毕 业 设 计
设计题目 单片机控制异步电动机节能器的研究 系（部） 电力工程系
学科专业 电气工程及其自动化 班 级 电气工程 12-6 姓 名 周凯 学 号 20122200888 指导教师 刘老师
二〇一四年五月三十日
新疆工程学院毕业设计任务书
学 生 姓 名 设 计 题 目 接受任务日期 指 导 教 师 2014.1.14 刘老师 周凯 专 业 班 级 完成任务日期 指导教师单位 电气工程及其自动化12-6 2014.5.30 新疆工程学院 单片机控制异步电机节器的研究 毕业设计是培养学生独立思考和科学的工作方法的重要过程,通过毕业设计，培养学生综合运用所学理论知识和技能，分析解决实际问题的能力。培养学生掌握设计电力系统课题的思想和方法，树立严肃认真的工作作风。培养学生调查研究、查阅技术文献、资料、手册、各种工具书及工程绘图，撰写技术报告和编制技术资料的能力。 设计目标
本设计通过分析交流异步电机软启动器工作原理，在Intel 89C51单片机基础上对其软硬件进行了适当扩展，借助功率因数测量电路和软启动器的晶闸管调压电路组成的闭环反馈系统，使电机始终工作在设定功率因数下，从而实现交流异步电机的恒功率因数控制，达到节能运行的目的。 通过毕业设计，要求学生在指导教师的指导下，独立完成所分担的设计课题的全部内容，包括：（1）通过调查研究和毕业实习，收集和调查有关技术资料。（2）进行方案选择、系统的性能分析以及参数的计算。（3）根据课题的要求进行工程安装和调试。（4）正确编写设计说明书。 设计要求利用Proteus和Matlab软件串口通信进行软件仿真，对比可见直接起动时的瞬时冲击电流很大，这对电机本身拖动设备及电网都造成冲击。而软起动时的起动电流以一定的速率平稳地增加当增大到设定的电流限定值时，保持恒定直至起动结束避免了瞬时冲击电流给电机本身拖动设备及电网带来的不利影响。
第一周：参考单片机和三相变频调速相关资料为开题报告做好相关准备。 第二周：根据原始资料选择设计方案和开题答辩。 第三周：选择合适的方式节能和节能方案。 教师指导过程记录 第四周：利用Matlab软件中的Simulnk建立子系统。 第五周：基于Mltalb绘出仿真的波形图并且加以分析。 第六周：根据仿真结果对目标代码进行分析，应用分析结果対元件进行适当调整。 第七周：对设计初稿进行润色修改。 第八周：指导教师审查后再修改，定稿后，按照标准规格打印装订。 第九周：论文评阅--请专家及导师评阅论文。 第十周：论文答辩--整理所有的资料，准备论文答辩。 [1] 李艳军. 电机学.农业大学出版，2003.2 [2] 张毅刚.彭喜元.单片机原理与应用设计，北京：电子工业出版社，2008.4 [3] 张爱玲等.电力拖动与控制.北京：机械工业出版社，2003.5 [4] 洪伟明．电动机节能措施的研究．机电工程，2006.2 [5] 张长利.沈明霞.电路，北京：中国农业出版社，2008.2 [6] 王兆安，黄俊. 电力电子技术. 北京：机械工业出版社，2002.1 参考资料[7] 张震．异步电机节能控制器研究.西安：西北工业大学，2007.5 [8] 谭浩强.C程序设计，北京：清华大学出版社，2005.4 [9] 何明中．基于单片机的电机节电器．河北师范大学学报，2002.7 [10] 陈丕璋，周明宝，俞鑫昌．电动机节能技术．北京．科学出版社，1989 [11] Paoletti G J,Rose A. Improving existing motor protection for medium voltage motors.IEEE Trans Ind Appl,1989,3
新疆工程学院毕业设计成绩表
学 生 姓 名 设 计 题 目 考 核 项 目 1、工作态度与纪律 一、 指导教师评分 2、基本理论、基本知识、基本技能和外文水平 3、独立工作能力、分析和解决问题能力 4、完成任务的情况与水平（论文与实物硬件质量） 周凯 专 业 班 级 电气工程及其自动化12-6 单片机控制异步电动机节能器的研究 考 核 内 容 满 分 5 5 10 10 评 分 指导教师签字： 年 月 日 15 1、论文质量（正确性、条理性、创造性和实用性） 二、 评阅2、成果技术水平（理论分析、计算、实验和实物性能） 15 教师评分 评阅教师签字： 年 月 日 1、完成任务书所规定的内容和要求 三、 答辩小组评分 2、论文与实物的质量 3、课题设计内容的讲述 4、回答问题的正确性 10 10 10 10 答辩组长签字： 年 月 日 四、答辩小组成绩评定： 负责人签字： 年 月 日 五、答辩委员会意见： 答辩委员会主任签字： 年 月 日
目 录
摘 要： ........................................................... 1 Abstract: .......................................................... 2 第一章 引言 ...................................................... 3 1.1 异步电机节能运行技术的重要意义 ............................... 3 1.2 异步电动机节能控制器的国内外研究现状和发展趋势 .......................... 3 1.3 异步电动机调压节能控制方法 ............................. 6 1.4 异步电机软启动技术概述 ....................................... 7 1.4.1 传统启动与软启动 .................................................................................. 7 1.4.3 软启动器的工作方式 .............................................................................. 8 1.4.4 软启动器的适用场合 .............................................................................. 9 1.5 节能运行技术发展现状 ........................................ 10 1.5.1 节能运行的基本原理 ............................................................................ 10 1.5.2 节能运行在软启动器上的实现 ............................................................ 12 1.6本文任务 ....................................... 错误!未定义书签。 第二章 节能运行的工作原理 ....................................... 14 2.1 功率因数的测量与计算 ........................................ 14 .......................................... 14 2.1.1 信号的过零检测
.......................................... 14 2.1.2 功率因数的计算
...................................... 15 2.1.3 技术难点和解决方式
2.2 基于单片机的PID调节 ........................................ 16 .......................................... 16 2.2.1 PID调节的原理
.......................................... 16 2.2.2 运算方式的选择
第三章 系统构成 ................................................. 18 3.1 硬件选择与连接 .............................................. 18 ................................ 18 3.1.1 单片机与功率因数检测电路
........................................ 18 3.1.2 电机运行控制电路
...................................... 18 3.1.3 数据输入与显示电路
3.2 工作原理 .................................................... 21 .................................................... 21 3.2.1 键盘
.................................................... 21 3.2.2 显示
第四章 控制与运行方式 ........................................... 22
4.1 运行方式及参数设置 .......................................... 22
.......................................... 22 4.1.1 可选方式与参数
................................................ 22 4.1.2 操作流程
4.2 程序设计 .................................................... 23 ......................................... 23 4.2.1 MATLAB软件简介
............................................. 24 4.2.2 软件优势特点
................................................. 24 4.2.3 编程环境
................................................. 26 4.2.4 串口通信
4.3 主控制流程 .................................................. 27 ........................................... 27 4.3.1 故障检测与处理
................................................. 28 4.3.2 工况判断
................................................. 31 4.3.3 工况处理
................................................. 34 4.3.4 转矩修正
................................................. 34 4.3.5 矢量控制
................................................... 36 4.3.6 SVPWM
................................................. 37 4.3.7 硬件通信
第五章 仿真与实验结果 ............................................ 38 结 论 ......................................................... 45 致 谢 ......................................................... 46 参考文献 ......................................................... 47 附录1： ......................................................... 48 附录2： ......................................................... 56 附录3： ......................................................... 57 附录:4 ........................................................... 58 附录5： ......................................................... 59 附录6： ......................................................... 60
单片机控制异步电动机节能器的研究
摘 要：
交流异步电机是工农业生产中最重要的拖动设备之一，因其结构简单、维修容易等优点而得到了广泛应用。但电机直接启动时的电流和机械冲击过大，对其自身及拖动设备的使用寿命都会产生影响，较大的电网压降还会影响电网供电和其他设备运行。因此，采用电机软启动技术势在必行。
本文通过分析交流异步电机软启动器工作原理，在Intel 89C51单片机基础上对其软硬件进行了适当扩展，并添加了人机界面，从而可对电机运行的各参数进行设定和修改。借助功率因数测量电路和软启动器的晶闸管调压电路组成的闭环反馈系统，单片机可以根据负载变化相应地调整电机输出电压，使电机始终工作在设定功率因数下，从而实现交流异步电机的恒功率因数控制，达到节能运行的目的。
关键词：交流异步电机；单片机节能；软启动；
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Study on MCU control energy saving device for
asynchronous motor
Abstract:
In the industrial and agricultural manufacture, alternating current asynchronous motor is one of the most important driving equipments. It has got vast application for a simple framework and well maintain ability. But when asynchronous motor is started directly, the motor and the driving equipments’ longevity will be badly affected by huge starting-current and mechanical collision, and big voltage decrease would influence the power-supply network, even other equipments’ operation. So it is necessary to undertake the asynchronous motor’s soft start technology.
