基于MCS-98單片機(jī)的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)

0 引言

對(duì)于電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程，為了避免定子回路的大電流沖擊，設(shè)計(jì)有兩種起動(dòng)方法。方法一通過(guò)設(shè)置在操作面板上的起動(dòng)電位器，人工控制起動(dòng)過(guò)程的快慢。方法二，通過(guò)單片機(jī)控制器將給定轉(zhuǎn)速按一定的函數(shù)關(guān)系緩慢地增大，即相當(dāng)于增加一個(gè)轉(zhuǎn)速給定函數(shù)發(fā)生器。在交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子鐵心中，沿空間均勻分布三相繞組，各繞組軸相互錯(cuò)開(kāi)120O把定子三相繞組依次接到三相電源時(shí)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，其幅值所在的磁軸相繼與各繞組軸重疊。

也就是說(shuō)，三相繞組聯(lián)合產(chǎn)生一個(gè)在空間不斷移動(dòng)的磁場(chǎng)。當(dāng)三相繞組流過(guò)三相正弦電流時(shí)，則將產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。如果轉(zhuǎn)子以低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)， 那么在轉(zhuǎn)子繞組和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓引起電流。而感應(yīng)電流在磁場(chǎng)下又產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式

1.1 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速

當(dāng)主電源為恒壓恒頻三相交流電網(wǎng)CVCF，M為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，中間為交流斬波調(diào)壓器時(shí)，就構(gòu)成了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。交流斬波器的輸出是變壓恒頻交流VVCF，即f1=fa，U1≤Ua，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te，最大電磁轉(zhuǎn)矩Tem及其對(duì)應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)差率sm分別為：

由于調(diào)壓調(diào)速屬于能耗轉(zhuǎn)差調(diào)動(dòng)，低速運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的損耗大，轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重，故不適用于長(zhǎng)期低速運(yùn)行。對(duì)于只有短時(shí)低速運(yùn)行的起重機(jī)械升降機(jī)等恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和風(fēng)機(jī)泵類(lèi)等通風(fēng)機(jī)械的負(fù)載都可采用。

輕載時(shí)如果把電動(dòng)機(jī)的端電壓降低，就能大大減小勵(lì)磁電流，提高功率因數(shù)和減少電動(dòng)機(jī)空載損耗，這就是國(guó)外發(fā)展起來(lái)的所謂NOLA節(jié)能器，即功率因數(shù)節(jié)能器的基本原理。

1.2 變極調(diào)速

采用雙速(或三速)變極籠型電動(dòng)機(jī)經(jīng)接觸器換接定子繞組，可得到與極對(duì)數(shù)對(duì)應(yīng)的二擋(或三擋)同步速度。這種設(shè)備控制簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、費(fèi)用也低，但調(diào)速是有級(jí)的且范圍有限，一般只用于對(duì)特性要求較低的場(chǎng)所。

2.單片機(jī)控制的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)

MCS-98單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字觸發(fā)、數(shù)字測(cè)速、數(shù)字調(diào)節(jié)的任務(wù)。

2.1 基于MCS-98單片機(jī)控制器

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率變換是建立在定子和轉(zhuǎn)子跨越氣隙相互施加推力的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生推力的原因是繞組中的電流與氣隙中的磁場(chǎng)之間相互作用。本文主要介紹了采用高性能的Intel 8098單片機(jī)作為控制核心的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，其性能和調(diào)速效果良好。該控制器主要由MCS-98單片機(jī)最小系統(tǒng)及鍵盤(pán)顯示部分、測(cè)速部分組成。主要的功能是：

數(shù)字調(diào)節(jié)控制算法運(yùn)算，觸發(fā)脈沖的形成，實(shí)際轉(zhuǎn)速、電流、電壓檢測(cè)及顯示，轉(zhuǎn)速的數(shù)字量或模擬量給定、轉(zhuǎn)速環(huán)控制參數(shù)設(shè)置，電源、運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警信號(hào)指示等。

2.2 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路及測(cè)速原理

選用E6C-CWZ5C測(cè)速器，與交流電動(dòng)機(jī)同軸連接，每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)P=1000，實(shí)現(xiàn)數(shù)字測(cè)速。

