电机调速系统

电机调速系统（精选十篇）

电机调速系统 篇1

一、系统工作原理

图1为系统原理框图, 由交流电取的相位信号, 为过交流电零点的窄脉冲, 送入CPU中断。调速输出端取电压信号通过A/D送入CPU的I/O口。CPU取得相位信号和速度检测信号, 通过比较、计算后直接输出移相脉宽调制信号, 控制驱动的输出, 从而调整直流电机的速度。

二、实例:微电脑球磨机

图2是电脑球磨机控制器方框图, 一个典型成熟的直流调速电路。

线路中分两部份, 电脑主板和可控硅主回路及控制部分。

电脑主板有CPU为AT89C51、数码显示用的PS7219、看门狗与存贮器是X5045、时钟芯片采用X1203、其它一些接口加了一些数字电路。电脑主板上还一部分转速测量, 用的方式是测输出电压值, 芯片即A/D转换器用的ICL7135, 因为直流电机的转速和所加电压是成正比的, 所以这里用A/D测量输出电压 (即负载上电压) 做为反馈信号, 从而控制转速。

可控硅主回路及控制部分见图3, 由Q1-Q2、D1-D2组成的桥式削波整流输出到电机转子, Q1、Q2上触发极SCR1、SCR2的信号由单片机产生, 并经过光耦隔直放大后再驱动Q1、Q2。相位信号是取零点信号, 由整流桥D8、Q4、Q5、U4等组成, 连接至CPU的INT0中断。R8、R9、R10取输出电压反馈至A/D, 再到CPU调整削波大小。J1是定时继电器、J2是正反转切换继电器。R0和Q3等组成过流保护, 当负载电流太大, R0上电压过了阀值, Q3导通, 锁住了Q5, 光耦始终没有过零信号发出, CPU停止削波信号输出, 电机停传。D3、D4提供电机励磁电流。其它在这里不一一赘述了。

三、主程序流程图

电机调速系统 篇2

目录

一、PID简介··································（6）

二、设计原理··································（7）

三、设计方案··································（8）

四、心得体会

·······························（16）

五、参考文献 ·······························（16）

二、设计原理

基本的设计核心是运用PID调节器，从而实现直流电机的在带动负载的情况下也能稳定的运行。运用A/D转换芯片将滑动变阻器的模拟电压转换为数字量作为控制直流电机速度的给定值；用压控振荡器模拟直流电机的运行（电压高-转速高-脉冲多），单片机在单位时间内对脉冲计数作为电机速度的检测值；应用数字PID模型作单片机控制编程，其中P、I、D参数可按键输入并用LED数码显示；单片机PWM调宽输出作为输出值，开关驱动、电子滤波控制模拟电机（压控振荡器）实现对直流电机的PID调压调速功能。

基于以上的核心思想，我们把这次设计看成五个环节组成，其具体的原理如下见原理图2.0

图2.0 PID调速设计原理图

如图可以知道，这是一个闭环系统，我们借助单片机来控制，我们现运用AD芯片，运用单片机来控制AD芯片来转换模拟电压到数字电压，AD给定的电压越大，则产生的数字量越大，单片机再控制这个数字量来产生一个PWM，PWM占空比越大，就驱动晶体管导通的时间越长，这样加到压频转换器的电压也就越大，电压越大，则压频转换器输出的计数脉冲再单位时间也就越多，这样就相当于电机的电压越大，其转速也就会越快，我们再用单片机对压频转换器的输出脉冲计数，PID调节器就把这个计数脉冲和预先设定的 值进行比较，比设定值小，这样就会得到一个偏差，再把这个偏差加到AD的给定电压，这样就相当于加大了PWM的占空比，要是比设定值大，这样也会得到一个偏差，就把这个变差与给定的电压向减，这样就可以减少PWM的占空比，通过改变占空比来改变晶体管的导通时间，就可以改变压频转换器的输入电压，也就改变压频转换器的单位计数脉冲，达到调电动机速度的目的。

三、设计方案

3.1 PWM的调制

AD芯片给定一定的电压，应用单片机来控制来产生一个PWM,给定的电压不同，就会的得到不同的PWM波形。在产生PWM波形我们采用ADC0808芯片和AT89C51两个核心器件。

ADC0808芯片是要外加电压和时钟，当输入不同的电压的时候，就可以把不同的电压模拟量转化为数字值，输入的电压越大，其转换的相应的数字也就会越大，ADC0808芯片有8个通道输入和8个通道输出。其具体的管脚图见3.01

图3.01 ADC0808芯片管脚图

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图3.02所示

图3.02 AT89C51芯片管脚图

3.2基于单片机的数字PID控制直流电机PWM调压调速器系统 3.21调速原理

当基于以上产生一个PWM后，就可以借助PWM脉冲来控制晶体管的导通和关断，来给压频转换器来提供一定的电压，在PROTUES中仿真中，给定一个+12V的电压，就通过晶体管的导通和关断来给压频转换器供电，压频转换器就会输出很多的脉冲，借助单片机P3.5来计数，其计数送给P0来显示，通过给定不同的ADC的输入电压，就可以的得到不同的计数显示，电压越大，其计数显示也就越大，通过改变计数脉冲的周期和硬件压频转换器（LM331）的电阻和电容，就可以得到与输入电压接近的数值显示，可能由于干扰的原因，其显示值和实际值有一点偏差，这是在没有什么负载的情况下，或者说是在空载的情况下，这样就可以得到一个很理想的开环系统，也为闭环PWM调节做好准备。

当开环系统稳定后，加上一个扰动，或者说是加上负载，这样就使的压频转换器的电压减少，在给定一定电压的时候，当负载分压的时候，也就相当于直流电机的电压就会减少，这样直流电机的转速就会下降，或者说当有负载的时候，压频转换器的输入电压就会减少，这样输入的脉冲在单位时间就会减少，这样PID调节器，通过改变PID的参数，PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e(t)与输出u(t)的关系为 u(t)=kp(e((t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt)式中积分的上下限分别是0和t 因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)其中kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数这样就会得到一个偏差，通过这个偏差来改变原来的PWM的占空比，使得晶体管的导通时间加长或减少，这样就改变了直流电机的输入电压，也就是该变了在PROTUES压频转换器的输入电压，使得输出的计数脉冲在单位时间发生改变，也就是模拟了直流电机的转速的改变，我们希望通过PID的调节，使得输出的计数脉冲的显示值和预先设定的值接近，由于偏差的存在，使得PID调节器不断的去修正，使得显示值近可能的接近我们所预期的设定值。

3.22基于单片机的数字PID控制直流电机PWM调压调速器系统原理图

图3.07 PID调速原理图 3.23波形仿真

在不同的给定电压下开换系统会有不同的PWM波形和计数脉冲个数。在不同的波形中从上之下以此为pwm波形，经过驱动后的波形，LM331的输入电压，LM331的输出脉冲。

当给定电压为较高（E8H）其波形见如下图3.08、图3.09 中电压给定对应的波形

PID波形

图3.10 低电压给定对应的波形

;

图3.11 PID 控制LM331的输入电压波形

3.24 PID调速程序 PWM 输出驱动程序

ADC

EQU

35H

CLK

BIT

P2.4

ST

BIT

P2.5

EOC

BIT

P2.6

OE

BIT

P2.7

PWM

BIT

P3.7

;

PID 调节设置

EK0

EQU

40H

EK1

EQU

41H

EK2

EQU

42H

PP

EQU

43H

II

EQU

44H

DD

EQU

45H

UK0

EQU

70H

UK1

EQU

71H

ORG

00H

SJMP

START

ORG

0BH

LJMP

INT_TO

START:

MOV

TMOD, #62H

MOV

TH0, #00H

MOV

TL0, #00H

MOV

IE, #86H

SETB

TR0

;SETB

TR1

MOV

R0, #00

MOV

R1, #00

MOV

R2, #00

MOV

R3, #00

MOV

R4, #00

MOV

R5, #00

MOV

R6, #00

MOV

R7, #00

;PID 赋值

MOV

PP, #05

MOV

II, #03

MOV

DD, #02

MOV

EK0,#00H

MOV

EK1,#00H

MOV

EK2,#00H

MOV

UK0,#00H

MOV

UK1,#00H WAIT:

CLR

OE

INC

R7

CLR

ST

SETB

ST

CLR

ST

JNB

EOC, $

SETB

OE

MOV

ADC, P1

MOV

R0,ADC

MOV

A,70H

ADDC

A,ADC

MOV

ADC ,A

;CLR

OE

SETB

PWM

SETB TR1

MOV

A, ADC

LCALL

DELAY

CLR

PWM

;等待转换完成;高电平延时 8

MOV

A, #255

SUBB

A, ADC

LCALL

DELAY

;低电平延时

CJNE

R7, #20, WA2 WA1:

CLR

TR1

MOV

R7, #00

MOV

A, TL1

MOV 50H,A

mov P0,50H

;PID求偏差

MOV A,EK1

MOV EK2,A

MOV A,EK0

MOV EK1,A

MOV A,R0

SUBB A,50H

MOV EK0,A

;PP的计算

MOV

A,EK0

SUBB A,EK1

MOV B,PP

MUL AB

MOV R1,A

MOV R2,B

AJMP X

WAIT1:AJMP WAIT

;II的计算

X: MOV A,EK0

MOV B,II

MUL AB

MOV R3,A

MOV R4,B

;DD的计算

MOV A,EK1

RL A

MOV EK1,A

MOV A,EK0

SUBB A,EK1

ADDC A,EK2

MOV B,DD

MUL AB

MOV R5,A

MOV R6,B

;PID总的计算

MOV A,R1

ADDC A,R3

ADDC A,R5

MOV 60H,A

MOV A,R2

ADDC A,R4

ADDC A,R6

MOV 61H,A

MOV A,60H

ADDC A,70H

MOV

70H,A

MOV A,61H

ADDC A,71H

MOV

71H,A

MOV TL0,#00H

MOV

TL1,#00H

;SETB TR1

WA2:

SJMP

WAIT1

INT_TO:

CPL

CLK

RETI

DELAY:

