基于89C51单片机设计异步电机节能控制系统

杨莹

摘 要：对于现代电机在较小负荷运行过程中的效率较低，并且会导致资源浪费的问题，对电机节能的原理进行了全面的分析，在此背景下以89C51单片机提出了一种异步电机节能控制系统，使用单片机能够调节功率因数，以此实现电机节能的目的。文章所设计的异步电机节能控制系统在处于轻负载及负载变化频繁的电机具有良好的节能效果，并且具有较高的稳定性。

关键词：89C51单片机；异步电机；节能控制系统

中图分类号：TP368.1 文献标志码：A 文章編号：2095-2945（2017）29-0107-02

交流异步电机的结果较为简单，并且成本较低，操作较为简单，还具有较高的可靠性，被广泛应用到农业、工业、工矿企业中。但是电机在实际应用过程中，部分电机是在恒定输出功率中运行，系统的输出功率不能够随意变化，这和实际运行环境中的负载实时变化是相互矛盾的，其运行状态不满足环保及经济的需求，导致能源严重浪费，并且还会出现多余的电机损耗，研究并且设计电机节能控制系统是非常必要且迫切的。对于此，本文就对电机能源浪费的原因进行了分析，基于89C51单片机设计了异步电机节能控制系统，满足电机节能的需求。

1 电机能源的浪费因素及节能原理

交流电机的使用较为简单，并且价钱合理，具有较高的可靠性，被广泛应用到工业和农业中，但是有部分交流电机在使用过程中会由于多方面的因素导致电能浪费，从而提高了机器损耗，主要包括：其一，在使用过程中使用直接起动，不仅对动力系统及电网造成冲击，而且还超出常规大电流，导致电能出现损耗；其二，在电动机动能配置过程中片面的追求安全余量，导致电动机容量过大，从而使电动机在工作过程中的功率因数较低；其三，因为人员、管理及成本多种因素，导致电动机使用稳定因素运行，以此在处于轻载、空载过程中出现额外电能损失。要想能够降低能源的消耗，可以从以下方面进行：其一，选择能够在恒定功率运行，并且负载能够经常变化的电机；其二，实现电流和电压的同步协动，提高电机节能效果；其三，选择能够在所有三相交流电机中使用的电机；其四，具有较高的精确性及稳定性。在本文系统设计过程中，主要是通过对电动机工作过程中电压进行改变，从而使加在电机中的电压能够变化，负载较轻时候的电压较低，从而降低电动机有功/无功功率及损耗，以此有效提高空载及轻载时候的工作效率，实现节能的目的。在电机控制过程中，通过主控制器89C51单片机监测异步电机相电压和电流，得到功率因数角，经过双向晶阀管实现节能降压目的[1]。

2 系统的硬件设计

2.1 功率因数检测电路

功率因数检测电路设计的主要目的就是实现电机相电流及电压的过零点监测，在节能控制过程中，节能调压的关键就是实现功率因数的监测，通过对功率因数大小进行监测，以此对晶闸管导通角大小进行改变对压力进行调节。因为异步电机是一种感性负载，所以在电压过零之后需要延迟角电流才能够过零，这个延迟角就是功率因数角。对电压过零进行监测，其主要目的就是输入电压的同相位矩形波的转换，输入到单片机高速输入端，这个下降的矩形波就是根据触发脉冲信号，其也是单片机软件定时器信号。在电流过零监测之后，收集并且处理电流信号，之后将其转换为矩形波，将矩形波传送到单片机高速输入端中，单片机通过电压电流过零得到功率因数角，比如A相电压的采样，相电压实现稳压，对比地和比较器，如果为波形正半周，那么比较器的输出高电平就是1，如果处于负半周，那么输出比较器就是低电平0。如果输出信号较高，那么光耦就能够导通，进入到高速输入端。高电平为信号1，监测电压过零点。采样电流信号，通过比较器将电流过零点相位信息转换成为方波信号，将其输送到高速输入端。

2.2 控制板模块

控制板模块主要的任务就是实现信号检测板信号，通过计算将控制信号发送到触发电路中，以此控制最佳的功率因数，并且控制板还能够通过键盘修改控制器参数，将控制器运行情况充分显示出来。

