電機(jī)軟啟動(dòng)控制電路__專(zhuān)科論文

1、重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課題名稱(chēng) 電機(jī)軟啟動(dòng)控制電路的實(shí)現(xiàn) 系 別 機(jī)電學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 機(jī)電一體化 班 級(jí) 姓 名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)控制電路的實(shí)現(xiàn)摘 要交流異步電機(jī)是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最重要的拖動(dòng)設(shè)備之一，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修容易等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。但電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)的電流和機(jī)械沖擊過(guò)大，對(duì)其自身及拖動(dòng)設(shè)備的使用壽命都會(huì)產(chǎn)生影響，較大的電網(wǎng)壓降還會(huì)影響電網(wǎng)供電和其他設(shè)備運(yùn)行。因此，采用電機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)勢(shì)在必行。本文通過(guò)分析交流異步電機(jī)軟啟器動(dòng)工作原理，在Intel 89C51單片機(jī)基礎(chǔ)上對(duì)其軟硬件進(jìn)行了適當(dāng)擴(kuò)展，并添加了人機(jī)界面，從而可對(duì)電機(jī)運(yùn)行的各參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和修改。借助功率因數(shù)測(cè)

2、量電路和軟啟動(dòng)器的晶閘管調(diào)壓電路組成的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，單片機(jī)可以根據(jù)負(fù)載變化相應(yīng)地調(diào)整電機(jī)輸出電壓，使電機(jī)始終工作在設(shè)定功率因數(shù)下，從而實(shí)現(xiàn)交流異步電機(jī)的恒功率因數(shù)控制，達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。關(guān)鍵詞：異步電機(jī)；功率因數(shù)；軟啟動(dòng)；節(jié)能運(yùn)行 Electric motor soft start control circuits realizationPicking WantingExchanges the asynchronous machine is in the industry and agriculture production one of most important dragging eq

3、uipment, is simple because of its structure, the service easy and so on merits to obtain the widespread application. But time the electrical machinery line starts electric current and the mechanical shock are oversized, can have the influence to its own and the dragging equipments service life, the

4、big electrical network pressure drop will also affect the electrical network power supply and other equipment movement. Therefore, uses the electrical machinery soft start technology to be imperative. this article opens softly through the analysis exchange asynchronous machine begins construction to

5、 make the principle, monolithic integrated circuit foundation has carried on the suitable expansion in Intel in the 89C51 to its software and hardware, and increased the man-machine contact surface, thus may carry on the hypothesis and the revision to electrical machinery movement various parameters

6、. Presses the closed loop feedback system which with the aid of the power factor metering circuit and the soft starters thyristor accent the electric circuit composes, the monolithic integrated circuit may according to the variation of load adjust the electrical machinery output voltage correspondin

7、gly, causes the electrical machinery to work throughout in establishes under the power factor, thus realizes the exchange asynchronous machines permanent power factor control, serves purpose which festival can move.Key words：Asynchronous machine; Power factor; Soft start; Energy conservation movemen

8、t目錄摘要.1引言.4第一章 緒論. 51.1異步電機(jī)軟啟動(dòng)與節(jié)能運(yùn)行技術(shù)的意義.51.2異步電機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)概述.51.2.1傳統(tǒng)啟動(dòng)與軟啟動(dòng).61.2.2軟啟動(dòng)器的基本原理.61.2.3軟啟動(dòng)器的工作方式.61.2.4軟啟動(dòng)器的適用場(chǎng)合.71.3節(jié)能運(yùn)行技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀.71.3.1節(jié)能運(yùn)行的基本原理.71.3.2節(jié)能運(yùn)行在軟啟動(dòng)器上的實(shí)現(xiàn).8第二章節(jié)能運(yùn)行的工作原理.92.1功率因數(shù)的測(cè)量與計(jì)算.92.1.1信號(hào)的過(guò)零檢測(cè).92.1.2功率因數(shù)的計(jì)算.92.2基于單片機(jī)的PID調(diào)節(jié).102.2.1PID調(diào)節(jié)的原理.102.2.2運(yùn)算方式的選擇.11第三章系統(tǒng)構(gòu)成.113.1硬件選擇與連接.12

