基于FPGA的开关磁阻电机调速系统的设计
作者王堂旺
学号0940304224
专业电气工程及其自动化
指导教师杜昭平
第一部分内容简介
开关磁阻电动机调速系统(Switched Reluctance Drive,简称SRD)是继异步电动机变频调速系统和直流电动机调速系统之后,又一极具发展潜力的新型调速系统。它集开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor,简称SRM)、现代电力电子技术与控制技术为一体,它不仅保持了交流异步电动机的结构简单、坚固可靠和直流电动机可控性好的优点,而且还具有价格低、效率高、适应力强等优点，显示出广阔的应用前景。
本设计以完成基于FPGA的0.3KW四相(8/6极)开关磁阻电动机控制系统的设计和研制为主要研究内容。硬件部分采用Altera公司的FPGA芯片EP3C40F484C8作为主控制器，针对SR电机的控制特点,充分利用了FPGA的逻辑资源,设计了相应的外围硬件控制接口电路,使控制系统结构紧凑、可靠性高，并根据电机反馈回的位置信号实现闭环控制。速度控制采用PID调节，通过改变PWM脉宽控制电机转速。
软件的设计是以FPGA内部嵌入的NIOS软核处理器为核心构建SOPC(System On a Programmable Chip),使得设计的时候能够根据自己的标准和系统大小定制处理器的外设、存储器和接口，在一片芯片上实现符合自己嵌入式系统。从而大规模地减少了控制系统的体积，提高了系统的稳定性。
本设计所能实现的功能：(1)电机控制：控制电机正转、反转、停机、制动；
(2)转速测量：测量电机转速并显示；(3)速度调节：自动调节电机转速至给定速度；(4)测速范围：256r/min----2000r/min。有效地达到了系统设计的性能指标，这对实际的产品开发具有一定的指导意义。
第二部分实验的方法
实验的主要部分是硬件设计以及在硬件的基础上进行的软件设计，采用软硬件协同设计的方法，实现对开关磁阻电机的控制。
开关磁阻电机调速系统主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器以及位置
检测器和电压电流检测器组成，硬件系统框图如1所示：
图1 硬件系统框图
功率变换器主要承担着电能变换输入的任务。可编程微处理芯片是电机调速运行的中枢，它综合处理由光电传感器输出的位置、速度等采样信号，且根据输入的相关指令如启动、停止、速度设置及电流传感器和电压传感器提供的各种信号输出相通断信号，驱动主开关管的开通与关断，驱使电动机转子转动并提供系统保护。
（一）实际硬件设计部分
（1）电源电路
电源电路是保证整个FPGA硬件系统正常工作的核心部件。没有电源电路系统是无法工作的，本系统将交流电源经过整流滤波之后到到直流电压，使用三端稳压管，得到5V的直流电压，供给FPGA硬件系统，保证开发板的正常工作。
图2 电源电路
（2）JTAG电路
JTAG是一种国际标准测试协议，主要用于芯片的内部测试，现在许多的高级器件都支持该协议，如单片机，DSP,FPGA等器件。标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、TDO,分别是模式选择、时钟、数据输入、数据输出线。JTAG电路是下载程序所必须的电路，在PC机上编写好的程序，经过编译处理之后，生成相应的可执行文件，通过JTAG电路将文件下载到芯片内部。如图3所示：
图3 JTAG电路接口
（3）功率变换电路
此模块是由六个IGBT组成的多用桥，可以通过跳线连接成所需要的H桥，三相全桥，四相不对称半桥等多种功能。在本设计中所需要是四相不对称半桥，所以只需要连接TX21,TX11和TX41，TX31就能组成四相不对称半桥。此模块在本设计中有着至关重要的作用，通过PWM脉冲功率桥的驱动模块来控制IGBT的导通与关断从而能达到让电机运转目的。如图4所示：
图4 功率变换电路
（4）IGBT驱动电路图
本模块是多用桥的驱动模块主要由M57962L芯片构成，如果M57962L的第十三管脚PWM输入引脚为低电平时B1和E1产生15V的电压驱使IGBT的导通，而当PWM输入为高电平时B1和E1产生-9V的电压驱使IGBT的关断。从而能够根据PWM的占空比来调整IGBT导通或关断的时间，进而能够改变输出的电流大小。
如图5所示：
图5 IGBT驱动电路
（二）系统软件设计
（1）FPGA的NIOS处理器的定制
本设计系统主要应用到Altera公司的FPGA芯片EP3C40F484C8内部所嵌入的NIOS ii软核CPU、定时器2个、锁相环（PLL）、PIO口、RAM和ROM几个模块，其中NIOS与FPGA内部电路进行数据交换的主要是PIO口，通过PIO口可以控制PWM模块的使能及输出，读取速度计算电路模块的计算结果，PID调节的信号的输入等。本系统的定制原理图如图所示：
图6 NIOS处理器定制
（2）PWM波发生器电路
三角波的实现是通过10位计数器IP核设置为增减计数模式，增减计数控制使能端为1时增计数，为0时是减计数。当计数值到达计数器最大值1024时，输出一个上升沿脉冲信号，输入D触发器，使其输出状态取反一次，从而有效地使计数器工作在增减计数模式下，实现了三角波生成的功能。比较值的给定是通过NIOS软件编程，根据需要给定不同的值，而比较器则采用的是比较器IP核，有效地定制所需要的位宽，实现比较输出。通过比较器比较之后产生PWM波，从而可以实现脉冲宽度的调制。
图7 PWM 波产生电路
（3）PID 算法电路模块
PID 算法最终可以化简为()()()()U k q0e k q1e k 1q2e k 2=?-?-+?-,其可以很容易利用FPGA 内部的IP 核实现。本系统利用一个减法器，实现误差值的求取，采用三个乘法器实现公式当中的乘法，再利用一个加法器相加，最终得到计算结果，在通过一个比较器，当计算结果大于0时输出高电平，计算结果小于0时，输出一个低电平，在NIOS 当中读取该电平的状态，根据该状态值增加或者减小PWM 脉冲宽度的值，达到脉宽调制的效果。其中的()e k 、()e k 1-及()e k 2- 的 移位操作是通过乘法器的流水线时钟选择实现的。
图8 PID 算法电路
（4）电机测速模块
主要由异或门、计数器、常数值及除法器三部分构成，如下图所示。捕获信号通过IN1，IN2引脚接入，经过XOR 门之后，得到15°占空比为50%的倍频信号。倍频信号高电平期间使能计数器，对固定频率的时钟进行计数，低电平期间
进行速度值的计算（除法运算），最后得到速度值。
图9 电机测速模块
（5）C语言应用程序的设计
NIOS软核软件的编程，是在Nios II 9.0 IDE集成开发环境当中进行的，是本设计当中最重要的软件设计部分，许多的电机控制程序都是在其中完成的。其中主函数编程如下：
