基于单片机的变频调速.doc

科技论文 题 目： 基于单片机的变频调速设计 院 (系)： 电子与信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 姓 名： 邓 龙 学 号： 103522051 基于单片机的变频调速系统设计 邓 龙 （湖北科技学院 电气工程及其自动化，湖北咸宁 437100） 摘要 ：本文介绍了一种利用专用集成电路SA4828 设计电机变频调速的方法。系统主要包括主电路与控制电路，主电路采用IPM智能功率模块作为电机的控制。控制电路由MCS-51系列的8051单片机最小系统和SA4828 三相SPWM 产生器及少量的扩展外围芯片构成，充分发挥其控制电路简单、控制方式灵活、输出波形优点多的特点，结合相应的软件，实现电机的调速要求。其中主要内容包括：SA4828的特性介绍及变频系统的主电路、驱动电路、保护电路、速度检测、调速系统及软件编程设计方法。所设计的系统实现了变频调速的全数字化控制，实时性好，可靠性高。关键词：单片机 SA4828 变频调速 SPWM 电动机 The Design of Motor VVVF System Based On MCUAbstract: This article describes a use of SA4828 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) design motor VVVF system. The system includes the main circuit and control circuit, main circuit used as the Intelligent Power Module IPM motor control. The control circuit is constituted by the MCS-51 series of 8051 systems、three-phase SPWM generator SA4828 and the expansion of a small number of peripheral chips. Give full play to its control circuit is simple, flexible control, the advantages of multi-output waveform characteristics, combined with appropriate software, to achieve the speed requirements of motor control. The system has all-digital VVVF control, real-time, and high reliability.Key words: MCU SA4828 VVVF SPWM Motor-Control对于可调速的电力拖动系统，工程上往往根据电动机电流形式分为直流调速系统和交流调速系统两类。它们最大的不同之处主要在于交流电力拖动免除了改变直流电机电流流向变化的机械向器整流子。 20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。许多传统的由直流电机调速系统拖动的工业设备改由交流变额调速系统拖动，从而提高了系统的可靠性，减少了系统的维护费用。随着变频调速应用的日益广泛，相关技术的日益成熟，人们不仅对变频调速系统的精度要求越来越高，而且对控制的功能要求越来越多，对系统的智能化要求越来越高，对系统的抗扰能力要求越来越高，以满足生产的需求并适应不同的工作环境。在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。交流变频调速的优异特性：调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好； 调速范围较大，精度高；起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显；变频器体积小，便于安装、调试、维修简便，易于实现过程自动化；在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。交流电动机因其结构简单，运行可靠，价格低廉，维修方便，故而应用面很广，几乎所有的调速传动都采用交流电动机。尽管从1930年开始，人们就致力于交流调速系统的研究，然而主要局限于利用开关设备来切换主回路达到控制电动机启动，制动和有级调速的目的。变极对调速，电抗或自藕降压启动以及绕线式异步电动机转子回路串电阻的有级调速都还处于开发的阶段。交流调速缓慢的主要原因是决定电动机转速调节主要因素的交流电源频率的改变和电动机的转距控制都是非常困难的，使交流调速的稳定性，可靠性，经济性以及效率均不能满足生产要求 。后来发展起来的调压，调频控制只控制了电动机的气隙磁通，而不能调节转距。本文主要内容是研究采用单片机89C51与SA4828芯片组成SPWM波发生电路，并结合智能功率模块IPM，通过软件编程控制电动机变频调速。1概述1.1 电动机调速系统的发展 功率半导体器件的不断进步，尤其是新型可关断器件，如BJT（双极型晶体管）、MOSFET（金属氧化硅场效应管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的实用化，使得开关高频化的PWM 技术成为可能。