2.3 信号检测板

信号检测板的主要目的就是实现传感器信号的收集和处理，以此得到标准电流及电压，之后将信号发送到控制板中。信号检测板是以绝对值电路为基础，添加滤波电容，将交流信号绝对值转变为平均值，将电容阻值进行计算，将平均值作为有效值。电压信号及电流信号通过微电平信号进行对比，得到电流及电压信号的正半周，通过RC滤波之后将信号或电路转变成为具有功率因数角的信号，去除单片机电压半周期，也就是功率因数角。

2.4 电路触发

电路触发的主要目的就是实现晶闸管导通，所以在设计电路触发过程中时序准确性具有重要的作用，其影响着节能控制系统在工作过程中的精准性及稳定性。脉冲触发电流及电压要比晶闸管门极触发电流电压大，以此使晶闸管能够稳定可靠的工作。并且要求其幅值及前沿的提高坡度对晶闸管导通时间有所影响，所以脉冲功率的放大环节主要目的就是使脉冲输出能够有效满足晶闸管门极触发需求，以此提高晶闸管导通过程中的可靠性。本文所设计的触发电路使用两个三极管构成，将通过高速输出口输出的脉冲进行放大[2]。

3 系统的软件设计

本文所设计的异步电机节能控制系统的软件设计使用C51编程语言，程序主要包括串行接口芯片驱动、监控显示及键盘显示、信号收集和控制构成。串行接口芯片的驱动主要是通过芯片时序图为基础，将单片机输入输出接口作为串行口的模拟，从而有效是吸纳串行芯片的读写操作。因为本文所设计系统的输入输出接口较多，不同芯片都要使用相互独立的输入输出接口。信号收集和控制将实时时钟作为基础，通过电压及电流信号对系统在工作过程中的安全性进行全面的监控。对比收集功率因数信号及最优的值，通过PI控制算法进行计算，适当的发出控制指令，实现电动机的调压，从而使本文所设计的系统处于高效率运行状态。

首先，在系统上电之后实现子程序的初始化调用，实现系统中各个功能模块的初始化及监测，并且处理模糊控制算法，将计算得出的模糊控制表到单片机存储器中存储，从而便于节能过程中的查表使用。在完成子程序初始化之后，系统就会进入到软启动过程中实现程序的设定，如果不对其进行设定，系统就会默认在某个时间内自动进入到软启动中，之后进入到主循环中，收集系统的电流及电压信号，将其传送到主控制器中，之后通过子程序对其进行处理，并且对系统进行故障监测。

4 系统实验及测试

在完成系统设计之后，就要对系统的功能进行详细的设计，从而判断系统在运行过程中的稳定性、安全性及正确性。本文设计系统的结果详见表1：

表1 系统功能的测试结果

在系统处于空载背景下，电压在影响功率因数的结果详见表2：

表2 系统空载的电压对功率因数影响

通过以上数据分析可以看出来，电压在不断降低过程中，对系统在空载背景下的功率因数影响越大，调节功率因数，能够有效实现功率的调节。在四小时之内，如果节能系统进行使用，那么会比不使用节能系统降低用电的度数，有效满足系统的设计需求。

5 结束语

本文所设计的异步电机节能控制系统主要是将相电压及电流过零信号作为取样的对象，基于89C51单片机，对功率因数角进行设计，使用基于模糊控制算法，利用双向晶闸管导通角的控制，实现降压节能的设计需求。本文所设计的系统还能够实现自动跟踪及电机负载监测的目的，对供电电压进行动态调节，使电机在运行过程中的电压为最优，尤其是在变负载和轻负载时候，具有良好的节能节电效果。系统还有其他功能，比如过流保护、断相保护等，通过实验表示，本文所设计的系统具有良好的节能效果，并且运行稳定且可靠，具有良好的使用背景。

参考文献：

[1]刘俊良.基于AT89C51单片机步进电机控制系统的设计[J].科研，2016（3）：33.

[2]刘芬，徐务农.基于单片机的异步电机节能控制系统设计[J].船电技术，2011，31（9）：17-19.

[3]段桃英.步进电机控制器的设计[J].科技创新与应用，2013（25）：25-26.endprint