9、3.1.1單片機(jī)與功率因數(shù)檢測(cè)電路.123.1.2電機(jī)運(yùn)行控制電路.123.1.3數(shù)據(jù)輸入與顯示電路.123.2工作原理.133.2.1鍵盤(pán).133.2.2顯示.13第四章控制與運(yùn)行方式.144.1運(yùn)行方式及參數(shù)設(shè)置.144.1.1可選方式與參數(shù).144.1.2操作流程.144.2程序設(shè)計(jì).154.2.1主程序流程圖.154.2.2數(shù)據(jù)處理程序流程圖.164.2.3鍵盤(pán)掃描程序流程圖.17結(jié)論.18參考文獻(xiàn).19致謝.20附件一.21附件二.22引言異步電動(dòng)機(jī)是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最為廣泛的電力拖動(dòng)設(shè)備，其使用過(guò)程存在三個(gè)問(wèn)題。首先是啟動(dòng)問(wèn)題：特別是幾十、幾百千瓦以上的中大容量電動(dòng)機(jī)，額定電流就有幾百

10、安培，啟動(dòng)電流達(dá)近千安培，甚至幾千安培，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)沖擊電流流過(guò)供電變壓器、供電線(xiàn)路，會(huì)造成供電母線(xiàn)很大的電壓降落。嚴(yán)重時(shí)啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)本身不僅轉(zhuǎn)不起來(lái)，在同一條供電母線(xiàn)的其他設(shè)備也受影響，電燈變暗、數(shù)控設(shè)備失常、帶重載電動(dòng)機(jī)甚至?xí)＼?chē)、變電所的欠電壓保護(hù)會(huì)跳閘造成停電事故。其次是節(jié)能問(wèn)題：異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行期間有很大的節(jié)能空間，特別在輕載時(shí)功率因數(shù)低、效率低，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重。第三是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行安全問(wèn)題：斷相、短路、嚴(yán)重過(guò)載等故障會(huì)給運(yùn)行中的電動(dòng)機(jī)帶來(lái)極大的危害。智能化軟啟動(dòng)器是集電機(jī)軟啟動(dòng)、軟停車(chē)、輕載節(jié)能和綜合保護(hù)于一體的新穎電機(jī)控制設(shè)備。近些年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的飛躍發(fā)展，國(guó)內(nèi)

11、外都十分重視各種智能化軟啟動(dòng)器的研究和開(kāi)發(fā)，且發(fā)展很快。第一章 緒 論1.1異步電機(jī)軟啟動(dòng)與節(jié)能運(yùn)行技術(shù)的意義電機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中最重要的拖動(dòng)設(shè)備之一，交流異步電機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修容易等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)及其他生產(chǎn)當(dāng)中。但電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)的電流過(guò)大，啟動(dòng)瞬間轉(zhuǎn)矩造成的機(jī)械沖擊也會(huì)影響其本身及拖動(dòng)設(shè)備的使用壽命，過(guò)大的啟動(dòng)電流還加速了電機(jī)絕緣老化。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)會(huì)引起較大的電網(wǎng)壓降，影響電網(wǎng)供電和其他設(shè)備運(yùn)行。頻繁啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的場(chǎng)合，還會(huì)因電機(jī)的短路、缺相、過(guò)流、欠壓、堵轉(zhuǎn)等故障影響設(shè)備運(yùn)行。因此，宜采用軟啟動(dòng)控制技術(shù)，改善電機(jī)的不良啟動(dòng)性能，延長(zhǎng)電機(jī)壽命，減少電網(wǎng)沖擊。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，電機(jī)的用電量已

12、占到我國(guó)發(fā)電總量的50%，研究電機(jī)節(jié)能運(yùn)行技術(shù)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。由電機(jī)學(xué)理論可知，異步電機(jī)運(yùn)行在額定負(fù)載時(shí)效率最高，通?？蛇_(dá)80%左右；其負(fù)載越小，效率和功率因數(shù)就越低。多數(shù)電機(jī)，其大部分運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的負(fù)荷率都在50%-60%，實(shí)際運(yùn)行效率較低；而電機(jī)選型時(shí)又是按照需要的最大負(fù)載和最壞情況下所需要的功率而定的，因此在大部分時(shí)間內(nèi)，電機(jī)都運(yùn)行在效率較低的輕載情況下。在輕載情況下降低電機(jī)電壓，既提高了其運(yùn)行效率，也可以顯著節(jié)省電能。1.2異步電機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)概述1.2.1傳統(tǒng)啟動(dòng)與軟啟動(dòng)異步電機(jī)的傳統(tǒng)啟動(dòng)方式有全壓?jiǎn)?dòng)、星三角降壓?jiǎn)?dòng)和自耦降壓?jiǎn)?dòng)等。前者啟動(dòng)電流大，5-7倍的啟動(dòng)電流造成能量的巨大

