嵌入式电机控制系统(硬件).doc

摘要 随着我国工业的日益发展 电机在许多工矿 机械企业得到广泛的应用 本嵌入式电机控制系统是运用单片机控制的变频调速系统 控制对象主要是三 相交流电动机 控制思想是用转差频率进行控制 通过改变程序来达到控制转 速的目的 系统以 AT89C52 为控制核心 主要采用变频调速技术 结合所学的单片机 技术 实现系统的功能要求 系统的总体结构主要由主回路 sa4828 大规模集 成 spwm 变频器电路 键盘显示电路 光电隔离电路 检测保护电路 驱动电路 串口通信电路 主要电路芯片由 51 系列单片机 at89c52 Intel8279 通用键盘 显示器 SPWM 波产生电路 SA4828 芯片 以及驱动芯片 IR2304 等 由于设计中电动机功率不大 所以整流器采用不可控电路 电容器滤波 逆变器采用电力晶体管三相逆变器 结构清晰 成本大大降低 关键词 AT89C51 单片机 SA4828 变频器 IR2304 整流器 三相异步电动机 Abstract With the increasing development of China s industry the electrical in many mining machinery enterprises have wide application the embedded motor control system is to use the SCM Control Frequency Control System control is primarily aimed at three phase AC motor control thinking Use slip frequency control by changing the speed control procedures to achieve the objective AT89C52 for the control system to the core mainly VVVF technology integration of the microcontroller technology to achieve the function of the system requirements The overall structure of the main system by the main circuit sa4828 large scale integrated circuit spwm converter the keyboard show circuit photoelectric circuit isolation detection protection circuit driving circuit serial communication circuits The main circuit chip from 51 MCU at89c52 Intel8279 universal keyboard display SPWM wave generated SA4828 circuit chips and driver chips and so on As the design of electrical power do not so do not use controlled rectifier circuits capacitors filter inverter with three phase power inverter transistor a clear structure the cost much lower Key words AT89C51 SCM SA4828 converter IR2304 rectifier three phase asynchronous motor 目录 摘要 I ABSTRACT II 第 1 章 绪 论 1 1 1 课题来源 1 1 2 嵌入式电机控制系统的概述 1 1 3 本文完成的主要工作 4 第 2 章 嵌入式电机控制系统设计方案设计 5 2 1 嵌入式电机调速系统 5 2 1 1 嵌入式电机控制方式的选择 5 2 1 2 调节器的选择 7 2 1 3 嵌入式电机控制系统启动方法的选择 8 2 1 4 嵌入式电机控制系统制动方法的选择 9 2 2 键盘显示部分 9 2 3 电压电流检测与保护部分 9 2 4 通信部分 10 2 5 转速测量部分 10 2 6 嵌入式电机控制系统的总体方案确定 10 第 3 章嵌入式电机控制系统硬件电路设计 11 3 1 系统硬件电路总框图及原理图 11 3 2 系统主要原器件简介 12 3 2 1 单片机 AT89C52 简介 12 3 2 2 变频器 Sa4828 简介 12 3 2 3 键盘显示芯片 INTEL8279 简介 14 3 2 4 IR2304 半桥驱动集成电路 16 3 2 5 串口通信 Max232 芯片简介 17 3 3 系统主回路的设计及参数计算 19 3 4 嵌入式控制系统单元模块的设计 22 3 4 1 SPWM 控制信号的产生及变频器的设置 22 3 4 2 键盘显示模块设计 24 3 4 3 单片机串口模块设计 25 3 4 4 速度检测电路设计 26 3 4 5 光电隔离及驱动电路设计 26 3 4 6 故障检测及保护电路设计 28 第四章 系统软件的设计 29 4 1 程序框图及其介绍 29 4 1 1 主程序 29 4 1 2 故障检测处理程序 29 4 1 3 键盘处理程序如下图 30 4 1 4 转速调节 31 4 1 5 下位机接收数据流程图 31 4 1 6 下位机发送数据程序流程图 32 PI 调节器程序框图如下图 22 所示 32 4 2 部分子程序 34 4 2 1 SA4828 初始化子程序 34 4 2 2 调速子程序 34 结束语 36 参考文献 37 