基于M051的单相交流异步电机调速控制系统设计

南京化工职业技术学院 牛宗超

南京富士通有限公司 徐 森

基于M051的单相交流异步电机调速控制系统设计

南京化工职业技术学院 牛宗超

南京富士通有限公司 徐 森

设计了以M051单片机为核心的高效的单相交流异步电机调速控制系统，对电机的调速方法和控制电路进行了分析和设计。采用先进的过零调功的方式，以功率调节取代常用的电压调节，通过控制可控硅的通断比来调节电动机输出功率，进而达到调速目的。

M051；交流调速；可控硅

1.引言

目前交流电机调速技术的研究取得了极大的发展，变频器的成功研制，使交流电机调速技术迅速发展，其通过改变供电电源的频率来调节异步电动机的转速，该方式可获得较大调速范围和很好的调速平滑性，但成本高，控制系统复杂。另外，也可采用可控硅移相调压调速，但此类控制器的元器件数量较多，成本较高，功能扩展性较差，程序移植性较差。为克服上述缺点，我们研制了一种基于M051芯片的单相异步电机调速控制器。

图1 M051单片机结构示意框图

图2 电路原理图

2.系统方案设计原理

系统开发选用了芯唐公司的M051单片机，该控制器包括：核心模块、电源模块、预置模块、反馈模块、控制模块和显示模块。图1为其结构示意框图。

系统的工作原理是：整个调速系统是基于MO51单片机的PID算法控制的速度反馈稳定系统。电源模块提供M051芯片电源，MO51单片机利用其自带的高精度AD转换器，可以采集到系统中预置模块旋转电位器所设定的转速Vset和反馈模块测得的当前转速Vnow。运行在MO51上的PID软件算法通过计算设定速度Vset和当前速度Vnow的差值，得出控制信号给控制模块，控制可控硅导通的时间T，T越大电机的定子线圈上得到的电压越高，相应的转速越高；T越小电机的定子线圈上得到的电压越低，相应的转速越低。不断调整可控硅导通时间T使得电机的当前转速Vnow不断跟随设定Vset，直到Vnow和Vset之间的误差充分小被我们所接受，系统即达到稳定调速的目的。MO51单片机同时输出采集到的转速信号提供给显示模块。

图3 可控硅触发电路原理图

图4 电路图

3.硬件电路设计

硬件选用M051为主控芯片，硬件电路主要完成过零检测、控制门控电路及显示输出。

3.1 过零检测电路

设计中利用三极管Q1和二极管D1的导通特性实现过零电路。交流电源经电桥和R2加到三极管Q1和二极管D1上，在交流电源的正、负半周，三极管Q1导通和关断两种状态轮流出现，从而在三极管Q1的集电极得到周期一定的过零脉冲信号，该信号送至M051的ZCROSS引脚。其电路原理图如图2所示。

3.2 可控硅触发电路

电路中采用了过零双向可控硅型光耦MOC3023，它集光电隔离、过零检测、过零触发等功能于一身，简化了输出通道隔离-驱动电路的结构。可控硅触发电路原理图如图3所示

3.3 显示输出控制电路

输出模块主要是根据主控模块发出的信号控制各个继电器、可控硅的通断及数码显示系统，从而驱动被控电机，显示出当前的转速，实现主控模块的意图。其电路图如图4所示。

4.软件设计

系统采用双向可控硅过零触发方式，由单片机控制双向可控硅的通断控硅的通断，通过改变每个控制周期内可控硅导通和关断交流完整全波（或半波）信号的个数来调节负载功率，进而达到调速的目的。由于INT0信号反映工频电压过零时刻，因此只要在外中断0的中断服务程序中执行下述功能，就可以按照控制处理得到的控制量的要求，实现可控硅的过零控制。外中断0的中断服务程序具体实现的功能是：

（1）中断时，完成控制门的开启与关闭。

（2）利用中断服务次数，对控制量进行计数和判断。即每中断一次，对控制量进行减一计数，当控制量为零时关闭控制门，使可控硅过零触发脉冲不再通过，从而达到按控制量控制的效果。

通过编写C程序，最终实现了该调速方案。

本文对单相交流异步电机调速方法作了分析和研究，提出了以可控硅过零调功方式实现调速的控制方案，详细阐述了M051可控硅过零控制的硬件电路设计及软件实现方法，本文作者创新点在于使用成本低廉、资源丰富的M0系列单片机用过零调功方式实现了交流电机调速。在所采用的可控硅过零调功方式实现调速的方法中，简化了硬件设计，降低了成本，可应用于需要进行电机调速控制的不同场合。

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牛宗超（1980—），男，河南郑州人，硕士，南京化工职业技术学院教师，研究方向：电路设计。

徐森（1982—），男，河南南阳人，南京富士通计算机设备有限公司硬件工程师。