目前功率半导体器件正向高压、大功率、高频化、集成化和智能化方向发展。脉宽调制技术PWM （Pulse Width Modu- lation）就是利用功率半导体器件的高频开通和关断，把直流电压变成按一定宽度规律变化的电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效地控制和消除谐波。PWM技术可分为三大类：正弦PWM、优化PWM 及随机PWM。 随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，这使得全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。目前适于交流传动系统的微处理器有单片机、数字信号处理器（Digital Signal ProcessorDSP）、专用集成电路（Application Specific Integrated CircuitASIC）等。其中，高性能的计算机结构形式采用超高速缓冲储存器、多总线结构、流水线结构和多处理器结构等。核心控制算法的实时完成、功率器件驱动信号的产生以及系统的监控、保护功能都可以通过微处理器实现，为交流传动系统的控制提供很大的灵活性，且控制器的硬件电路标准化程度高， 成本低，使得微处理器组成全数字化控制系统达到了较高的性能价格比。1.2 交流调速系统在交流调速技术中，交流电动机的调速方法有三种：变极调速、改变转差率调速和变频调速。其中变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。 1.3 单片机控制的变频调速 微处理器（单片机）取代模拟电路作为电动机的控制器，具有如下特点：（1）使电路更简单。模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路更复杂，采用微处理器后，绝大多数控制逻辑可通过软件来实现。（2）可以实现较为复杂的控制。微处理器具有更强的逻辑功能，运算速度快，精度高，有大容量的存储单元。因此，有能力实现复杂的控制。（3）灵活性和适应性。微处理器的控制方式是有软件来实现的，如果需要修改控制规律，一般不必改变系统的硬件电路，只须修改程序即可，在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便。 （4）无零点漂移，控制精度高 数字控制不会出现模拟电路中经常遇见的零点漂移问题，无论被控量是大还是小，都可以保证足够的控制精度。（5）可以提供人机界面，多机连网工作。2 电机变频调速系统2.1 变频调速原理 （2.13）由上式可知，在电动机磁极对数不变的情况下，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。如果磁通太弱，即电机出现欠励磁，将会影响电机的输出转矩，由 （2.14）（式中 ：电磁转矩，：主磁通，：转子电流，:转子回路功率因素，：比例系数)，可知，电机磁通的减小，势必造成电机电磁转矩的减小。由于电动机设计时，电动机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电动机铁心出现饱和，从而导致电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电动机。因此，在改变电动机频率时，应对电动机的电压进行协调控制，以维持电动机磁通的恒定。2.2 单片机控制的变频调速系统2.2.1 系统框图图2.1 电动机变频调速系统框图外围设备（如串口、键盘、显示等）AT89C51SA4828电动机回 路检测电路A/D保护电路 2.2.2 硬件系统原理图图2.2 单片机与SA4828控制的变频系统原理图 该硬件系统主要包括主电路与控制电路两个部分，其中主电路包括交-直-交变频电路（本设计采用IPM集成模块）与电动机；控制电路包括89C51主控制模块、SA4825产生SPWM波模块、驱动模块以及外围设备模块（如键盘输入、液晶显示、A/D模数转换以及串口等）。以CPU为核心，配以键盘、显示、通讯等设备，完成对交流电动机的速度控制。这里选用了ATMEL公司的89C51单片机，它与Intel 51系列单片机完全兼容。其内部配置了8KB的Flash Memory ，无须扩展外部存贮器。同时这种8位单片机的总线结构与SA4828完全兼容，可以直接相连。给定转速nO可以用三种方式设定：键盘、电位器和上位机。用8位LED分别显示给定转速nO和实际转速n，一目了然。系统对电动机运行状态的数据监测、调速效果、动态响应的跟踪情况都可以传送到上位机，以表格或曲线的形式输出，以便于观察分析。3 系统模块设计3.1 IPM模块IPM（Intelligent Power Module），即智能功率模块，不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起。而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM自身不受损坏。IPM一般使用IGBT作为功率开关元件，内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。IPM以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源，是变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服驱动、变频家电的一种非常理想的电力电子器件。