图10 C语言应用程序
第三部分结果与分析
本系统较好地实现与预期的目标，实现了对FPGA进行编程下载，并对外围硬件电路的很好控制，驱动开关磁阻电机，使其运转起来。设计了以按键和液晶显示为主的人机交互界面，实现了FPGA对开关磁阻电机的正转、反转、停机和制动的控制，并且使开关磁阻电机在用户给定期望值之后，能够自动调节到期望值。
（1）界面操作实物图
图11 初始界面
图12 操作功能选择
图13 电机控制界面
（2）电机运转实物图
电机正转：通过液晶按键，确认键按下之后进入操作功能选择界面；通过左移右移键，选择电机控制，按确认键进入电机控制界面，左移右移键选择正转，按下确认键，电机开始正转，并且速度值会达到默认期望值。
图14 电机正转
电机反转：通过液晶按键，确认键按下之后进入操作功能选择界面；通过左移右移键，选择电机控制，按确认键进入电机控制界面，左移右移键选择反转，按下确认键，电机开始反转，并且速度值会达到默认期望值。
图15 电机反转
电机停机：通过液晶按键，确认键按下之后进入操作功能选择界面；通过左移右移键，选择电机控制，按确认键进入电机控制界面，左移右移键选择停机，按下确认键，电机会缓慢停止转动，并且液晶回到初始界面。
电机制动：通过液晶按键，确认键按下之后进入操作功能选择界面；通过左移右移键，选择电机控制，按确认键进入电机控制界面，左移右移键选择制动，
按下确认键，电机瞬间停止转动，并且液晶回到初始界面。
（3）硬件电路设计
图16 FPGA主板
图17 IGBT功率桥
图18 IGBT驱动
（4）结果分析
开关磁阻电机最大的优势是能够频繁地正反转的切换，而对电机摔坏较小。本设计系统也实现了正反转的频繁切换。电机速度值的测量是电机控制的主要目的，本系统设计是电机能够达到相对的稳定在给定值，但还是存在一些误差。其误差的来源主要来自于测速模块电路的精度不够，测速电路的方法是影响电极转
速的重要因素。尤其在高速段电机转速不稳。
第四部分结论
本系统较好地实现与预期的目标，实现了对FPGA进行编程下载，并对外围硬件电路的很好控制，驱动开关磁阻电机，使其运转起来。设计了以按键和液晶显示为主的人机交互界面，实现了FPGA对开关磁阻电机的正转、反转、停机和制动的控制，并且使开关磁阻电机在用户给定期望值之后，能够自动调节到期望值。
本设计所能实现的功能：(1)电机控制：控制电机正转、反转、停机、制动；
(2)转速测量：测量电机转速并显示；(3)速度调节：自动调节电机转速至给定速度；(4)测速范围：256r/min----2000r/min。有效地达到了系统设计的性能指标，这对实际的产品开发具有一定的指导意义。
本设计当中的创新点：（1）本设计的SR电机可以无限次的快速在正转反转之间切换，所以能够适合于那种频繁正反转的场合。虽然SR电机具有这种功能，但是别人的设计达不到这种效果。（2）电刹车效果明显，在本设计中SR电机能够实现在高速运行状态下，瞬间刹车。而且在本设计中实现的电刹车不需要摩擦片，SR电机在运行的时候是靠电动力矩，在制动的时候能够把电动力矩转换成制动力矩，从而能够实现瞬间制动。虽然SR电动机具有这点特色，但是目前在这一特点上也是别人所做不出来的。这是本设计最亮的创新点。
第五部分主要参考文献
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[2] 候建军，郭勇编著.SOPC技术基础教程.清华大学.2008：26-30
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[4] 庄任勤. 基于NiosII的无刷直流电机控制器设计.2009:17-20
[5] 候建军，郭勇编著.SOPC技术基础教程.清华大学.2008：103-110
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[7] 江国强.SOPC技术与应用.机械工业出版社.2006：54-60
[8] 顾绳谷.电机与拖动基础下册（第4版）.机械工业出版社.2007:148-154
重庆理工大学 毕业设计（论文）开题报告 题目直流电机调速系统仿真设计 1、本课题国内外的研究现状分析 直流调速系统凭借优良的调速特性，调速平滑、范围宽、精度高、过载能力大、动态性能好、易于控制以及良好的起、制动性能等优点，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，所以在电气传动中获得了广泛应用。为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。直流调速系统在理论上和实践上都比较成热，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础，因此，直流调速系统的应用研究有实际意义。 自从MATLAB的Simulink推出以后，动态系统的仿真就变得非常容易了。因其含有极为丰富的专用于控制工程与系统分析的函数，具有强大的数学计算功能，且提供方便的图形绘制功能，只要在Simulink中画出系统的动态结构图模型，编写极简单的程序，即可对该系统进行仿真，效率极高，环境友好，从而给系统的设计和校正带来很大的方便。MATLAB在学术和许多实际领域都得到广泛应用，已成为国际控制界应用最广的语言和工具。
2、本人对课题任务书提出的任务要求及实现目标的可行性分析（只限工科类） 本课题要求完成直流电机双闭环调速系统的工程设计并利用MATLAB实现仿真，通过选择及设计各个模块的系统以及对参数的选择，最终得到预期的仿真结果。 任务要求如下： （1）直流电机调速原理分析 （2）双闭环调速系统特性分析 （3）系统总体方案设计 （4）系统仿真设计 可行性分析： 本课题是针对直流电动机设计的双闭环调速系统，通过MATLAB软件对所设计的系统进行仿真验证。通过学习《电机与拖动》、《电力电子技术》、《电力拖动自动控制系统》等相关课程基本掌握了电机调速的一些知识，并对直流电机调速系统有了一定的了解。同时，通过自学《电机与拖动基础及MATLAB仿真》以及《交直流调速系统与MATLAB仿真》使我对MATLAB软件有了一定的了解，并能通过软件对本课题实现仿真，以上所述便能基本完成本课题的任务要求。
基于单片机转差频率控制的交流调速系统设计 摘要 单片机控制的变频调速系统设计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。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。系统的总体结构主要由主回路，驱动电路，光电隔离电路，SA8282大规模集成电路，保护电路，AT89C51单片机， 8255可编程接口芯片，I/O接口芯片，测速发电机等组成。回路中有了检测保护电路就可以使整个系统运行的可靠性有了保障。 关键词:AT89C51单片机；SA8282；转差频率；交流调速；三相异步电动机