13、消耗，對(duì)電網(wǎng)和變壓器也有很大沖擊，影響電機(jī)本身及控制期間的壽命；后兩者啟動(dòng)電流較小，但同樣存在沖擊電流，設(shè)備故障率較高，同時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩降低，啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)。所謂“軟啟動(dòng)”，就是按預(yù)先設(shè)定的控制模式進(jìn)行的電機(jī)降壓?jiǎn)?dòng)過(guò)程。交流電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流一般是額定電流的1.5倍，軟啟動(dòng)的主要目的是降低異步電機(jī)的啟動(dòng)電流，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，延長(zhǎng)電機(jī)及相關(guān)設(shè)備的使用壽命。1.2.2軟啟動(dòng)的基本原理軟啟動(dòng)器的晶閘管調(diào)壓電路由6個(gè)晶閘管兩兩反向并聯(lián)組成，串接于交流異步電機(jī)的三相供電線(xiàn)路之上。晶閘管調(diào)壓電路 圖（1-1)加入啟動(dòng)信號(hào)后，系統(tǒng)軟件首先施加若干毫秒的固定延時(shí)用于系統(tǒng)自檢，然后進(jìn)行有關(guān)計(jì)算，輸出晶閘管觸發(fā)信號(hào)

14、，通過(guò)控制晶閘管導(dǎo)通角，使啟動(dòng)器按所設(shè)計(jì)的模式調(diào)節(jié)輸出電壓、控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程。啟動(dòng)過(guò)程完成后，單片機(jī)再發(fā)出控制信號(hào)，啟動(dòng)器將用于短接可控硅的旁路接觸器吸合，短路掉所有的晶閘管，使單片機(jī)控制系統(tǒng)停止工作，電機(jī)直接投入電網(wǎng)運(yùn)行，避免不必要的電能損耗。圖（1-1）晶閘管調(diào)壓電路1.2.3軟啟動(dòng)的工作方式 (1)限流軟啟動(dòng)主要用于輕載啟動(dòng)。在啟動(dòng)過(guò)程中限制啟動(dòng)電流不超過(guò)某一設(shè)定值(Im)，其輸出電壓從零開(kāi)始迅速增長(zhǎng)，直到其輸出電流達(dá)到預(yù)先設(shè)定的電流限值Im，然后在保持輸出電流IIm的條件下逐漸升高電壓直到額定值，使電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高，直到額定轉(zhuǎn)速。限流軟啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)電流小、對(duì)電網(wǎng)電壓影響小，且可

15、按需要進(jìn)行調(diào)整(啟動(dòng)電流的限值Im必須根據(jù)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩來(lái)設(shè)定，Im設(shè)置過(guò)小將會(huì)使啟動(dòng)失敗或燒毀電機(jī))，缺點(diǎn)是在啟動(dòng)時(shí)難以知道啟動(dòng)壓降，不能充分利用壓降空間，損失啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。 (2)電壓斜坡啟動(dòng)用于重載啟動(dòng)。輸出電壓由小到大斜坡線(xiàn)性上升，將傳統(tǒng)的降壓?jiǎn)?dòng)變有級(jí)為無(wú)級(jí)。電壓斜坡啟動(dòng)缺點(diǎn)是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)矩特性呈拋物線(xiàn)型上升，對(duì)啟動(dòng)不利，且啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)電機(jī)也不利。改進(jìn)的方法是采用雙斜坡啟動(dòng)：輸出電壓先迅速升至U1（電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)所需最小轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的電壓值），然后按設(shè)定的速率逐漸升壓，直至額定電壓。初始電壓及電壓上升率可根據(jù)負(fù)載特性調(diào)整。這種啟動(dòng)方式的特點(diǎn)是啟動(dòng)電流相對(duì)較大，但啟動(dòng)時(shí)間

16、相對(duì)較短。 (3)轉(zhuǎn)矩控制啟動(dòng)主要用于重載啟動(dòng)，它是按電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩線(xiàn)性上升的規(guī)律控制輸出電壓，它的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)平滑、柔性好，對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)有利，同時(shí)減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，是最優(yōu)的重載啟動(dòng)方式，其缺點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。 (4)轉(zhuǎn)矩加突跳控制啟動(dòng)與轉(zhuǎn)矩控制啟動(dòng)同樣用于重載啟動(dòng)。不同的是，突跳控制在啟動(dòng)瞬間用突跳轉(zhuǎn)矩克服拖動(dòng)系統(tǒng)的靜轉(zhuǎn)矩，然后轉(zhuǎn)矩平滑上升，可縮短啟動(dòng)時(shí)間。但是，突跳會(huì)給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖，干擾其它負(fù)荷。 (5)電壓控制啟動(dòng)用于輕載啟動(dòng)，在保證啟動(dòng)壓降的前提下使電動(dòng)機(jī)獲得最大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，盡可能地縮短啟動(dòng)時(shí)間，是最優(yōu)的輕載軟啟動(dòng)方式。1.2.4軟啟動(dòng)的適用場(chǎng)合 (1)生產(chǎn)設(shè)備精密，不允許啟動(dòng)沖擊，