MOV

R6, #1 D1:

DJNZ

R6, D1

DJNZ

ACC, D1

RET

END 10

四、心得体会

我们进行了为期一周的计算机控制技术课程设计。通过这两周的课程设计，我拓宽了知识面，锻炼了能力，综合素质得到了提高。

刚刚拿到课题，我感到有些茫然，对于以前没有做过的人来说要全部做完的确有一定的难度。由于我对计算机控制不是很熟悉，在设计的过程中走了不少弯路。

通过亲身体验做课程设计，我觉得安排课程设计的基本目的，在于通过理论与实际的结合，进一步提高观察、分析和解决问题的实际工作能力，以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合型人才。运用学习成果，把课堂上学到的系统化的理论知识，尝试性地应用于实际设计工作，并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些有针对性的建议和设想。检验学习成果，看一看课堂学习与实际工作到底有多大距离，并通过综合分析，找出学习中存在的不足，以便为完善学习计划，改变学习内容与方法提供实践依据。我的收获有一下几点：

第一，我对所学专业有了一些了解，增强了自己的兴趣和对以后可能从事的职业的热爱。第二，通过课程设计我明白到了理论到实践有一段很远的路程。设计过程中的每一步都是一门学问，我终于知道了每一个实现的过程，每一个认识的过程都存有人类无数的的汗水与对待事物一丝不苟得，缜密的思考以及不懈的努力，只有这样才会有一个新生事物的诞生。而以上种种的过程必须要你亲自去体会去认识去发现，那才是属于你的“收获”，只有这时才会对自己的作品无比的骄傲。

第三，通过这次设计加强了我们的设计创新能力。使我们的理论知识与实践充分地结合。第四，通过两周的课程设计，我学到了很多书本上学习不到的知识。两周的时间很短，但是我学到比两年的还多，在以后的学习生活中，我需要更努力地读书和实践。

对我们电气专业的学生来说，实际能力的培养至关重要，而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的，必须从课堂走向实践。通过课程设计，让我们找出自身状况与实际需要的差距，并在以后的学习期间及时补充相关知识，为求职与正式工作做好充分的知识、能力准备，从而缩短从校园走向社会的心理转型期。

在设计过程中，体会到了设计一项课题的不易，也体会到了设计成功之后的小小成就感和同学之间相互合作的默契。更重要的是，通过课程设计，我发现了自身存在的更多不足之处和实际应用能力方面的欠缺，这些不足之处在今后的学习之中要有意识的弥补和改变。

最后，感谢在课程设计过程中关心帮助我的老师同学。

五、参考文献

直流电机PWM调速系统设计 篇3

[关键词] 直流电机PWM调速系统

直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用。直流电动机转速的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制;而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。调节电阻R即可改变端电压，达到调速目的。但这种传统的调压调速方法效率低。

随着电力电子技术的进步，发展了许多新的电枢电压控制方法，其中PWM(脉宽调制)是常用的一种调速方法。其基本原理是用改变电机电枢(定子)电压的接通和断开的时间比(占空比)来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。最近几年来，随着微电子技术和计算机技术的发展及单片机的广泛应用，使调速装置向集成化、小型化和智能化方向发展。

一、PWM信号发生电路设计

PWM信号发生器是由单片机和PWM脉冲发生电路两部分组成，其原理如图所示。PWM脉冲可由具有PWM输出口的单片机(如80C552，80C198等)通过编程产生，或者由单片机外扩8253来构成脉宽调制器，还可以采用PWM专用芯片。在实践中我们采用通用集成电路4585和4040设计了一种专用的PWM的脉冲发生电路。当l2位二进制串行计数器u4(404o)的RST引脚为“1”高电平)时，Q2-Q9均为“0”(低电平)。当RST为“0”时，CLK引脚每来一个脉冲，计数器加l。当系统晶振频率为12MHz时，Q2-Q9由全“0”变为全“l”的时间为42.5μs。2片4位数值比较器U2，U3(4585)串联组成8位数值比较器，其A组输入端接U4的Q2-Q9，B组输入端由U1的P1口送入预置数N。当A组输入小于B组输入时，U2的l3脚输出低电平，否则U2的l3脚输出高电平，这样在U2的l3脚就产生了脉冲信号，其占空比为(256-N)／256，周期为42．5μs。这里U1选择美国ATMAL公司的AT89C2051，其芯片结构和指令系统与5l系列单片机兼容，内部有2KB闪速存储器，无需外扩EPROM，而且仅有20条引脚，管脚排列参见图。该芯片市场价格便宜，具有良好的性能价格比，特别适用于小型经济型控制器。在本系统中，由U1的Pl口向8位数值比较器U2和U3传送预置数N，改变N就可以改变PWM脉的占空比。

二、直流电机速度闭环控制软件实现方法

u1的P3.3，P3.4分别接升速按钮s1和降速按钮s2。当s1键按下时，将送到P1口的预置数N减1以增大PWM信号的占空比；当s2按下时，将N加1以减小PWM信号的占空比。

在进行软件编程时应加入键盘去抖、速度限幅等处理程序。系统采用计时法测量电机转速。电机的输出轴装有测速盘，其上沿圆周方向均布32个孔，采用透射式光电传感器，其输出信号经施密特触发器整形后输入2051的P3-2口。每当转至小孔处，光电传感器接收到信号，引起2051外部中断。2051的定时器T1设定为16位定时器方式，初始化TH1，TL1为#00H。在外部中断程序中启动定时器T1，然后中断返回。当下一个外部中断到来时，读取TH1，TL1的值，即两孔间电机运行时间t。依据系统的机械结构尺寸，通过计算得出电机各档速度下的T值，组成速度一时间表。当电机处于某档速度时，测量所得到的t值，如比较从速度一时间表中查出的T值大，则说明电机速度比设定的低，此时可通过增大PWM脉冲的占空比提高电机的转速，反之，则通过减小PWM脉冲的占空比提高电机的转速。这样通过软件编程，就实现了直流电机的速度闭环控制。实践中，应采用数字滤波去除抖动或外部干扰的影响。

三、结论

本系统控制原理成熟可靠，运行稳定。该系统是基于现代电力电子技术，采用PWM控制技术构成的无级调速系统，启停时对直流系统无冲击。工作安全可靠、维护量小，从而确保了系统的安全运行。

参考文献:

[1]左玉兰马宗龙:直流电机调速系统的单片机控制[J]．集成电路应用，1999

[2]王福瑞:单片微机测控系统设计大全[M]．北京:北京航空航天大学出版社,1999

[3]王兆安黄俊:电力电子技术．机械工业出版社,2000

[4]莫正康:电力电子应用技术.机械工业出版社，2000

泵系统的电机调速运行 篇4

在油田生产中, 主要工艺都是采用各种泵 (包括压缩机) 来完成的, 用电量占油田总用电量的80%以上。因此, 挖掘机泵的节能潜力, 不仅要从电动机、传动机构、泵本身效率上考虑, 更要把电机、传动、泵、管网作为1个系统来考虑, 解决运行中出现的各种问题。

电动机的额定效率大都在90%以上, 运行中如负载变化不大, 电动机的效率变化很小, 一般不超过2%。传动机构的效率大都在98%以上, 而且在运行中一般不会随着负载变化发生很大变化。节能型机泵的效率现在都可以达到75%以上。因而, 再提高电机、传动机构、泵自身的效率, 其节能潜力是有限的。

机泵运行效率低的主要原因:首先, 机泵与管网的匹配不合理, 在运行中存在“大马拉小车现象”。当负荷率低, 需要调节流量时, 依然采用传统调节挡板或节流阀的办法, 造成泵管压差大, 节流功率损失大, 耗电高等现象。其次, 由于长期运行导致管网管壁结垢等原因, 使水流阻力增大, 传输效率降低, 降低了机泵的系统效率。因此, 在现有条件下, 应用电机调速技术, 实现机泵的经济运行, 应解决机泵与管网匹配问题, 提高系统运行效率, 达到节能的目的。

由于泵站的设计规模一般都是按5 a～10 a该站预测的最大产液、产油设计的, 同时考虑在长期运行中机泵各间隙及管网的泄漏水量增加, 管道结垢使水流阻力的增大, 因此机泵、管道设计时在满足生产上最大排量的同时, 还适当留有余量。这虽然有利于提高机泵运行的可靠性, 但由于电机转速恒定, 只能通过调节出口阀门实现流量调节, 增大了节流损失, 造成较大浪费。

从图1看出, Qa和Ha为泵选用值, 当泵在此工况下运行, 泵效最高。Qb和Hb是生产实际需要值, 在泵投入运行后, 通过出口阀门的节流作用, 使泵在需要的流量范围运行。这样就改变了负载及管网总阻力特性, 特性曲线从R1改变到R2, 从而增加了节流损失ΔH来满足需要的Qb和Hb运行。这样, 由于该泵的运行效率偏离了最佳工作点B, 使效率由设计效率曲线的1点移至2点, 再加上节流损失ΔH, 使该泵的运行效率从设计效率曲线2点移至运行效率曲线上的3点。由此可见, 由于设计裕量的存在, 泵在运行时就无法避免出口阀门的节流损失。为了最大限度地减少由于控制节流阀门而造成的节流损失, 电动机的调速驱动是行之有效的节能措施, 具有较好的发展前景。

1 交流电动机调速驱动节电原理

油田生产使用的离心泵数量大且耗电高, 均采用交流异步电动机。因此, 重点分析离心泵特性及交流异步电动机调速驱动节电原理很有必要。

1.1 离心泵的节电原理[1]