第 1 章 绪 论 1 1 课题来源 随着我国工业的日益发展 电机在许多工矿 机械等企业得到广泛的应用 其可分为 直流电动机 伺服电动机 步进电动机 交流电动机等 首先是直 流电动机 它的优点主要在于调速范围广 静差小 稳定性能好以及具有良好 的动态性能 尽管如此 直流调速系统却解决不了直流电动机本身的换向问题 和在恶劣环境下的不适应问题 同时制造大容量 高转速以及高电压直流电动 机也十分困难 这就限制了直流传动系统的进一步发展 伺服电动机和步进电 动机出现的较晚 一般运用于特别精确的自动控制系统中 交流电动机在 1885 年出现 交流电动机因其结构简单 运行可靠 价格低廉 维修方便 故而应 用面很广 几乎所有的调速传动都采用交流电动机 特别是三相交流电动机 使用范围更加广泛 但随着经济的发展 现代的工况企业都要求电机的容量大 调速范围宽 启动快速频繁 效率高 而且要求自动化控制水平高 可视化好 的要求 传统的电机控制已经满足不了现代工业的发展要求 虽有专业的可编 程器件 但它的成本太高 而且专业性比较强 不容易扩展 有逐渐被嵌入式 系统代替的趋势 故本设计采用单片机及外围器件构成嵌入式电机控制系统 具有调速范围 可视化强 基本上达到了现代工业生产上的需要 大大提高了 生产效率 成本大大降低 1 2 嵌入式电机控制系统的概述 嵌入式系统是以应用为中心 以计算机技术为基础 并且软硬件可裁剪 适用于应用系统对功能 可靠性 成本 体积 功耗有严格要求的专用计算机 系统 它一般由嵌入式微处理器 外围硬件设备 嵌入式操作系统以及用户的 应用程序等四个部分组成 用于实现对其他设备的控制 监视或管理等功能 嵌入式系统一般指非 PC 系统 它包括硬件和软件两部分 硬件包括处理器 微处理器 存储器及外设器件和 I O 端口 图形控制器等 软件部分包括操作 系统软件 要求实时和多任务操作 和应用程序编程 有时设计人员把这两种 软件组合在一起 应用程序控制着系统的运作和行为 而操作系统控制着应用 程序编程与硬件的交互作用 嵌入式系统的特点与定义不同 它是由定义中的三个基本要素衍生出来的 不同的嵌入式系统其特点会有所差异 与 嵌入性 的相关特点 由于是嵌入到对象系统中 必须满足对象系统 的环境要求 如物理环境 小型 电气 气氛环境 可靠 成本 价廉 等要 求 与 专用性 的相关特点 软 硬件的裁剪性 满足对象要求的最小软 硬件配置等 与 计算机系统 的相关特点 嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要 求的计算机系统 与上两个特点相呼应 这样的计算机必须配置有与对象系统 相适应的接口电路 另外 嵌入式设备与嵌入式系统不同 不要与之相混淆 嵌入式设备是指 内部有嵌入式系统的产品 设备 例如 内含单片机的家用电器 仪器仪表 工控单元 机器人 手机 PDA 等 嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代 然而 微型计算机的体积 价位 可靠性都无法满足广大对象系统的嵌入式应用要求 因此 嵌入式系统必须走 独立发展道路 这条道路就是芯片化道路 将计算机做在一个芯片上 从而开 创了嵌入式系统独立发展的单片机时代 在探索单片机的发展道路时 有过两种模式 即 模式 与 创新模式 模式 本质上是通用计算机直接芯片化的模式 它将通用计算机系统中 的基本单元进行裁剪后 集成在一个芯片上 构成单片微型计算机 创新模 式 则完全按嵌入式应用要求设计全新的 满足嵌入式应用要求的体系结构 微处理器 指令系统 总线方式 管理模式等 Intel 公司的 MCS 48 MCS 51 就是按照创新模式发展起来的单片形态的嵌入式系统 单片微型计算机 MCS 51 是在 MCS 48 探索基础上 进行全面完善的嵌入式系统 历史证明 创新模 式 是嵌入式系统独立发展的正确道路 MCS 51 的体系结构也因此成为单片嵌 入式系统的典型结构体系 单片机诞生于 20 世纪 70 年代末 经历了 SCM MCU SoC 三大阶段 SCM 即单片微型计算机 Single Chip Microcomputer 阶段 主要是寻求最佳的单 片形态嵌入式系统的最佳体系结构 创新模式 获得成功 奠定了 SCM 与通用 计算机完全不同的发展道路 在开创嵌入式系统独立发展道路上 Intel 公司 功不可没 MCU 即微控制器 Micro Controller Unit 阶段 主要的技术发展方向是 不断扩展满足嵌入式应用时 对象系统要求的各种外围电路与接口电路 突显 其对象的智能化控制能力 它所涉及的领域都与对象系统相关 因此 发展 MCU 的重任不可避免地落在电气 电子技术厂家 从这一角度来看 Intel 逐渐 淡出 MCU 的发展也有其客观因素 在发展 MCU 方面 最著名的厂家当数 Philips 公司 Philips 公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势 将 MCS 51 从单片微型计 算机迅速发展到微控制器 因此 当我们回顾嵌入式系统发展道路时 不要忘 记 Intel 和 Philips 的历史功绩 单片机是嵌入式系统的独立发展之路 向 MCU 阶段发展的重要因素 就是 寻求应用系统在芯片上的最大化解决 因此 专用单片机的发展自然形成了 SoC 化趋势 随着微电子技术 IC 设计 EDA 工具的发展 基于 SoC 的单片机 应用系统设计会有较大的发展 因此 对单片机的理解可以从单片微型计算机 单片微控制器延伸到单片应用系统 嵌入式系统 单片机 取代模拟电路作为电动机的控制器 具有如下特点 1 使电路更简单 模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件 使电 路更复杂 采用微处理器后 绝大多数控制逻辑可通过软件来实现 2 可以实现较为复杂的控制 微处理器具有更强的逻辑功能 