The paper analyzes the working principle of asynchronous motor soft-starter, and realizes software and hardware expansion based on single-chip microcomputer Intel-89C51.A interface between human and soft-starter, where the operation data of the motor could be modified has also been added. The power factor measure circuit and the soft-starter’s thyristor voltage modualtor form a close circuit feedback system, by which the single-chip microcomputer can change the motor’s terminal voltage according to the load, and make the motor runs under the set power factor. In this way, the asynchronous motor’s constant power factor control system is realized, and the energy saving operation is achieved.
Keywords：AC asynchronous motor soft start energy-saving; single chip microcomputer;
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第一章 引言
近年来，我国工农业的飞速发展对电能的需求越来越大，但煤炭、石油等燃料资源的相对短缺极大限制了电力资源的供应、大幅抬升了电力价格。在这种情况下采用现实可行的节能技术，节约用电量、提高能效就成为当务之急。
1.1异步电机节能运行技术的重要意义
电机是工业生产中最重要的拖动设备之一，交流异步电机由于结构简单、维修容易等优点，被广泛应用于工农业及其他生产当中。但电机直接启动时的电流过大，启动瞬间转矩造成的机械冲击也会影响其本身及拖动设备的使用寿命，过大的启动电流还加速了电机绝缘老化。电机启动时会引起较大的电网压降，影响电网供电和其他设备运行。频繁启动电动机的场合，还会因电机的短路、缺相、过流、欠压、堵转等故障影响设备运行。因此，宜采用软启动控制技术，改善电机的不良启动性能，延长电机寿命，减少电网冲击。
据不完全统计，电机的用电量已占到我国发电总量的50%，研究电机节能运行技术具有很强的现实意义。由电机学理论可知，异步电机运行在额定负载时效率最高，通常可达80%左右；其负载越小，效率和功率因数就越低。多数电机，其大部分运行时间内的负荷率都在50%-60%，实际运行效率较低；而电机选型时又是按照需要的最大负载和最坏情况下所需要的功率而定的，因此在大部分时间内，电机都运行在效率较低的轻载情况下。在轻载情况下降低电机电压，既提高了其运行效率，也可以显著节省电能。[1]
1.2 异步电动机节能控制器的国内外研究现状和发展趋势
为了提高电机的工作效率，多年来世界各国从电机的设计制造、电机的选择使用、电网供电管理等几个方面入手，作了大量研究工作，取得了较好的成果。其中从电机的设计制造方面人手，开发出了高效节能电动机，使效率显著提高，可大量节能。但这种电机造价较高，而且经济效果较大地取决于负载的情况，即对于长期工作于额定负载、连续运行的应用场合，其节能效果能达到最佳。但对大多数电机用户来说，怎样使现有设备上的电机工作于效率较高的状态显得更为现实,为了提高电机的工作效率，世界各国从电机的设计制造、电机的选择使用、电网供电管理等几个方面入手，作了大量研究工作，取得了较好的成果。其中从电机的设计制造方面人手，开发出了高效节能电动机，使效率显著提高，可大量
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节能。但这种电机造价较高，而且经济效果较大地取决于负载的情况，即对于长期工作于额定负载、连续运行的应用场合，其节能效果能达到最佳。但对大多数电机用户来说，怎样使现有设备上的电机工作于效率较高的状态显得更为现实。
国外从六、七十年代就开始了中小型异步电动机的节能研究，1975年美国宇航局工程师Frank Nola为减少航天飞机上泵和风扇能耗而研制的功率因数控制器，通过后面第二章的分析可以得出：即在定子电压一定的情况下，只要负载率小于额定负载率，交流异步电动机的功率因数基本是和它的负载率成一一对应的关系。这种装置的工作原理是通过检测功率因数作为控制输入电压信号，并通过该类装置控制定子端电压来调节输入功率，使其随负载的变化而变化。该类装置空载时节电率为40%左右，总节电率大致为20%左右，功率因数有一定改善，但并未超过0.5。
利用晶闸管交流调压技术研制的软起动器是从70年代开始应用的，以后美国宇航局工程师诺瓦又把功率因数控制技术结合进去，以及采用微电脑代替模拟控制电路，发展成现在的智能化电机节能控制器。 目前，世界上有许多公司都生产软起动器，例如：美国Allen-Bradley公司在90年代初期推出了系列的智能控制器（SMC-Smart Motor Controller）；GE公司生产的软起动器最大功率为850KW，额定电压500V，额定电流1.18KA，最大起动电流为5.9KA；在欧洲，德国的金钟默勒公司的Softpact系列起动器在欧洲销售得较好；意大利SIEI公司生产的软起动器额定电压达到690V，额定电流达到1.6KA。以上的电机控制器都有优良的性能。它们集软起动、节能、电机保护于一体，并且有良好的用户界面，通过键盘和液晶显示器可以方便的设置系统参数和得到控制器运行状态。
从控制性能和控制方法来说，变频调速节能是最有前途的控制方法，发展也较快，例如PWM控制、直接转矩控制、矢量变换控制等方法的应用使电动机的运行性能得到很大的提高。在发达的国家其在调速中占主要地位，但是在我国应用缓慢，主要原因是由于价格太贵，以调查数据表明:三相异步电动机在容量、规格、性能和重量相似的情况下，中国的电动机产品价格是西欧的1/3一1/5，而变频器的价格却是西欧的3一5倍;另外我国的电力电子器件和变频器制造技术也与国外有差距，产品合格率低，故障率高，维修困难;当设备的运行性能要求不高时，变频器节能的优点也难以体现。
当改变电动机定子的输入电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而
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获得不同的转速。其主要装置是一个能提供电压变化的电源，自动地改变电源电压以适应负载的要求。晶闸管调压调速线路简单，运行可靠，维护方便。非常适合于变负载类系统节能改造。特别是高压大电流地可控硅元件的发展应用，使调压调速的闭环控制实现容易。这方面的研究也正在得到深入的研究。其中，改变输入电压节能的一个关键电力电子器件的性能对节能控制器的发展有直接的影响。电力电子技术是以实现功率变换、能量传递为主要任务的现代工业电子技术，其应用贯穿在电能的获取、传输、变换和利用的每一个环节，发挥着不可替代的重要作用。近年来，电力电子技术得到迅猛发展，通过电力电子技术处理的电能在整个国民经济总耗电量中所占的比例越来越大，发达国家现在电能的75%左右经过电力电子技术变换和控制后使用。
电力电子技术已取得十分辉煌的成就，但它仍是一门方兴未艾的技术。电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础，电子电子器件制造技术的每次重大进步都对电力电子技术的发展产生深远影响。迄今为止，用于制造电力电子器件的材料都是硅半导体材料。对于新的材料，如碳化硅等材料的研究已经进行多年，不久的将来可能回取得突破，采用碳化硅制成的电力电子器件压降小、损耗小、耐压高，并且可以承受的温度也远高于硅材料。因此，碳化硅材料器件的应用将使电力电子器件和装置的功率密度大幅度提高，性能大为改变，会给电力电子技术带来革命性的变化。
以晶闸管(SCR)组成的变压变流装置，解决了传统电能变换装置中存在的能耗大、效率低和装置笨重问题，一定程度上控制了工业噪声。装置的寿命也延长了。它的额定容量是所有电力半导体器件中最高，价格同规格相比最低，所以大容量控制中得到充分的应用。