目录 前言 (1) 第1章交流调速系统的概述 (4) 1.1交流调速的基本原理 (4) 1.2 交流调速的特点 (5) 第2章交流调速系统的硬件设计 (7) 2. 1 转差频率控制原理： (7) 2. 2 系统设计的参数 (7) 2.3 用单片机控制的电机交流调速系统设计 (7) 2.3.1调速系统总体方案设计 (7) 2.3.2 元器件的选用 (9) 2.3.3 系统主回路的设计以及参数计算 (12) 2.3.4 SPWM控制信号的产生 (15) 2.3.5 光电隔离及驱动电路设计 (17) 2.3.6 故障检测及保护电路设计 (18) 2.3.7 模拟量输入通道的设计 (18) 第3章系统软件的设计 (19) 3.1 主程序的设计 (19) 3.2 转速调节程序 (19) 3.3 增量式PI运算子程序 (20) 3.4故障处理程序 (21) 3.5 部分子程序 (22) 3.5.1 AD0809的编程 (22) 3.5.2 8255的编程 (23) 结论 (23) 参考文献 (23)
课题：转速开环恒压频比控制的交速 姓名：谢海波 学号：P091812925 专业班级：电气工程及其自动化（3）班 西北民族大学电气工程学院 转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统
摘要：转速开环恒压频比控制是交流电动机变频调速最基本的控制方式，一般变频调速装置都有这项功能，恒压频比的转速开环工作方式能满足大多数场合交流电动机调速控制的要求，并且使用方便，是通用变频器的基本模式。采用恒压频比控制，在基频以下的调速过程中的转差率基本不变，所以电动机的机械特性较硬，电动机有较好的调速性能。异步电动机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在它的应用面很广，目前交流异步电动机的调速系统已经广泛应用于数控机床、风机、泵类、传送带、给料系统、空调器等设备的电力源和动力源，并起到了节省电能，提高设备自动化，提高产品质量的良好效果.下文在详细分析交流异步电动机变频调速的原理基础上，应用MATLAB/SIMULINK仿真软件，实现了转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统的仿真，并且详细分析了仿真结果。 关键词：异步电动机；变频调速；MATLAB 仿真 1．仿真系统说明 本文对交流系统进行建模仿真，可以更加熟悉交流调速系统的结构，掌握各种调速系统的优缺点，选择合理的方案，解决实际中的问题。在进行电动机调速时，常须考虑的一个重 要因素，就是希望保持电动机中每极磁通量为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用 电机的铁芯，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰 当的补偿，保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通由定子和转子磁动势合成产生，要保持磁通恒定就要费一些周折。 2．变频调速控制方式和原理 转速开环恒压频比控制是交流电动机变频调速最基本的控制方式，一般变频调速装置都带有这项功能，在异步电动机调速时，总希望保持主磁通为额定值。由异步电机定子每相电动势有效值可知，如果略去定子阻抗下降，有 （1） 由(1)式知，若定子端电压不变，随着升高，将减小。又由转矩公式 知，在相同的情况下，减小会导致电动机输出转矩下降，严重时会使电动机堵转。因此， 在变频调速过程中应该同时改变定子电压和频率，以保持主磁通不变。而如何按比例改变电压和频率，要分基频以下和基频以上两种情况。 2.1基频以下调速 恒定压频比调速要求；当相对较高时，可忽略定子电阻那么最大实用转
成绩 电气控制与PLC 课程设计说明书 直流电机调速控制系统设计 . Translate DC motor speed Control system design 学生姓名王杰 学号20130503213 信电工程学院13自动 学院班级 化 专业名称电气工程及其自动化 指导教师肖理庆
201 6年 6 月 14 日
目录 1 直流电机调速控制系统模型 0 1.1 直流调速系统的主导调速方法 0 因此，降压调速是直流电机调速系统的主导调速方法。 0 1.2 直流电机调速控制的传递函数 0 1.2.1 电流与电压的传递函数 (1) 1.2.2 电动势与电流的传递函数 (1) 由已学可知，单轴系统的运用方程为: (1) 1.3 直流调速系统的控制方法选择 (3) 1.3.1 开环直流调速系统 (3) 1.3.2 单闭环直流调速系统 (3) 由前述分析可知，开环系统不能满足较高的调速指标要求，因此必须采取闭环控制系统。图1-4所示的是，转速反馈单闭环调速系统，其是一种结构相对复杂的反馈控制系统。转速控制是动态性能的控制，相比开环系统，速度闭环控制的控制精度及控制稳定性要好得多，但缺乏对于静态电流I的有效控制，故这类系统被称之为“有静差”调速系统。 (4) 1.3.3 双闭环直流调速系统 (4) 图1-4 双闭环控制直流调速控制系统 (4) 1.3.3.1 转速调节器（ASR） (4) 1.3.3.1 电流调节器（ACR） (4) 1.4 直流电机的可逆运行 (5) 1.2 ×××××× (7) 1.2.1 电流与电压的传递函数 (7) (8) 3 PLC在直流调速系统中的应用 (8) 2 ××××× (9) 2.1 ×××××× (9) 2.1.1 ×××× (9) 3 ××××× (11) 3.1 ×××××× (11) 3.1.1 ×××× (11) 参考文献 (12) 附录 (13) 附录1 (13)
中南大学 《工程训练》 ——设计报告 设计题目：异步电机变频调速 指引教师：黎群辉 设计人：冯露 学号： 专业班级：自动化0906班 设计日期：9月
交流异步电动机变频调速系统设计 摘要 近年来,交流电机变频调速及其有关技术研究己成为当代电气传动领域一种重要课题,并且随着新电力电子器件和微解决器推出以及交流电机控制理论发展，交流变频调速技术还将会获得巨大进步。 本文对变频调速理论，逆变技术，SPWM产生原理进行了研究，在此基本上设计了一种新型数字化三相SPWM变频调速系统，以8051控制专用集成芯片 SA4828为控制核心，采用IGBT作为主功率器件，同步采用EXB840构成IGBT驱动电路，整流电路采用二极管，可使功率因数接近1，并且只用一级可控功率环节，电路构造比较简朴。 V控制，同步，软件程序使得参数输入和变频器运营方式变本文在控制上采用恒 f 化极为以便，新型集成元件采用也使得它开发周期短。 此外，本文对SA4828三相SPWM波发生器使用和编程进行了详细简介，完毕了整个系统控制某些软硬件设计。 V控制，SA4828波形发生器 核心字:变频调速，正弦脉宽调制， f