測(cè)速電路使用1個(gè)定時(shí)器、2個(gè)計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)M/T測(cè)速法。在定時(shí)器設(shè)定的時(shí)間Td內(nèi)，1個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)固定的頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù);另1個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)測(cè)速器輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而通過(guò)計(jì)算獲得實(shí)際轉(zhuǎn)速值。定時(shí)器由8098單片機(jī)軟件定時(shí)完成，2個(gè)計(jì)數(shù)器由外擴(kuò)的8253計(jì)數(shù)/定時(shí)器芯片的0通道、1通道完成。計(jì)數(shù)器的啟、停通過(guò)外擴(kuò)的8155接口芯片C口Pc.6、Pc.7來(lái)控制。

2.3 電流、電壓檢測(cè)電路

用電流互感器、降壓隔離變壓器來(lái)完成電流、電壓信號(hào)的獲取，經(jīng)橋式整流穩(wěn)壓后獲得直流電壓，可直接送入MCS-98單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換通道ACH4、ACH5。轉(zhuǎn)換時(shí)間為22μs，分辨率為10位。

2.4 起、制動(dòng)過(guò)程

從單片機(jī)向主單片機(jī)獲取指令的通信過(guò)程如下：從機(jī)先向主機(jī)發(fā)出正跳變中斷信號(hào)，主機(jī)的HIS.0接收并響應(yīng)中斷，在中斷服務(wù)程序中向該8255的PA輸出數(shù)據(jù)，從機(jī)檢測(cè)到OBF有效時(shí)，則產(chǎn)生ACK信號(hào)從PA讀出數(shù)據(jù)，隨之OBF信號(hào)變成無(wú)效，主機(jī)又可向PA輸出數(shù)據(jù)。如此繼續(xù)，直到全部數(shù)據(jù)通信完畢。值得強(qiáng)調(diào)的是PA為雙向總線方式，因主從單片機(jī)之間交換數(shù)據(jù)的能力較強(qiáng)，另外PB仍可作為主單片機(jī)的I/O，故該通信接口既擴(kuò)展了主單片機(jī)的外圍接口，又實(shí)現(xiàn)了雙向通信，大大提高了通信速度，使通信時(shí)間不影響從單片機(jī)實(shí)時(shí)脈寬調(diào)制。全面而可靠的保護(hù)功能由主電路模塊實(shí)現(xiàn)，尤其逆變器開(kāi)關(guān)元件的安全工作，是系統(tǒng)可靠運(yùn)行的主要保證。變頻器保護(hù)除上述的欠電壓、過(guò)電壓、過(guò)載保護(hù)外，還需設(shè)計(jì)下述保護(hù)功能：

①輸出短路保護(hù)，由于變頻器使用不慎引起輸出相間短路故障;②過(guò)流保護(hù)，電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)或負(fù)載過(guò)大超出允許的時(shí)限保護(hù);③快熔保護(hù)，快速熔斷器作為后級(jí)保護(hù)元件，參與對(duì)變頻器元件的保護(hù);④接地故障保護(hù)，對(duì)變頻器輸入接地故障或變頻器輸出接地故障進(jìn)行保護(hù);⑤過(guò)熱保護(hù)，保證變頻器開(kāi)關(guān)元件工作于安全的溫度范圍內(nèi)，避免元件過(guò)熱損壞;⑥外部故障保護(hù)，保證變頻器外部相關(guān)設(shè)備的安全使用。出現(xiàn)上述故障時(shí)，軟件或保護(hù)電路產(chǎn)生故障中斷信號(hào)，一方面立即封鎖調(diào)制脈沖，快速關(guān)斷所有開(kāi)關(guān)元件，另一方面對(duì)主從單片機(jī)申請(qǐng)最高級(jí)別的外部中斷。主單片機(jī)響應(yīng)中斷后，首先通過(guò)接口電路查詢(xún)故障信息，隨后轉(zhuǎn)入系統(tǒng)保護(hù)程序塊，即分?jǐn)嘤嘘P(guān)接觸器。系統(tǒng)有關(guān)狀態(tài)設(shè)置，顯示故障類(lèi)型，從單片機(jī)響應(yīng)中斷后也進(jìn)行有關(guān)處理工作。

3.單片機(jī)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)

用單片微型計(jì)算機(jī)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，由主電路、單片機(jī)8031及接口電路等部分組成。下面主要介紹單片機(jī)和接口電路的組成及其工作原理。由該繼電器觸點(diǎn)控制有關(guān)接觸器的通、斷電，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主電路從串級(jí)調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)到異步電動(dòng)機(jī)自然接線運(yùn)行狀態(tài)的切換。