由于能源紧缺我国也从七十年代开展了大规模节能装置的研究。据国家第七批节能产品推广项目介绍，研制出了ID，DJZ，XSZ等等一大批系列节电器。其空载节电率大于30%左右，轻载（小于30%负载率）为33~43%左右。与国外相比，国内集软起动、节能、保护于一体的电机节能控制器的研制起步较晚，但发展很快。目前市场上已有天津、上海、西安等多家企业的产品，系列产品达到320KW。但这些产品功能还不完善，性能不稳定，界面不友好，同国外产品比较还有很大差距。而国外产品价格昂贵，操作复杂，对使用人员要求高，限制了在国内的推广。在应用上，国内使用智能型电机节能控制器的场所还很少，传统的
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交流电动机起动器仍继续占领市场，所以目前研究智能型电机节能控制器这种产品有非常广阔的市场前景。
因此，有必要自行研制适合我国国情的国产节电器以满足市场对节电产品的迫切要求。研制中除了借鉴国外产品成功经验外，还要针对其不足和我国电网不稳，负载波动大，电动机空载率高等具体情况，利用先进的人工智能技术和微处理技术，开发出具有特色的中国人自己的节电产品来。
1.3 异步电动机调压节能控制方法
本论文主要从电机的软起动控制和轻载调压控制两方面着手，达到节能的目的。 异步电动机的起动控制方式：异步电机是以反电势来平衡外电压的，反电势随着转子转速的增加而逐渐增大，电动机在起动之初反电势为零，所以起动时冲击电流很大，约为额定电流的5~7倍。对于功率较大的异步电机起动时电流会达到几千安培，会对电网造成很大的冲击，使电源电压下降，影响同一电网上的其它设备的起动和正常工作。基于以上的原因，电动机一般不允许直接起动，必须对其起停加以控制。可以实现异步电机软起动的方式主要有：离心连接方式、变频调速起动方式、降压起动方式。 (1) 离心连接方式
包括液力耦合器，电磁转差离合器等多种形式。其基本原理是在电机和负载之间加入中间级以起到缓冲作用，离心连接可用于调速，但调速范围不大，精度低。这种起动方式可以防止起动时对负载设备的冲击，但不能防止起动过程中冲击电流对电网的影响。 (2) 变频调速起动方式
变频调速系统除进行电机调速外，还可以实现平滑起动。在电机起动加速时，逆变器输出频率做线性增长，随频率增大电压随之增高，可使电机起动时的电流限制在1.5I左右。对于有调速要求的电力拖动系统，宜采用变频器调速方式。但这种电机控制器的电路复杂，成本较高，当不需要精确调速时，不适合应用这种起动方式。 (3)降压起动方式
包括常规的降压起动和固态软起动器起动两种方法。常规的降压起动方式主要有：定子电路中串入起动电抗、星—三角形起动、自耦变压器降压起动等。这
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类起动控制可以达到减小起动时的机械及电器冲击的基本要求，但它们仅仅是名义上的软起动控制器，因为它们将起动阶段分为两个或多个步骤，起动电流由一级向相邻一级跳变时会产生跳跃冲击，且这类控制器均以接触器为主要部件，虽然经过不断的设计改进，但还是存在不可消除的缺点，如体积大、机械磨损、触头烧熔、工作噪声、工作时的射频干扰和机械震动，为此，起动设备需要经常维修，实践表明，这类起动器的性能比电机本身还要差。另外一种降压起动方式是用固态起动器起动。固态起动器是一种新型的无触点起动器，通过半导体元件来控制。在三相电路的每一相有两个晶闸管反并联连接，控制输出的触发脉冲即可调整晶闸管的输出电压3。
图1.1 异步电机结构图
1.4异步电机软启动技术概述
1.4.1传统启动与软启动
异步电机的传统启动方式有全压启动、星三角降压启动和自耦降压启动等。前者启动电流大，5-7倍的启动电流造成能量的巨大消耗，对电网和变压器也有很大冲击，影响电机本身及控制期间的寿命；后两者启动电流较小，但同样存在冲击电流，设备故障率较高，同时启动转矩降低，启动时间延长。
所谓“软启动”，就是按预先设定的控制模式进行的电机降压启动过程。交流电机启动时的电流一般是额定电流的1.5倍，软启动的主要目的是降低异步电
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机的启动电流，提高系统运行稳定性，延长电机及相关设备的使用寿命。 1.4.2 软启动器的基本原理
软启动器的晶闸管调压电路由6个晶闸管两两反向并联组成，串接于交流异步电机的三相供电线路之上。(图1-1)加入启动信号后，系统软件首先施加若干毫秒的固定延时用于系统自检，然后进行有关计算，输出晶闸管触发信号，通过控制晶闸管导通角α，使启动器按所设计的模式调节输出电压、控制电动机的启动过程。启动过程完成后，单片机再发出控制信号，启动器将用于短接可控硅的旁路接触器吸合，短路掉所有的晶闸管，使单片机控制系统停止工作，电机直接投入电网运行，避免不必要的电能损耗。
A3ΦBC图1.2晶闸管调压主电路
M异步电机
1.4.3 软启动器的工作方式
(1)限流软启动 主要用于轻载启动。在启动过程中限制启动电流不超过某一设定值(Im)，其输出电压从零开始迅速增长，直到其输出电流达到预先设定的电流限值Im，然后在保持输出电流I 8 毕业设计 特性调整。这种启动方式的特点是启动电流相对较大，但启动时间相对较短。 (3)转矩控制启动 主要用于重载启动，它是按电动机的启动转矩线性上升的规律控制输出电压，它的优点是启动平滑、柔性好，对拖动系统有利，同时减少了对电网的冲击，是最优的重载启动方式，其缺点是启动时间较长。 (4)转矩加突跳控制启动 与转矩控制启动同样用于重载启动。不同的是，突跳控制在启动瞬间用突跳转矩克服拖动系统的静转矩，然后转矩平滑上升，可缩短启动时间。但是，突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其它负荷。 (5)电压控制启动 用于轻载启动，在保证启动压降的前提下使电动机获得最大的启动转矩，尽可能地缩短启动时间，是最优的轻载软启动方式。 1.4.4 软启动器的适用场合 (1)生产设备精密，不允许启动冲击，否则会造成生产设备和产品不良后果的场合。 (2)电动机功率较大，若直接启动，要求主变压器容量加大的场合。 (3)对电网电压波动要求严格，对压降要求≤10% UN的供电系统。 (4)对启动转矩要求不高，可进行空载或轻载启动的设备。严格地讲，启动转矩小于额定转矩50%的拖动系统才适合用软启动器解决启动冲击问题。重载或满载只能采取变频软启动，实现无过流软启动，提供1.2-2倍额定转矩的启动转矩。 (5)软启动器的缺点是不能长时间应用于启动转矩要求很高的电机驱动装置上。这是因为电机软启动器实际上是将自身电压斜坡式抬升至最大值，停机过程中又逐渐下降至设定的关机水平来完成工作的。由于转矩与电压平方成正比，连接电机无法一开始就达到最大转矩，因此软启动器更适合于风扇、电梯、水泵、传送带等轻型易启动设备。 9 毕业设计 图1.3 美国威尔凯电气软启动装置 1.5节能运行技术发展现状 1.5.1 节能运行的基本原理 电机效率是电机输出功率与输入功率比值的百分数。因为电机的输入功率并不仅用来驱动电机、在轴上输出功率，还有一部分成为电机的固有损耗，所以电机效率总是小于1。 电动机的效率是指电动机的输出功率和输入的有功功率之比，电动机的功率因数是指电动机的输入的有功功率和输入的视在功率之比。在额定条件下，电动机运行的功率、损耗、效率和功率因数之间的关系为:电动机的输出机械功率如公式(2-14)所示，电动机的效率为: PpCu1pFePCu2pmpsP2100%1100% （1-1） PP11 功率因数为： cosP1P2 （1-2） 3I1U13IU1U1 从上面式中可以看出，电动机的效率和功率因数有关。 电动机对应不同的负载率，效率和功率因数的数值是变化的，在额定负载率 10 毕业设计 左右，可达到最高运行效率和较高的功率因数，不同的负载率下，电动机效率和功率因数曲线见下图所示: ncosφ80％ncosφ60％060％100％β 图 1.4不同负载率下效率与功率因数关系曲线 电机的主要损耗为铁耗和铜耗，其中铜耗是电流经过电机绕组产生，与电流平方成正比；铁耗是电机定子和转子铁心中的励磁电流而产生，与供电电压成正比。其他损耗很小可忽略。 铜损耗(PCu) 电动机的铜损耗包括定子铜损耗Pcu1，和转子铜损耗Pcu2。它们是由定子电流和转子电流流过定子、转子绕组而产生的。 2P3IR1 Cu11 （1-3） 式中，R1为定子每相电阻;I1为定子每相电流。 PCu2SPe （1-4） 式中，S为转差率;Pe为电磁功率。 11 毕业设计 铁损耗(PFe) 电动机的铁损失包括磁滞损失和涡流损失，它是铁芯在磁场中受交变磁化作用产生的。 1..32PkfB Fe （1-5） 式中，k为常数;f为电源频率;B为磁通密度。 由于 BE1U1 （1-6） 式中，φ为磁通量; E1为定子绕组的感应电动势U1为定子绕组的相电压。 所以可以认为，铁损与端电压的平方成正比。由于转子电源频率很低(一般只有1~3Hz)，转子铁芯的损耗很小，因此可以认为:从空载到额定负载的范围内，电动机的铁损耗PFe，仅是定子铁芯损耗。 