目录 摘要................................................ 错误!未定义书签。 1.1 研究目与意义 (1) 1.2本次设计方案简介 (2) 1.2.1 变频器主电路方案选定 (2) 1.2.2 系统原理框图及各某些简介 (3) 1.2.3 选用电动机原始参数 (4) 2交流异步电动机变频调速原理及办法 (5) 2.1 异步电机变频调速原理 (5) 2.2 变频调速控制方式及选定 (6) V比恒定控制 (6) 2.2.1 f 2.2.2 其他控制方式................................ 错误!未定义书签。3变频器主电路设计. (13) 3.1 主电路工作原理 (13) 3.2 主电路各某些设计 (13) 3.3. 采用EXB840IGBT驱动电路 (15) 4控制回路设计 (16) 4.1 驱动电路设计 (16) 4.2 保护电路......................................... 错误!未定义书签。 4.2.1 过、欠压保护电路设计........................ 错误!未定义书签。 4.2.2 过流保护设计................................ 错误!未定义书签。 4.3 控制系统实现 (19) 5变频器软件设计....................................... 错误!未定义书签。 5.1 流程图 (22)
1 设计任务 1、了解并熟悉双闭环三相异步电机调压调速原理及组成。 2、学习 SIMULINK，熟悉相关的模块功能。 3、进一步理解交流调压系统中电流环和转速环的作用。 2 设计要求 1、利用SIMULINK建立闭环调速系统仿真模型。 2、调试完成调压模块仿真、开环系统仿真、闭环系统仿真。 3 设计设备 1、计算机一台 2、MATLAB仿真软件 4 设计原理 调压调速即通过调节通入异步电动机的三相交流电压大小来调节转子转速的方法。理论依据来自异步电动机的机械特性方程式： 其中，p为电机的极对数； 为定子电源角速度； w 1 为定子电源相电压； U 1 R ’为折算到定子侧的每相转子电阻； 2 为每相定子电阻； R 1 L 为每相定子漏感； 11 L 为折算到定子侧的每相转子漏感； 12 S为转差率。 图1 异步电动机在不同电压的机械特性
由电机原理可知，当转差率s 基本保持不变时，电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比。因此，改变定子电压就可以得到不同的人为机械特性，从而达到调节电动机转速的目的。 4.1 调压电路 改变加在定子上的电压是通过交流调压器实现的。目前广泛采用的交流调压器由晶闸管等器件组成。它是将三个双向晶闸管分别接到三相交流电源与三相定子绕组之间通过调整晶闸管导通角的大小来调节加到定子绕组两端的端电压。这里采用三相全波星型联接的调压电路。 图2 调压电路原理图 4.2 开环调压调速 开环系统的主电路由触发电路、调压电路、电机组成。原理图如下： Ua Ub Uc T2 T3 T5 T4 T6 R R R N T1
图3 开环调压系统原理图 AT为触发装置，用于调节控制角的大小来控制晶闸管的导通角，控制晶闸管输出电压来调节加在定子绕组上的电压大小。
电子技术课程设计 题目：智能电机转速控制显示系统设计 学院计算机与通信工程学院 专业 学号 姓名Lei Ke 指导老师leike
摘要 当今社会，电动机在工农业生产与人们日常生活中都起着十分重要的作用。直流电机作为最常见的一种电机，具有非常优秀的线性机械特性、较宽的调速范围、良好的起动性以及简单的控制电路等优点，因此在社会的各个领域中都得到了广泛的应用。我希望通过对电子电路设计及制作课程设计等环节，力求达到以下作用和目的：即进一步掌握模拟数字电子技术的理论知识，培养工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力；基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高对电子电路的设计和实验能力；熟悉并学会使用电子元器件，为以后从事生产和科研工作打下一定基础。 以下设计是以单片机为核心设计一个电动机转速测定以及数据显示系统，要求对转速范围在0—166r/min的直流调速电动机进行测量并显示，转速数据显示精度要达到转速个位数和加速、减速、定速、电机正转和反转的实时控制。本设计使用12V直流电机，将直流电机测速装置产生的脉冲信号输入到单片机外部中断0口，单片机工作在内部定时器工作方式0，对周期信号进行计数，调用计算公式计算出每秒的转速。调用显示程序在数码管上，其主要内容是单片机部分主要完成转速的测量，数码管显示部分主要把转速显示出来，显示范围在0—166r/min之间。 关键词：直流电机单片机转速控制数据显示
目录 摘要 (2) 目录 (3) 1.引言 (4) 2总体设计 (5) 2.1基本原理 (5) 2.2系统总体框图及设计思路 (6) 3.详细设计 (6) 3.1 硬件设计 (7) 3.2 软件设计. (8) 3.2.1程序设计思路 (8) 3.2.2 程序流程图 (9) 3.2.3 程序代码 (11)
机电传动与控制课程综合训练三 一、综合训练项目任务书 综合训练项目：交流电机变频调速系统 目的和要求：加强对交流变频调速系统及变频器的理解；应用交流变频调速系统及变频器解决交流电机变频调速问题。提高分析和解决实际工程问题的能力。促成“富于探索精神，具有较强的自学能力、开拓创新意识和敏锐的观察事物以及分析处理事物的能力”的目标实现。 成果形式：交流电机变频调速系统设计说明书。 相关参数：参看《机电传动控制》（第五版），冯清秀等编著，华中科技大学出版社，P291~316。 一、综合训练项目设计内容 1.变频调速系统 1.1 三相交流异步电动机的结构和工作原理 三相交流异步电动机是把电能转换成机械能的设备。一般电动机主要由两部分组成：固定部分称为定子，旋转部分称为转子。三相交流异步电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则来确定。因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。 1.2 变频调速原理 变频器可以分为四个部分，如图1.1所示。 通用变频器由主电路和控制回路组成。给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。主电路包括整流器、中间直流环节（又称平波回路）、逆变器。