运算速度 快 精度高 有大容量的存储单元 因此 有能力实现复杂的控制 3 灵活性和适应性 微处理器的控制方式是有软件来实现的 如果需要 修改控制规律 一般不必改变系统的硬件电路 只须修改程序即可 在系统调 试和升级时 可以不断尝试选择最优参数 非常方便 4 无零点漂移 控制精度高 数字控制不会出现模拟电路中经常遇见的 零点漂移问题 无论被控量是大还是小 都可以保证足够的控制精度 5 可以提供人机界面 多机连网工作 用工业控制计算机可谓功能强大 它有极高的速度 很强的运算能力和接口功能 方便的软件功能 但是由于成 本高 体积过大 所以只用于大型的控制系统 可编程控制器则恰好相反 它 只能完成逻辑判断 定时 记数和简单的运算 由于功能太弱 所以它只能用 于简单的电动机控制 在民用生产中 通常用介于工控机和可编程控制器之间 的单片机作为微处理器 本次设计就是用单片机作为电动机的控制器 1 3 本文完成的主要工作 本文的嵌入式电机控制系统设计主要采用单片机控制变频器来实现其变频 调速 通过单片机外围芯片来实现对主电路进行键盘显示 检测 保护 通信 等功能 其完成的主要工作有 1 电机控制方案的选择 2 硬件电路的设计 3 主电路参数的计算 4 元器件的选择 5 键盘显示的设计 6 电压电流的检测和保护电路的设计 7 部分软件程序的设计 第 2 章 嵌入式电机控制系统设计方案设计 2 1 嵌入式电机调速系统 2 1 1 嵌入式电机控制方式的选择 嵌入式电机控制的转速控制由异步电动机的转速表达式 0fsn np 6 1 由上式可知电机控制的转速控制有三种方法 改变转差率调速 改变频率 调速 改变极对数调速 本次设采用的是改变频率调速方法 即变频调速 当极对 P 不变时 均匀 的改变定子供电的频率 f 则可以连续的改变异步电动机的同步转速 n0 达到 平滑调节电动机实际运行转速 n 的目的 这种调速方法称为变频调速 变频调 速具有很好的调速性能 应用相当广泛 是交流调速的主流 其又可分为以下 2 种 转速开环恒压频比控制和转差频率闭环控制 在本次设计中所用到的控制方式是用转差频率闭环控制 转速开环恒压频 比调速系统虽然结构简单 异步电动机在不同的频率下都能够获得较硬的机械 特性曲线 但是不能保证必要的调速精度 而且在动态过程中由于不能保持所 需要的转距 动态性能也很差 它只能用于对调速系统的动静态性能要求都不 高的场合 如果异步电动机能像直流电动机一样 用控制电枢电流的方法来控 制转距 那么就能够得到和支流电动机一样的动静态性能 转差频率控制的基本概念 由式 2 2 1 2111133 ppme llNIRNURSPTWSWL 可以得出异步电动机的机械特性方程式 2112 223 ep llUSWRTNL 令式中 它是转差频率 1sWS 又由式 14 gNmEFK 即 12nU 所以 2 211 emsllWRTKSL 式中 24 33nppnNK 由于异步电动机机械特性曲线上有一最大值 当转差频率小于临界转差频 率 对应于电磁转距最大的转差率 时 电动机运行在稳定工作区 电动机的 电流比较小 当转差率大于临界转差率时 电动机进入不稳定工作区 电动机 的电流增大 转距减小 所以在调速过程中要使电动机的转差频率小于临界转 差率 也就是说 异步电动机稳定工作时的转差率很小 从而 也很小 1sWS 可以认为 所以 可近似写成 此 12SR 12 llLR eT2 emsTKR 式表明 在转差频率 很小的范围内 只要能够保持气隙磁通 不变 异步sW 电动机的转距就近似与转差频率成正比 这就是说 在异步电动机中控制 s 就能和直流电动机中控制电流一样 能够达到控制转距的目的 控制转差频率 就代表了控制转距 这就是转差频率控制的基本原理 转差频率控制的变频调速系统实现上述转差频率控制的转速闭环变频调速 结构原理图如图 1 所示 图 1 系统控制结构图 可以看出该系统具有以下特点 1 采用电流源变频器 使控制对象具有较好的动态响应 而且便于回馈 制动 这是提高系统动态性能的基础 2 和直流电动机双闭环调速系统一样 外环是转速环 内环是电流环 转速调节器的输出是转差频率给定值 代表转距给定 sWU 3 转差频率 的控制作用分两路 分别作用在可控整流器和逆变器上 s 前者通过 函数发生器 按 的大小产生相应的 信号 再通过电流1 sIfW sW 1iU 调节器控制定子电流 以保持 恒定 另一路按 产生对于于定子m s 频率 的控制电压 决定逆变器的输出频率 11wU 4 转速给定信号 都反向 相序鉴别器判断 的极性以 sWw1 1wU 决定环形分配器的输出相序 而 信号本身则经过绝对值变换器决定输出频 率的大小 这样就很方便的实现了异步电动机的可逆运行 综上所述 本设计采用转差频率控制的控制方法 可以实现较好的效果 是一种解决异步电动机电磁转距控制问题的方法 可以获得与直流电动机恒磁 通调速相似的性能 2 1 2 调节器的选择 本系统采用增量式转差频率调节方式 转差调节器设计为带有死区的调节器 即 因 所以 与 之和反映了频率 即为频率指令信号 控1snff SUk nf 制结构框图和控制曲线如图 2 所示 UnA 为死区 它是为了避免因nAU 量化误差 舍入误差引起系统运行不平衡而引起的 nAnBU 为线性调节区 当 Un K 时 输出限幅 用以nAU nB B 现在转差频率的最大增量 亦即限制 的最大增量 亦即限制 的最大增量 1f 1f 防止系统过冲 提高系统的稳定性 决定系统的积分系数 它sMU 1sMnBKU 由电位器给定 通过 A D 转换器转换后输入 当 确定后 通过调节电位器 nB 就能改变积分系数 整定方便 的值根据静态精度要求和实际系统工作1KnA 时的最低转速来确定 通过实验确定 nBU sM a 控制结构框图 b 控制曲线 图 2 控制结构框图和曲线图 2 1 3 嵌入式电机控制系统启动方法的选择 三相异步电动机的启动有两种方式 即直接启动 或全压启动 