若电压不变而电机负载变化，则与电压成正比的励磁电流基本不变，电机从电网吸取的无功功率Q也不变，但电机吸收的有功功率是随负载增加而增大的。因此，电机在空载和轻载时功率因数很低，同时由于与负载电流成正比的可变损耗降低使电机的效率也大大下降。如能在负载减轻的同时，相应降低电机端电压，则励磁电流随之减小，Q下降，从而提高了功率因数；同时，定子铁损耗下降，可较大地提高效率，达到节电的目的。 1.5.2 节能运行在软启动器上的实现 为获得最佳的节能效果，人们提出很多电机端电压优化调节原则，如恒功率因数控制、最小定子电流控制、最小功率因数角控制和最小定子输入功率控制等，但最为重要的因素应是功率因数角定义的工程实用性。 异步电机通常总在全压下运行，电机从空载到满载，磁场几乎不变。因此磁化电流在所有负载下基本相同。当电机工作在空载或轻载时功率因数很低，造成电机效率低。如在轻载时适当降低端电压，则定子电流中的无功分量将减小，从而使功率因数上升。由此可见，功率因数既能反映电机负载的变化，又能反映供电电压波动，是一个理想的控制参数。因此，恒功率因数控制成为目前在异步电机节能运行技术中采用最多的控制策略。其原理方框图如图1-2所示。[3] 12 毕业设计 3ΦuicosΦ Ug检测控制调节器移相触发电路AC异步电机B速度传感器图1.5 衡功率控制原理图 利用软启动器实现节能运行，就是单片机通过不断检测电机运行时的功率因数角（cos），并与设定的功率因数角比较，根据比较结果自动地调节软启动器可控硅的导通角α，cos数值低表明是轻载，要降低电动机的端电压；cos数值高表明是重载，则需升高电机的电压。如此一来，实现了可控硅输出电压的自动调节，使电动机始终工作在设定的功率因数下，减少了电机轻载运行时的损耗，提高了电机运行效率，从而达到节能的目的 。本文将在异步电机软启动器的软硬件基础上扩展节能运行功能。 M 1.6本文任务 以Intel 89C51单片机为中心，借助Matlab软件进行功率因数测量电路和软启动器的晶闸管调压电路组成的闭环反馈系统，使单片机能根据负载变化相应调整电机输出电压，实现交流异步电机的恒功率因数控制，达到节能运行的目的与此同时，添加键盘和LED显示器作为人机界面，从而可对电机运行的各参数进行设定、修改和观察。 13 毕业设计 第二章 节能运行的工作原理 节能运行是在异步电机软启动器的基础上扩展的功能，采用恒功率因数控制原理，建立了闭环控制回路。通过扩展的人机界面，软启动器可以在平稳启动后按键选择进入节能运行状态。借助功率因数测量电路和软启动器的晶闸管调压电路组成的闭环反馈系统，根据负载变化，单片机就可以相应地调整电机输出电压，使电机始终工作在预先设定的功率因数下，从而达到节能运行的目的。 2.1 功率因数的测量与计算 2.1.1 信号的过零检测 电机的功率因数与功率因数角呈简单的余弦关系，而功率因数角 可以通 过测量电压电流之间的相位差获得。由于异步电机是个感性负载，轴上电流滞后于电压，电压过零后尚需一个延迟角电流才过零，因此其夹角即为功率因数角。 电路使用同步变压器，将电机端电压降为同频的低电压信号U1；使用电流互感器将流过可控硅的电流取出，并通过电阻转化为相应的同频同相位电压信号U2。为使软硬件得以简化，在功率因数角的测量中对两路信号采用过零检测，通过电压比较器LM393，将信号与微电平相比较，从而获得同频同相位的矩形波U1’和U2’。以电压的上升沿作为触发脉冲的同基准信号。 2.1.2 功率因数的计算 将比较器输出的两路矩形波信号U1’和U2’经与门74LS08相与，输出波形再同U1’一起送异或门74LS86，其输出波形即显示了相位差角的大小（图2-1）。然后将信号输入89C51单片机的INT0口。 先通过软件对寄存器IE赋值，使INT0口关中断。这是因为，定时器/计数器0检测89C51的INT0口，通过定时器工作方式寄存器TMOD来控制定时器/计数器0的工作方式和操作模式，通过定时器控制寄存器TCON来控制它们的工作状态。由于程序需要当INT0脚由低电平变为高电平时，定时器/计数器0开始计时，为了消除外部干扰，须先将INT0口关中断。 定时器/计数器0选择工作方式一，将定时器工作方式寄存器TMOD中GATE位置位，C/T位清零；将定时器控制寄存器TCON中TR0位置位；并将中断允许寄存器IE中EX0位清零。这样，由于电压信号和电流信号经过一个异或门，当电压首先过零而电流未过零时，INT0口就会由低电平跳变为高电平，定时器 14 毕业设计 0同时开始计时；当滞后的电流也过零时，INT0口又由高电平跳变为低电平，定时器0停止计时。随后，程序将计时值送至指定单元。为提高检测精度，又不使计数器溢出，程序连续纪录4个矩形波的时间，算得平均值作为检测值t。 tttttt 图2-1 电流电压信号波形图 由于异步电机是在工频（50Hz）工作，单片机的晶振频率也可知，那么就可 t以求出电压或电流一个变化周期所对应的定时器的计数值T。由 T2可知 tT，t由单片机定时器/计数器0计时获得。而cos可通过事先在单片机 内输入与cos相对应的数表，从而查询取得。 2单片机算出cos的值后送七段数码管显示，同时与设定的功率因数值相比较，开始可控硅调节。 2.1.3 技术难点和解决方式 在功率因数的计算过程中，求相位差的值是通过式2t来实现的。t即T单片机定时器/计数器0计时值，T即电压或电流一个变化周期所对应的定时器的计数值。显然，t 毕业设计 2.2 基于单片机的PID调节 2.2.1 PID调节的原理 PID调节是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的调节方式。其实质是根据输入的偏差量，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果是其输入的比例、积分、微分的函数，用于输出控制。由于PID控制结构简单，参数容易调整，不必求出被控对象的数学模型变可以调节，因此都采用PID调节规律。 检测到的功率因数经与设定值进行比较后得到偏差量；然后由PID算式算出可控硅的控制角，再换算成相应的控制电压，经D/A转换器和运算放大器后送到智能电机控制模块。根据控制电压0-10V的大小，智能电机控制模块可以相应地使可控硅导通角α在0-180º之间调整，通过调节电机电压，达到根据负载调整电机转速的目的。 在模拟系统中，PID算法的表达式为： 5PtKpet1TIetdtTDdetdt （2-1） 其中，P(t)为调节器的输出信号，e(t)为调节器的偏差信号，KP、TI、TD分别为调节器的比例系数、积分时间和微分时间。 2.2.2 运算方式的选择 由于计算机控制是一种采样控制，只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量，因此在机算机控制系统中，必须对式（2-2）进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，将积分项和微分项用求和及增量式表示。常用的PID算法中分为位置型和增量型两种，两种方法各有优缺点，宜根据被控对象的实际情况加以选择。鉴于电机运行控制电路以晶闸管作为执行部件，因此应当采取位置型PID算法，写出第k次采样时PID的输出表达式： PtKPekKIejKDekek1 j0k（2-2） 其中，KIKP采样周期。 TDTKK，为积分系数；D，为微分系数；T为系 PTIT在工业自动控制系统和各种智能产品中常常会用用电动机进行驱动、传动和 16 毕业设计 控制，而现代智能控制系统中，对电机的控制要求越来越精确和迅速，对环境的适应要求越来越高。随着科技的发展，通过对电机的改造，出现了一些针对各种应用要求的电机，如伺服电机、步进电机、开关磁阻电机等非传统电机。但是在一些对位置控制要求不高的电机控制系统如传动控制系统中，传统电机如直流电机乃有很大的优势，而要对其进行精确而又迅速的控制，就需要复杂的控制系统。随着微电子和计算机的发展，数字控制系统应用越来越广泛，数字控制系统有控制精确，硬件实现简单，受环境影响小，功能复杂，系统修改简单，有很好的人机交换界面等特点。 在电机控制系统开发中，常常需要消耗各种硬件资源，系统构建时间长，而在调试时很难对硬件系统进行修改，从而延长开发周期。随着计算机仿真技术的出现和发展，可用计算机对电机控制系统进行仿真，从而减小系统开发开支和周期。计算机仿真可分为整体仿真和实时仿真。整体仿真是对系统各个时间段对各个对象进行计算和分析，从而对各个对象的变化情况有直观的整体的了解，即能对系统进行精确的预测，如Matlab就是一个典型的实时仿真软件，实时仿真是对时间点的动态仿真，即随着时间的推移它能动态仿真出当时系统的状态。Proteus是一个实时仿真软件，用来仿真各种嵌入式系统。它能对各种微控制器进行仿真。 