机泵单位时间耗电量是由配线、控制装置、传动装置、机泵、流体动力5个部分的损耗组成的, 其中流体动力耗电占大部分。采用交流电动机调速装置, 对机泵运行转速控制是减少流体动力耗电的有效方法。从泵的比例定律看出, 泵的排量与转速的一次方成正比, 泵的扬程与转速的平方成正比, 泵的轴功率与转速的三次方成正比。因此, 泵的排量减少, 其轴功率降低是很显著的, 当泵排量为额定排量的75%, 其轴功率为额定功率的42%。通过电机调速技术将电机转速控制在额定转速的75%运行时, 与采用挡板或阀门调节相比, 可减少58%功率消耗;当泵排量下降到额定排量的50%, 其轴功率下降到额定功率的12.5%, 通过电机调速技术将电机转速控制在额定转速的50%运行时, 与采用挡板或阀门调节相比, 可减少87.5%的功率消耗。当然这里应该考虑由于泵的转速降低所引起的泵效降低等诸多因素的影响。但即使这样, 最终的节电效果还是显著的。

用转速控制方法与常用节流方法两者特性相比较, 可进一步说明采用调速降低耗电的原理 (见图2) 。

图2为典型的泵类机械在不同转速时的输出特性曲线。图中, H (n1) , H (n2) 表示调速时的Q=f (H) 曲线, R1, R2表示阀门调节时的管路阻力曲线。输出量为Q1时, 此时所消耗轴功率N1用面积OQ1M1H1表示。当输出量从Q1减到Q2时, 如果采用出口阀门节流控制方法, 就相当于加大管网摩阻, 使管网摩阻特性由R1变到R2, 系统由原来的工况点M1变到新工况点M2运行, 所消耗轴功率N2用面积OQ2M2H2表示, 从图中可以看出泵的扬程反而增加了, 轴功率减少不多。如果采用电动机调速控制转速的方法, 泵的转速由n1降到n2, 根据泵的参数比例定律, 画出在转速n2下的Q=f (H) 特性曲线, 所消耗轴功率N3用面积OQ2CH3表示, 节省的功率损耗用M2H2H3C表示。由图可看出, 在满足同样输出量Q2的情况下, 扬程H3大幅度降低, N3有显著减少。由此可见, 泵系统采用电机调速技术有着明显的节能效果, 越是大功率的系统, 其节能效果就越大。

1.2 交流电动机调速的基本原理

交流电动机分为异步电动机和同步电动机。电机调速技术主要应用在异步电动机上。

交流电机定子旋转磁场的转速表达式为

ns=60f/p。 (1)

根据异步机转差率的定义

s= (ns-n) /ns=1-n/ns, (2)

可知异步机的转速为

n=ns (1-s) =60f/p× (1-s) , (3)

式中, ns为电机旋转磁场转速;n为电机实际转速;f为电源频率;p为极对数;s为转差率。

由式 (3) 可知, 电机转速n与极对数p、转差率s、电源频率f有关, 因而异步电动机的调速可以采用变转差率、变极对数及变频率3种方法。其中变转差率又可以通过调定子电压、转子电阻以及定、转子供电频率差等来实现。

2 交流电动机调速驱动种类及特点[2]

交流电动机调速驱动是近年来发展较快的节电技术。这门技术用于变负荷的泵类、风机类机械, 利用转速控制代替阀门、挡板等节流方法, 使这种节电技术得到广泛应用。交流电动机调速对泵、风机转速控制的方法有多种。下面分别予以介绍, 并对变极调速与变频调速进行比较。

2.1 变极调速

改变定子的极对数p, 使异步电动机的同步转速改变, 得到转速的调节。改变定子的极对数, 通常用改变定子绕组接法的方法。

2.2 改变转差率调速

2.2.1 变阻调速

只能用于绕线式异步电动机, 是通过改变转子回路外串电阻以改变电机的机械特性斜率, 而实现转子调速的, 转差功率消耗大、效率低, 外串电阻是分段调节, 故属于有级调速, 多用于调速要求不高且需要增大启动力矩的负载场合。

2.2.2 调压调速

它是利用异步电机电磁力矩与定子电压成平方比例的特点来调速的。电机的定子电压可利用可控硅或饱和电抗器进行连续调节, 从而实现电机的无级调速。这是一种较简便的调速方法, 造价不很贵, 维修也较方便, 但能耗较大, 适用于调速范围小且重复短时进行调速负载中, 例如, 抽油机负载。

2.2.3 电磁转差离合器调速

这种调速系统是由鼠笼式电动机、滑差离合器和测速发电机3个部分组成的。通过控制装置调节离合器激磁电流大小, 从而调节拖动机械 (泵、风机) 的从动轴转速。由于激磁电流连续可调, 故可实现无级调速。这种系统控制功率小, 装置简单, 但离合器的电枢和磁极都是转动的, 转速常有差别, 效率随转速降低而下降, 属于低效转差调速。调速性能能够满足泵类、风机类的要求, 运行平稳可靠, 投资较少。

2.2.4 串级调速

它是将转子转差功率通过整流器变成直流, 再通过晶闸管有源逆变器转换成与电网同频率的交流电并通过变压器反馈回电网。通过改变逆变控制角的大小, 即改变逆变器的输出电压, 从而使异步电动机的转速发生变化。其方法是在异步电动机转子回路内引入感应电动势Ef, 其方向与转子电动势E2s方向相同或相反, 其频率则与转子频率相同。

2.2.5 变频调速[3]

它是通过改变交流电动机定子供电频率来调节电动机转速的。

这种变频调速既可用于同步机, 又可用于异步电机, 特别适用于结构简单的鼠笼式电机。这种调速器可使电机在整个调速过程中一直保持较小的转差率, 因而效率高, 调速范围宽, 调整精度高。变频调速方案很多, 按其变频器结构分为交-直-交和交-交系统两类;按滤波方法不同, 又可分为电压源型 (直流侧并大电容) 和电流源型 (直流回路串大电感) 。

对所述的变极调速与变频调速的比较结果见表1。

3 电动机调速装置的应用

电动机调速不仅能够代替阀门的控制作用, 而且能够减少管路、阀门的压力损失, 提高系统运行效率。因此, 在运行负荷经常改变的情况下, 电机调速是节能的有效途径。但是不同的调速技术, 其效率是不同的。通过对变阻调速、串级调速、变频器调速控制方法的效率比较可以看出, 变阻调速效率最低, 速度愈低效率愈小, 串级调速和变频器调速方式效率比较高。

不同控制方法的电动机电力消耗也是不同的, 在输出同样的情况下, 变频控制的电力消耗最小。转子回路串电阻控制方式的电力消耗较大。调节出口、入口阀门节流的办法电力消耗最大。

在各种调速技术中, 由于变频器调速具有无转差损耗、调速范围宽, 并且节能效果好, 尤其在生产波动较大的泵系统中, 变频调速是经济合理的生产方式, 因此得到广泛应用。如, 采油四厂杏一联2号泵, 在安装变频器前泵出口压力1.17 MPa, 管线压力0.75 MPa, 处于明显的节流状态, 管网效率为64.1%, 输液用电单耗0.429 kW·h/m3。在安装变频器后, 泵出口压力降到0.52 MPa, 管线压力0.45 MPa, 截流现象基本消除了。输液用电单耗下降到0.194 kW·h/m3。采油一厂中113站, 在安装变频器前泵出口压力1.10 MPa, 管线压力0.42 MPa, 处于截流状态, 输液用电单耗0.55 kW·h/m3。安装变频器后, 泵出口压力降到0.45 MPa, 输液用电单耗下降到0.32 kW·h/m3, 节电效果非常显著。变频调速应用前后对比效果见表2。

变频器调速虽有很好的节能效果, 但由于其大功率电子器件的反复高频转换, 变频调速器产生很大的高次谐波。高次谐波对电网有很大影响, 可以导致电压波动, 使供电质量变差, 对所有用电设备造成不良影响。如, 增加电机、变压器的损耗, 在某次谐波发生谐振情况下, 可能使电容器成倍过负荷, 声音异常, 甚至造成电容器严重损坏或无法运行。因此, 在应用变频器时要注意信号电缆采用屏蔽电缆及利用有源高次谐波补偿器来抑制、吸收谐波, 降低谐波对电网的污染。

变频调速在应用中同样要考虑泵系统的运行经济问题。例如, 泵的实际流量已经比设计值小很多, 而且由于生产需要, 泵长期处于小流量运行状态。在这种情况下, 只是简单加装变频器进行流量调节, 节能效果将不会很理想。因为变频器容量必须根据电机容量进行配用, 原机泵已经处于低负荷运行, 结果相当于在原来的“大马拉小车”基础上又加上了“1匹大马” (增加了与原电机容量相匹配的大容量变频器) 。如果依据流量已经变小并不再增加的实际情况, 按实际生产更换小功率、小排量机泵并匹配小容量变频器, 由于在相同流量下, 小泵运行效率会明显高于大泵, 因此, 在投入成本没有很大提高的情况下, 节能效果将有较大提高。

4 结语

变工况运行的机泵系统实现调速, 是最经济合理的运行方式, 推广油水泵调速运行, 不仅是节能的需要, 而且有利于生产的科学管理, 促进稳定生产、安全生产。目前在油田、管道的油水泵上所应用的调速技术大部分是成功的, 取得了良好的经济效益。

在采用何种调速装置时, 应作技术上、经济上的全面论证。机械调速装置不受电源、电压的限制, 结构简单, 使用维修方便, 运行可靠。如, 液力耦合器、液体黏性调速器技术上成熟, 但由于存在转差损耗, 当流量调节幅度较大时, 转动效率较大, 因此调速范围窄。通过调节电动机极对数或改变转子回路外串电阻实现调速, 属于有级调速, 多用于调速要求不高的场合。变频调速具有无转差损耗特点, 效率高、节电效果好, 但维修上技术要求较高。因此在选用时, 要从实际出发, 结合各种因素, 综合考虑。

摘要：石油生产中使用的泵数量多、容量大, 是主要的耗电设备。针对石油生产的需要, 叙述了交流电机调速驱动节点的原理, 分析比较了变极调速和改变转差率调速等电机调速类型的特点, 得出电动机调速不仅能够代替阀门的控制作用, 而且能够减少管路、阀门的压力损失, 提高系统运行效率的结论。

关键词：电动机,调速,节能,效率

参考文献

[1]俞伯炎, 吴照云, 孙德刚.石油工业节能技术[M].北京:石油工业出版社, 1999:175-189.

[2]张权勇.现代企业节能管理全书[M].北京:北方工业出版社, 2007:368-381.

