基于单片机控制的起重机调压调速控制器的设计文档格式.docx
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第一章绪论
随着电力电子技术及交流变频调速技术发展与成熟,起重机领域高性能的变频调速与定子调压调速逐渐取代了传统的直流调速和交流串电阻调速。
变频调速具有调速范围宽、平滑度高、功率反馈大等优点,但变频调速的电磁干扰会降低起重机整体的可靠性,变频调速系统电子元器件多,控制信号是弱电信号,容易受到外界干扰,引起变频器及控制系统误动作,危及设备和人身安全,必须配备专用的变频电源,设备价格昂贵。
当恒转矩调速时,电机在低速段的过载次数大大减少,甚至不能驱动负载。
变压调速系统的机械特性很硬,调速范围大,速度稳定精度高,定位方便。
当采用闭环控制时,既能保证高低速时机械特性的硬度,又能保证过载能力。
相比变频调速,定子调压调速成本低、维护简单。
因此,本文针对起重机定子调压调速特点及优势,采用STC单片机设计出适用性强、低成本,高稳定性的起重机定子调压调速控制系统。
1.1起重机调压调速控制系统概念
1.1.1直流电机调速基本原理
直流电机调速是通过改变输出方波的占空比,将负载上的平均电流功率从0-100%改变,从而改变负载、亮度/电机转速。
采用脉宽调制(PWM)实现调光调速。
它的优点是电源的能量和功率,电路的充分利用和高效率。
例如,当输出为50%方波时,脉宽调制(PWM)电路的输出功率为50%,即几乎所有的能量都转换为负载。
采用常用电阻降压调速时,为了获得最大功率50%的电源,电源必须提供大于71%的输出功率,其中21%消耗在电阻压降和热耗上。
大部分能量消耗在电阻上,剩余能量为输出,转换效率很低。
另外,HW-A-1020调速在切换方式下几乎没有热耗,低速时HW-A-1020调速转矩很大。
由于调速装置具有自动跟踪脉宽调制(PWM),采用脉宽调制(PWM)方式,使负载在工作时能获得几乎满的电源电压,有利于克服电机固有的线圈电阻,产生更大的转矩率。
1.1.2交流电机调速基本工作原理
根据电机学的基本公式,在n=60f/p型中,电机的极数p固定在绕组中,通过改变电源的频率f可以改变电机的同步速度。
异步电动机的实际转速始终低于同步转速,并随同步转速的变化而变化。
随着供电频率的增加,同步转速n0增大,实际转速增大。
电源频率降低,同步转速n0降低,电机转速降低。
这种通过改变电源频率实现的调速过程称为变频调速。
交流电机发展到现在,主要有一下几种。
1.变极调速
这种调速方式只使用于专]生产的多级多速异步电动机。
通过绕组的不同组合连接方式,可以获得二、三、四极3种速度,这种调速方式的变速是分级的,只适用于某些特殊的应用场合,只能达到大范围粗调的目的。
本课程第三章的学习单元八所介绍的正是双速电动机的变速控制,其它类似多级多速电动机的调速控制线路与之类似
2.转子串电阻调速
这种调速只适用于绕线转子异步电动机。
它通过改变串联在转子电路上的电阻值来改变电机的转差率,从而达到调速的目的。
由于外串电阻阻值可分多个阶段变化,可实现各种速度的调速(原则上也可实现无级调速)。
但是,由于串联电阻消耗功率,效率低,且这种调速方式的机械特性相对较软,因此仅适用于调速性能要求较低的场合。
3.串级调速
串级调速是指绕线电机转子回路串联有可调附加电位,以改变电机的转差率,从而达到调速的目的。
该方法简单方便,但调速层次分明,不平稳,调速效率高,功率因数低,电制动不理想。
综上所述,传统的起重机调速方式存在以下问题:
①调速系统综合性能指标差,效率低;
②绕线转子异步电动机有集电环和电刷,需要定期检修,集电环和BR引起的故障。
USHE更为常见;
③大量使用继电器和接触器,导致大量的现场维护和调速系统的故障率高。
4.调压调速
晶闸管反向并联,形成交流调速电路。
通过调节晶闸管的触发角,改变异步电动机的端电压来调节转速。
该方法还改变了转差率S,并在转子子回路中消耗转差率功率,效率较低,较适用于特殊转子电动机(例如深槽电动机等高转差率电动机)中。
通常,这种调速方法应构成转速或电压闭环,才能实际应用。
5.定子调压调速
电机扭矩与定子电压的平方成正比。
改变定子电压可以改变电机转矩,实现转速控制。
其优点是采用闭环控制时,方法简单,调速平稳,精度理想,缺点是调速范围窄,电机转子损耗大。
6.电磁调速异步电动机