和降压启 动 直接启动是一种简单 可靠 经济的启动方法 但由于直接启动时 电动 机的启动电流为额定电流的 4 7 倍 过大的启动电流一方面会造成电网电压的 显著下降 直接影响在同一电网工作的其他电动机 及用电设备的正常运行 另一方面电动机频繁启动会严重发热 加速线圈老化 缩短电动机的寿命 所 以直接启动时电动机的容量受到一定的限制 仅适用于 10kw 一下或满足全压启 动经验公式的电动机 其中异步电动机的启动又分为以下四种 定子绕子中出 电阻降压启动 Y 降压起动 自耦变压器降压启动 延边三角形降压启动 自耦变压器降压启动的启动电流为直接启动时 1 K2 倍 因电压降低了 1 K 倍 转矩降为 1 K2 倍 设备体积大 投资较贵 星 三角 Y 降压启动的启 动电流为直接采用全压启动电流的 1 3 启动电流受到限制 启动转矩与电压的 平方成正比 启动转矩也只有 接法直接启动时 1 3 只适用于空载或轻载启 动 延边三角形降压启动的启动转矩也只有全压启动时 1 3 且绕组结构较复 杂 应用受限制 采用在启动时给定子电路中串联降压电阻的办法来启动电动 机启动设备较多 一部分能量消耗在启动电阻且启动级数较少 本次设计运用变频调速方法 可采用变频降压的方法降低启动电压 当电 动机达到额定转速时在全压运行 不用在添加辅助设备 经济 简单 2 1 4 嵌入式电机控制系统制动方法的选择 制动的方法一般有两类 机械制动和电气制动 机械制动常用的方法 电 磁抱闸制动 但电磁抱闸体积较大 制动器磨损严重 快速制动时会产生振动 一般用在起重设备 电气制动主要有能耗制动 反接制动 回馈制动 电容制 动等 反接制动的制动准确性差 制动过程冲击力强烈 易损坏传动器件 制 动能量损耗大不宜频繁启动 回馈制动由于电路复杂应用范围不广 电容制动 对高速 低速运转的电动机均能迅速制动 能量损耗小设备简单 一般用语 10KW 以下的小容量电动机 可适用于制动频繁的场合 能耗制动制动力强 制 动平稳 无大的冲击 应用能耗制动能使生产机械准确停车 被广泛用于矿井 提升和起重机运输等生产机械 本次设计采用能耗制动方法 制动准确 平稳 且能量消耗小 控制电路 比较简单 2 2 键盘显示部分 本设计主要涉及嵌入式电机启动 停止 正转反转 上下调速 及速度开 机设定等功能 所以本设计共设 2 8 16 个键盘加上一个复位键盘共 17 个键盘 显示方法有 led 显示和 lcd 显示 其中 led 显示简单价格低廉名具有很高的性 价比 所以本设计采用 led 显示满足设计要求 2 3 电压电流检测与保护部分 本电路涉及的电流电压比较大 特别是开机冲击电压电流特别大 另外功 率管 三相交流电动机的价格比较贵重 为了系统及电动机的安全有必要设计 电路电压电流的检测与保护 其中电压电流的检测有多种方法 如 采用电压 电流传感器 电压电流互感器和电阻分压测电压 串电阻测电流的方法等 本 设计采用电阻分压测电压 串电阻测电流及光电耦合的方法 把过电压过电流 信号通过光耦隔离输入到单片机 经单片机处理来控制输出电压的高低 从而 起到保护的作用 而采样点的设置则选择在直流部分 如果在三相整流的输入 端和三相电动机的输入端则应采用电压电流传感器或电压电流互感器来测量 这样的话成本就会增加 特别是电压电流互感器 造价就会更高 所以本次设 计检测点设在直流部分 这样的话电路设计就会简单的多了 另外对与开机冲 击电流本次设计采用前端设置一个电抗器 以减缓开机冲击电流对逆变电路所 造成的损害 2 4 通信部分 本次设计的通信技术主要是单片机与上位单片机或 pc 机的通信 从而能够 实现联机控制或集散控制的功能 而且能够用 pc 机通过网络进行网络控制 通 信部分主要采用单片机串口通信技术 此种技术运用比较广泛 技术比较成熟 运用的比较多 2 5 转速测量部分 在电动机转速测量方面有很多方法 主要有用速度传感器测速 转速发电 机测速 光电编码盘测速等 本次设计所采用的方法与光电编码盘有相似之处 是用一对对管 即一个发光二极管和一个光电三极管来测速 在电动机的一侧 弄一个挡板 钻若干小孔 发光二极管发射的光被没有孔的地方遮挡时 光敏 三极管不能导通 光敏三极管的集电极输出为高电平 在有小孔的地方 发光 二极管发射的光就会透过小孔照射到光敏三极管上 使光敏三极管导通 此时 光敏三极管的集电极输出为低电平 然后经电平转换后 把这些高低电平的脉 冲信号送入单片机处理转换为电动机的转速 与前几种方法相比这种方法具有 造价低 简单易行 测量的精度在于挡板上的钻孔的多少 即采样频率的大小 2 6 嵌入式电机控制系统的总体方案确定 综上所述 本系统运用单片机控制专用变频器 采用转差频率控制的思想 增加了键盘显示使具有灵活性 可操作性和可视性 电压电流的检测和保护提 高了其安全性和可靠性 串口通信增加了系统的延展性 转速测量反馈提高了 系统的精度等 启动采用变频降压的方法降低启动电压 当电动机达到饿定转 速时在全压运行 不用在添加辅助设备 经济 简单 制动时采用能耗制动 制动准确 平稳 且能量消耗小 控制电路比较简单 本系统不仅减少了系统 电路的复杂性 使软件编程简单化 而且系统更加稳定 调节更加简单方便 本次设计针对一台三相异步电动机系统进行设计 三相异步电动机的参数 转动惯量 J 0 03 接法 2 NPKW 2kgm 150 inNnr 4 8NA 第 3 章嵌入式电机控制系统硬件电路设计 3 1 系统硬件电路总框图及原理图 本次设计的的硬件电路总框图如下图 3 所示 图 3 硬件电路总框图 通过图 3 系统框图可以看出主电路采用交直交的逆变方法先通过三相不可 控整流桥把三相交流电整流为直流电然后通过三相逆变电路转变为交流电来控 制三相交流电动机 而三相逆变器是由单片机 AT89SC52 控制变频器 SA4828 然后由逆变器产生 SPWM 波形经驱动电路驱动后控制主电路的三相逆变电路 本 次设计采用控制转差频率的方法来控制变频器的 