电机调速系统 篇5

课程名称：题

目：

单片机课程设计

基于51单片机PID直流电机调速

摘要

随着科技的日益进步，对自动化的要求也越来越高，直流电动机应用领域更加广泛。例如，军事方面的雷达天线惯性导航火炮瞄准等控制；工业方面的数控机床加工生产设备工业机器人的控制；计算机外围设备及办公设备中各种光盘驱动器扫描仪打印机传真机复印机等设备的控制。因此，设计一款可控性好精度高的电机控制系统是非常有意义的。本文介绍了一种以AT89S51单片机为控制核心的直流电机控制系统模型。

本设计主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。设计中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。另外本系统中使用了红外对管对直流电机的转速进行测量，经过整形电路后将测量值送到单片机，并且最终作为反馈值输入到单片机进行PID运算从而实现了对直流电机速度的控制。在软件方面，文章中详细介绍了PID运算程序初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。

[关键字] PWM信号 红外对管 PID运算

目录

一、设计任务、要求.......................................................................................................................3

1.1 设计任务............................................................................................................................3 1.2 设计要求............................................................................................................................3

二、方案总体设计...........................................................................................................................4

三、硬件设计...................................................................................................................................5

3.1 单片机最小系统................................................................................................................5 3.2 四位数码管显示................................................................................................................5 3.3 电机驱动电路....................................................................................................................5 3.4 红外测速电路....................................................................................................................6 3.5 整形电路............................................................................................................................7 3.6 整体电路............................................................................................................................7

四、软件设计...................................................................................................................................8

4.1 算法实现............................................................................................................................8 4.1 主程序流程........................................................................................................................8 4.2 定时器1中断流程............................................................................................................9

五、硬件设计.................................................................................................................................10

5.1 软件介绍..........................................................................................................................10 5.2 硬件调试..........................................................................................................................10 5.3 软件调试..........................................................................................................................10

六、设计总结、心得体会.............................................................................................................11

七、参考文献.................................................................................................................................12 附录一：源程序.............................................................................................................................13

一、设计任务、要求

1.1 设计任务

设计一个基于51单片机的PID直流电机调速系统。

1.2 设计要求

根据单片机原理及应用课程的要求，主要进行两个方面的设计，即单片机最小系统和存储器扩展设计、接口技术应用设计。其中，单片机最小系统主要要求学生熟悉单片机的内部结构和引脚功能、引脚的使用、复位电路、时钟电路、4个并行接口和一个串行接口的实际应用，从而可构成最小应用系统，并编程进行简单使用。

具体的要求有以下几点：

 系统采用DXP软件设计电路原理，设计布局必须合理美观；  实物采用洞洞板焊接，布局采用万能板专用绘图软件；  4位数据显示功能；

 具有至少2个独立按键，通过按键可设置不同运行方式；  系统具有较好的模块化，功能、程序等分块合理；

二、方案总体设计

方案一：用三极管搭H桥，实现电机正反转的控制。电路部分较为复杂，焊接也显得更麻烦一点。

方案二：以驱动芯片ULN2003作为电机驱动，ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽等特点。UNL2003是是漏极开路输出，它的驱动能力为500mA，能够驱动直流电机、步进电机等。

由于这里不需正反转的控制，也为了使焊接更方便，提高成功率。所以电机芯片驱动方案选择方案二。

总体设计：

复位电路RESET四位数码管显示红外测速脉冲整形P3.4P1.0电机驱动按键控制P1.5P1.6P1.7P2.3蜂鸣器驱动 图1 整体硬件设计

总体方案工作原理：使用STC89C52单片机作为主控制芯片，按键控制改变电机的设定值，通过红外对管进行转速的测量，与设定值进行比较，通过PID算法控制电机达到设定转速。

三、硬件设计

3.1 单片机最小系统

单片机最小系统由51单片机，晶振电路，复位电路，电源组成。大家都比较熟悉，这里不再赘述。

3.2 四位数码管显示

在应用系统中，设计要求不同，使用的LED显示器的位数也不同，因此就生产了位数，尺寸，型号不同的LED显示器供选择，在本设计中，选择4位一体的数码型LED显示器，简称“4-LED”。本系统中前三位显示电压的整数位，最后一位显示转速的小数位。

4-LED显示器引脚如图2所示，是一个共阴极接法的4位LED数码显示管，其中a，b，c，e，f，g为4位LED各段的公共输出端，1、2、3、4分别是每一位的位数选端，dp是小数点引出端，4位一体LED数码显示管的内部结构是由4个单独的LED组成，每个LED的段输出引脚在内部都并联后，引出到器件的外部。

图2 四位LED引脚

3.3 电机驱动电路

电机驱动电中是采用ULN2003来驱动。ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。该电路的特点：ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据，输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。

图3 ULN2003引脚图

图3为ULN2003的引脚图，其中IN1~IN7为输入控制端；OUT1~OUT7为输出端；8脚为芯片的接地端；9脚为公共端，该脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。5

如果该脚接地,实际上就是达林顿管的集电极对地接通。

图4 一对达林顿管

图4为一对达林顿管示意框图，它反映了每一对输入与输出的内部结构。从图中可看出，它内部实际就是由三极管组成，所以实际电机驱动用三极管搭H桥或其他驱动电路也是可以实现驱动电机的。

图5 电机驱动电路

图5为本设计的直流电机驱动电路。当P1.0中为高电平时，其内部三极管导通，使电机转动。当P1.0为低电平时，内部三极管截止，电路断开，电机停止转动。所以在程序中可以利用P1.0口输出PWM波来控制电机的转速。

3.4 红外测速电路

图6 红外对管测速

红外测速部分电路如图6所示，发射管工作时发出红外线，当接收管收到红外信号时，其电阻变小（本设计相当于从无穷大变到1k左右）。利用其电阻变化，改变接收管分压情况。挡片是利用圆盘上剪四个孔，当挡片随电机转动时，接收管两端电平发生变化，产生脉冲。

3.5 整形电路

本设计的整形电路是用555定时器接成的施密特触发器。

图7 整形电路

其电路如图7所示，其特性为，输入信号从0逐渐升高的过程：当输入信号in< 1/3VCC，3引脚输出高电平；当1/3VCC < in < 2/3VCC，3引脚输出高电平保持不变；当in> 2/3VCC，3引脚输出低电平。

当输入信号从高于2/3VCC开始下降的过程：当1/3VCC < in < 2/3VCC，3引脚输出低电平不变；当in< 1/3VCC 3引脚输出高电平。

整形效果如下图所示：

图8 脉冲整形前后变化

3.6 整体电路

图9 整体电路原理图

四、软件设计

4.1 算法实现

（1）PID算法

数字PID调节器结构简单，参数易于调整。将其移植到单片机控制系统，通过软件编程实现，根据经验在线调整参数，灵活性强。采用数字PID调节算法，根据经验和实践，在线整定参数，具有很强的灵活性。PID控制的运算公式为：

u(n)KP[e(n)e(n1)]KIe(n)KD[e(n)2e(n1)e(n2)]u0

因此要实现PID控制就必须在单片机上存在上述算法，其流程图如图所示：

图10 PID算法流程图

（2）电机速度采集算法

本系统中电机速度采集是一个非常重要的部分，它的精度直接影响到整个控制的精度。在设计中采用了红外传感器做为测速装置，其计算公式为：

这里主要是采集圆盘边缘上凹槽数的多少决定的，圆盘有4个凹槽，每转一圈便会产生4个脉冲，通过上面的等式就可得出电机的转速。

4.1 主程序流程

主流程图如图11所示：

图11 主程序流程图

其中中断初始化中设置为定时器TO计脉冲数，定时器T1为高优先级中断。数码管显示的速度为三位整数，一位小数。当测得的速度在设定速度的正负5的范围之外时，蜂鸣器响。

4.2 定时器1中断流程

图12 T1中断程序流程图

五、硬件设计

5.1 软件介绍

Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、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）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。

5.2 硬件调试

当认真的把板子焊接完成，之后也认真的检查了一下连接线路，确认无误后，将程序下载进去后。发现数码管显示不正常，再次将与数码管连接的P0口线路认真检查一下后，发现与之连接的一个I/O口有虚焊的现象。将虚焊点重新焊接后显示正常。但单片机走程序时，第二位数码管显示变动很大，比电机速度的改变大很多。最后认真检查程序，发现程序中显示的那一部分按错了一个符号，导致其运算结果不正确。

5.3 软件调试

软件编写是在KEIL开发环境上编写的。是采用模块化程序的方法，各个功能的程序都使用不同的子程序编写。需要使用的时候，在主函数中进行调用即可。当发现问题的时候，首先检查主函数的调用是否有问题，如果没有问题，就到相应的子函数中，对子函数进行检查。可以使用Keil中的单步调试，查看程序运行是否流畅，同时还可以查看相应变量的值以及寄存器的值，这样就可以知道程序那里出现了问题。而不应该认为是软件出现了问题。或者认为是硬件连接的问题，因为之前的硬件都已经调试过没有问题了。在软件调试的过程中就不应该去怀疑硬件。

其实软硬件的调试是相辅相成的，并没有非常明确的界限。硬件的调试有时候需要通过软件的现象来检测，光看电路图是，或者只是单纯地用万用表检查有没有短路也是没有意义的。

六、设计总结、心得体会

设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。下面我对整个设计的过程做一下简单的总结。第一，接到任务以后进行选题。选题是设计的开端，选择恰当的、感兴趣的题目，这对于整个设计是否能够顺利进行关系极大。好比走路，这开始的第一步是具有决定意义的，第一步迈向何方，需要慎重考虑。否则，就可能走许多弯路、费许多周折，甚至南辕北辙，难以到达目的。因此，选题时一定要考虑好了。第二，题目确定后就是找资料了。查资料是做设计的前期准备工作，好的开端就相当于成功了一半，到图书馆、书店、资料室去虽说是比较原始的方式，但也有可取之处的。总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，要一一记录下来以备后用。第三，通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的题目也大概有了一些了解，这一步就是在这样一个基础上，综合已有的资料来更透彻的分析题目。第四，有了研究方向，就应该动手实现了。其实以前的三步都是为这一步作的铺垫。通过这次设计，我对数字电路设计中的逻辑关系等有了一定的认识，对以前学的数字电路又有了一定的新认识，温习了以前学的知识，就像人们常说的温故知新，但在设计的过程中，遇到了很多的问题，有一些知识都已经不太清楚了，但是通过一些资料又重新的温习了一下数字电路部分的内容。在这次设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。

