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基于单片机的变频调速电机设计思路研究 摘 要：单片机也称为微控制器， 它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。文章研发出了基于单片机上的变频调速电机，对此系统进行了详细叙述。 下载 关键词：单片机；变频调速电机 中图分类号：TN380.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）8-0096-02 1 本系统的基本简介 1.1 单片机的简介 单片机也称为微控制器，它常用英文缩写MCU来表示。单片机不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上，最早设计者是想把CPU和其他外围设备集成在一个芯片里达到计算机系统更小、更容易集成的目的，INTEL的Z90是最早设计出来的单片机。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。 单片机的历史：第一代，20世纪70年代后期，4位逻辑控制器件发展到8位。使用NMOS工艺（速度低，功耗大、集成度低）。代表产品：MC6800、Intel8048。第二代，20世纪80年代初，采用CMOS工艺，并逐渐被高速低功耗的HMOS工艺代替。代表产品：MC146805、Intel 8051。第三代，近10年来，MCU的发展出现了许多新特点：在技术上，由可扩展总线型向纯单片型发展，即只能工作在单片方式。MCU 的扩展方式从并行总线型发展出各种串行总线。将多个 CPU集成到一个MCU 中。在降低功耗，提高可靠性方面，MCU工作电压已降至3.3 V。第四代，FLASH的使用使MCU技术进入了第四代。 本次实验我们使用的是Microchip公司的PIC微控制器。PIC微控制器（PIC microcontroller），是一种使用哈佛结构的精简指令集微控制器，由Microchip公司研发而成。 PIC微控制器的架构是很明显的最低限度，它有以下特点： 分离式的程式码和资料空间（哈佛结构）。 少量的固定长度指令。 指令是单周期执行（4时钟周期），仅流程转移指令（call， goto， return，成立时的条件跳跃）需两个指令周期。 所有RAM位置均可当作作为算数或其他运算的源寄存器或目的寄存器使用 一个硬件堆栈用于存放副程式呼叫的返回地址。 较小的资料寻址空间，但使用多个bank的方式（每个bank通常为128字节），来存取较大的RAM。 暂存器、周边输入输出埠等均映射在资料空间中。 程序计数器也是映射到资料空间和写入（这是用来执行间接跳跃）。 我们此次选择的是PIC18（8-bit里的高阶）系列（16-bit 指令码） PIC18：PIC18C，PIC18Fxxx，少数早期的PIC18Fxxxx PIC18 Extended：目前绝大多数的PIC18 Fxxxx，PIC18 F- xxJxx，PIC18FxxKxx 1.2 变频调速电机的简介 变频调速电机简称变频电机，是变频器驱动的电动机的统称。实际上为变频器设计的电机为变频专用电机，电机可以在变频器的驱动下实现不同的转速与扭矩，以适应负载的需求变化。变频电动机由传统的鼠笼式电动机发展而来，把传统的电机风机改为独立出来的风机，并且提高了电机绕组的绝缘性能。在要求不高的场合如小功率和频率在额定工作频率工作情况下，可以用普通鼠笼电动机代替。 1.2.1 变频调速电机的技术特点 效率高：达到欧洲CEMEP-EU效率等级电机标准二级值，符合中华人民共和国国家标准GB 18613-2002中小型三相异步电动机能效限定值。 双频宽电压：电压范围220690 V，适用50 Hz和60 Hz电源。 噪声低：通过优化电磁设计、通风状况、结构尺寸等技术，M2JA系列电动机的噪声较低。 轴承负载能力高：电动机选用深沟球轴承，寿命长，80132中心高电动机为永久型润滑，160355设有加油装置。 可靠性好：电动机为全封闭风冷结构，防护等级IP55，材料及工艺符合环境要求。电动机机械强度高，坚固耐用，防锈防腐性强。绕组可靠性好，采用F级绝缘结构，B级考核。并可根据用户需要增加PTC热敏电阻或热敏开关。 1.2.2 技术特点 效率高：达到欧洲CEMEP-EU效率等级电机标准二级值，符合中华人民共和国国家标准GB 18613-2002中小型三相异步电动机能效限定值。 