该系统通过异步电动机与负载之间的电磁耦合传递机械功率,调节电磁耦合的励磁,调节转差率S,达到调速的目的。
该调速系统结构简单,价格低廉,适用于简单的调节系统。
但它的转差功率消耗在耦合器上,效率低。
7.变频调速
通过改变电源频率,异步电动机可以获得不同的同步速度。
采用变频器为异步电动机供电的调速方法很少使用。
目前,由半导体器件构成的静止变频器电源得到了广泛的应用。
目前,这种调速方法已成为交流调速发展的主流。
1.2起重机调压调速控制系统的发展与趋势
1.2.1起重机发展第一阶段
电动机的发明已有180多年的历史。
到19世纪末,交流电机和直流电机的基本类型及其基本理论和设计方法已经基本确立。
从电机的诞生到工业上的初步应用,人们对电机调速有着很大的要求。
早期直流电机由于具有良好的起动和制动性能,适用于大范围的平稳调速,广泛应用于需要调速或快进快退的电力传动领域。
恒速传动系统占电力传动的80%以上,采用交流电动机。
在一段时间内,这种分工已成为一种普遍认可的模式。
电动调速有很多种方法。
直流传动采用发电机-电动机系统,从控制电阻分级控制到交流磁放大控制,再到晶闸管SRC励磁控制,再到主电路晶闸管整流供电系统。
随着电子技术的飞速发展、集成模块的出现以及计算机和微处理器的应用,控制已经从离散模拟控制发展到数字控制。
1.2.2起重机发展第二阶段
虽然交流调速系统的许多方案已经出版并在实践中得到了应用,但其性能仍不能与直流调速系统相媲美。
直到20世纪60年代和70年代,随着电力电子技术的发展,采用电力电子变换器的交流传动系统得以实现,特别是大规模集成电路和计算机控制的出现。
因此,高性能的交流调速系统应运而生,最终打破了以调速性能为依据的交直流传动的分工。
从交流驱动来讲,常规的是采用绕线式电动机转子串电阻调速,为了满足重量降低时的低速,一般采用能耗制动和反向制动。
随后,也采用了涡流制动,还有靠转子反馈控制制动、反接制动、单相制动器抱闸松劲的所谓软制动,随着电子技术的发展,国内外开发研制变频调速,PLC可编程序控制器的应用控制系统的性能更加完美。
目前国内外几种常用调速系统配置及其性能DC-300直流驱动调速系统,GE公司DC-300,DC-2000是微处理器数字量控制的直流驱动调速系统,其控制功率从300HP到4000HP,并采用PLC对整机驱动系统实施故障诊断、检测、报警及控制。
该驱动系统实施主回路SRC整流,其控制是给定模拟量通过数模转换成数字量,通过速度环、电流环到SCR移现触发的逻辑无环流的调速系统。
可用测速反馈或电压反馈,对磁场弱磁,以实施恒功率控制。
交流调速控制系统,对于起重机械来讲,交流驱动仍是国内普遍采用的方案而且多数停留在绕线式电机转子串电阻来调速。
随着电力电子技术的发展,早在20世纪60年代末,国外就开始致力于晶闸管定子调压调速技术的开发和研究。
目前,该技术已进入成熟、稳定的开发应用阶段。
日本安川电机制作所于1972年就正式定为VS系列,应用于起重机及轧机辅助设备的交流调速。
法国、英国、德国等大电气公司亦在这方面展开了重点研制开发。
随着电力电子技术和微电子技术的发展,大规模集成电路由分立元件发展而来,从而实现控制部件的微型组件化、智能化、标准化、串行化,然后从模拟控制到数字控制。
将可编程控制器(PLC)引入交流电力传动系统,使传动系统的性能发生了质的变化。
在桥式起重机上实现了抓取、故障诊断、检测和显示的自动控制,达到了新的技术水平。
1.2.3起重机发展第三阶段
变频调速、变频调速技术是国际上70年代末、80年代主要电气公司致力于研究开发的技术,也是近年来国际国内开发应用的技术。
近年来,德国西门子、美国通用电气、日本三菱等公司引进了全数字矢量控制技术。
大功率IGBT模块的出现使变频技术成为起重机械和电梯势能负载控制的现实。
目前,变频调速的控制方法主要有恒压频率比控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。
这些控制方法已得到不同程度的应用,但其控制性能不同。
直流电动机之所以有良好的控制性能,其根本原因是当励磁电流恒定时,控制电枢电流的大小就能无时间滞后的控制瞬时转矩的大小。
异步电动机产生瞬时转矩的原理虽然与直流电动机相同,但由于建立气隙磁场的励磁分量和电磁转矩所对应装置电流有功分量都应包含在定子电流中,无法直接将它们分开,在运行过程中,这两个分量又会互相影响。