在此要感谢我的指导老师，感谢老师给我这样的机会锻炼。在整个设计过程中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。虽然这个项目还不是很完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次设计的最大收获和财富，将使我终身受益。

七、参考文献

1.李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）.北京：北京航空航天大学出版社，1999 2.李群芳，等.单片微型计算机与接口技术.北京：电子工业出版社，2001 3.钱逸秋.单片机原理与应用.北京：电子工业出版社，2002 4.朱定华，等.单片微型计算机原理与应用.北京：清华大学出版社，2003 5.何立民.单片机高级教程.北京：北京航空航天大学出版社，2004 12

附录一：源程序

#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int

uchar code table[10]={0x3f,0x06,0x5b, 0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};

//共阴数码管显示码(0-9)

sbit xiaoshudian=P0^7;

sbit wei1=P2^4;

sbit wei2=P2^5;sbit wei3=P2^6;sbit wei4=P2^7;

sbit beep=P2^3;

sbit motor = P1^0;

sbit s1_jiasu = P1^4;

sbit s2_jiansu= P1^5;

sbit s3_jiting=P1^6;

uint pulse_count;

uint num=0;

uchar speed[3];

float bianhuasudu;

float reallyspeed;

float vv_min=0.0;vv_max=250.0;float vi_Ref=60.0;

float vi_PreError,vi_PreDerror;uint pwm=100;

int sample_time=0;

float v_kp=1.2,v_ki=0.6,v_kd=0.2;

//数码管位选定义

//蜂鸣器控制端

//电机控制

//加速按键

//减速按键

//停止/开始按键

//INT0接收到的脉冲数

//num相当于占空比调节的精度

//四位速度值存储

//当前速度（理论计算值）

//实际测得的速度

//给定值

//相当于占空比标志变量

//采样标志

//比例，积分，微分常数 13

/********************************************* *

函数名称：delay

* *

函数功能：不精确的延时

* *********************************************/ void delay(uint z)

{

} /********************************************* *

函数名称：time_init

* *

函数功能：将定时器初始化

* **********************************************/ void time_init(){

ET1=1;ET0=1;

//允许定时器T1中断

//允许定时器T0中断

//定时器0计数，模式1；定时器uint x,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=20;y>0;y--);TMOD = 0x15;定时，模式1

时

TL1 =(65536-100)%256;

} TR0 = 1;TR1 = 1;IP=0X08;

TH1 =(65536-100)/256;

//定时器1值,负责PID中断 ,0.1ms定

//开定时器

//定时器1为高优级

EA=1;

//开总中断

/********************************************* *

函数名称: keyscan

* *

函数功能：

按键扫描，实现加、减速

*

开始/停止

* **********************************************/ 14 void keyscan(){

float j;

if(s1_jiasu==0)

//加速

{

delay(20);

if(s1_jiasu==0)

vi_Ref+=10;

j=vi_Ref;

}

while(s1_jiasu==0);

if(s2_jiansu==0)

//减速

{

delay(20);

if(s2_jiansu==0)

vi_Ref-=10;

j=vi_Ref;

}

while(s2_jiansu==0);

if(s3_jiting==0)

{

delay(20);

motor=0;

P1=0X00;

P3=0X00;

P0=0x00;

}

while(s3_jiting==0);} /********************************************* *

函数名称: v_PIDCalc

* *

函数功能：对测得的速度进行PID运算，其

* *

返回值为运算后的速度

* 15

**********************************************/ float v_PIDCalc(float vi_Ref,float vi_SpeedBack){

register float error1,d_error,dd_error;

error1=vi_Ref-vi_SpeedBack;

//偏差的计算

d_error=error1-vi_PreError;

//误差的偏差

dd_error=d_error-vi_PreDerror;

//误差变化率

vi_PreError=error1;

//存储当前偏差

vi_PreDerror=d_error;

bianhuasudu=(v_kp*d_error+v_ki*vi_PreError+v_kd*dd_error);

return(bianhuasudu);}

/********************************************* *

函数名称: v_Display

* *

函数功能：将速度值送给四位数码管显示

* **********************************************/ void v_Display(){

uint sudu;

sudu=(int)(reallyspeed*10);

//乘以10之后强制转化成整型

speed[3]=sudu/1000;

//百位

speed[2]=(sudu%1000)/100;

//十位

speed[1]=(sudu%100)/10;

//个位

speed[0]=sudu%10;

//小数点后一位

wei1=0;

//第一位打开

P0=table[speed[3]];

delay(5);

wei1=1;

//第一位关闭

wei2=0;

P0=table[speed[2]];

delay(5);

wei2=1;16

wei3=0;

P0=table[speed[1]];

xiaoshudian=1;

delay(5);

wei3=1;

wei4=0;

P0=table[speed[0]];

delay(5);

wei4=1;} /********************************************* *

函数名称:BEEP

* *

函数功能：当速度超过一定范围，蜂鸣器响 * **********************************************/ void BEEP(){

if((reallyspeed)>=vi_Ref+5||(reallyspeed<=vi_Ref-5))

{

beep=~beep;

delay(4);

}

} /********************************************* *

函数名称:main

* *

函数功能：扫描按键，显示速度，报警

* **********************************************/ void main(){

time_init();

motor=0;

while(1)17

{

v_Display();

BEEP();

}

if(s3_jiting==0)

//对按键3进行扫描，增强急停效果

{

delay(20);

motor=0;

P1=0X00;

P3=0X00;

P0=0x00;

}

while(s3_jiting==0);} /********************************************* *

函数名称：timer0

* *

函数功能：工作在计数方式，储存脉冲数

* **********************************************/ void timer0()interrupt 1 { } /********************************************* *

函数名称：timer1

* *

函数功能：进行PID计算和速度计算

* **********************************************/ void timer1()interrupt 3 {

TH1 =(65536-100)/256;

//1ms定时

TL1 =(65536-100)%256;sample_time++;if(sample_time==5000)

//采样时间0.1ms*5000=0.5s { TR0=0;

//关闭定时器0 sample_time=0;18 pulse_count=TH0*255+TL0;

//保存当前脉冲数

keyscan();

//扫描按键 reallyspeed=pulse_count/(4*0.6);

//计算速度

pwm=pwm+v_PIDCalc(vi_Ref,reallyspeed);

if(pwm<0)pwm=0;

if(pwm>100)pwm=100;

TH0=TL0=0;

TR0=1;

} num++;if(num==pwm)

{

motor=0;}

if(num==100)

{

num=0;

motor=1;} }

//开启定时器0

//此处的num值，就是占空比

电机调速系统 篇6

关键词：PLC；变频器；组态软件技术；设计

1 概述

随着电子技术和自动化控制技术应用范围的不断扩大，交流变频调速在工业电机领域得到了迅猛发展。可编程控制器（PLC）作为继电器的替代装置，具有操作便捷、性能可靠、通用灵活、人机交互、寿命长等多项优势，已经被广泛应用于现场数据的采集和设备控制环节；组态软件技术可用于定制满足用户需求的功能工具，显示电机转速或对其进行调速控制；利用PLC控制器，组态软件技术和变频器，可对电动机进行变频调速试验。本文将对PLC控制电机变频调速试验系统的设计与实现展开分析。

2 关键技术分析

2.1 变频器调速原理

变频器是通过改变电机的供电电压和供电频率而进行的一项节能措施，同时还能达到提高生产效率，产品质量以及实现生产自动化的目的。变频器主要包括主电路和控制电路两部分，其中主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，主要由交-直变换电路、能耗电路、直-交变换电路和缓冲电路构成；而控制电缆则是给主电路提供控制信号的回路部分，包括运算电路、检测电缆、驱动电路、输入/输出电路、速度检测电路以及保护电路。

2.2 组态软件技术

组态软件是随着计算机技术的发展而逐渐被研发并应用起来，该技术通过提供良好的人机界面，使技术人员用最简单的方法按照自己的需求组装控制系统。组态的涵义是利用计算机软件工具对各项资源进行配置，使其能够按照预先设置的目标自动完成任务，所配置的资源既可以是计算机，也可以是各类软件，配置后的组态软件就成为具有监控和数据采集功能的软件平台工具，功能也由早期的人机图形界面扩展至实时数据库、实时控制、监控、数据采集、通信、开放数据接口、对I/O设备的支持等，可执行多种任务，运行可靠，应用范围极广。

2.3 PLC技术

PLC技术设计的目的是取代继电器盘，在继电器操作简单、成本低廉等优点上，进一步提高反应时间、控制精度、工艺可更改性、功能扩展性等，以适应现代化生产线的工艺要求。随着电子技术的不断进步，大规模集成电路的研发和应用使8位微处理器和位片处理器相继问世，进一步推动了PLC技术的发展，使该项技术增加了数值运算，扩大了输入输出规模，部分PLC已经可以取代某些模拟控制装置和小型机的DDC系统。

3 系统软件设计与功能实现

本文以提升机为例，对其电机改进设计进行分析：

3.1 系统软件设计

首先，PLC控制软件的设计。PLC控制软件的主要功能是对提升机的启动、停止、加速、减速、匀速等过程进行控制，同时采集信号，用于后期的逻辑处理；设计时应包括主程序、故障处理子程序和中断子程序，共计三个模块；PLC具有多种功能，因此其涉及的参数较多，主要有变频器复位、电机正反转、安全报警、故障、多段频率、启动、停止、上升、下降、松绳、复位、过卷等。其次，变频器参数设置。变频器与PLC的连接方式如下：变频器的DI1和DI2分别接PLC的Q0.0以及Q0.1，而变频器的AI1则与PLC的DA连接。变频器运转控制通过外给定方式实现，然后借助自动补偿方式对转矩进行补偿，电机的控制模式则可选择速度传感器矢量进行控制。编程时，变频器的10Hz与DA的给定值6400对应，其余频率则可按照正比进行适当的增加或减少，一般频率浮动范围控制在0.2-50Hz内。