图1.1 变频器简化结构图 ⑴整流器。它的作用是把工频电源变换成直流电源。 ⑵平波回路（中间直流环节）。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动状态还是发电状态，起始功率因数总不会等于1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件—电容器或电感器来缓冲，所以中间直流环节实际上是中间储能环节。 ⑶逆变器。与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率。逆变器的结构形式是利用6个半导体开关器件组成的三相桥式逆变器电路。通过有规律的控制逆变器中主开关的导通和断开，可以得到任意频率的三相交流输出波形。 ⑷控制回路。控制回路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路，驱动电路和制动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制，以及完成各种保护功能。控制方式有模拟控制或数字控制。 2.系统的控制模型 本系统的结构如图1.2所示。
一、问题描述 针对电机调速控制系统，设计计算机可实现的PID 控制器，利用simulink 平台实验研究，确定最佳的离散周期并给出实验结果分析和与连续PID 控制器的比较。离散控制器输出连续的受控过程时加零阶保持器。 有余力的同学可尝试设计最小拍无波纹控制器。 二、理论方法分析 离散控制系统所特有的一个参数就是采样周期。可以说离散控制系统的采样周期的选择的基本原则是活的最高的体统性能性价比。 由于采样周期的选择是众多因素的折中考虑，所以一般中有一些近似的计算公式和经验数值可以利用。 在PID 整定完的系统中，对于输入阶跃响应信号可以用两种方法计算出采样周期； ⑴考虑系统阶跃响应的上升时间r t ，则有采样周期24 r s r t T t ≤≤；r t 表示系统的反映速度。 ⑵知道系统是有自平衡的过程，采用过程时间常数 95T ，95T 定义为阶跃响应)(t y 从0变到95%)(∞y 的时间，它综合反映了过程的自平衡能力，其经验公式为 95 9517.007.0T T T s ≤≤。 三、实验设计与实现 搭建Simulink 图后，观测输出波形，发现，上升至95%所需时间约为0.268s
因为959517.007.0T T T s ≤≤。故取Ts 为0.02. 再搭建离散控制系统Simulink 图 四、实验结果与分析 PID 控制器与离散控制比较。见下图：
比较后发现：利用离散控制系统设计的系统性能指标能够达到PID所要求的水平。 五、结论与讨论 利用离散控制系统设计方法设计的离散控制系统与PID整定法设计的连续控制系统性能基本接近。 但在某些场合，特别是现代的工业过程控制中，利用数字电子元件设计的系统有诸多优势：例如方便与计算机相连，便于历史、实时数据存储和传输等 事后感： 由于这部分理论知识学习的不扎实，实验过程中似有“云里雾里”之感…… 参考文献： [1] 杨平等编著，自动控制原理实验与实践. 北京：中国电力出版社，2005 [2] 杨平等编著，自动控制原理理论篇. 北京：中国电力出版社，2009
交流电动机调速系统的分类 1.同步电动机调速系统 同步电动机只能依靠改变频率来进行调速，而根据频率控制方式的不同，可把同步电动机调速系统分为他控式和自控式两种类型。 如果用独立的变频装置作为同步电动机的变频电源进行调速，则称之为他控式同步电动机调速系统，大多用于类似永磁同步电动机的小容量场合。 采用频率闭环方式的同步电动机调速系统称为自控式同步电动机调速系统，它是用电动机轴上安装的位置检测器来控制变频装置触发脉冲，使同步电动机工作在自同步状态。自控式同步电动机调速系统又可细分为负载换向自控式同步电动机调速系统和交一交变频供电的自控式同步电动机调速系统。 负载换向自控式同步电动机调速系统叉称为x换向器电机，它的主电路采用交一直-交电流型变流器，利用同步电动机电流超前电压的特点，使逆变器的晶闸管工作在自然换向状态。这种系统又被称为LCI(Load Commutated Inve11er)，它的容量已达到数万千伏安，电压达万伏以上。 交一交变频同步电动机调速系统的逆变器由晶闸管组成，采用交一交循环变流结构和矢量控制技术，具有优良的动态性能，广泛地用于轧钢机主传动系统中。交一交变频同步电动机调速系统的容量很大，但调频范围只能限制在工频的三分之一左右。 2.异步电动机调速系统 在异步电动机中，从定子传入转子的电磁功率可以分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率；另一部分是转差功率，与转差率成正比，它的去向是调速系统效率高低的标志。就转差功率的处理方式的不同，异步电动机调速系统可分成三大类。 (1)转差功率消耗型调速系统。这种调速系统全部转差功率都被消耗掉，用增加转差功率的消耗来换取转速的降低，因而效率也随之降低。降电压调速、电磁转差离合器调速及绕线异步电动机转子串电阻调速这三种方法都属于这一类。 (2)转差功率回馈型调速系统。这种调速系统的大部分转差功率通过变流装置回馈给电网或者加以利用，转速越低回馈的功率越多，但是增设的装置也要多消耗一部分功率。绕线异步电动机转子双馈调速即属于这一类。 (3)转差功率不变型调速系统。在这种调速系统中，转差功率仍旧消耗在转子里，但小论转速高低，转差功率基本不变。如变极对数调速、变频调速两种调速方法即属于这一类。 2.异步电动机转差回馈型调速系统 双馈调速足指将电能分别馈入异步电动机的定子绕组和转子绕组，通常将定子绕组接入工频电源，将转子绕组接到频率、幅值、相位和相序都可以调节的变频电源。如果改变转子绕组电源的频率、幅值、相位和相序，就可以调节异步电机的转矩、转速、转向及和定子侧的无功功率。这种双馈调速的异步电动机可以超同步或亚同步运行，不但可以工作在电动状态，而且可以工作在发电状态。 因为交一交变流器采用晶闸管自然换向方式，结构简单，可靠性高，而且交，交变流器能够直接进行能量转换，效率高，所以，在双馈调速方式中采用交．交变流器作为转子绕组的变频电源是比较合适的。 绕线式异步电动机串级调速系统是从定子侧馈入电能，从转子侧馈出电能的系统。从广义上说，它也是双馈调速系统的一种。 在双馈调速中，所用变频器的功率仅占电动机总功率的一小部分，可以大大降低变频器的容量，从而降低了调速系统的成本，此外，双馈电机还可以调节功率因数，由于具有这些优点，双馈电机特别适合应用于大功率的风机、水泵类负载的调速场合；双馈调速方式在风力、
