基于89C51單片機設計異步電機節能控制系統

楊瑩

摘 要：對于現代電機在較小負荷運行過程中的效率較低，并且會導致資源浪費的問題，對電機節能的原理進行了全面的分析，在此背景下以89C51單片機提出了一種異步電機節能控制系統，使用單片機能夠調節功率因數，以此實現電機節能的目的。文章所設計的異步電機節能控制系統在處于輕負載及負載變化頻繁的電機具有良好的節能效果，并且具有較高的穩定性。

關鍵詞：89C51單片機；異步電機；節能控制系統

中圖分類號：TP368.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）29-0107-02

交流異步電機的結果較為簡單，并且成本較低，操作較為簡單，還具有較高的可靠性，被廣泛應用到農業、工業、工礦企業中。但是電機在實際應用過程中，部分電機是在恒定輸出功率中運行，系統的輸出功率不能夠隨意變化，這和實際運行環境中的負載實時變化是相互矛盾的，其運行狀態不滿足環保及經濟的需求，導致能源嚴重浪費，并且還會出現多余的電機損耗，研究并且設計電機節能控制系統是非常必要且迫切的。對于此，本文就對電機能源浪費的原因進行了分析，基于89C51單片機設計了異步電機節能控制系統，滿足電機節能的需求。

1 電機能源的浪費因素及節能原理

交流電機的使用較為簡單，并且價錢合理，具有較高的可靠性，被廣泛應用到工業和農業中，但是有部分交流電機在使用過程中會由于多方面的因素導致電能浪費，從而提高了機器損耗，主要包括：其一，在使用過程中使用直接起動，不僅對動力系統及電網造成沖擊，而且還超出常規大電流，導致電能出現損耗；其二，在電動機動能配置過程中片面的追求安全余量，導致電動機容量過大，從而使電動機在工作過程中的功率因數較低；其三，因為人員、管理及成本多種因素，導致電動機使用穩定因素運行，以此在處于輕載、空載過程中出現額外電能損失。要想能夠降低能源的消耗，可以從以下方面進行：其一，選擇能夠在恒定功率運行，并且負載能夠經常變化的電機；其二，實現電流和電壓的同步協動，提高電機節能效果；其三，選擇能夠在所有三相交流電機中使用的電機；其四，具有較高的精確性及穩定性。在本文系統設計過程中，主要是通過對電動機工作過程中電壓進行改變，從而使加在電機中的電壓能夠變化，負載較輕時候的電壓較低，從而降低電動機有功/無功功率及損耗，以此有效提高空載及輕載時候的工作效率，實現節能的目的。在電機控制過程中，通過主控制器89C51單片機監測異步電機相電壓和電流，得到功率因數角，經過雙向晶閥管實現節能降壓目的[1]。

2 系統的硬件設計

2.1 功率因數檢測電路

功率因數檢測電路設計的主要目的就是實現電機相電流及電壓的過零點監測，在節能控制過程中，節能調壓的關鍵就是實現功率因數的監測，通過對功率因數大小進行監測，以此對晶閘管導通角大小進行改變對壓力進行調節。因為異步電機是一種感性負載，所以在電壓過零之后需要延遲角電流才能夠過零，這個延遲角就是功率因數角。對電壓過零進行監測，其主要目的就是輸入電壓的同相位矩形波的轉換，輸入到單片機高速輸入端，這個下降的矩形波就是根據觸發脈沖信號，其也是單片機軟件定時器信號。在電流過零監測之后，收集并且處理電流信號，之后將其轉換為矩形波，將矩形波傳送到單片機高速輸入端中，單片機通過電壓電流過零得到功率因數角，比如A相電壓的采樣，相電壓實現穩壓，對比地和比較器，如果為波形正半周，那么比較器的輸出高電平就是1，如果處于負半周，那么輸出比較器就是低電平0。如果輸出信號較高，那么光耦就能夠導通，進入到高速輸入端。高電平為信號1，監測電壓過零點。采樣電流信號，通過比較器將電流過零點相位信息轉換成為方波信號，將其輸送到高速輸入端。

2.2 控制板模塊

控制板模塊主要的任務就是實現信號檢測板信號，通過計算將控制信號發送到觸發電路中，以此控制最佳的功率因數，并且控制板還能夠通過鍵盤修改控制器參數，將控制器運行情況充分顯示出來。