在用8051汇编语言进行PID程序设计时，有定点运算和浮点运算两种计算方法，定点运算速度较快，但精度低一些；浮点运算精度高，但运算速度较慢。在本系统中，电机转速的变化速度与单片机计算及工作速度相差甚远，所以采用浮点运算就可以满足要求。（具体编程见附录1） 17 毕业设计 第三章 系统构成 添加了节能运行功能的异步电机软启动器主要由单片机、功率因数检测电路、电机运行控制电路、数据输入与显示电路等部分构成。系统基于8位的Intel ·89C51单片机开发，外接4位七段数码管显示器，并配有一个42的矩阵式键盘，用于电机启动及节能运行过程中各控制参数的设定、输入和显示。 3.1 硬件选择与连接 3.1.1单片机与功率因数检测电路 系统使用了8位的Intel 89C51单片机、电压比较器LM393等。电机端电压和线电流被同步变压器和电流互感器转化为电压信号后，通过比较器LM393获得两路矩形波。经异或门后，与功率因数角对应的矩形波即送89C51单片机的INT0口，由单片机通过定时器0记录矩形波的时间，计算功率因数角。（图3-1） 3.1.2电机运行控制电路 根据检测到的功率因数与设定值的偏差量， 89C51单片机通过PID算式给出一控制电压，经过8位数模转换器DAC0832和运算放大器送至智能电机控制模块，DAC0832采取单极性输出。智能电机控制模块的控制电压大小为0-10V，对应可控硅导通角α的0-180º，各输出端接异步电机的三相。（图3-1） 3.1.3数据输入与显示电路 系统的界面配有4位LED共阴极数码管显示器和42的矩阵式键盘，上电或复位时启动并自检。键盘上8个按键的功能与名称分别为电机启动（RUN）、停车(STOP)、设置(SET)、复位(RESET)、上调(▲)、下调(▼)、节能运行(SAVE)以及确定(OK)，电机运行各参数的设定与显示均通过这个界面完成。为兼顾键盘和显示，系统使用可编程并行扩展I/O接口芯片8155与单片机进行连接。8155的PA口提供字符的段选码，PB口提供字符的位选码及输出键盘的列扫描线，PC0和PC1则提供键盘的行输入。（图3-2） 18 毕业设计 图3-1单片机功率因数检测 19 毕业设计 图3-2 LED数码管 20 毕业设计 LED数码管采用动态扫描方式。在同一时刻只选通一个数码管并送出相应的字符段码，而在下一个时刻再选通另一个显示器送出相应段码，如此循环，使各位显示出将要显示的字符。虽然这些字符是在不同时刻分别显示，但由于人眼的视觉暂留现象，只要每位显示间隔足够短，就可以给人同时显示的感觉。 3.2 工作原理 3.2.1键盘 矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。行、列线分别接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V电源上。无键按下时行线处于高电平状态，而当有键按下时，行、列线将导通，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。 单片机对键盘的控制为程序控制扫描方式。通过程序，控制单片机在空闲时调用键盘扫描子程序，并反复扫描键盘，直到用户从键盘上输入命令或数据。 键盘扫描子程序完成如下几个功[8]： （1）判别有无键按下：PA口输出全为0，读PC口状态。若PC0—PC1全为1，则说明无键按下；若不全为1，则说明有键按下； （2）消除按键抖动：判断有按键按下后，用软件延时的方法延时10ms，再判断键盘状态，如果仍为有键按下状态，则认为有一个确定的键按下，否则当作按键抖动处理； （3）求按键位置：根据前面介绍的扫描法进行逐列置0扫描，最后确定按键的行、列值，并通过计算得到按键的键号。键盘用0-7赋予键号，扫描键盘时设置列计数器R4，行首键号送A，则闭合键号=行首键号+列号，即：键号=（A）+(R4)； （4）键闭合，处理方法是等待按键释放之后，再进行按键功能的处理操作。 3.2.2 显示 4个数码管各设一个显示缓冲单元，要显示的内容首先送到显示缓冲区各位数码管对应的显示缓冲单元。（本文中为50H—53H，50H对应最左边数码管，53H对应最右边数码管。）各命令键的服务子程序入口地址连续存放在一起形成入口地址表，程序执行时根据按下的命令键号，用查表指令找到对应的入口地址，从而执行相应的命令功能。 21 毕业设计 第四章 控制与运行方式 键盘和显示是系统的核心部分。作为人机对话的界面，系统用了8个按键和4个LED显示器完成各种启动方式及运行参数的设定与修改，功能较为强大。单片机软件采用C51语言编程，C51与汇编语言相比，有编程效率高、代码易维护等优点。 4.1 运行方式及参数设置 4.1.1 可选方式与参数 本系统共设计了4种启动方式及2种停车方式，可由智能电机控制模块完成。分别为全压启动、电压斜坡启动、电压阶跃启动、限流启动；软停车和自由停车。其在数码管上的显示代码分别为0、1、2、3；4（将软停车的停车时间设为0，即为自由停车，故不单列）。 可进行设定的运行参数包括额定电压、额定电流、启动时间、停车时间、额定功率因数等，参数种类根据启动方式的不同而在显示上略有区别。 4.1.2 操作流程 （1）单片机上电或复位后，键盘和数码管显示启动，系统自检。一切正常时，数码管显示“good”，方可开始其他操作； （2）按设置(SET)键数次，选择需要设定的启动、停车方式和运行参数。各种运行方式下的参数将在数码管上循环显示，并采用方式代码与参数相结合的形式。如显示“1U”时，“1”代表电机采用电压斜坡启动，“U”代表待调参数为初始启动电压； （3）各运行参数在数码管上显示时即被选中，再按上调(▲)或下调(▼)键则调整参数数值，数码管同步显示； （4）参数调整完毕后，按确认(OK)键，存储运行参数。此后如不作修改，则始终按当前参数运行，关机与掉电情况下也不会丢失。需要重新设定时，须按复位(RESET)键将各参数清零，再重复上述操作； （5）运行参数储存后，按启动（RUN）键，电机则根据设定的方式与参数开始软启动； （6）电机完成软启动过程，进入平稳运转后，按下节能运行(SAVE)键，即进入节能运行状态。数码管此时能动态显示电机的实际功率因数，单片机则进入 22 毕业设计 恒功率因数控制； （7）电机进入平稳运转后，按停车(STOP)键，则根据设定的方式与参数停车。软停车的停车时间设为0时，电机即为自由停车。 4.2程序设计 4.2.1 MATLAB软件简介 MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB应用非常之广泛 MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。 图4-1MATLAB工作界面 23 毕业设计 图4-2 Simulink工作界面 是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran） 的编辑模式，代表了当今国际科学计算的先进水平。 4.2.2软件优势特点 1) 高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来； 2) 具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化； 3) 友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握 4) 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等)，为用户提供大量方便学习环境。 4.2.3编程环境 MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。 24 毕业设计 而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。 （1）简单易用 Matlab是一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C++语言基础上的，因此语法特征与C++语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。 （2）强处理能 MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++ 。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。 （3）图形处理 MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊 25 毕业设计 的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。 MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。 （4）程序接口 新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C++数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C++代码。允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C++语言程序。另外，MATLAB网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是MATLAB函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。 （5）应用软件开发 在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5进行连接。 4.2.4 串口通信 串口通信具体实现参见串口通信协议，串口通信采用查询返回方式，控制器接收串口指令，根据协议返回具体数据内容。 26 毕业设计 表4-3 串口指令 函数名 SerialInit SerialRead SerialWrite 入口参数 空 空 byte[] data 通过串口发送的数据 返回值 空 byte[]data 从串口接口读取的数据 空 功能说明 初始化串口模块 相关数据 范围 外部 从串口读取数据 外部 外部 从串口发送数据 EndSerialComm 空 空 结束串口通信， 释放相关资源 外部 图4-4串口通信 4.3主控制流程 4.3.1 故障检测与处理 下面对故障检测进行讨论，用字节中的位来表示该故障出现与否，0表示该故障未发生，1表示该故障已发生。具体如下： 27 毕业设计 表4-5故障检测与处理 字节 8bit (MSB) IGBT 故障 7bit 6bit 5bit 4bit 3bit 2bit 1bit (LSB) 电池 欠压 保留 ERROR_1 (严重故障) ERROR_2 （严重故障） 过流 电池 过压 通信 故障 控制器超速过热 （到达（大于超速保75°封护设定锁输出） 值） 开关逻辑检查 控制电上电空接触器路欠压 档检查 触点 故障 保留 保留 保留 高踏板故障 保留 控制器ERROR_3 过热 （一般故障） （65°~75°报警 过载 脚刹 报警 超速（到达限制转速） 保留 保留 保留 4.3.2 工况判断 输入：故障码、钥匙、制动、踏板。 输出：状态码。 在工况判断阶段，系统包含电动汽车的故障运行判断和正常运行判断，经过判断后确定电动车当前状态，输出相应的状态码： 状态码为SYS_STATUS_FSTOP表示故障停机状态； 状态码为SYS_STATUS_STOP表示正常停机状态； 状态码为SYS_STATUS_START表示启动状态； 状态码为SYS_STATUS_FRUN表示故障运行状态； 状态码为SYS_STATUS_BRAKE表示制动状态； 状态码为SYS_STATUS_RUN表示运行状态； 状态码为SYS_STATUS_PULLEY表示滑动状态； 28 毕业设计 具体的工况判断流程如下图所示： 表4-6 工况判断流程表 函数名 StatusJudge 入口参数 返回值 功能说明 判断当前系统状态，给出相应的状态码 范围 外部 空 空 29 毕业设计 否是否有钥匙信号是置端子模式置CAN模式系统初始化，开中断，封锁功率器件是否有严重故障否是否钥匙处于”ON“是是否钥匙”ON“且是启动完成且有主接触器信号否否启动是否完成是是是否有一般故障否启动状态（SYS_STATUS_START）是是否有制动信号否故障运行状态（SYS_STATUS_FRUN）是否有踏板信号否是是否是空档否制动状态（SYS_STATUS_BRAKE）滑动状态(SYS_STATUS_PULLEY)运行状态（SYS_STATUS_RUN）是故障停机状态（SYS_STATUS_FSTOP）正常停机状态（SYS_STATUS_STOP）工况处理打开下一次主流程中断 图4-7 工况判断流程图 30 毕业设计 下面对流程进行详细介绍： （1）程序首先判断系统是否出现严重故障，通过故障码与设定的逻辑匹配，如果当前系统处于严重故障状态，则输出状态码SYS_STATUS_FSTOP（要求故障停机），在工况处理中接收到状态码SYS_STATUS_FSTOP后将按照相应流程执行故障停机的程序。因为不同的故障处理方法在之前已经讨论过，所以不在此详述。 （2）如果系统未出现故障，程序将检查钥匙信号是否处于“ON”状态，如果不处于“ON”状态或在CAN模式下有钥匙信号但在启动完成后仍然没有闭合主接触器的信号，则输出状态码SYS_STATUS_STOP（要求正常停机），在工况处理中接收到状态码SYS_STATUS_STOP后将置转矩为零，按正常停机流程进行操作。 （3）在判断完是否为正常停机状态后，将判断启动完成标志位是否置1，如果已经置1，则认为启动完成，程序进行后续处理；如果启动标志位为零，认为启动未完成，向工况处理输出状态码SYS_STATUS_START（启动处理）。 （4）启动完成后，将判断是否出现一般故障，如果未出现一般故障，则程序进行后续处理；如果出现一般故障，则输出状态码SYS_STATUS_FRUN，进行故障运行处理。 （5）之后程序将判断系统此时是否有刹车信号，如果有刹车信号，程序输出状态码SYS_STATUS_BRAKE（执行制动转矩）至工况处理。在工况处理中将按照相关流程进行处理。 （6）如果没有刹车信号，将判断此时是否有踏板信号，如果有踏板信号或没有踏板信号且没有档位信号时，我们认为此时为正常运行状态，则输出状态码SYS_STATUS_RUN（要求响应踏板），在工况处理中将根据踏板信号对电动车进行控制。 （7）如果没有踏板信号但有档位信号时，则认为电动车处于滑行状态，则输出状态码SYS_STATUS_PULLEY（要求实现滑动能量回馈）。 4.3.3工况处理 输入：模式码，状态码，电机转速 输出：模拟量（转矩，转速），数字量（故障，主接触器，PWM，水泵） 31 毕业设计 根据输出量的不同，我们将各模式下的工况按模拟量和数字量处理分为两类，具体各模式，各工况下的模拟量，数字量处理如下： 模拟量处理（端子模式下的模拟量处理）： 端子模式下，故障停机，正常停机，启动，滑动时速度小于设定值，此时转 转矩都给零。 端子模式下，一般故障过热且有制动信号和制动状态，给制动转矩。 端子模式下，一般过热且有踏板信号和运行状态时给踏板转矩。 端子模式下，滑动状态且速度高于设定值，给滑动转矩。 表4-8 模拟过程表 函数名 AnalogProcess 入口参数 空 返回值 空 功能说明 对模拟量输出进行处理 范围 内部 数字量处理： 1.故障输出 故障停机状态，故障运行状态，输出故障。 其他状态，不输出故障。 2.PWM输出 故障停机状态，正常停机转速低于设定值，封锁PWM输出。 启动状态时,母线电压大于启动电压 且 在端子模式下或在CAN模式下有闭合主接触器信号时，解封锁PWM输出。 3.主接触器输出 故障停机，正常停机转速低于设定值时，断开主接触器。 启动状态时,母线电压大于启动电压 且 在端子模式下或在CAN模式下有闭合主接触器信号时，闭合主接触器。 在工况判断部分，系统将判断电动汽车现在的运行状态，根据不同的状态输出相应的状态码至工况处理部分，在工况处理部分，程序根据状态码进行相应的状态 32 毕业设计 处理输出。最后系统将根据电动汽车散热器当前状态，控制水泵的开断以及是否输出报警信号。 读取状态码STATE=1STATE=2STATE=3STATE=4STATE=5STATE=6STATE=7STATE=8预充电处理启动处理制动回馈处理响应踏板处理滑动回馈处理一般故障运行转速>100？YN停机转矩修正转矩置0矢量控制水泵输出控制 图4-9 工况处理流程图 33 毕业设计 4.3.4 转矩修正 电池电压自适应： 随电池电压的变化，控制算法自动调整恒转矩和恒功率控制的切换点，对最大功率输出能力进行自动调节，并维持最大转矩输出能力不受影响。 对电池组最大充放电电流的控制： 控制器根据电池的标称电压和最大过电压系数、最大欠压系数，对最大驱动功率和最大制动功率进行限制，起到对电池的保护作用。 表4-10转矩修正 函数名 入口参数 返回值 功能说明 范围 BatteryVoltageAdapt MaxCurrentControl 空 空 空 空 电池电压自适应 电池组最大充放电电流控制 外部 外部 4.3.5 矢量控制 矢量控制旨在通过坐标等效变换，将具有强耦合、高阶非线性的异步感应电机控制等效为直流电机的控制，以获得良好的静动态调速特性。 矢量控制的流程如下图所示。 34 毕业设计 程序入口电机转速>No额定转速？