所以设计了三相交流电机速 度检测电路 测量出来脉冲信号送入单片机处理 经计算处理后来控制变频器 输出的 SPWM 波 本次设计的保护电路主要是从直流部分检测的 当过电压过电 流时 检测电路把检测结果处理后一方面把信号输入单片机处理 一方面输入 到 SA4828 中封锁 SPWM 波的输出 从而起到保护作用 键盘显示部分运用了 8279 芯片 这样系统电路大大的简化了 而且软件编程也轻松了许多 左下角 为串口通信功能 运用 MAX232 串口芯片的电平转换功能与上位机和单片机相连 从而达到通信的目的 3 2 系统主要原器件简介 3 2 1 单片机 AT89C52 简介 当今单片机厂商琳琅满目 产品性能各异 常用的单片机有很多种 Intel8051 系列 Motorola 和 M68HC 系列 Atmel 的 AT89 系列 台湾 Winbond 华邦 W78 系列 荷兰 Pilips 的 PCF80C51 系列 Microchip 公司的 PIC 系列 Zilog 的 Z86 系列 Atmel 的 AT90S 系列 韩国三星公司的 KS57C 系 列 4 位单片机 台湾义隆的 EM 78 系列等 我们最终选用了 ATMEL 公司的 AT89C52 单片机 AT89C52 是美国 ATMEL 公司生产的低电压 高性能 CMOS8 位单 片机 片内含 8Kbytes 的可反复擦写的只读程序存储器 PEROM 和 256bytes 的随机存取数据存储器 RAM 不必在扩展其存储器 本器件采用 ATMEL 公司 的高密度 非易失性存储技术生产 与标准 MCS 51 指令系统及 8052 产品引脚 兼容 片内置通用 8 位中央处理器 CPU 和 FLASH 存储单元 功能强大 AT89C52 单片机适用于许多较为复杂控制应用场合 在本次设计中足以能够满 足要求 所以本次设计单片机选用 AT89C52 3 2 2 变频器 Sa4828 简介 1 SA4828 的性能特点 SA4828 是英国 MITEL 公司研制出的一种专门用于三相 SPWM 信号发生和控 制的集成电路芯片 它采用 28 引脚 分 DIP 和 SOIC 两种封装 它可以和大部 分的单片机连接 也可以单独使用 芯片的主要特性是 全数字控制 兼容 Intel 和 Motorola 系列的单片机 载波频率最高可达 24kHz 输出调制波频率 范围为 0 4kHz 将调制波频率的分辨率提高到 16 位 8 位调压分辨率 内部 ROM 固化 3 种可选波形 可设定死区时间和删除最小脉宽 可实现正反转控制 由于采用了可由用户选择的三相幅值独立控制方式 因而可以单独设定各相的 输出电压幅值以适应不平衡负载 有看门狗定时器 2 SA4828 的引脚功能 SA4828 的引脚如图 4 所示 大体可以分为三类信号 与单片机的接口信号 ADO AD7 WR RD ALE 可直接与地址 数据复用的单片机相连 此时 总线选择信号 MUX 接 5V 地址 数据引脚 RS 不用 图 4 SA4828 的引脚图 输入信号 CS 片选信号 CLK 时钟信号 最高频率为 24 576MHz RESET 复位信号 禁止输出 SET TRIP 关断信号 高电平时可快速关断全部 SPWM 信号 RT YT BY 控制三相逆变桥的三个上桥臂的开关管 RB YB BB 控制三相逆变桥的三个下桥臂的开关管 它们是标准的 TTL 信号 有 12mA 的驱动能力 可直接驱动光耦 ZPPR 输出调制波的频率 WSS 输出采样波形 TRIP 封锁状态 SET TRIP 有效时 该引脚为低电平表明输出已被封锁 可接 LED 指示灯 3 SA4828 芯片的控制方法 对 SA4828 的控制是通过微处理器接口将数据送入芯片和两个寄存器 初始 化寄存器和控制寄存器 来实现的 初始化寄存器用于设定与逆变器有关的一 些基本参数 这些参数在 PWM 输出端允许输出前初始化 逆变器工作以后不允 许改变 控制寄存器在工作过程中控制输出脉宽调制波的状态 从而进一步控制逆 变器的运行状态 通常在工作该寄存器内容常被改写以实现实时控制 参数是通过 8 个暂存器 R0 R2 R3 R4R 5R R14 R15 来传送的 初始 化参数先被写入 R0 R2 R5 然后通过对 R14 的写操作将参数送入初始化寄 存器 最后再将控制参数写入 R0 R1 R5 并通过对 R15 的写操作将参数送 入控制寄存器 3 2 3 键盘显示芯片 INTEL8279 简介 INTEL 8279 是一种可编程键盘 显示器接口芯片 它含有键盘输入和显示 器输出两种功能 键盘输入时 它提供自动扫描 能与按键或传感器组成的矩 阵相连 接收输入信息 它能自动消除开关抖动并能对多键同时按下提供保护 显示输出时 它有一个 16 8 位显示 RAM 其内容通过自动扫描 可由 8 或 16 位 LED 数码管显示 1 8279 的引脚和功能 8279 采用 40 引脚双列直插封装 其引脚排列及功能分别如下图所示 图 5 8279 的引脚图 其引脚功能如下 D0 D7 数据总线 双向三态总线 CLK 系统时钟输入端 RESET 系统复位输入端 高电平有效 复位状态为 16 个字符显示 编 码扫描键盘 双键锁定 程序时钟编程为 31 CS 片选输入端 低电平有效 A0 数据选择输入端 A0 1 时 CPU 写入数据为命令字 读出状态字为状 态字 A0 0 时 CPU 读 写均为数据 RD W 读 写信号输入端 低电平有效 IRQ 为中断请求输出线 高电平有效 在键盘工作方式下 当 FIFO 传感 器 RAM 中有数据时 此中断线变高电平 在 FIFO 传感器 RAM 每次读出时 中 断线就下降为低电平 若在 RAM 中还有信息 则此线又重新变为高电平 在传 感器工作方式中 每当传感器信号变化时 中断线就变为高电平 SL0 SL3 扫描输出端 用于扫描键盘和显示器 可编程设定为编码 4 中选 1 或译码输出 16 选 1 RL0 RL7 