双频宽电压：电压范围220690 V，适用50 Hz和60 Hz电源。 噪声低：通过优化电磁设计、通风状况、结构尺寸等技术，M2JA系列电动机的噪声较低。 轴承负载能力高：电动机选用深沟球轴承，寿命长，80132中心高电动机为永久型润滑，160355设有加油装置。 可靠性好：电动机为全封闭风冷结构，防护等级IP55，材料及工艺符合环境要求。电动机机械强度高，坚固耐用，防锈防腐性强。绕组可靠性好，采用F级绝缘结构，B级考核。并可根据用户需要增加PTC热敏电阻或热敏开关。 1.2.3 结构设计 在结构设计时，主要也是考虑非正弦电源特性对变频电机的绝缘结构、振动、噪声冷却方式等方面的影响，一般注意以下问题： 绝缘等级，一般为F级或更高，加强对地绝缘和线匝绝缘强度，特别要考虑绝缘耐冲击电压的能力。 对电机的振动、噪声问题，要充分考虑电动机构件及整体的刚性，尽力提高其固有频率，以避开与各次力波产生共振现象。 冷却方式：一般采用强迫通风冷却，即主电机散热风扇采用独立的电机驱动。 防止轴电流措施，对容量超过160 kW电动机应采用轴承绝缘措施。主要是易产生磁路不对称，也会产生轴电流，当其他高频分量所产生的电流结合一起作用时，轴电流将大为增加，从而导致轴承损坏，所以一般要采取绝缘措施。 对恒功率变频电动机，当转速超过3 000转/min时，应采用耐高温的特殊润滑脂，以补偿轴承的温度升高。 1.2.4 变频电动机的优点 变频电动机在电气控制上比较简单，运行故障率低，可靠性高，机械损耗小并且节能。 2 设计思路 2.1 本实验的总体设计机构 我们的变频系统是根据电路的AC/DC/AC电压的变换方式达到变换速度的目的的。我们还运用了IGBT的逆变结构，其中IGBT部分是要求采用大功率、高性能的。我们还采用了HCPL4504的光电阻，信号被光电阻隔绝后经由IR2233放大来启动IGBT。整个电路我们由我们的PIC18系列单片机来控制，单片机通过电流互感器、电压互感器等检测电路状态，并且和自己期望的值进行比对，实验者根据单片机反应的值来调节驱动信号来达到控制频率进而实现电动机变速的目的，如图1所示。 实验的特点有：可以变动的频率范围比较广，这样今儿变化的速度可控范围也比较广了，一般变频的范围在15 Hz之间。采用V/F模式时，可以有多条V/F控制曲线，是的控制的性能提高了。PIC18系列的单片机有PWM检错功能，当发生错误时能使得保护单片机的各个部分，进而保护PWM的电源，又IR2233有专属的紧急停止功能，使得该实验的安全系数变高了，有利于保护实验所用的单片机。 2.2 该系统的硬件设计思路 本实验是基于PIC18系列的单片机的，其性能的提高主要依靠PIC18系列单片机、高速光耦HCPL4504以及IR2233组成，此外还具有信号检测和实时闹钟等功能。该系统主要部件和功能说明： 在电机控制器和功率转换应用中，PICl8系列单片机有插入可编程死区时间的14位功率控制PWM模块（PCPWM），简化了PWM输出的过程，除了能使用方便的PWM模块。PICl8系列单片机还具有更适合电机控制用的运动反馈模块。运动反馈模块的引入减少了测量控制反馈量所需要的外围电路，精简了电路设计，增加了系统的可靠性。此外，还有高速的10位A/D转换器。在很多情况下，这些功能使得PICl8系列单片机在诸如电能转换、电机控制的应用场合使用时，可以减少相对应的成本开支。 本系统中的IR2233是专为高压、高速功率MOSFET和IGBT门极驱动而设计的功率驱动器件，是输出高压栅极智能驱动模块。该驱动芯片内部集成了3个独立的相对高边和低边输出通道可分别用于三相应用。其逻辑输入与5V-CMOS或LSTTI输出电平兼容。 经过光电隔离的PWM信号直接输入到IR2233中，并由它来驱动高电压、高速度的功率元件。在电路中，HCPL4504是高速光耦。由于六路隔离电路完全一样，所以在此仅显示了一路隔离电路。该光耦是光电隔离接口芯片，与TTL兼容，因此可以直接驱动。其内部集成高灵敏度光传感器，极短的寄生延时为IPM应用中的高速开关的死区时问确保了安全。 3 结 语 本系统运用了性能比较好的PICl8系列单片机及其专用的芯片，使得该变频调速系统设计结构紧密、稳定可靠性高、灵活度高以及制作成本也有很大的减少。 鉴于篇幅有限，否则我们还可以设计软件模拟和测试实验结果使得我们可以大大的节约测试的时间，并且可以通过软件升级进一步优化性能并且实现多重控制的方式。并且我们可以利用单片机丰富的其他接口去扩展我们人性化的控制模式，甚至我们可以把网络接入单片机实