因此要控制异步电动机的瞬时转矩十分困难。
像采用恒压频比控制、转差频率控制的变频调速系统由于是从控制电动机的平均转矩的角度出发来控制电动机的转速,因而难以获得较理想的动态性能,异步电动机在高精度调速系统和伺服系统中的应用受到限制。
而矢量控制是从根本上解决了这个问题,交流调速系统的应用范围迅速扩大。
适用于一般鼠笼式电动机。
无速度传感器矢量控制变频调速技术的应用,使变频调速装置得以实现。
直流电动机与交流电动机相比,其缺点越来越明显。
例如,直流电机有电刷和换向器,因此必须经常检查和维修,换向火花使它的应用环境受到限制。
因此,交流调速控制系统日益成为当前电力拖动控制领域的主要发展方向,而在起重机领域,目前,直流起重机基本上被交流起重机所取代。
当前国内外生产电机调速设备的厂家,比较著名的如德国的西门子,瑞土的ABB,法国的施耐德,国内的美恒、久久等,开发的大部分的产品都是定子调压调速设备和变频调速设备,特别是比较节能的变频调速设备,得到各个厂家的大力宣传和推广,占领了相当一部分市场份额。
1.2.4发展趋势
起重机生产厂家,如芬兰的科尼,德国的德马格,美国的CM集团,国内的中联重科、三一重工等,在选用适当的调速设备的同时,在起重机的当前研发方向上,主要有以下特点:
①通用产品正朝着轻量化、标准化方向发展,如简化起重机结构、减轻起重机重量等。
②系列产品朝着模块化、组合化方向发展,如将功能基本相同的起重机零部件制成多用途、连接元件相同、互换性好的标准模块;
③由于工业的发展,特种产品正朝着规模化、自动化方向发展。
随着生产规模的不断扩大和生产效率的不断提高,对大型和高速起重机的需求日益增加,对起重机的自动化提出了更高的要求。
④产品安全正朝着多样化、智能化方向发展,机械技术与电子技术相结合,先进的计算机技术、微电子技术、电力电子技术、光缆技术、液压技术等相结合,模糊控制技术应用于机械领域。
驱动和控制系统,实现起重机的自动化、智能化和高安全性。
第二章设计方案
2.1总体方案设计
根据起重机的绕线电机采用星形联结,起重电机主电路以晶闸管作为开关器件组成三相交流调压调速主电路如图1所示。
该当电路工作时,任何一相必须与另一相连接形成电路,电流流过两个晶闸管。
因此,触发信号可以采用双脉冲或宽脉冲,相位差为120º
,两相之间的传导由线电压传导,而线电压的引线相电压为30º
,因此触发角α从0-150º
。
同一对向并联晶闸管的触发脉冲相位差为180,触发序列为VT1-VT6,相位差依次为60º
图2.1三相交流星型联结调压调速主电路图
起重机调压调速系统的控制部分由主控制模块、转速检测模块和晶闸管触发模块三个模块组成,模块的主控制芯片都采用STC单片机,系统的控制方案框图如图2所示。
主控制模块主要负责电动机的运行控制;
转速检测模块主要负责计算出当前电机的转速并将计算结果提供给主控制模块;
晶闸管触发模块则主要负责将主控制模块发送过来的控制信号转换为触发信号。
因此,各模块之间建立通信链路以便模块相互协调工作,从而保证整个起重机调压调速系统的正常运行。
图2.2系统的控制方案框图
2.2系统硬件设计
2.2.1转速检测模块设计
当电机运行不同速度时,其转子回路会产生不同频率的感应电动势,本文通过检测此感应电动势的频率间接得出电机的实际转速。
但由于谐波的影响,转子中的感应频率相当复杂,因此必须通过滤波电路将谐波去除,电机转速检测电路如图3所示。
图2.3电机转速检测电路图
转速检测模块主要集成了转子频率检测电路,将采集的转子频率信号经过限幅、隔离、滤波、放大后送入转速检测模块,此模块采用STC125C5A6052单片机,单片机将此信号经过处理后变换为当前电动机的转速值,然后将该数值提供给主控制模块。
2.2.2晶闸管触发模块设计
晶闸管触发模块控制芯片采用STC125C5A602S单片机,包括晶闸管驱动电路、电压检测电路、过零检测电路和晶闸管检测电路,晶闸管驱动电路主要用来使晶闸管的门极产生一定的电压信号,从而使晶闸管导通,电压检测电路则用来采集系统的电压信号,将其经过整流、滤波后送入单片机的A/D单元处理,用来监视系统是否出现欠压、过压的情况,过零检测电路则用来检测电压的过零点,为晶闸管的正确触发提供保障,晶闸管检测电路则用来检测晶闸管的好坏与否。
同时,晶闸管模块也负责一些其他系统保护量的检测,如过热保护、快熔断路保护等。
2.2.3电压检测电路