回复线 它们是键盘或传感器的列信号输入端 SHIFT 移位信号输入端 高电平有效 它是 8279 键盘数据的次高位 D6 通常用作键盘上 下档功能键 在传感器和选通方式中 SHIFT 无效 CNTL STB 控制 选通输入端 高电平有效 在键盘工作方式时 它是键盘 数据的最高位 通常用作控制键 在选通输入方式时 它的上升沿可把来自 RL0 RL7 的数据存入 FIFO 传感器 RAM 中 在传感器方式时 它无效 OUTA0 OUTA3 A 组显示信号输出端 OUTB0 OUTB3 B 组显示信号输出端 D 显示熄灭输出端 低电平有效 它在数字切换显示或使用熄灭命令时 关显示 2 8279 的工作方式 8279 工作方式的确定是通过 CPU 对 8279 送入命令字实现 当数据选择 端 A0 置 1 时 CPU 对 8279 写入的数据为命令字 读出的数据为状态字 在 叙述命令字 状态字前须先说明 8279 的 3 种工作方式 键盘的工作方式 显示 器工作方式 传感器矩阵方式 3 8279 的命令字 8279 共有 8 条命令 如下所述 1 键盘 显示方式设置命令字 2 时钟编程命令 3 读 FIFO 传感器 RAM 命令 4 读显示 RAM 命令 5 写显示 RAM 命令 6 显示禁止写入 消隐命令 7 清除命令 8 结束中断 出错方式设置命令 4 8279 状态格式与状态字 8279 的 FIFO 状态字 主要用于键盘和选通工作方式 以指示数据缓冲器 FIFO 传感器 RAM 中的字符数和有错误发生 状态字节的读出地址和命令输入地 址相同 CS 0 A0 1 状态字节格式如下 其中 DU D7 为显示无效特征位 DU 1 表示显示无效 显示 RAM 在清除 显示或全清命令尚未完成时 DU 1 此时对显示 RAM 操作无效 S E D6 为传感器信号结束 错误特征位 在读 FIFO 状态字时被读出 在 执行 CF 1 时被复位 在传感器方式时 S E 1 表示至少有一个键闭合 在特殊 出错方式时 S E 1 表示有多键同时按下 O D5 为 FIFO 传感器 RAM 溢出标志位 当 FIFO 传感器 RAM 填满时再送 入数据则该位置 1 U D4 为 FIFO 传感器 RAM 空标志位 当 FIFO 传感器 RAM 中无数据时 如 CPU 读 FIFO 传感器 RAM 则该位置 1 F D3 为 FIFO 传感器 RAM 满标志位 F 1 表示 FIFO 传感器 RAM 中已满 NNN D2 D1 D0 表示 FIFO 传感器 RAM 中的字符个数 即数据个数 3 2 4 IR2304 半桥驱动集成电路 IR2304 是国际整流器公司 IR 新推出的多功能 600V 高端及低端驱动集 成电路 这种适于功率 MOSFET IGBT 驱动的自举式集成电路在照明镇流器 电 源及电机等功率驱动领域中将获得广泛的应用 IR2304 采用 8 脚 DIP 或 SOIC 封装 其引脚排列如图 7 所示 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 DU S E O U F N N N 图 7 IR2304 引脚排列图 IR2304 的性能特点如下 1 芯片体积小 DIP8 集成度高 可同时驱动同一桥臂的上 下两只 开关器件 2 动态响应快 典型通断延迟时间 220 220 内部死区时间 100 匹配延迟时间 50 3 驱动能力强 可驱动 600 主电路系统 具有 60 130 输出驱 动能力 栅极驱动输入电压宽达 10 20V 4 工作频率高 可支持 100 H 或以下的高频开关 可与 ORF830 或 ORFBC30 等较小巧的 MOSFET 或 IGBT 配合使用 5 输入输出同相设计 提供高端和低端独立控制驱动输出 可通过两个 兼容 3 3V 5V 和 15V 输入逻辑的独立 CMOS 或 LSTTL 输入来控制 为设计带来 了很大的灵活性 6 低功耗设计 坚固耐用且防噪效能高 IR2304 采用高压集成电路技术 整合设计既降低成本和简化电路 又降低设计风险和节省电路板的空间 相比 于其它分立式 脉冲变压器及光耦解决方案 IR2304 更能节省组件数量和空间 并提高可靠性 7 具有电源欠压保护和关断逻辑 IR2304 有两个非倒相输入及交叉传导 保护功能 整合了专为驱动电机的半桥 MOSFET 或 IGBT 电路而设的保护功能 当电源电压降至 4 7V 下时 欠压锁定 UVL0 功能会立即关掉两个输出 以防止 穿通电流及器件故障 当电源电压大于 5V 时则会释放输出综合滞后一般为 0 3V 过压 HVIC 及防闭锁 CMOS 技术使 IR2304 非常坚固耐用 另外 IR2304 还配备有大脉冲电流缓冲级 可将交叉传导减至最低 同时 采用具有下拉功能的施密特 Schmitt 触发式输入设计 可有效隔绝噪音 以防止器件意外开通 该芯片与其它同类产品的特性比较可看出 IR2304 比同类 其它产品特性更优越 集成度更高 3 2 5 串口通信 Max232 芯片简介 RS 232C 是使用最早 应用最多的一种异步串行通信总线标准 它是美国 电子工业协会 EIA 1962 年公布 1969 年最后修定而成的 其中 RS 表示 Recommended Standard 232 是该标准的标识号 C 表示最后一次修定 RS 232C 主要用来定义计算机系统的一些数据终端设备 DTE 和数据电路 终接设备 DCE 之间的电气性能 例如 CRT 打印机与 CPU 的通信大都采用 RS 232C 接口 MCS 51 单片机与 PC 机的通信也是采用该种类型的接口 由于 MCS 51 系列单片机本身有一个全双工的串行接口 因此该系列单片机用 RS 232C 串行接口总线非常方便 RS 232C 串行接口总线适用于 设备之间的通 信距离不大于 15 米 传输速率最大为 20kB s RS 232C 信息格式标准 RS 