Yes弱磁计算读取电机A、B两相电流，计算出C相电流电流三相到两相进行变换计算电机当前位置磁通角的正余弦值电流两相静止到两相旋转变换计算下一计算周期的磁通角 图4-11矢量控制流程图35 读取给定转矩Te*计算给定转矩电流Iq*读取给定磁通Phir*计算给定励磁电流Id*通过PI调节器分别得出转矩电压Uq*和励磁电压Ud*通过两相旋转坐标到两相静止坐标变换的Ualpha，UbetaSVPWM变换中断返回 毕业设计 4.3.6 SVPWM SVPWM生成程序主要由系统初始化函数initial()、SVPWM()、SECTOR()和CMPRSet()构成。 系统初始化函数initial()主要是对定时器、PWM等相关寄存器的设置。 生成SVPWM波的过程大体分为计算空间电压矢量所在扇区、选择功率器件通断、计算导通时间设置比较寄存器的过程。 SVPWM波生成效果评判标准: 生成的SVPWM波参与控制功率器件的通断，配合直流电源DC，最终生成三项正弦交流电压驱动电机，所以SVPWM波的控制效果即和产生的三相正弦交流电压的幅值、频率、波形直接相关。 （1）频率控制 CMPRSet()函数在计算比较寄存器取值cmp1和cmp2时，还需变量TP参与计算，TP值等于SVPWM调制周期的一半，TP在系统初始化时也将作为可设置参数，改变TP值，可以改变输出的3相正弦交流电压的频率。 （2）幅值和波形控制 幅值和波形控制与函数入口参数Ualfa、Ubeta相关，Ualfa、Ubeta矢量合成Uout，Uout的模即为3相正弦交流电压的幅值。 Uout与直角静止坐标系alfa轴的夹角记为theta，相邻的两个空间电压矢量Uout、Uout’与alfa轴的夹角差，即theta、theta’的差deta越小，生成的3相交流电压的波形越接近正弦。 图4-12幅度与波形控制 36 毕业设计 4.3.7 硬件通信 数字量输出依次为：水泵控制、主触点控制器输出、故障输出、保留信号； 表4-13数字量输出表 字节 8bit (MSB) 7bit 6bit 5bit 4bit 3bit 2bit 1bit (LSB) digout 保留 故障 输出 主触点控制 输出 水泵 控制 37 毕业设计 第五章 仿真与实验结果 针对本文的算法，在Matlab/Simlink 平台上搭建电机模型，并使用软启动进行控制。模型如图5.1所示。 图5-1 仿真模型 38 毕业设计 软件参数设置： 图5-2电池参数设置 图5-2电池参数设置 Battery type (电池类型):锂离子电池 Nominal Voltage（标准电压）：290V Rated Capacity ( 额定容量 ):100Ah Initial State-Of-Charge(初始充电状态)：100% Use parameters based on Battery type and nominal values:使用参数根据电池类型和其额定值。 39 毕业设计 图5-3绝缘双极性晶体管参数设置 Number of bridge arm （桥臂数）：3个 Snubber capacitabce Cs（缓冲电容）: infinite的前三个字母，无穷大的意思。实际意思是当算出的结果大于某个数（这个数很大，比如10的很多次方），则MATLAB认为就是无穷大了，并返回 inf。 40 毕业设计 图5-4三相异步电机参数设置 Nominalpower,voltage(line-line),and frequency [Pn(VA),Vn(Vrms),fn(Hz)] 额定功率，额定电压（线电压）和频率：[1100,220,50] Stator resistance and inductance 定子电感和电阻[4,0.037] Rotor resistance and inductance 转子电阻和电感[5.22,0.037] Mutual inductance Lm(H) 互感系数：0.25 Inertia, friction factor, pole pairs [ J(kg.m^2) F(N.m.s) p()]： 转动惯量，摩擦系数，和极对数 [0.021,0.01,2] 41 毕业设计 图5-5 软启动电机电流转速转矩曲线 由图5-5所示，采用本文给出的软启动的方法，不但转速可以平稳的上升，同时转矩也可以按照期望的曲线变化。 +1电流-1电压 图5-6 示波器波形图 同时实验过程中还需对母线电压、线电压、线电流、转速、转矩、功率进行实时的监控。线电流可以通过电流钳进行检测。线电压可以用电压传感器进行检测。由于线电压为PWM调制信号，所以通过电压传感器测量到的线电压还需通过一个低通滤波器以滤除其中的高频信号。在检测出线电流和线电压过后，可以 42 毕业设计 通过示波器将它们显示出来。如图5-6所示。图5-6中是驱动系统运行时异步电机的线电流和线电压波形，从图可以看出，异步电机的线电压和线电流都为幅值、频率稳定的正弦波。这说明异步电机此时正平稳的运行。异步电机的转速、转矩、功率则可以通过测功机控制柜的液晶面板进行显示，线图为控制器工作于转速模式，设定转速为3600rpm时，液晶面板的显示情况如图5-5所示。 硬启动软启动对比 我们可以通过Matlab仿真实验，得到下图波形输出（上图为硬启动，下图为软启动） 图5-7定子电流前后对比 图5-8电机转速前后对比 43 毕业设计 图5-9电磁转矩前后对比 由上述图形对比可见直接起动时的瞬时冲击电流很大，这对电机本身拖动设备及电网都造成冲击。而软起动时的起动电流以一定的速率平稳地增加当增大到设定的电流限定值时，保持恒定直至起动结束避免了瞬时冲击电流给电机本身拖动设备及电网带来的不利影响。 由此可以看出，本文设计的软启动算法可以使得电机启动并平稳运行。 44 毕业设计 结论 本文在交流异步电机软启动器的基础上实现了恒功率因数控制，从而提高了电机效率，使节能运行成为可能。系统还添加了用于各参数设定与修改的人机界面，这是一般以单片机为控制核心的软启动器所不能比拟的。整个电路简单紧凑，安装、维护和使用都十分方便，控制精确、性能稳定，成本也较低廉。除此之外，在电机运行过程中，缺相、断相、过流等保护功能也可通过对该软启动器编写相应程序实现。 经测试表明，当电机为空载或轻载时节能效果显著，特别适用于短时满载或长时间空载的负载。但其最大的缺点是由于采取晶闸管移相控制，对电机和电网都存在谐波干扰。 45 毕业设计 致 谢 近三个月的毕业设计终于告一段落，本次课程设计能够顺利完成，得益于刘老师的悉心指导、同班同学的大力帮助、朋友的支持，在此，我首先要对他们表示衷心的感谢，如果没有他们，凭我个人的力量是很难在这麽短的时间里完成着这份课程设计的。毕业设计是个系统工程，虽然以书本理论为核心，却涉及了众多实用性领域和经验化常识，待到真正要靠自己动手去查找资料、绘制电路、分析程序、选取器件乃至撰写文档时，才会感到手足无措，不会的东西其实还很多很多。毕业设计是一次学习、一次锻炼，也是一次寻找不足的过程，学会从整体出发来把握问题、并有条理有步骤地考虑细化，这种收获与看书和做习题是无法相比的。 因为种种原因这次课程设计是在课余时间完成，老师在百忙之中抽空为我们指导设计，对此，我再次表示深深地感谢！ 46 毕业设计 参考文献 [1] 李艳军. 电机学.农业大学出版，2003 [2] 张毅刚.彭喜元.单片机原理与应用设计，北京：电子工业出版社，2008.4 [3] 张爱玲等.电力拖动与控制.北京：机械工业出版社，2003.5 [4] 洪伟明．电动机节能措施的研究．机电工程，2006. [5] 张长利.沈明霞.电路，北京：中国农业出版社，2008.2 [6] 王兆安，黄俊. 电力电子技术. 北京：机械工业出版社，2002 [7] 张震．异步电机节能控制器研究.西安：西北工业大学，2007 [8] 谭浩强.C程序设计，北京：清华大学出版社，2005 [9] 何明中．基于单片机的电机节电器．河北师范大学学报，2002． [10] 陈丕璋，周明宝，俞鑫昌．电动机节能技术．北京．科学出版社，1989 [11] Paoletti G J,Rose A. Improving existing motor protection for medium voltage motors.IEEE Trans Ind Appl,1989,3 [12] Steven RE. Electrical Machines and Power Electronics.Berlin,Varc Nostromd Reinhold,1983 [13] Intel Embedded Controller Handbook,1987 [14] TI. Space-Vector PWM With TMS320C24x/F24x Using Hardware and Sofrware Determined Switching Patterns, 1999 [15] TI. Fidld Orientated Control of 3-Phase AC-Motors, 1998 [16]电机节能控制器的设计 赵学军等 《单片机与嵌入式系统应用》2002.9 [17]交流异步电机软启动及优化节能控制技术研究 徐甫荣，崔力 《电气传动自动化》2003.1 [18]异步电机的功率因数检测及其控制 张庆新，王凤翔 《电工技术志》2001.10 [19]电动机节能控制的研究 赵金宪，付家才 《煤矿机械》2002.10 [20]单片微型计算机实用系统设计 潘新民 王燕编著 人民邮电出版社 1992 [21]www.21ic.com 中国电子网 [22]单片机应用技术选编 何立民主编 北京航空航天大学出版社 1993 [23]单片机应用新技术教程 朱宇光主编 电子工业出版社 2000 [24]单片机应用系统设计 何立民编著 北京航空航天大学出版社 1990 47 毕业设计 附录1: 程序； 1．