17、否則會(huì)造成生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品不良后果的場(chǎng)合。 (2)電動(dòng)機(jī)功率較大，若直接啟動(dòng)，要求主變壓器容量加大的場(chǎng)合。 (3)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)要求嚴(yán)格，對(duì)壓降要求10U的供電系統(tǒng)。 (4)對(duì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求不高，可進(jìn)行空載或輕載啟動(dòng)的設(shè)備。嚴(yán)格地講，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小于額定轉(zhuǎn)矩50%的拖動(dòng)系統(tǒng)才適合用軟啟動(dòng)器解決啟動(dòng)沖擊問(wèn)題。重載或滿(mǎn)載只能采取變頻軟啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)過(guò)流軟啟動(dòng)，提供1.2-2倍額定轉(zhuǎn)矩的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 (5)軟啟動(dòng)器的缺點(diǎn)是不能長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用于啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求很高的電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置上。這是因?yàn)殡姍C(jī)軟啟動(dòng)器實(shí)際上是將自身電壓斜坡式抬升至最大值，停機(jī)過(guò)程中又逐漸下降至設(shè)定的關(guān)機(jī)水平來(lái)完成工作的。由于轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，連接電機(jī)

18、無(wú)法一開(kāi)始就達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩，因此軟啟動(dòng)器更適合于風(fēng)扇、電梯、水泵、傳送帶等輕型易啟動(dòng)設(shè)備。1.3節(jié)能運(yùn)行技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1節(jié)能運(yùn)行的基本原理電機(jī)效率是電機(jī)輸出功率與輸入功率比值的百分?jǐn)?shù)。因?yàn)殡姍C(jī)的輸入功率并不僅用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、在軸上輸出功率，還有一部分成為電機(jī)的固有損耗，所以電機(jī)效率總是小于1。電機(jī)的主要損耗為鐵耗和銅耗，其中銅耗是電流經(jīng)過(guò)電機(jī)繞組產(chǎn)生，與電流平方成正比；鐵耗是電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子鐵心中的勵(lì)磁電流而產(chǎn)生，與供電電壓成正比。其他損耗很小可忽略。若電壓不變而電機(jī)負(fù)載變化，則與電壓成正比的勵(lì)磁電流基本不變，電機(jī)從電網(wǎng)吸取的無(wú)功功率Q也不變，但電機(jī)吸收的有功功率是隨負(fù)載增加而增大的。因此，電

19、機(jī)在空載和輕載時(shí)功率因數(shù)很低，同時(shí)由于與負(fù)載電流成正比的可變損耗降低使電機(jī)的效率也大大下降。如能在負(fù)載減輕的同時(shí)，相應(yīng)降低電機(jī)端電壓，則勵(lì)磁電流隨之減小，Q下降，從而提高了功率因數(shù)；同時(shí)，定子鐵損耗下降，可較大地提高效率，達(dá)到節(jié)電的目的。1.3.2節(jié)能運(yùn)行在軟啟動(dòng)器上的實(shí)現(xiàn)為獲得最佳的節(jié)能效果，人們提出很多電機(jī)端電壓優(yōu)化調(diào)節(jié)原則，如恒功率因數(shù)控制、最小定子電流控制、最小功率因數(shù)角控制和最小定子輸入功率控制等，但最為重要的因素應(yīng)是功率因數(shù)角定義的工程實(shí)用性。異步電機(jī)通?？傇谌珘合逻\(yùn)行，電機(jī)從空載到滿(mǎn)載，磁場(chǎng)幾乎不變。因此磁化電流在所有負(fù)載下基本相同。當(dāng)電機(jī)工作在空載或輕載時(shí)功率因數(shù)很低，造成電機(jī)