电压检测电路如图4所示,采用的是霍尔电压传感器将电机的大电压信号转换为小电压信号,然后通过全桥整流,将小电压交流信号变换为直流信号供给单片机的A/D模块检测。
图2.4电压检测电路图
2.2.4晶闸管检测电路
晶闸管检测电路如图5所示,采用6N137高速光藕芯片进行隔离。
当晶闸管被触发打开时,晶闸管两端的电压是晶闸管的电压降。
此电压太小,无法使光学莲藕中的发光二次管通电,所以光藕输出为高;
当晶闸管没有触发信号还没有被导通时,晶闸管两端电压为电源电压,这样光藕中的两个二极管分别在正负半周期内导通,从而使得光藕输出为低。
从而可以判断出,当晶闸管没有触发信号而输出为低时,则说明晶闸管短路;
当晶闸管有触发信号而电路输出为低时,说明晶闸管断路。
图2.5晶闸管检测电路图
2.2.5过零检测电路
对调压调速系统来说,要提高晶闸管触发的可靠性,必须要有一个触发的参考点,在此之上通过延时时间触发导通晶闸管,根据延时的时间不同,施加到电机的电压也就不同,这样就实现了调压的目的。
这个延时对应的触发角就是调压调速系统的触发角度,一般设为0º
电压过零检测电路如图6所示,采用高速光藕6N137进行隔离和电压比较器LM393产生方波信号。
图2.6电压过零检测电路图
2.2.6晶闸管驱动电路
为了使系统工作更可靠,晶闸管的触发信号必须有足够的功率,触发脉冲必须与主电路电源保持同步并具有一定的宽度,且前沿应陡,触发脉冲的移相范围应能满足主电路的要求。
晶闸管驱动电路如图7所示,该电路的主要功能就是给晶闸管的门极和阴极提供一个触发脉冲。
当IN端输入为低电平时,三极管Q401和光藕0401导通,从而使三极管Q402的发射结正偏、集电结反偏,三极管Q402也导通,从而在驱动电路的输出端输出驱动信号。
采用6个此驱动电路就可以分别控制晶闸管的导通角,实现电机的调压调速。
图2.7晶闸管驱动电路图
2.2.7主控制模块设计
主控制模块主要集成了指令给定电路和电流检测电路,其主要负责以下工作:
(1)负责系统中电流的检测,通过主控制模块中的A/D处理单元,将电流检测电路送进来的信号进行计算处理,得出系统的电流值,确保系统没有过电流,若电流超过设置警戒值,就进入保护程序;
(2)接收主令开关给定的各种控制信号,识别各档位的所代表的速度信息并进入处理;
(3)接收转速检测模块传送过来的电动机当前的速度信息,并将其与指令给定信息进入比较,并进入相应的P工处理程序;
(4)将P工处理值处理后变换为0-lOV的电压信号,将此电压信号通过数模转换模块送给晶闸管触发模块;
(5)综合系统的各种控制量,负责协调整个系统的正常工作。
主控模块的电路图如图8所示。
图2.8主控模块电路图
起重机工作时的电流是较大的交变电流,而单片机的A/D模块只能检测较小的直流信号,因此,必须用电流互感器将大的交流信号变换为较小的交流信号,为了便于检测,本系统采用的是均值检波电路。
图9为电流检测电路,交流电流经过桥式整流、变换、滤波、放大,将较小的交流信号变换为A/D模块能够检测的信号。
图2.9电流检测电路图
另外,主控模块指令给定由主令开关控制,包括上升/下降速度1(额定转速的25%)、上升/下降速度2(额定转速的50%)、上升/下降速度3(额定转速的75%)、上升/下降速度4(额定转速)和停止。
单片机的功口的数量过少,因此硬件设计上采用两片八位并行输入/串行输出移位寄存器74LS165进行扩展。
为了保存系统的重要参数,在硬件设计上增加了电可擦除芯片AT24C02,以便系统能在突然掉电的情况下保存重要的数据。
2.3通信系统设计
在通信系统的设计中,主控制模块与转速检测模块间的通信是通过两个单片机的串行通信口进行的。
主控制模块与晶闸管触发模块间的通信是通过串行数模转换器MAX539来实现的。
MAX539是一种采用5V单电源供电的低功耗电压输出型12位串行数模转换器具有接口简单、转换时间短、功耗低、体积小等优点。
MAX539采用自整定结构,其偏压、增益和线性度等参数在出厂前均已微调,因此,无需其它外接元件与外部调整。
如图10所示为主控制模块与晶闸管触发模块通信电路
图2.10主控模块与触发模块通讯电路图
2.4系统软件设计
调压调速系统的运行控制主程序由主控制模块中的单片机负责,当单片机通过I/O识别到由主令开关给定的具体档位时,主控制模块将速度给定
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