天津职业技术师范大学 课程设计说明书题目：三相异步电动机变频调速系统设计及仿真 指导老师： 班级：机检1112班 组员
天津工程师范学院 课程设计任务书 机械工程学院机检1112 班学生 课程设计课题： 三相异步电动机变频调速系统设计及仿真 一、课程设计工作日自 2015 年 1 月 12 日至 2015 年 1 月 23 日 二、同组学生： 三、课程设计任务要求（包括课题来源、类型、目的和意义、基本要求、完成时 间、主要参考资料等）： 1、目的和意义 交流调速是一门重要的专业必修课，它具有很强的实践性。为了加深对所学课程（模拟电子技术、数字电子技术、电机与拖动、电力电子变流技术等）的理解以及灵活应用所学知识去解决实际问题，培养学生设计实际系统的能力，特开设为期一周的课程设计。 2、具体内容 写出设计说明书，内容包括： （1）各主要环节的工作原理； （2）整个系统的工作原理（包括启动、制动以及逻辑切换过程）； （3）调节器参数的计算过程。 2．画出一张详细的电气原理图； 3．采用Matlab中的Simulink软件对整个调速系统进行仿真研究，对计算得到的调节 器参数进行校正，验证设计结果的正确性。将Simulink仿真模型，以及启动过程中的电流、转速波形图附在设计说明书中。 4、考核方式 1．周五采用口试方式进行考核（以小组为单位），成绩按百分制评定。其中小组分数占60%，个人成绩占40%（包括口试情况和上交材料内容）； 2．每天上午8:30--11:30在综合楼226房间答疑。 五、参考文献 1、陈伯时．电力拖动自动控制系统----运动控制系统（第3版）．机械工业出版社，2003 指导教师签字：教研室主任签字：
(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！) 用单片机控制的电机交流调速系统设计 摘要 单片机控制的变频调速系统设计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。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。系统的总体结构主要由主回路，驱动电路，光电隔离电路，HEF4752大规模集成电路，保护电路，Intel系列单片机，Intel8253定时记数器，Intel8255可编程接口芯片，Intel8279通用键盘显示器，IO接口芯片，CD4527比例分频器和测速发电机等组成。回路中有了检测保护电路就可以使整个系统运行的可靠性有了保障。非传统的CMOS变革了存储器技术。直到现在，我们仍然依靠DRAM 作为主要的存储体。不幸的是，随着芯片的缩小，只有芯片外围速度上的增长——处理器芯片和它相关的缓存速度每两年增加一倍。这就是存储器代沟并且是人们焦虑的根源。存储技术的一个可能突破是，使用一种非传统的CMOS管，在计算机整体性能上将导致一个很大的进步，将解决大存储器的需求，即缓存不能解决的问题。 关键词:MCS-51单片机；HEF4752；8253定时器；晶闸管；整流器
Exchange the speed of adjusting to design systematically with the electrical machinery that the one-chip computer controls ABSTRACT Frequency conversion that one-chip computer control transfer speed systematic design philosophy with transfer to difference frequency control. Achieve the goal of controlling rotational speed through changing the procedure . Because the motor is not big in power in the design, the rectifier can not adopt controlledly the circuit, the condenser strains waves; Going against the becoming device adopts three phases of the electric transistor to go against the becoming device. The systematic ensemble architecture is by the main return circuit mainly, drive the circuit, the photo electricity isolates the circuit, HEF4752 large scale integrated circuit, protects the circuit, the Intel series one-chip computer, Intel8253 timing count device of,Intel8255 programmable interface chip,Intel8279 keyboard not in common use display, IO interface chip, CD4527 proportion frequency division device and tests the speed such composition as the generator ,etc.. Have the dependability that can make the whole system operate of measuring and protecting the circuit to the return circuit.Unconventional CMOS could revolutionalize memory technology. Up to now, we DRAMs for main memory. Unfortunately, these are only increasing in speed marginally as shrinkage continues, whereas processor chips and their associated cache memory continue to double in speed every two years. The result is a growing gap in speed between the processor and the main memory. This is the memory gap and is a current source of anxiety. A breakthrough in memory technology, possibly using some form of unconventional CMOS, could lead to a major advance in overall performance on problems with large memory requirements, that is, problems which fail to fit into the cache.