20、效率低。如在輕載時(shí)適當(dāng)降低端電壓，則定子電流中的無(wú)功分量將減小，從而使功率因數(shù)上升。由此可見(jiàn)，功率因數(shù)既能反映電機(jī)負(fù)載的變化，又能反映供電電壓波動(dòng)，是一個(gè)理想的控制參數(shù)。因此，恒功率因數(shù)控制成為目前在異步電機(jī)節(jié)能運(yùn)行技術(shù)中采用最多的控制策略。其原理如圖 電壓自動(dòng)調(diào)節(jié) (1-2)所示。圖(1-2)電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)利用軟啟動(dòng)器實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行，就是單片機(jī)通過(guò)不斷檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)角（cos），并與設(shè)定的功率因數(shù)角比較，根據(jù)比較結(jié)果自動(dòng)地調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)器可控硅的導(dǎo)通角，cos數(shù)值低表明是輕載，要降低電動(dòng)機(jī)的端電壓；cos數(shù)值高表明是重載，則需升高電機(jī)的電壓。如此一來(lái)，實(shí)現(xiàn)了可控硅輸出電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使電動(dòng)

21、機(jī)始終工作在設(shè)定的功率因數(shù)下，減少了電機(jī)輕載運(yùn)行時(shí)的損耗，提高了電機(jī)運(yùn)行效率，從而達(dá)到節(jié)能的目的。第二章 節(jié)能運(yùn)行的工作原理2.1功率因數(shù)的測(cè)量與計(jì)算節(jié)能運(yùn)行是在異步電機(jī)軟啟動(dòng)器的基礎(chǔ)上擴(kuò)展的功能，采用恒功率因數(shù)控制原理，建立了閉環(huán)控制回路。通過(guò)擴(kuò)展界面，軟啟動(dòng)器可以在平穩(wěn)啟動(dòng)后按鍵選擇進(jìn)入節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)。借助功率因數(shù)測(cè)量電路和軟啟動(dòng)器的晶閘管調(diào)壓電路組成的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，根據(jù)負(fù)載變化，單片機(jī)就可以相應(yīng)地調(diào)整電機(jī)輸出電壓，使電機(jī)始終工作在預(yù)先設(shè)定的功率因數(shù)下，從而達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。2.1.1信號(hào)的過(guò)零檢測(cè)電機(jī)的功率因數(shù)與功率因數(shù)角呈簡(jiǎn)單的余弦關(guān)系，而功率因數(shù)角可以通過(guò)測(cè)量電壓電流之間的相位差獲得

22、。由于異步電機(jī)是個(gè)感性負(fù)載，軸上電流滯后于電壓，電壓過(guò)零后尚需一個(gè)延遲角電流才過(guò)零，因此其夾角即為功率因數(shù)角。電路使用同步變壓器，將電機(jī)端電壓降為同頻的低電壓信號(hào)U1；使用電流互感器將流過(guò)可控硅的電流取出，并通過(guò)電阻轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的同頻同相位電壓信號(hào)U2。為使軟硬件得以簡(jiǎn)化，在功率因數(shù)角的測(cè)量中對(duì)兩路信號(hào)采用過(guò)零檢測(cè)，通過(guò)電壓比較器LM393，將信號(hào)與微電平相比較，從而獲得同頻同相位的矩形波U1和U2。以電壓的上升沿作為觸發(fā)脈沖的同基準(zhǔn)信號(hào)。2.1.2功率因數(shù)的計(jì)算將比較器輸出的兩路矩形波信號(hào)U1和U2經(jīng)與門(mén)74LS08相與，輸出波形再同U1一起送異或門(mén)74LS86，其輸出波形即顯示了相位差角的大

23、?。▓D2-1）。然后將信號(hào)輸入89C51單片機(jī)的INT0口。先通過(guò)軟件對(duì)寄存器IE賦值，使INT0口關(guān)中斷。這是因?yàn)椋〞r(shí)器/計(jì)數(shù)器0檢測(cè)89C51的INT0口，通過(guò)定時(shí)器工作方式寄存器TMOD來(lái)控制定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0的工作方式和操作模式，通過(guò)定時(shí)器控制寄存器TCON來(lái)控制它們的工作狀態(tài)。由于程序需要當(dāng)INT0腳由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0開(kāi)始計(jì)時(shí)，為了消除外部干擾，須先將INT0口關(guān)中斷。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0選擇工作方式一，將定時(shí)器工作方式寄存器TMOD中GATE位置位，C/T位清零；將定時(shí)器控制寄存器TCON中TR0位置位；并將中斷允許寄存器IE中EX0位清零。這樣，由于電壓信號(hào)和電流

