可以測出三相電機的相電壓和線電流的有效值分別設為 U、 I；利用第四章 （五）、 節(jié)介紹的方法我們可以測出電機的功率因數(shù) 。那么對于三相電機，其視在功率，即輸入功率為： 過零比較器 過零比較器 AT89S51 電壓信號 電流信號 第 4 章 三相永磁電機功率因數(shù)及輸入功率的測量方法 23 平均功率即有功功率為 第 5 章 總結與致謝 24 五、 總結 與致謝 本文緊緊圍繞課題名稱“基于 ATMEL 單片機的永磁同步電機電能參數(shù)測量硬件設計”展開，按章節(jié) ，分層次系統(tǒng)論述了該系統(tǒng)的硬件電路設計方法。各章均圍繞不同的側重點展開討論 ，章節(jié)之間有交叉，但不重疊，層次分明，便于整體閱讀或相關知識點檢索。各大章主要內(nèi)容可分別概括如下： 第 1章 . 緒論，簡要介紹了本文論述的主要內(nèi)容、系統(tǒng)設計存在的一系列問題及相應解決方法，后文均以此為大綱展開； 第 2章 . AT89S51 單片機構造及控制原理簡介， AT89S51 單片機作為系統(tǒng)的 CPU，是整個硬件電路的核心，它直接控制著各種芯片執(zhí)行相關任務。同時這款 CPU 也是權衡多種因素后選定的，具有價格低、功耗小、速度快、易學易用等諸多優(yōu)點。 本章系統(tǒng)描述了該 CPU芯片的結構及工作原理，后文介紹的硬件電路設計均須圍繞它展開。 第 3章 . 三相永磁電機輸入電壓和輸入電流有效值的測量方法，有效值不能直接測量，因此本章先講述如何測量電壓電流的瞬時值，然后介紹由離散值描述連續(xù)值的理論基礎。 設計 瞬時值 測量電路時，需要以變壓器為強電到弱電的變換環(huán)節(jié)，以霍爾電流傳感器為電流到電壓的中間媒介，以 A/D 轉換器為模擬量到數(shù)字量的轉換通道，最終的數(shù)字量由單片機處理后輸出顯示。 第 4章 . 三相永磁電機的功率因數(shù)和輸入功率測量方法，功率因數(shù)由交變電壓電流之間的相位差決定，測量該相位差時，我們先把電壓和電流信號 分別通入過零比較器得到方波信號，方波信號的下降沿引發(fā)單片機中斷，配合定時器便可求得該相位差 。 由于時間倉促， 水平有限， 在本論文的完成過程中我雖進行了很多實驗，但最終還是沒能做出完整的實物。在選型 A/D 轉換器、模擬開關和其他芯片時，我都仔細閱讀了它們的英文 datasheet，并做了局部的通電試驗，沒有在整套的實物系統(tǒng)中驗證該設計的可行性是我最大的遺憾。在實物系統(tǒng)中一定會存在比理論值更大的誤差和外界環(huán)境不穩(wěn)定導致的種種錯誤，這些都是需要在實踐中予以校正的，是單純 的 理論推導 無法解決的。以后如果有機會我一定會繼續(xù) 完善我的畢業(yè)設計，來祭奠我已逝的大學時光！ 在此論文完成之際，首先感謝我的導師王松副教授 ,在他的悉心指導下本論文才得以順利完成。 在一年的畢業(yè)設計期間 ，無論在學習上還是在生活中，王老師都給予了我很大的幫助。王老師嚴謹?shù)目蒲袘B(tài)度、淵博的專業(yè)學識、豐富的實踐經(jīng)驗以及忘我的工作精神對我有著非常深遠的影響，激勵著我不斷努力學習和工作。生活中王老師給予了我無微不至的關懷，讓離家在外的我心里倍感溫暖。王老師謙遜真誠、平易近人的處世態(tài)度更對我產(chǎn)生了深刻的影響，并將成為我今后工作和學習的榜樣。在此謹向王老師致以衷心的感謝 與敬意 ! 在課題研究過程中，我得到了學院老師與實驗室同學們的支持和幫助，這里濃厚的學術氛圍和良好的團結協(xié)作使我獲益良多。 特別感謝 08 自動化的李第 5 章 總結與致謝 25 召卿同學，去年他以優(yōu)異的成績保送本校讀研，這一年深入交往過程中他嚴謹而踏實的學習態(tài)度，含蓄而幽默的處事風格都給我留下了深刻的印象。他經(jīng)常在實驗室學習，對于我的每次造訪他都熱情迎接 ，對于我不懂的知識他也悉心講解，令我很是感動，從他身上我學到了很多，我懂得了如何對待學習，如何謙以待人！借此機會我發(fā)自內(nèi)心的說：“謝謝你，你真是我的好朋友！”感謝同一實驗室的 瞿二龍、及非凡、彭 華元等同學和沒來得及詢問姓名的研究生師兄師姐們 ，正是與 你們 共同學習和探討才能讓我取得今天的成績， 你們 給了我許多啟發(fā)和幫助。 感謝父母的養(yǎng)育之恩，感謝家人的理解，感謝所有愛護我的人！是他們的殷切希望與無微不至的關懷支持我前行，我的每一點進步都凝聚著他們的心血，我的每一點成功都屬于他們 ! 最后，感謝評審論文的各位專家和學者，您辛苦了！參考文獻 26 參考文獻 1. MCS51 系列單片機應用及接口技術 ， 徐建軍 ， 湯鈺鵬 ， 北京 ， 人民郵電出版社 ,20xx 2. 單片機原理及接口技術 ， 李朝青 ， 北京 ， 北京航空航天大學出版社 ,1999 3. 單片機接口技 術與應用 ， 朱善君 ,孫新亞 ， 北京 ， 清華大學出版社 ,20xx 4. 永磁電機 ， 王秀和等 ， 北京 ， 中國電力出版社 ,20xx 5. 電機及拖動基礎 ， 顧繩谷 ， 北京 ， 機械工業(yè)出版社 ,19801981 6. 交流電機動態(tài)分析 ， 湯蘊璆 , 張奕黃 ， 北京 ， 機械工業(yè)出版社 ,20xx 7. 交流調(diào)速控制系統(tǒng) ， 李華德 ， 北京 ， 電子工業(yè)出版社 ,20xx 8. 51 系列單片機開發(fā)寶典 ， 趙建領 , 弓雷等 ， 北京 ， 電子工業(yè)出版社 ,20xx 9. 電路設計與制版 :Protel 99 高級應用 ， 趙晶 ， 北京 ， 人民郵電出版社 ,20xx 10. 電子設計基礎 ， 曹文 ， 北京 ， 機械工業(yè)出版社 ,20xx