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用单片机控制的电机交流调速系统设计 文摘单片机控制的变频调速系统设计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。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。系统的总体结构主要由主回路，驱动电路，光电隔离电路，HEF4752大规模集成电路，保护电路，Intel系列单片机，Intel8253定时/记数器，Intel8255可编程接口芯片，Intel8279通用键盘/显示器，I/O接口芯片，CD4527比例分频器和测速发电机等组成。回路中有了检测保护电路就可以使整个系统运行的可靠性有了保障。 关键词MCS-51单片机；HEF4752；8253定时器；晶闸管；整流器；三相异步电动机
Exchange the speed of adjusting to design systematically with the electrical machinery that the one-chip computer controls Zhoumingqiang information and Electrical Engineering School, panzhihua university, Panzhihua 617000 Abstract Frequency conversion that one-chip computer control transfer speed systematic design philosophy with transfer to difference frequency control. Achieve the goal of controlling rotational speed through changing the procedure . Because the motor is not big in power in the design, the rectifier can not adopt controlledly the circuit, the condenser strains waves; Going against the becoming device adopts three phases of the electric transistor to go against the becoming device. The systematic ensemble architecture is by the main return circuit mainly, drive the circuit, the photo electricity isolates the circuit, HEF4752 large scale integrated circuit, protects the circuit, the Intel series one-chip computer, Intel8253 timing /count device of,Intel8255 programmable interface chip,Intel8279 keyboard not in common use / display, I/O interface chip, CD4527 proportion frequency division device and tests the speed such composition as the generator ,etc.. Have the dependability that can make the whole system operate of measuring and protecting the circuit to have guarantee in the return circuit [keywords] MCS-51；HEF4752；time/counter of l8253；selenium；rectifier；three phase eletromotor of asynchronism
西安交通大学城市学院 本科毕业设计（论文）开题报告 题目基于51单片机的PWM 直流电机调速系统设计 所在系电气与信息工程系 学生姓名 XX 专业测控技术与仪器 班级测控XXX学号 XXXXX 指导老师 XXXXXX 教学服务中心制表 2014年3月
对题目的陈述 1.选题意义与国内外研究现状，主要研究内容及技术方法 1.1选题的研究目的及意义 现代工业的电力拖动一般都要求局部或全部的自动化，因此必然要与各种控制元件组成的自动控制系统联系起来，而电力拖动则可视为自动化电力拖动系统的简称。在这一系统中可对生产机械进行自动控制。 在如今的现实生活中，自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展，其中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用。虽然直流电机不如交流电机那样结构简单、价格便宜、制造方便、容易维护，但是它具有良好的起制动性能，宜于在广泛的范围内平滑调速，所以直流调速系统至今仍是自动调速系统中的主要形式。 随着电力电子技术的发展，开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET 和GBT成为主流，脉宽调制技术表现出较大的优越性：主电路线路简单，需要用的功率元件少；开关频率高、电流容易连续、谐波少、电机损耗和发热都较小；低速性能好、稳速精度高，因而调速范围宽；系统快速响应性能好，动态抗扰能力强；主电路元件工作在开关状态、导通损耗小、装置效率较高。