系统主程序：main.c /****************************************************************************** ** 实时微型直流电机PID转速闭环调速控制系统程序** ******************************************************************************/ #include \"config.h\" #include \"LCD.h\" #define TASK_STK_SIZE 512 //各任务栈大小 #define IO_Init() \\ PINSEL0= 2; \\ IODIR|= //P0.4\\P0.5\\P0.7-P1.4为输出其他的为输入 #define Umax 1000 //最大调节转速 #define //比例放大系数 #define Ts Kp 0x00007FB0; 0.7 0.03 48 毕业设计 //采样周期 #define //积分时间常数 #define td t0 4 0.0005 //微分时间常数 #define q0 Kp*(1+Ts*t0+td/Ts) #define q1 -Kp*(1+2*td/Ts) #define q2 Kp*td/Ts #define ADC_DO 0x00000040 //P0.6 #define ADC_CS 0x00000080 //P0.7 #define ADC_CLK 0x00000100 //P0.8 #define ADC_DI 0x00000200 //P0.9 OS_STK Main_TaskStk[TASK_STK_SIZE]; OS_STK Task1_TaskStk[TASK_STK_SIZE]; OS_STK Task2_TaskStk[TASK_STK_SIZE]; OS_STK Task3_TaskStk[TASK_STK_SIZE]; OS_STK Task4_TaskStk[TASK_STK_SIZE]; //OS_EVENT //控制信号邮箱 float 49 各任务栈 *Conbox; n=0; 毕业设计 // 输入转速 float // 反馈转速 void Main_Task(void *data); nb=0; void Task1(void *p_arg); void Task2(void *p_arg); void Task3(void *p_arg); void Task4(void *p_arg); //函数声明 void PWMInit(void) { PWMPR = 0x00; // PWMMCR = 0x02; // PWMMR0 = 2765; // PWMMR1 = 0; // PWMLER = 0x03; // PWMMR0 PWMPCR = 0x0200; // PWMTCR = 0x09; // PWMMR0 = 2765; // PWMMR1 = 0; // 不分频，计数频率为Fpclk 设置PWMMR0匹配时复位PWMTC 设置PWM周期 设置PWM占空比 、PWMMR1锁存 允许PWM1输出，单边PWM 启动定时器，PWM使能设置PWM周期 设置PWM占空比 50 毕业设计 PWMLER = 0x03; // PWMMR0、PWMMR1锁存 } /********************************************************************************************************* ** 函数名称: main ** 功能描述: c语言的主函数，由它启动多任务环境 ********************************************************************************************************/ int main (void) { OSInit(); OSTaskCreate(Main_Task, (void*)0, &Main_TaskStk[TASK_STK_SIZE - 1], 0); OSStart(); return 0; } /**************************************************************** 51 毕业设计 ************** ** 函数名称: Main_Task ** 功能描述: 初始化系统及建立任务 ******************************************************************************/ void Main_Task(void *p_arg) { p_arg = p_arg; // 避免编译警告 TargetInit(); IO_Init(); Conbox = OSMboxCreate((void*)0); LCD_Main(); OSTaskCreate(Task1, (void *)0, &Task1_TaskStk[TASK_STK_SIZE - 1], OSTaskCreate(Task2, (void *)0, &Task2_TaskStk[TASK_STK_SIZE - 1], 3); OSTaskCreate(Task3, (void *)0, &Task3_TaskStk[TASK_STK_SIZE - 1], 1); OSTaskCreate(Task4, (void *)0, &Task4_TaskStk[TASK_STK_SIZE - 1], 5); OSTaskSuspend(0); } 52 毕业设计 /****************************************************************************** ** 函数名称: Task4_Task ** 功能描述: 液晶显示任务 ******************************************************************************/ void Task4(void *p_arg) { #if OSCRITICAL_METHOD ==3 OS_CPU_SR cpu_sr; #endif uint16 w,q,k; uint8 i; uint8 shu1[6],shu2[6]; p_arg=p_arg; for(;;) {shu1[4]=10; w=(uint16)(n*10); k=10000; for(i=0;i<4;i++) {shu1[i]=(uint8)(w/k); w=w%k; 53 毕业设计 k=k/10; } shu1[5]=(uint8)w; OS_ENTER_CRITICAL(); LCD_num(80,2,shu1,6); shu2[4]=10; q=(uint16)(nb*10); k=10000; for(i=0;i<4;i++) {shu2[i]=(uint8)(q/k); q=q%k; k=k/10; } shu2[5]=(uint8)q; LCD_num(80,4,shu2,6); OS_EXIT_CRITICAL(); OSTimeDlyHMSM(0,0,0,100); } } /****************************************************************************** 54 毕业设计 ** End Of File ******************************************************************************/ ** 55 毕业设计 附录2： 56 毕业设计 附录3： 57 毕业设计 附录:4 58 毕业设计 附录5： 59 毕业设计 附录6： 60 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容