最后，触摸屏监控系统设计。根据生产实际需求选择对应的触摸型，本次试验所选用的为威纶通公司的产品，型号为MT6100iv3，该产品性能可靠、操作简单，使用寿命长；利用EB8000对触摸屏界面进行编译和设计，然后下载到触摸屏即可。

3.2 PLC组成及其功能实现

第一，微处理器（CPU）。CPU是计算机系统的核心部件，同时也是PLC控制系统的核心组成部分，对整个系统的运转起着指挥和调节作用。一般CPU处理器有单片机、位片式处理器和通用处理器等，CPU位数越多，PLC档次越高，对电机进行变频调节效率也越高。单片机或8位微处理器一般用在小型PLC控制器中；而单片机或16位微处理器则用于中型PLC控制器中；位片式微处理器用于大型PLC控制器中。

第二，存储器。PLC使用的存储器一般分为系统类和用户类，系统类用于存储系统程序，而用户类则用于存储用户所编制的控制代码。CMOSRAM是一种随机存储器，能耗低，价格合理，使用寿命可长达5-8年左右。

第三，编程器。编程器是PLC的重要外围设备，能为用户提供程序写入功能，还能对程序进行检查和调试。编程器一般分为图形编辑器和简易编程器两大类，可实现指令编程、梯形图编程、脱机和联机编程等；而简易编程器的功能较少，用于小型PLC较为合适。

第四，I/O扩展单元。I/O扩展单元用于输入或者输出点数的扩展，若扩扎点数超过了PLC限制，就需要扩展单元进行扩展，确保输入/输出点数在PLC规定范围内。

4 结束语

PLC控制电机变频调速试验系统具有节能、高效、适应性强等多项优点，该系统是利用变频技术、PLC技术以及组态软件技术将传感设备、控制设备与电机结合在一起，实现了对电机设备的合理控制，保障电机运行的稳定性；除此之外，PLC控制系统还能对电机的故障检修与修复提供便利，当设备出现故障后，系统可自动对故障的位置及原因进行分析，并将分析结果提供给维修人员，帮助维修人员尽快排除故障，确保电力系统运行的安全性。

参考文献：

[1]王建伟.基于PLC的电机变频调速试验系统开发[D].中北大学，2010.

[2]刘玉娥.PLC控制电机变频调速试验系统的设计与实现[J].电子技术与软件工程，2013，18：190.

[3]刘瑞杰，常宇.PLC控制电机变频调速试验系统的设计与实现[J]. 黑龙江科技信息，2015，27：35.

基于网络的直流电机调速系统 篇7

直流电机调速实验作为一门基础技术实验课程,是工科电气类教学中的一个重要环节。该实验包括调节负载、调节电枢电压以及调节励磁电阻调速3个部分,目的在于加深学生对直流电机工作原理的理解。

本研究提出的基于网络的直流电机实验,融合网络、计算机实时控制、电机控制、面向对象编程等技术,使学生可以通过网络登录该实验系统,完成远程电机实验操作。所提供的实验操作基于真实的直流电机实验系统而不是计算机仿真和虚拟现实。

1系统总体结构

本系统在物理拓扑结构上使用了双C/S结构,如图1所示,即客户端(或称浏览器)+服务器+控制端的模式,其中实验控制机和服务器同处一个高速局域网中。相对于通常的C/S结构,这种双C/S架构为实验管理和用户调度管理提供了极大的便利,适合大规模的网络实验系统的开发[1,2]。

控制端负责控制具体的实验对象,而服务器则主要用来进行实验的综合管理、记录、调度。当客户端的用户把设置好的系统参数发送到控制端计算机后,控制端计算机把参数的设置和变动通过PCL-812多功能采样卡输出以控制底层硬件,同时采集数据并传输回客户端,整个过程是实时同步的。

2软件设计

软件设计包括客户端界面设计、网络通讯设计和控制端设计等。系统软件基于Windows2000操作系统,利用Visual C++6.0开发[3]。

2.1控制端

控制端程序中包含通讯部分和控制部分。通讯部分负责和服务器联系,接收由服务器发过来的控制命令,交给控制部分。控制部分按照命令类型对设备进行控制,包括调压控制和加载控制。同时将实验数据结果打包后交给通讯部分,由通讯部分将数据通过服务器返回给客户端[4,5]。其程序流程,如图2所示。

2.2客户端的用户界面显示

用户界面包括以下几个模块:

(1) 参数设定。用户在这里对电枢电阻、励磁电阻、负载的大小进行设计。

(2) 参数测量。实时显示电枢电压、电枢电流、励磁电流及转速和转矩测量值。

(3) 示波器界面。在控制端对信号进行采集后,把采样的数据显示在该界面上。

2.3服务器与网络通信

客户端和服务器端之间、服务器端和控制器端之间的数据通讯均采用了基于TCP/IP协议族的自定义协议,该协议是利用了传输层上的Socket构建的TCP协议,它编程灵活,又能保证数据传输的正确性[6]。

当用户通过客户端在服务器上登记实验后,服务器通知控制端初始化设备,同时该实验控制机与客户端之间的双向自动转发通道被建立,即建立实验虚链路。客户端可以自由地给控制机发送命令,控制机也可实时地响应命令,返回实验数据,如图3所示,至此,服务器相当于一条虚拟的链路。

3硬件电路

传统直流电机实验共有3个子实验,即调节电枢电压调速、调节励磁电流调速以及机械特性测试。通过对电机调压、加载并调节回路电阻大小,测量电机不同运行状态时的电压、电流、转速和转矩,可以获得转速与电机负载、电枢电压以及励磁电流的关系。

3.1控制端硬件整体框架

直流电机实验硬件系统是由工业控制计算机、交流转直流数控电源、并励直流电动机、测功机(含测速发电机)、PCL-812采样卡、EDA9015C数据采集器、模拟量处理模块(包括放大与隔离)、数字量控制模块等组成。硬件系统的组成,如图4所示。

由于本电路板上既有高速逻辑电路,又有线性电路,考虑到抗干扰性的要求,设计时使它们尽量分开,数字地与模拟地分离。硬件平台采用模块化电路的设计思想,以下将分别具体介绍数字量和模拟量输入/输出电路的设计。

3.2数字量控制电路模块

数字量控制电路模块是指通过采样卡Digital Output通道输出控制信号的电路,主要是指和电机相连接的辅助电路,包括光电隔离、继电器以及功率电阻电路等。

采样卡PCL-812通过板上的CN2提供16路TTL/DTL兼容的数字输出通道,这16位数字输出信号先通过4片TLP521-4光耦隔离,再用2片2803芯片驱动后作为继电器的输入信号。通过控制继电器的开/合来控制14个阻值不等的功率电阻是否接入电路,从而调节回路中电枢电阻以及励磁电阻的大小。继电器线圈并联续流二极管,以消除断开线圈时产生的反电动势干扰。

3.3模拟量处理电路模块

模拟量处理模块是指与采样卡PCL-812的A/D、D/A通道相联的电路,以及智能采集模块电路,包括电压电流测量、转速转矩测量以及测功机电压控制电路。

采样卡PCL-812有6路模拟电压信号输入通道(A/D),以及2路模拟信号输出通道(D/A),输入/输出信号范围皆为0～5 V。本系统选择3路A/D通道,分别作为转矩信号、电枢电流信号和励磁电流信号的输入通道。选择2路D/A通道,分别作为AC/DC模块及测功机PWM电源的占空比控制信号。

3.3.1 信号放大电路

测功机输出的转矩信号比较微弱(mV级),要将该信号输入到采样卡A/D通道(0～5 V)进行测量,需要将该信号进行放大。由于放大倍数较高,普通运放已不能满足要求。本设计中选用精密仪用放大器INA114,该运放失调电压低、漂移小、噪声小、共模抑制比高(G=1 000时为50 dB)。该放大电路在增益值为1 000时仍具有很好的线性度,完全可以满足本实验系统信号放大的需要。

其中,VO为输出电压,VIN+与VIN-之差为输入电压。放大电路,如图5所示。由公式可见放大倍数G由外部电阻RG决定。为保证放大精度,减少RG的稳定性和温漂对增益的影响,电路中均采用精密电阻,且在靠近电源引脚处连接去耦电容。取放大倍数为G=500,处理后的转矩信号满足采样卡输入范围。

3.3.2 强电信号采集电路

由于电机端电压是220 V左右的强电信号,本系统中选用EDA9051C模块测量该电压。该模块能测量0～300 V电压信号的真有效值。其输出为485总线方式。

控制端计算机和EDA9015C的通讯采用了较为简单的方式——用PC机上的RS232接口与EDA9015C的串口进行多机通讯。其结构,如图6所示。将主计算机串口接转换器RS485,转换器输出DATA+端和所有模块的DATA+端连接,DATA-端和所有模块的DATA-端连接。

由于EDA9015C串口的输入/输出均为TTL电平,而PC机上的RS-232接口采用的是RS-232标准的EIA电平,因此要实现PC机与EDA9015C之间的串行通信,其接口必须经过电平转换。本研究使用串口转换器EDA485完成这两种电平之间的转换,如图6所示。采用RS-232接口中的RD(接受数据线)、TD(发送数据线)、GND(信号地)3线来完成双工通信。数据传输采用MODBUS-RTU协议、ASCII码协议与十六进制LC-02协议。

4实验结果

以调压调速实验为例,用户在登录实验系统后,选择直流电机调压调速实验。在客户端开启电源并调压至额定值,并让电机稳定运行一段时间,保持励磁电阻及负载不变,逐次调节电枢电阻,测取电枢电压和转速。通过示波器界面,可以观察到实验结果,如图7所示。当电枢电阻减小时,电枢电压增加,转速也增加。

5结束语

基于网络的直流电机实验系统综合了计算机实时控制、网络技术、电机控制等学科的知识,充分利用了有限的设备资源,实现了资源共享,为资金短缺的院校以及远程教育、继续教育等学生做实验提供了便利,具有积极的教学和实际应用价值。

摘要：给出了基于网络的直流电机调速系统的框架和实现方法,介绍了系统控制端、客户端及服务器端的软件设计。详细介绍了数字开关量、模拟量采集及信号处理等模块电路的设计方案。该直流电机调速系统客户端可实时显示调速特性曲线,并且已在实际应用中取得了较好的使用效果。

关键词：网络实验室,直流电机,调速特性,EDA9015,INA114

参考文献

[1]林瑞光.电机与拖动基础[M].杭州:浙江大学出版社,2002.