232C 采用串行格式 如图 8 所示 该标准规定 信息的开始为起始位 信息的结束为停止位 信息本身可以是 5 6 7 8 位再加一位奇偶位 如果两 个信息之间无信息 则写 1 表示空 n n 1 0 0 10 10 10 10 10 10 1 5 6 7 8 1 1 12V 0 12V 0 图 8 RS 232C 信息格式 RS 232C 电平转换器 RS 232C 规定了自己的电气标准 由于它是在 TTL 电 路之前研制的 所以它的电平不是 5V 和地 而是采用负逻辑 即 逻辑 0 5V 15V 逻辑 1 5V 15V 因此 RS 232C 不能和 TTL 电平直接相连 使用时必须进行电平转换 否 则将使 TTL 电路烧坏 实际应用时必须注意 常用的电平转换集成电路是传输 线驱动器 MC1488 和传输线接收器 MC1489 MC1488 内部有三个与非门和一个反相器 供电电压为 12V 输入为 TTL 电平 输出为 RS 232C 电平 MC1489 内部有四个反相器 供电电压为 5V 输 入为 RS 232C 电平 输出为 TTL 电平 另一种常用的电平转换电路是 MAX232 本书所配套的实训电路就采用该芯 片 MAX232 的引脚图为 图 9 MAX232 引脚图 在最简单的全双工系统中 仅用发送数据 接收数据和信号地三根线即可 对于 MCS 51 单片机 利用其 RXD 串行数据接收端 线 TXD 串行数据发送 端 线和一根地线 就可以构成符合 RS 232C 接口标准的全双工通信口 3 3 系统主回路的设计及参数计算 1 主回路的结构 系统主回路是交 直 交电压型变频电路 如图 10 所示 图 10 主回路电路图 主电路整流采用三相桥式不可控整流器 对三相交流电进行全波整流 滤波 电容 C7 C8 滤除整流后的电压波纹 并在负载变化时保持电压稳定 当变频器 通电时 瞬时冲击电流较大 为了保护电路原件 加了一个电抗器 L1 延缓了电 流对逆变电路的冲击 保护了逆变电路 R13 是制动电阻 电动机在制动过程中处于发电状态 由于电路处在短路 状态 增加的电能无处释放 使电路泵升电压不断升高 将会损坏电路原件 所以应给一个放电电路 使这部分再生电能损耗在电阻 R13 上 制动时 分压 电路电压升高 电压比较器 LM311 输出高电平控制开关管 Q7 导通形成放电通路 电源指示灯 Lamp 作为滤波电容 C7 C8 放电通路和指示 滤波电容 C7 C8 容量 通常很大 所以放电时间长 数分钟 几百伏的高电压会威胁工作人员的安全 因此 在维修时 要等到指示灯熄灭后进行 三相开关 Q1 Q6 组成三相逆变器 将直流电逆变成频率可调的巨型波交流 电 逆变管可选择绝缘栅场效应管 IGBT 功率场效应管 MOSFET 续流二极管 D7 D12 的作用是当逆变开关管由导通状态变为截至时 虽然 电压突变降为零 但由于电动机线圈电感的作用 储存在线圈中的电能开始释 放 续流二极管提供通道 维持电流在线圈中继续流动 另外 当电动机开始 制动时 续流二极管为再生电流提供通道 使其回流到直流电源 电阻 R5 R10 电容 C1 C6 二极管 D13 D18 组成缓冲电路 来保护逆变 开关管由于逆变开关管在开通和关断时 要受集电极电流 CI和集电极与发射极 间电压 CEV的冲击 因此要经过缓冲电路来进行缓解 当逆变开关管关断时 迅速升高 I迅速降低 过高增长率的电压对逆变开关管造成危害 所以 在逆变开关管两端并联电容 C1 C6 来减小电压增长率 当逆变开关管开通时 CEV 迅速减低 CI迅速升高 并联在逆变开关管两端的电容 C1 C6 由于电压降 低 将通过逆变开关管放电 这将加速电流 CI的增长率 对逆变开关管造成危 害 所以增加电阻 R5 R10 限制电容的放电电流 可当逆变开关管关断时 该 电阻又会阻止电容的充电 为了解决这个矛盾 在电阻两端并联二极管 D13 D18 使电容在充时避开电阻 通过二极管充电 在放电时 通过电阻放 电 实现缓冲功能 2 参数计算和元件选择 1 大功率开关管 SPWM 正弦脉宽调制方法的直流利用率为 0 866 即 1 86dUo 为了 使逆变器输出 380V 的线电压 要求直流侧的电源电压 304 dV 考虑到大功率的晶体管的管压降等 取 450dV 则大功率晶体管的参数为 23 90135BRceodUV 23 90135RceodUV 其极限参数选为为 50 4 BRceoCMIAPW 2 三相整流桥 整流桥输入侧电压为 2 19 3d 直流侧功率 可估算如下 取电动机的效率为 0 82 则电动机的输入功率为 10 7 82VPKW 取逆变器的效率为 0 93 则 直流侧的功率为 1 90 3d 故直流侧电流 2906 45dPIAU 整流二极管最 高反压 26 1940RMUV 基于以上数据 选用 MDS 型三相整流桥模块 其最大输出电流为 40A 最 高耐压为 1000V 3 滤波电容的选择 整流输出的最大电压 450V 因此滤波电容的耐压值应在此电压之上 并有 一定的安全裕度 故取滤波电容的耐压值为 600V 理论上 滤波电容的值越 大越好 但考虑到体积成本等因素 电容值也不可能选得太大 事实上 中间 直流滤波电容的容量是从限制电压波动的角度来选择的 根据经验 可选 2 个 2200 F 的铝电解电容并联使用 滤波电感在这里主要用来限制电流脉动 PWM 变频调速系统不存在电流不 连续问题 和短路电流上升率 按照晶体管三相桥式整流电路限制电流脉动的 电感量算式估计如下 取 10 iS 3322 8 1092174 6 4dmMIdUL mHfS 考虑到电动机和整流变压器存在一定的电感量 取实际的串联电感为 100mH 选择两台电感量各为 100mH 额定电流不小于 6 4A 的电抗器 L1 串联 4 大功率晶体管阻容吸收电路 取电动机起制动电流 mI为额定电流的 3 倍 即 关断时间 升泵电压 则 34 81 mIAMOSFET 