24、信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)異或門(mén)，當(dāng)電壓首先過(guò)零而電流未過(guò)零時(shí)，INT0口就會(huì)由低電平跳變?yōu)楦唠娖剑〞r(shí)器0同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)；當(dāng)滯后的電流也過(guò)零時(shí)，INT0口又由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，定時(shí)器0停止計(jì)時(shí)。隨后，程序?qū)⒂?jì)時(shí)值送至指定單元。為提高檢測(cè)精度，又不使計(jì)數(shù)器溢出，程序連續(xù)紀(jì)錄4個(gè)矩形波的時(shí)間，算得平均值作為檢測(cè)值t。圖（2-1）比較器輸出波形由于異步電機(jī)是在工頻（50Hz）下工作，單片機(jī)的晶振頻率也可知，那么就可以求出電壓或電流一個(gè)變化周期所對(duì)應(yīng)的定時(shí)器的計(jì)數(shù)值T。由 可知，t由單片機(jī)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)時(shí)獲得。而cos可通過(guò)事先在單片機(jī)內(nèi)輸入與cos相對(duì)應(yīng)的數(shù)表，從而查詢(xún)?nèi)〉?。單片機(jī)算出cos的值后送七段數(shù)碼

25、管顯示，同時(shí)與設(shè)定的功率因數(shù)值相比較，開(kāi)始可控硅調(diào)節(jié)。2.2基于單片機(jī)的PID調(diào)節(jié)2.2.1PID調(diào)節(jié)的原理PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)方式。其實(shí)質(zhì)是根據(jù)輸入的偏差量，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果是其輸入的比例、積分、微分的函數(shù)，用于輸出控制。由于PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)容易調(diào)整，不必求出被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型變可以調(diào)節(jié)，因此模擬調(diào)節(jié)器和數(shù)字調(diào)節(jié)器大都采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律。5檢測(cè)到的功率因數(shù)經(jīng)與設(shè)定值進(jìn)行比較后得到偏差量；然后由PID算式算出可控硅的控制角，再換算成相應(yīng)的控制電壓，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器和運(yùn)算放大器后送到智能電機(jī)控制模塊。根據(jù)控制電壓0-10V的大小

26、，智能電機(jī)控制模塊可以相應(yīng)地使可控硅導(dǎo)通角在0-180之間調(diào)整，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)電壓，達(dá)到根據(jù)負(fù)載調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。在模擬系統(tǒng)中，PID算法的表達(dá)式為：（2-1）（2-1）其中，P(t)為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，e(t)為調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)，KP、TI、TD分別為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間。2.2.2運(yùn)算方式的選擇由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值來(lái)計(jì)算控制量，因此在機(jī)算機(jī)控制系統(tǒng)中，必須對(duì)式（2-2）進(jìn)行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，將積分項(xiàng)和微分項(xiàng)用求和及增量式表示。常用的PID算法中分為位置型和增量型兩種，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，宜根據(jù)被控對(duì)象的

27、實(shí)際情況加以選擇。鑒于電機(jī)運(yùn)行控制電路以晶閘管作為執(zhí)行部件，因此應(yīng)當(dāng)采取位置型PID算法，寫(xiě)出第k次采樣時(shí)PID的輸出表達(dá)式：（2-2）（2-2）其中，為積分系數(shù)；，為微分系數(shù)；T為系統(tǒng)采樣周期。在用8051匯編語(yǔ)言進(jìn)行PID程序設(shè)計(jì)時(shí)，有定點(diǎn)運(yùn)算和浮點(diǎn)運(yùn)算兩種計(jì)算方法，定點(diǎn)運(yùn)算速度較快，但精度低一些；浮點(diǎn)運(yùn)算精度高，但運(yùn)算速度較慢。在本系統(tǒng)中，電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化速度與單片機(jī)計(jì)算及工作速度相差甚遠(yuǎn)，所以采用浮點(diǎn)運(yùn)算就可以滿(mǎn)足要求。第三章系統(tǒng)構(gòu)成3.1硬件選擇與連接3.1.1單片機(jī)與功率因數(shù)檢測(cè)電路系統(tǒng)使用了8位的Intel 89C51單片機(jī)、電壓比較器LM393等。電機(jī)端電壓和線(xiàn)電流被同步變壓器和

28、電流互感器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后，通過(guò)比較器LM393獲得兩路矩形波。經(jīng)異或門(mén)后，與功率因數(shù)角對(duì)應(yīng)的矩形波即送89C51單片機(jī)的INT0口，由單片機(jī)通過(guò)定時(shí)器0記錄矩形波的時(shí)間，計(jì)算功率因數(shù)角。（附件一）3.1.2電機(jī)運(yùn)行控制電路根據(jù)檢測(cè)到的功率因數(shù)與設(shè)定值的偏差量， 89C51單片機(jī)通過(guò)PID算式給出一控制電壓，經(jīng)過(guò)8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832和運(yùn)算放大器送至智能電機(jī)控制模塊，DAC0832采取單極性輸出。智能電機(jī)控制模塊的控制電壓大小為0-10V，對(duì)應(yīng)可控硅導(dǎo)通角的0-180，各輸出端接異步電機(jī)的三相。（附件一）3.1.3數(shù)據(jù)輸入與顯示電路系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話(huà)界面配有4位LED共陰極數(shù)碼管顯示器和的矩