2.3 信號檢測板

信號檢測板的主要目的就是實現傳感器信號的收集和處理，以此得到標準電流及電壓，之后將信號發送到控制板中。信號檢測板是以絕對值電路為基礎，添加濾波電容，將交流信號絕對值轉變為平均值，將電容阻值進行計算，將平均值作為有效值。電壓信號及電流信號通過微電平信號進行對比，得到電流及電壓信號的正半周，通過RC濾波之后將信號或電路轉變成為具有功率因數角的信號，去除單片機電壓半周期，也就是功率因數角。

2.4 電路觸發

電路觸發的主要目的就是實現晶閘管導通，所以在設計電路觸發過程中時序準確性具有重要的作用，其影響著節能控制系統在工作過程中的精準性及穩定性。脈沖觸發電流及電壓要比晶閘管門極觸發電流電壓大，以此使晶閘管能夠穩定可靠的工作。并且要求其幅值及前沿的提高坡度對晶閘管導通時間有所影響，所以脈沖功率的放大環節主要目的就是使脈沖輸出能夠有效滿足晶閘管門極觸發需求，以此提高晶閘管導通過程中的可靠性。本文所設計的觸發電路使用兩個三極管構成，將通過高速輸出口輸出的脈沖進行放大[2]。

3 系統的軟件設計

本文所設計的異步電機節能控制系統的軟件設計使用C51編程語言，程序主要包括串行接口芯片驅動、監控顯示及鍵盤顯示、信號收集和控制構成。串行接口芯片的驅動主要是通過芯片時序圖為基礎，將單片機輸入輸出接口作為串行口的模擬，從而有效是吸納串行芯片的讀寫操作。因為本文所設計系統的輸入輸出接口較多，不同芯片都要使用相互獨立的輸入輸出接口。信號收集和控制將實時時鐘作為基礎，通過電壓及電流信號對系統在工作過程中的安全性進行全面的監控。對比收集功率因數信號及最優的值，通過PI控制算法進行計算，適當的發出控制指令，實現電動機的調壓，從而使本文所設計的系統處于高效率運行狀態。

首先，在系統上電之后實現子程序的初始化調用，實現系統中各個功能模塊的初始化及監測，并且處理模糊控制算法，將計算得出的模糊控制表到單片機存儲器中存儲，從而便于節能過程中的查表使用。在完成子程序初始化之后，系統就會進入到軟啟動過程中實現程序的設定，如果不對其進行設定，系統就會默認在某個時間內自動進入到軟啟動中，之后進入到主循環中，收集系統的電流及電壓信號，將其傳送到主控制器中，之后通過子程序對其進行處理，并且對系統進行故障監測。

4 系統實驗及測試

在完成系統設計之后，就要對系統的功能進行詳細的設計，從而判斷系統在運行過程中的穩定性、安全性及正確性。本文設計系統的結果詳見表1：

表1 系統功能的測試結果

在系統處于空載背景下，電壓在影響功率因數的結果詳見表2：

表2 系統空載的電壓對功率因數影響

通過以上數據分析可以看出來，電壓在不斷降低過程中，對系統在空載背景下的功率因數影響越大，調節功率因數，能夠有效實現功率的調節。在四小時之內，如果節能系統進行使用，那么會比不使用節能系統降低用電的度數，有效滿足系統的設計需求。

5 結束語

本文所設計的異步電機節能控制系統主要是將相電壓及電流過零信號作為取樣的對象，基于89C51單片機，對功率因數角進行設計，使用基于模糊控制算法，利用雙向晶閘管導通角的控制，實現降壓節能的設計需求。本文所設計的系統還能夠實現自動跟蹤及電機負載監測的目的，對供電電壓進行動態調節，使電機在運行過程中的電壓為最優，尤其是在變負載和輕負載時候，具有良好的節能節電效果。系統還有其他功能，比如過流保護、斷相保護等，通過實驗表示，本文所設計的系統具有良好的節能效果，并且運行穩定且可靠，具有良好的使用背景。

參考文獻：

[1]劉俊良.基于AT89C51單片機步進電機控制系統的設計[J].科研，2016（3）：33.

[2]劉芬，徐務農.基于單片機的異步電機節能控制系統設計[J].船電技術，2011，31（9）：17-19.

[3]段桃英.步進電機控制器的設計[J].科技創新與應用，2013（25）：25-26.endprint