[2]YING Shao-dong,ZHU Shan-an.Remote Laboratory Basedon Client-Server-Controller Architecture[C]∥8th Interna-tional Conference on Control,Automation,Robotics and Vi-sion.Kunming,China,2004:2194-2198.

[3]GREGORY K.Visual C++6开发使用手册[M].北京:机械工业出版社,1999.

[4]蒋静坪.计算机实时控制[M].杭州:浙江大学出版社,1991.

[5]GRAHAM C,GOODWIN S F,GRADE ME,et al.控制系统设计[M].北京:清华大学出版社,2002.

开关磁阻电机调速系统及其应用分析 篇8

1 开关磁阻电机的基本结构和工作原理

开关磁阻电机 (SRM) , 是定子、转子双凸极可变磁阻电机。为了用户使用方便, 开关磁阻电机的机壳、前端盖、接线盒、风扇及轴伸尺寸、安装尺寸与相同规格的Y系列异步电动机完全相同。区别在于电机后端盖上加有位置传感器。开关磁阻电机的定子铁芯由硅钢片迭压而成, 迭装后通过油压机压入定子机壳, 这也与Y系列异步电动机相同, 但两者定子片的形状大小不一样。例如, 常用开关磁阻电机的定子片上有12 个齿和12 个槽。定子铁芯每个极上均套了一个集中绕组, 绕组为多股并绕的软线圈, 散嵌在定子槽中。绕组同铁芯间有槽绝缘, 由于每一槽中有相邻两极的绕组, 因此, 其间有相绝缘。开关磁阻电机的转子上无绕组, 也无永磁体。转子铁芯也由硅钢片迭压而成, 迭装后通过油压机压入转轴上, 转子片上有8 个齿和8 个槽。开关磁阻电机结构比鼠笼式交流异步电动机还要简单, 其突出的优点是转子上只有集中绕组, 机械强度很高, 制造简单, 故障率极低。

图1 显示了定子12 个磁极A1-A4、B1-B4、C1-C4 的位置安排, 其中4 个A、4 个B、4 个C在圆周上均匀分布, 其上的绕组相互串联成一相绕组。整个电动机有A、B、C三相绕组。

2 开关磁阻电子调速系统的构成

开关磁阻电机调速系统融开关型磁阻电机、现代电力电子技术和控制技术于一体。开关磁阻电动机是系统中实现能量转换的部件, 具体工作原理遵循“磁阻最小原理”, 因磁场扭曲产生磁阻性质的磁转矩。如:顺序为1-2-3-4 相绕组通电, 而转子应按照逆时针方向进行连续转动, 当主开关导通时, 1 相绕组便从直流电源U吸收电能, 当开关管切断后, 绕组电流便可以通过续流的二极管, 最终将剩余的能力回馈给电源U。对转矩造成影响的不是电流的方向, 而是相阻挠的通电顺序, 只要位置检测器能及时给出定转子的相对位置, 就能使控制器及时准确地控制好定子相阻挠的通断。

功率变换器是开关磁阻电动机运行时所需能量的提供者, 还是连接电源、电动机阻挠开关的零部件, 通常采用快速绝缘栅、双极型的晶体管等, 最终构成功率变换电路。

开关磁阻电机调速控制器是系统核心, 通常而言, 主要由单片机、DSP单片和编程微处理器的芯片构成。一般而言, 经过软件修改, 容易改变电动机的工作方式及控制参数, 且有效实现不同系统的不同性能特点。开关磁阻电机中另一个构成部分是位置检测器。位置检测器是转子位置及速度等相关信号的提供者, 它能及时向控制器提供定, 转子极间相对位置的信号。

3 开关磁阻电机安装前的准备

经过运输环节后, 电机可能出现雨淋、潮湿或外力损伤的情况, 电机控制器的紧固件经过运输的震动, 可能出现电路板松动、接线端子和接地端子连接不良等情况。因此, 工程前, 应对电机和电机控制器的外观进行检查, 晃动控制器, 检查其内部有无异常声响。检查电机接线端子标识是否清晰、正确, 表测其三相电阻应平衡, 三相间及三相对地电阻无穷大。安装设备前的检查内容: (1) 核对控制器和电机的铭牌, 确认订购的规格。 (2) 检查外观在运输过程中是否发生损坏, 如外盖和机身的弯折, 零部件的损坏或脱落等。 (3) 检查设备的合同附件及说明书是否齐全、匹配。

4 开关磁阻电机调速系统的具体应用

4.1 应用于特殊要求的场所

应用到纺织工业、印染业, 这类工业对正反转的要求较多。其中, 要求电动机反映速度快, 反映时间控制在一定范围内, 一般不大于0.3mm, 电动机需要连续、长期、频繁地对工作状态进行正反交替变换。此外, 电动机需要在较为宽广的范围内进行无极调速, 因为电动机长期处于湿、热环境中, 该情况下, 使用开关堤岸磁阻电机能取得意象不到效果。

此外, 在化纤行业中, 运用开关磁阻电机不存在电刷磨损情况, 且具有良好的同步性能, 因此, 可以长期可靠地进行工作。

4.2 应用在数控机床中

利用开关磁阻调速电动机恒转矩特性好、动态响应特性好的优点, 将其应用于数控机床主轴直驱系统, 并取得了成功。这为我国普及小型数控机床的驱动提供了一种高性价比的新动力。

4.3 应用到电动车、船驱动的控制中

开关磁阻调速电机具有高效、节能、调速等性能。正是基于该优点, 电动车驱动和控制系统成为最理想的驱动力。在国外, 开关磁阻调速电机已被成功运用到电动车、无轨电车、城市轻轨上, 其优势显而易见。我国的开发研究也取得了较为显著的成就。

参考文献

[1]王江宏, 孟祥众, 倪晋平.基于DSP的开关磁阻电机调速系统的研究[J].西安工业大学学报, 2013, (2) .

[2]陈峥, 齐蓉.基于数字信号处理器的开关磁阻电机调速系统设计[J].中小型电机, 2005, (7) .

[3]张淑芳, 韩君, 欧阳一鸣.开关磁阻电机调速系统及其应用[J].微计算机信息, 2009, (26) .

交流异步电机变频调速系统研究综述 篇9

在上个世纪七十年代以前, 高性能的可调速系统通常都采用直流电机, 而不变速传动或简单调速传动则采用交流电机, 主要是因为直流传动具有优越的可控制性能[1]。直到二十世纪七十年代, 人们成功地开发出了高效的交流变频器, 使得交流笼型电机进入了可调速领域, 由于其具有结构简单、成本低廉、维护方便、工作可靠、转动惯量小和效率高等优点, 交流电机很快成为可调速传动的主流。

在最初研究和应用交流调速时, 人们只能从交流电机的稳态模型出发来探讨调速方法, 对其动态模型还不十分清楚。接着出现了恒压频比的控制方法, 它被普遍应用于风机、水泵调速等这样一些没有高动态性能要求的节能调速中。分析异步电机稳态模型可知, 当磁通恒定时, 采用转速闭环的转差频率来控制, 可使调速变得平滑而稳定, 从而获得较高的调速范围, 大大提高了交流异步电机的调速性能。1985年德国学者Depenbrock提出了异步电动机的直接转矩控制理论 (Direct-Self-Control, DSC) 。此外, 一些学者继续加大这方面的研究, 将现代控制理论一些成果应用于交流传动系统的控制, 例如状态观测器、模型参考自适应控制、滑模变结构控制等, 以提高交流传动系统的性能。

目前, 变频调速技术受到交流调速技术和微机控制技术发展的影响, 其研究和应用将朝着高性能交流变频调速和特大容量、极高转速的交流变频调速方向发展。交流异步电机被广泛应用于提升机、离心机、机床和压缩机等工业设备当中, 所以研究一些高性能的交流异步变频调速系统就显得尤其重要。

2 交流异步电机变频调速原理

据电机学理论, 交流异步电动机的转速表达式为[2]:n=60f (1-s) /p (1

其中n为电机转速, f为电源频率, s为转差率, p为电动机极对数。转速受后三者的影响, 但能使交流电动机调速效果最佳的为通过改变电源频率f的方法, 即变频调速。

我们知道, 交流异步电动机的定子绕组切割旋转磁场磁力线产生定子绕组的感应电动势, 可用下式计算其有效值:

其中U和E为电压, K为电动机的一个电压不变, 则磁通Φ随着频率f的提高而减小, 使得电动机的动力不足而过载能力下降, Φ随频率f的减小而增加, 使励磁电流上升, 增加了铁损, 从而降低了电动机的效率。可见, 只有使气隙磁通Φ为一常量的条件下, 改变频率f的同时协调的改变定子电压U, 才能使电动机获得较好的工作性能。

要保证Φ=C为一常数, 就必须在将频率f从基频fsn向下调节时, 同时降低E, 即满足:E/F=Φ=C (3)

上式说明在频率降低过程中能保证Φ=C, 从而使转矩Tc=Tcmax=C, 取得较好控制效果。

在基频fsn以上调速时, 频率可增大, 但是端电压U最多只能维持在额定值Um, 这会造成磁通与频率成反比的下降。如果电机在不同转速下都具有相同的额定电流, 这时电机运行转矩基本上随磁通变化, 即在基频以下为恒转矩调速, 以上为恒功率调速。