29、陣式鍵盤(pán)，上電或復(fù)位時(shí)啟動(dòng)并自檢。鍵盤(pán)上8個(gè)按鍵的功能與名稱(chēng)分別為電機(jī)啟動(dòng)（RUN）、停車(chē)(STOP)、設(shè)置(SET)、復(fù)位(RESET)、上調(diào)、下調(diào)、節(jié)能運(yùn)行(SAVE)以及確定(OK)，電機(jī)運(yùn)行各參數(shù)的設(shè)定與顯示均通過(guò)這個(gè)界面完成。為兼顧鍵盤(pán)和顯示，系統(tǒng)使用可編程并行擴(kuò)展I/O接口芯片8155與單片機(jī)進(jìn)行連接。8155的PA口提供字符的段選碼，PB口提供字符的位選碼及輸出鍵盤(pán)的列掃描線(xiàn)，PC0和PC1則提供鍵盤(pán)的行輸入。（附件二）LED數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描方式。在同一時(shí)刻只選通一個(gè)數(shù)碼管并送出相應(yīng)的字符段碼，而在下一個(gè)時(shí)刻再選通另一個(gè)顯示器送出相應(yīng)段碼，如此循環(huán)，使各位顯示出將要顯示的字符。

30、雖然這些字符是在不同時(shí)刻分別顯示，但由于人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象，只要每位顯示間隔足夠短，就可以給人同時(shí)顯示的感覺(jué)。3.2工作原理3.2.1鍵盤(pán)矩陣式鍵盤(pán)由行線(xiàn)和列線(xiàn)組成，按鍵位于行、列的交叉點(diǎn)上。行、列線(xiàn)分別接到按鍵開(kāi)關(guān)的兩端，行線(xiàn)通過(guò)上拉電阻接到+5V電源上。無(wú)鍵按下時(shí)行線(xiàn)處于高電平狀態(tài)，而當(dāng)有鍵按下時(shí)，行、列線(xiàn)將導(dǎo)通，行線(xiàn)電平狀態(tài)將由與此行線(xiàn)相連的列線(xiàn)電平?jīng)Q定。單片機(jī)對(duì)鍵盤(pán)的控制為程序控制掃描方式。通過(guò)程序，控制單片機(jī)在空閑時(shí)調(diào)用鍵盤(pán)掃描子程序，并反復(fù)掃描鍵盤(pán)，直到用戶(hù)從鍵盤(pán)上輸入命令或數(shù)據(jù)。鍵盤(pán)掃描子程序完成如下幾個(gè)功能：（1）判別有無(wú)鍵按下：PA口輸出全為0，讀PC口狀態(tài)。若PC0PC1全

31、為1，則說(shuō)明無(wú)鍵按下；若不全為1，則說(shuō)明有鍵按下；（2）消除按鍵抖動(dòng)：判斷有按鍵按下后，用軟件延時(shí)的方法延時(shí)10ms，再判斷鍵盤(pán)狀態(tài)，如果仍為有鍵按下?tīng)顟B(tài)，則認(rèn)為有一個(gè)確定的鍵按下，否則當(dāng)作按鍵抖動(dòng)處理；（3）求按鍵位置：根據(jù)前面介紹的掃描法進(jìn)行逐列置0掃描，最后確定按鍵的行、列值，并通過(guò)計(jì)算得到按鍵的鍵號(hào)。鍵盤(pán)用0-7賦予鍵號(hào)，掃描鍵盤(pán)時(shí)設(shè)置列計(jì)數(shù)器R4，行首鍵號(hào)送A，則閉合鍵號(hào)=行首鍵號(hào)+列號(hào)，即：鍵號(hào)=（A）+(R4)；（4）鍵閉合一次僅進(jìn)行一次按鍵的處理方法是等待按鍵釋放之后，再進(jìn)行按鍵功能的處理操作。3.2.2顯示4個(gè)數(shù)碼管各設(shè)一個(gè)顯示緩沖單元，要顯示的內(nèi)容首先送到顯示緩沖區(qū)各位數(shù)碼