系統(tǒng)所用的單片機(jī)是MCS-98系列中的8098。并擴(kuò)展了I/O接口8155、程序存儲(chǔ)器2716。單片機(jī)8098中的P0口及P2口用于片外擴(kuò)展的程序存儲(chǔ)器及I/O口的數(shù)據(jù)/地址總線。P1口用來(lái)接收故障檢測(cè)輸入信號(hào)。

P3.4、P3.5與升、降速按鈕SBl、SB2相接。8098內(nèi)設(shè)轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)器，在運(yùn)行中查詢(xún)P3.4、P3.5，得到觸發(fā)器移相控制電壓，再配合程序軟件實(shí)現(xiàn)升、降速。

每當(dāng)發(fā)出觸發(fā)脈沖后，要檢測(cè)相應(yīng)的晶閘管是否已正常導(dǎo)通。即從晶閘管陽(yáng)、陰極兩端取出信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)光耦合、施密特整形后送給單片機(jī)8031的P1 口。若晶閘管導(dǎo)通，則壓降很小，施密特輸 出為低電平;若晶閘管未導(dǎo)通，則施密特輸出為高電平。因此，在觸發(fā)脈沖發(fā)出后，檢測(cè)Pl口的狀態(tài)，可以檢測(cè)出晶閘管導(dǎo)通與否。

當(dāng)單片機(jī)8098一旦檢測(cè)出晶閘管未導(dǎo)通、三相電源嚴(yán)重不對(duì)稱(chēng)或同步信號(hào)丟失的故障時(shí)：一方面單片機(jī)8098由程序軟件將逆變角β推至最小逆變角 βmin，限制主回路電流;另一方面，由8155PA口、驅(qū)動(dòng)器7406、光耦合器4N25、晶體管V配等輸出保護(hù)信號(hào)，使繼電器K通電動(dòng)作。由該繼電器觸點(diǎn)控制有關(guān)接觸器的通、斷電，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主電路從串級(jí)調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)到異步電動(dòng)機(jī)自然接線運(yùn)行狀態(tài)的切換。

最小脈沖刪除間隔設(shè)置是考慮功率開(kāi)關(guān)元件響應(yīng)時(shí)間的作用。當(dāng)脈沖過(guò)窄時(shí)，開(kāi)關(guān)元件不能完全導(dǎo)通或完全關(guān)斷，主電路也就不能輸出滿(mǎn)幅電壓。但若刪除這種脈沖，會(huì)使輸出電壓變化不均勻，特別是當(dāng)最小脈沖刪除間隔取較大值時(shí)，輸出電壓變化的不均勻性表現(xiàn)得更加明顯。經(jīng)驗(yàn)表明：在載波頻率為15.6kHz的條件下，如果選擇最小脈沖刪除間隔為16μs，則當(dāng)輸出電壓調(diào)制系數(shù)上升到78%以后，輸出電壓出現(xiàn)躍變。若選擇最小脈沖刪除間隔為6μs，則當(dāng)輸出電壓調(diào)制系數(shù)上升到93%以后，輸出電壓出現(xiàn)躍變。通過(guò)示波器觀察驅(qū)動(dòng)波形，發(fā)現(xiàn)在輸出電壓躍變點(diǎn)處開(kāi)始出現(xiàn)脈沖合并，柜當(dāng)于出現(xiàn)過(guò)調(diào)制，這種脈沖合并正是由于刪除了最小脈沖引起的。為保證輸出電壓調(diào)節(jié)的均勻性，應(yīng)盡量減小最小脈沖刪除間隔，甚至不刪除。

在高速電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的額定電壓一般為220V，達(dá)不到輸出電壓躍變點(diǎn)，因而輸出電壓表現(xiàn)還是均勻的，這時(shí)最小脈沖刪除問(wèn)隔取為6μs。

4.結(jié)論

對(duì)于快速制動(dòng)過(guò)程，一般采用能耗制動(dòng)。在制動(dòng)時(shí)只需觸發(fā)VR1和VR2即可，其他四只晶閘管全部關(guān)斷，這樣定子兩相繞組便流過(guò)直流電流進(jìn)行能耗制動(dòng)。利用相位控制可以改變直流電流的大小，改變制動(dòng)強(qiáng)度，從而控制制動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。對(duì)于一般的停車(chē)制動(dòng)過(guò)程，可采用全部封鎖觸發(fā)脈沖，讓電動(dòng)機(jī)自由停止運(yùn)行。