近年来，微型计算机技术发展速度飞快，以计算机为主导的信息技术作为一崭新的生产力，正向社会的各个领域渗透，直流调速系统向数字化方向发展成为趋势。 1.2国内外研究现状 直流电机脉冲宽带调制（Pulse Width Modulation――简称PWM）调速系统产生于７０年代中期。最早用于不可逆、小功率驱动，例如自动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等。近十多年来，由于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，同时又因出现了宽调速永磁直流电机，它们之间的结合促使PWM技术的高速发展，并使电气驱动技术推进到一个新的高度。 在国外，PWM最早是在军事工业以及空间技术中应用。它以优越的性能，满足那些高速度、高精度随动跟踪系统的需求。近十年来，进一步扩散到民用工业，特别是在机床行业、自动生产线及机器人等领域中广泛应用。 如今，电子技术、计算机技术和电机控制技术相结合的趋势更为明显，促使电机控制技术以更快的速度发展着。随着市场的发展，客户对电机驱动控制要求越来越高，希
《交流调速系统》课后习题答案 第 5 章 闭环控制的异步电动机变压调速系统 5-1 异步电动机从定子传入转子的电磁功率m P 中，有一部分是与转差成正比的转差功率s P ，根据对s P 处理方式的不同，可把交流调速系统分成哪几类？并举例说明。 答：从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统 效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类 。 1）转差功率消耗型调速系统：这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速都属于这一类。在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。 2）转差功率馈送型调速系统：在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通 过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，绕线电机串级调速或双馈电机调速属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成 有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。 3）转差功率不变型调速系统：在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，变极对数调速、变压变频调速属于此类。其中变极对数 调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。 5-2 有一台三相四极异步电动机，其额定容量为5.5kW ，频率为50Hz ，在某一情况下运行，自定子方面输入的功率为6.32kW ，定子铜损耗为341W ，转子铜损耗为237.5W ，铁心损耗为167.5W ，机械损耗为45W ，附加损耗为29W ，试绘出该电动机的功率流程图，注明各项功率或损耗的值，并计算在这一运行情况下该电动机的效率、转差率和转速。 解：87.032 .65.5==η，因为rpm 1500250606010=?==p f n ， 由已知条件得电磁功率为kw 8115.5=m P ，所以有041.08115 .52375.0== s 所以rp m 1439)041.01(150000=-=-=sn n n
目录 摘要 (2) 1引言 (3) 1.1交流调速系统的现状 (3) 1.2交流调速系统的特点 (4) 1.3交流调速系统原理 (5) 2交流调速系统的硬件设计 (6) 2.1交流调速系统控制回路设计 (6) 2.2交流调速系统参数设计 (7) 2.3元器件的选用 (11) 3交流调速系统软件设计 (23) 3.1主程序设计及说明 (23) 3.2子程序设计 (26) 4结论 (28) 5参考文献 (28) 6致谢 (29)
单片机控制的交流调速系统设计 摘要 交流变频调速具有调速范围宽，稳速精度高，动态响应快，运行可靠等技术性能，已逐步取代直流电动机调速系统。然而目前的变频器大部分都是线路复杂，价格昂贵，常用于大、中功率的电动机。本课题单片机控制的变频调速系统设计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。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。系统的总体结构主要由主回路，驱动电路，光电隔离电路，SA8282大规模集成电路，保护电路，AT89C51单片机， 8255可编程接口芯片，I/O接口芯片，测速发电机等组成。可以满足各种不同场合的应用，以达到调速节能的效果。 关键词:AT89C51单片机；SA8282；转差频率；交流调速；三相异步电动机
1引言 1.1交流调速系统的现状 电气传动从总体上分为调速和不调速两大类。按照电动机的类型不同，电气传动又分为直流和化大生产的不断发展，生产技术越来越复杂，对生产工艺的要求也越来越高，这就要求生产交流两大类，直流电动机在19世纪先后诞生，但当时的电气传动系统是不调速系统，随着社会机械能够在工作速度，快速启动和制动，正反转等方面具有较好的运行性能。从而推动了电动机的调速不断向前发展，自从1834年直流电动机出现以后，直流电动机作为调速电动机的代表，在工业中得到了广泛的应用。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，晶闸管变流装置的应用使直流拖动发展到了一个很高的水平，在可逆，可调速与高精度的拖动技术领域中相当长时间内几乎都采用直流拖动系统。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。 交流电动机在1885年出现后，由于一直没有理想的调速方案，只被应用于恒速拖动系统，从本世纪30年代起，不少国家才开始提出各种交流调速的原始方案，晶闸管的出现使交流电动调速的发展出现了一个质的飞跃，使得半导体变流技术的交流调速得以实现，国际上在60 年代后期解决了交流电动机调速方案中的关键问题，70年代开始就实现了产品的高压，大容量，小型化，且已经逐渐取代了大部分传统的直流电动机的应用领域。交流调速系统发展迅速的很大一部分原因在于交流电动机本身的优点：没有电刷和换向器，结构简单，寿命长。近年以来大功率半导体器件，大规模集成电路，电子计算机技术的发展，加上交流电动机本身的优越特性，为交流调速提供了广泛的应用前景。目前交流电力拖