32、管對(duì)應(yīng)的顯示緩沖單元。（本文中為50H53H，50H對(duì)應(yīng)最左邊數(shù)碼管，53H對(duì)應(yīng)最右邊數(shù)碼管。）各命令鍵的服務(wù)子程序入口地址連續(xù)存放在一起形成入口地址表，程序執(zhí)行時(shí)根據(jù)按下的命令鍵號(hào)，用查表指令找到對(duì)應(yīng)的入口地址，從而執(zhí)行相應(yīng)的命令功能。第四章 控制與運(yùn)行方式4.1運(yùn)行方式及參數(shù)設(shè)置4.1.1可選方式與參數(shù)本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了4種啟動(dòng)方式及2種停車(chē)方式，可由智能電機(jī)控制模塊完成。分別為全壓?jiǎn)?dòng)、電壓斜坡啟動(dòng)、電壓階躍啟動(dòng)、限流啟動(dòng)；軟停車(chē)和自由停車(chē)。其在數(shù)碼管上的顯示代碼分別為0、1、2、3；4（將軟停車(chē)的停車(chē)時(shí)間設(shè)為0，即為自由停車(chē)，故不單列）。可進(jìn)行設(shè)定的運(yùn)行參數(shù)包括額定電壓、額定電流、啟動(dòng)時(shí)間

33、、停車(chē)時(shí)間、額定功率因數(shù)等，參數(shù)種類(lèi)根據(jù)啟動(dòng)方式的不同而在顯示上略有區(qū)別。4.1.2操作流程（1）單片機(jī)上電或復(fù)位后，鍵盤(pán)和數(shù)碼管顯示啟動(dòng)，系統(tǒng)自檢。一切正常時(shí)，數(shù)碼管顯示“good”，方可開(kāi)始其他操作；（2）按設(shè)置(SET)鍵數(shù)次，選擇需要設(shè)定的啟動(dòng)、停車(chē)方式和運(yùn)行參數(shù)。各種運(yùn)行方式下的參數(shù)將在數(shù)碼管上循環(huán)顯示，并采用方式代碼與參數(shù)相結(jié)合的形式。如顯示“1U”時(shí)，“1”代表電機(jī)采用電壓斜坡啟動(dòng)，“U”代表待調(diào)參數(shù)為初始啟動(dòng)電壓；（3）各運(yùn)行參數(shù)在數(shù)碼管上顯示時(shí)即被選中，再按上調(diào)或下調(diào)鍵則調(diào)整參數(shù)數(shù)值，數(shù)碼管同步顯示；（4）參數(shù)調(diào)整完畢后，按確認(rèn)(OK)鍵，存儲(chǔ)運(yùn)行參數(shù)。此后如不作修改，則始終

34、按當(dāng)前參數(shù)運(yùn)行，關(guān)機(jī)與掉電情況下也不會(huì)丟失。需要重新設(shè)定時(shí)，須按復(fù)位(RESET)鍵將各參數(shù)清零，再重復(fù)上述操作；（5）運(yùn)行參數(shù)儲(chǔ)存后，按啟動(dòng)（RUN）鍵，電機(jī)則根據(jù)設(shè)定的方式與參數(shù)開(kāi)始軟啟動(dòng)； （6）電機(jī)完成軟啟動(dòng)過(guò)程，進(jìn)入平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)后，按下節(jié)能運(yùn)行(SAVE)鍵，即進(jìn)入節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)碼管此時(shí)能動(dòng)態(tài)顯示電機(jī)的實(shí)際功率因數(shù)，單片機(jī)則進(jìn)入恒功率因數(shù)控制；（7）電機(jī)進(jìn)入平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)后，按停車(chē)(STOP)鍵，則根據(jù)設(shè)定的方式與參數(shù)停車(chē)。軟停車(chē)的停車(chē)時(shí)間設(shè)為0時(shí)，電機(jī)即為自由停車(chē)。4.2程序設(shè)計(jì)4.2.1主程序流程圖初始化程序給有關(guān)單元賦初值，處理軟啟動(dòng)時(shí)間的設(shè)定，確定標(biāo)準(zhǔn)功率因數(shù)角的數(shù)值。數(shù)據(jù)處理程序采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，與設(shè)定值比較并進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，控制可控硅的導(dǎo)通角，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)壓，對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，使其運(yùn)行于高效率狀態(tài)。為了避免系統(tǒng)的頻繁調(diào)節(jié),在程序中設(shè)定,只要誤差小于一定的常數(shù)值就不再調(diào)節(jié)見(jiàn)圖(4-1)。圖（4-1）