6fus 50PUV 114 8642 2 50 mfdPItCFuU C1 C6 的耐压值与 IGBT 或 MOSFET 相同 取 C1 C6 为 的电容 0 1 V R5 R10 阻值取为 100 欧 5 泵升电压检测保护电路 1 泵升电压必须低于主电路电容器和大功率器件的电压定额 一般可选择130 作为上限 为正常运行时电容 C7 C8 上的电压值 即此时应开通cUc Q7 2 泵升电压抑制电路动作结束时 为使系统能再次迅速电动运行 不应使 直流电压降得过低 必须等于或略大于正常运行时 110 Uc 值 一般可选择10 Uc 作为下限 即在此时应关闭 Q7 则电阻 R13 的功率和阻值可选取为 max221j 0 t 34 1 CRUP KWT 0 Jmax22a34 j 0 CCU 0 J 流过晶体管 Q7 的最大电流值 222max1j 0 t 9 4CVT UI J A 3 4 嵌入式控制系统单元模块的设计 3 4 1 SPWM 控制信号的产生及变频器的设置 1 初始化参数计算单片机时钟频率为 12MHz 和 SA4828 的时钟频率均为 6MHz 调制波频率范围 0 50Hz 载波频率位 5kHz 实际脉冲删除时间 12 s 死区延迟时间 6 1 载波频率设定字 由载波频率 n 152 CLKfCARf 得 61302 3451nclkCARfHZ 取 12n 2 则 n 2 载波频设定字为 010 反算载波频率 6105 8252clkCARnfHZf KHZ 2 调制波频率范围设定字 由 384 mCARRNGEff 得 38421 96RANGECf 取 2m 4 则 m 2 调制波频率设定字为 010 反算调制波频率 2586013434mRANGECARfHZf 所以寄存器 R0 的值为 00100010 即 22H 3 脉冲延迟时间设定字 由 6512PDYTDYCARntf 得 63512321PYTDYCARtfH 所以寄存器 R2 中的值为 21H 4 最小删除脉宽设定字 最小删除脉宽等于实际最小脉宽加上延迟时间 所以 10 5 15 由 1275PDTPDYCARntf 得 127512PTPDYCARtf 所以寄存器 R1 中的值为 25H 5 波形选择字和 AC 设定选用高效波形 选择字为 10 红相控制幅值 AC 0 所以寄存器 R3 中的值为 02H 6 看门狗设定不用看门狗 所以寄存器 R4 R5 的值均为 00H 2 控制寄存器值的参数 用户由键盘输入电动机的转速 经过键盘处理程序进行处理 变成调制波 频率值 POWERf 并将其存入内部 RAM30H 中 通过查 U F 曲线表 可以得到与调 制波频率比相对应的调压比 POWERA 并将其存入 31H 中 其他控制参数如 转反 转 输出封锁 看门狗 相计数器复位 软复位 这些位变量存入位操作区 20H 中 以便通过操作来改变它们的值 调制波频率字计算可由下式得 6536531074POWERPOWERPFS POWERANGKffn fHZHZ 可以看成一个双字节的无符号与一个单字节数相乘 其集是一个双字节的 无符号数 调制波幅值控制字计算可由下式得 2510POWERAn 这是一个单字节数相乘 再出一个单字节的数 其结果是一个单字节的数 调速程序就是要计算出 PFS和 A字 并将送入 SA4828 的控制寄存器 3 4 2 键盘显示模块设计 利用键盘 显示专用芯片 8279 能够以较简单的硬件电路和较少的软件开销 实现单片机与键盘 LED 显示器的接口 本设计采用下图 11 的电路实现键盘显示功能 软件设计将有所改观 采用 8279 与 AT89C52 的 P0 口相连 电路采用 6 位显示 2 8 16 位键盘 由于需要 6 位显示 而 8279 只提供 4 位显示接口 所以本设计扩张了一片 74LS138 将显 示扩展成 6 位显示 CPU 对 8279 进行初始化后 只需向 8279 传输待显示数据 送数 再就是在 8279 键盘中断申请发出后 取键盘数据识别按键 取数 即可实现按键识别和动态显示 至于要花费 CPU 大量时间的键盘扫描程序和动 态显示程序 全由 8279 硬件自动完成 大大提高了 CPU 的工作效率 74LS245 为驱动电路 因为 LED 显示驱动需要较大的驱动电流 通过 8279 不能直接驱动 LED 所以在这里增添了驱动芯片 74LS145 其中键盘部分有 0 9 共 10 个数字键 2 个正传反转建 2 个开始 暂停键 一个手动封锁 SPWM 信号键一个功能切换键和一个确认键 共 16 个键 图 11 键盘显示电路 3 4 3 单片机串口模块设计 MAX232 是标准的串口通信接口 对于一般的双向通讯 只需要使用串行输 入口 RXD 第 3 脚 串行输出 TXD 第 2 脚 和地线 第 7 脚 其中 11 管脚接单 片机的 P3 1 12 管脚接单片机的 P3 0 由于器件对电源噪声很敏感 因此 cV 对地需要加去耦电容 5C 其值为 1 0uF 电容 1C 2 3 4取同样数值 的电解电容 以提高抗干扰能力 可见运用 MAX232 实现串口通信比较简单 而 且能够获得比较可靠的结果 是一种很好的串口通信技术 具体电路图如下图 12 所示 图 12 串口通信电路 3 4 4 速度检测电路设计 速度检测电路如图 13 采用透光式采样 单光束红外传感器 ST178 接收信 号 电路在 5V 电压下工作 根据该型号传感器红外发射管所需的工作压降 外 图 13 转速检测电路 发射管的正向压降在 1 1 3V 和工作电流 红外发射管的电流为 2 10mA 选取负载电阻 R1 0 51K 红外接收管负载电阻 R2 51K 在小汽车的车轮上钻若干小孔 设小孔的个数为 n 在车轮转动时 发光 二极管发射的光被没有孔的地方遮挡时 光敏三极管不能导通 光敏三极管的 集电极输出为高电平 经反相后 单片机定时器 T0 的输入端为低电平 在有小 孔的