3 异步电机变频调速技术

为了较好地实现交流电动机的无极调速, 可通过改变电源频率和电压来完成, 但这需要一套交流变频电源。目前异步交流电机的调速控制方案主要有以下几种。

3.1 恒压频比控制

这种控制方法就是通过变频器, 来维持电压与频率的比值恒定, 即U/ω=const。此法虽然在控制上较易于实现, 但它在低速时性能较差, 需要通过低频电压补偿来获得性能的改善, 因此它只是广泛的应用在一些对于调速性能要求不高的场合。但如果在低速时电压补偿效果不佳的话, 就很容易造成磁场的欠励或过励, 进而使电机转速极不稳定, 在一定的低速范围内振荡, 甚至还有可能造成电机与变频器之间形成共振, 对设备造成损坏[3]。目前恒压频比控制最常用的方法是将转速通过PI调节器得到转差频率, 实际上就是通过调节转差频率来控制转速的。

3.2 磁场定向控制

电动机调速的实质在于对转矩的控制, 但要对转矩进行直接控制是不现实的, 因为交流电机本身是一个非线性和多变量的时变系统。磁场定向控制理论为实现对交流电动机转矩的高性能控制提供了可能。其方法是在磁场定向坐标上, 将交流电流矢量分解成互相垂直并且相互独立的直流的励磁电流分量id和转矩电流分量iq, 然后对二者分别进行调节, 这从原理和特性不仅可以对转矩进行实时控制, 还能避免电流的瞬态突变。但在磁场定向控制中转子电阻会随着温度和频率的变化而变动, 而且电机转速测量也存在误差, 这些因素都容易引起转子磁链的误差, 这就使磁场定向控制的效果不理想。

3.3 直接转矩控制

Depenbrock教授提出的直接转矩控制理论跳出了传统的交流传动技术研究思维框框, 在瞬时空间矢量理论的基础上, 通过检测到的定子电压和电流来计算电机的磁链和转矩, 比较给定值所得差值, 以此来实现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制是直接在定子坐标系下对磁链和转矩进行控制, 以得到快速的转矩响应, 一般由于定子电阻的变化比较容易得到补偿, 而只要知道定子电阻就可观测出定子磁链, 所以直接转矩控制对电机参数的变化不敏感。它还避免了复杂的坐标变换和参数运算, 使系统线路变得十分简单, 容易实现, 其控制效果要优于前两种方法。

4 结语

随着交流异步电机变频调速的优势越来越明显, 其在工业机械中的应用也越来越广泛, 对它的研究也变得更有意义。尽管在这方面的研究已经取得了一些成果, 但仍有许多地方有待改进, 相信在不久的将来, 调速性能更加优良、节能效果更加理想的交流电机调速系统将会诞生, 从而促进电机调速技术的又一次飞跃。

摘要：本文对交流异步电机变频调速作了一个综述简介, 首先介绍了交流异步电机变频调速技术的发展概况, 然后分析了其变频调速的原理, 最后介绍了异步电机变频调速的几种技术。

关键词：异步电机,变频调速,综述

参考文献

[1]李德华.交流调速控制系统[M].北京:电子工业出版社, 2003.

[2]陈伯时, 陈敏逊, 交流调速系统.[M].北京:机械工业出版社, 1998.

电机变频调速系统的仿真实验研究 篇10

关键词：模糊神经网络,DSP,变频调速

1 引言

随着电力电子技术的发展,采用电力电子变换器的交流拖动技术得以应用,特别是大规模集成电路和高速处理的计算机控制技术的出现,使得高性能交流调速系统成为可能,本文介绍一种基于模糊神经网络的感应电机动态解耦控制,实验结果表明,模糊神经网络解耦控制在对电机的转速调节中,具有更好的抗负载干扰能力。

2 系统组成及调速原理

本文设计的双电机调速系统是一个具有转速负反馈的闭环系统。本系统的控制电路主控芯片采用的是T I公司的TMS320LF2407ADSP数字信号处理器。D S P的主要作用是负责各种电流的采样以及计算电机的转速和位置,最后通过运用基于模糊神经网络的矢量控制算法,得到所需要的控制信号。同时DSP还负责实时监控模糊神经网络矢量控制系统的运行状态,当系统出现故障时D S P会封锁S V P W M信号,使电机停止运转,并且会通过指示灯显示出来[3,4]。

3 矢量控制双电机变频调速实验系统模型

本系统采用磁链闭环、转差频率型矢量控制方式。图2为矢量控制变频调速系统模型框图,图中有上标*的为指令给定值,其余为实际值。

在电流的调节部分,由电流指令给定值和实时检测所得的三相电流偏差信号送至电流调节器,电流调节器采用滞环比较器,它的输出即为I G B T逆变器的控制信号。采用速度、电流双闭环的调节实现了励磁和转矩的分别控制,电机励磁仅仅取决于定子电流的励磁分量,转矩仅取决于定子电流的转矩分量,确定了电机的励磁和转矩值,就可以确定了i*M1和i*T1。应用矢量变换通过对定子电流跟踪给定值的控制就能够实现对电机转速的控制,并且定子电流励磁分量给定值i*M1和定子电流转矩分量给定值i*T1到实际值iM1、iT1的传递是解耦的,解耦的效果只与逆变器的延时时间有关,不依赖电机参数,这样有利于提高系统的控制性能,进而实现高性能的异步电机变频调速矢量控制。

4 优化模糊神经网络算法

本文针对F N C存在的在线修正权值计算量大、训练时间长,权值修正过度导致系统剧烈振荡等缺点,提出了F N C的优化方法,使其在线自学习过程中,仅对控制性能影响大的控制规则所对应的权值进行修正,以此减小计算量,加快训练速度。系统权值修正步长η采用规则如下[1]:

这里,E和CE的论域为[-1,1],各有7个模糊变量,定义为{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},隶属函数取高斯函数形式,然后采用重心法解模糊得:

这里αj=µA1j(E)µA2j(CE),m为规则的数目。

根据偏差及其偏差变化率大小采集用T-S规则模糊自适应修正步长。加快训练速度同时可以抑制控制器输出的剧烈变化,避免系统发生剧烈振荡,以获得更好的系统动态性能[2]。

本文重点研究基于自适应网络的模糊推理系统,假定系统有两个输入和一个输出。其T-S规则如下:

对给定的输入1x和x2,推理输出y*可计算如下:

式中,µj为规则R j的激励强度,由下式给出

相应的自适应神经模糊推理系统(ANFIS Adaptive-Network-based Fuzzy Inference System)的结构如图3所示:

这样,就构成了A N F I S,它在功能上等效于一具有T-S规则的模糊控制器,这个A N F I S就可以按照B P算法来更新参数,也可以使用Kalman滤波算法求解参数[5]。

5 系统运行状态仿真

由系统结构原理图,建立双机仿真模型,因为变频器属于滞后环节,故图中省略了两个变频器,采用的是三相正弦电源向系统直接供电的方式,由于本文的实验系统采用的两个电机型号是相同的,连接方式是同轴相连,两电机之间有一个转矩转速测试仪,弹性连接,所以建立仿真模型完全的对称。在系统仿真的过程中采用的是双电机,电机的电磁转矩互为负载转矩的形式。

通过前面的论证我们了解了频差控制的原理,仿真如下。首先让f1保持不变,不断的改变f2的数值。M1的频率初始给定值为25Hz,线电压的初始给定为175V,并且让线电压保持不变,给定M2的初始频率为2 2.5Hz,给定线电压幅值为152V。此时系统存在2.5Hz的频差,系统的转矩波形和角速度波形如图所示。

然后把M2的频率改变为23.5Hz,把线电压的幅值改为160Hz,此时系统的转矩仿真结果和系统的角速度的仿真结果如图6和图7所示。

通过图5双机角速度波形和图7显示的双机角速度波形,可以明显看出,双电机角速度绝对值始终是保持相等的,并且是随着频差的减小或者说是负载转矩的减小而呈升高的趋势,这种现象和电机的实际情况是相符的。

(1)15%频率扰动仿真实验

图8是传统的P I D控制器和模糊神经网络控制器分别在有1 5%的频率扰动情况下双方的系统仿真曲线,在1 5%的阶跃扰动下,由仿真图我们明显看出,传统PID的控制方法大约有20%的系统超调量,系统的调节时间大约为15秒。而采用本文提出的模糊神经网络控制器,系统的输出曲线很明显是比传统PID的控制优越的多,不仅系统的超调量几乎为0,而且调节时间也减少到了8秒。

(2)20%负载扰动实验

图9是传统的PID控制器和模糊神经网络控制器分别在有30%的负载扰动情况下双方的系统仿真曲线,由下面的仿真图形可以明显看出,当系统的参数变化不大时,模糊神经网络控制和PID控制的系统响应曲线变化都不是很大,但是通过比较FNNC和传统的PID控制的甩负荷特性,前者明显是优于后者的。

由上面的仿真结果,可以得出如下几点结论:

(1)本文的双电机调速系统采用的模糊神经网络控制算法比传统的P I D算法无论是在系统的稳定性和系统的快速性还是在系统的输出准确性方面,都有明显的优势,效果都明显比传统的算法优越,仿真结果很容易看出本文设计的控制器比传统的控制器有着很突出的优点。

(2)在系统的鲁棒性方面,本文采用的模糊神经网络算法也比传统P I D控制有着更为优越的系统鲁棒性。

6 结束语

本文在传统的PID控制基础上,采用了一种新型的基于模糊神经网络的双电机调速系统,所设计的模糊神经网络控制器有着优越的性能,同时本文给出了模糊神经网络算法,还有整个系统的硬件设计,理论上系统切实可行。仿真结果达到了设计的要求,系统的整体性能都有很大的提高。

参考文献

[1]蔡自兴.智能控制-基础与应用[M].北京:国防工业出版社,1998.

[2]郭晶,孙伟娟.神经网络理论与MATLAB7实现[M].北京:电子工业出版社,2005.

[3]刘和平.TMS320LF240xDSP C语言开发应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.

[4]张雄伟.DSP芯片的原理与开发应用[M].北京:电子工业出版社,2003.