其内部结构如图3.1。图图3.1 IPM内部结构图 3.1.1 IPM驱动电路的设计 驱动电路是IPM主电路和控制电路之间的接口，良好的驱动电路设计对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。 1. IGBT的分立驱动电路的设计 IGBT的驱动设计问题亦即MOSFET的驱动设计问题。 2. IPM驱动电路设计 现以PM100DSA120为例进行介绍。PM100DSA120是一种D型的IPM，内部封装了两个IGBT，工作在1200V/100A以下，功率器件的开关频率最大为20kHz。由于IPM内置了驱动电路，与IGBT驱动电路设计相比，外围驱动电路的设计比较方便，只要能提供15V直流电压即可。 图3.2 IPM外部驱动电路图3.2所示的是一种典型的高可靠性IPM外部驱动电路方案。来自控制电路的PWM信号经R1限流再经高速光耦隔离并放大后接IPM内部驱动电路并控制开关管工作，FO信号也经过光耦隔离输出。其中每个开关管的控制电源端采用独立隔离的稳压。15V电源，且接1只10F的退耦电容器(图中未画出)以滤去共模噪声。Rl根据控制电路的输出电流选取如用MCU产生PWM，则R1的阻值可为330。R2根据IPM驱动电流选值，一方面应尽可能小以避免高阻抗IPM拾取噪声，另一方面又要足够可靠地控制IPM。可在2k6.8k内选取。C1为2端与地间的O.1F滤波电容器，PWM隔离光耦可选用HCPIA503型、HCPIA504型、PS204l型(NEC)等高速光耦，且在光耦输入端接1只O.1F的退耦电容器(图中未画出)。FO输出光耦可用低速光耦(如PC817)3.2 89C51主控制模块89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。 3.2.1 SA4828的引脚功能 图3.7 SA4828芯片图图3.6 SA4828管脚图它有14 个输入端、3 个控制端、9 个输出端、2 个电源端，其主要端子的功能和接法如下：（1）输入类引脚说明AD0AD7：地址或数据通道，其功能是将单片机输出指令或数据送入SA4828。 SET TRIP：通过该引脚，可以快速关断全部SPWM信号输出，当其有效时，TRIP端输出高电平，指示灯亮。RST ：为硬件复位引脚，低电平有效，复位后，寄存器的INH、CR、WTE和RST 各位为0。CLK：时钟输入端，SA4828 既可以单独外接时钟，也可以与单片机共用时钟；MUX：用于总线选择。当MUX高电平时，使用地址与数据共用的总线，这时，地址/数据引脚RS不用；当MUX低电平时，使用地址与数据分开的总线，这时，地址锁存引脚ALE接低电平，RS引脚要与一条地址线相连，来区分输入的字节是地址（低电平），还是数据（高电平），通常先地址后数据。CS ：片选引脚，与微机系统的输出端相连。WR 、RD、ALE：用于“RD/WR”模式，分别接受写、读、地址锁存指令。（2）输出类引脚说明：RPHB、YPHB、BPHB：这些引脚通过驱动电路控制逆变桥的R、Y、B 相的下臂开关管；RPHT、YPHT、BPHT：这些引脚通过驱动电路控制逆变桥的R、Y、B相的上臂开关管；它们都是标准的TTL输出，每一个输出都有12mA 的驱动能力，可直接驱动6个EXB840 快速型IGBT 专用驱动模块。TRIP：该引脚输出一个锁存状态，当SET TRIP 有效时，TRIP为低电平，表示输出已被封锁。它有12mA的驱动能力，可直接驱动一个LED 指示灯；ZPPR：该引脚输出调制波频率；WSS：该引脚输出采样波形。3.2.2 SA4828内部结构图3.8 SA4828内部结构图图3.10 片内ROM存储的波形SA4828内部结构图由图3.8所示。来自单片机的数据通过总线控制和译码进入初始化寄存器或控制器。他们对相控逻辑电路进行控制。外部时钟输入经分频器分成设定的频率，并生成三角形载波，三角载波与所选定的片内ROM中的调制波形进行比较，自动生成SPWM输出脉冲。通过脉冲删除电路，删去比较窄的脉冲（如图3.9所示），因为这样的脉冲不起任何作用，只会增加开关管的损耗。通过脉冲延迟电路生成死区，保证任何桥臂上的两个开关管不会在状态转换期间短路。看门狗定时器用来防止程序跑飞，当时间条件满足时快速封锁输出。片内ROM存有3种可供选择的波形，它们是纯正弦波形、增强型波形和高效型波形（如图3.10所示）。每种波形各有1536个采样值。增强型波形又称三次谐波，它可以使输出功率提高20%，三相谐波互相抵消，防止电动机发热。高效型波形又称带死区的三次谐波，它是进一步优化的三次谐波，可以减小逆变开关管的损耗，提高功率利用率。 寄存器列阵包含8个8位寄存器R0R5和R14、R15。其中R0R5用来暂存来自单片机的数据，这些可能是初始化数据或者控制数据；而R14、R15 是两个虚拟的寄存器，物理上不存在。当R14写操作时，实际是将R0R5中存放的48位数据送入初始化寄存器；而向R15写操作时，是将R0R5中存放的48位数据送入控制寄存器。3.3 驱动模块SA4828输出的6路控制信号是TTL电平的，它们不能直接驱动IPM中的6个IGBT。原因有两个：IGBT需要的开关信号幅值约为10V，TTL电平不能胜任；逆变桥中三个下桥臂是共地的，而三个上桥臂是悬浮的，SA4828输出的6路信号均是共地的，必须加以隔离。因此驱动电路的任务有两个：电平转换和隔离。1 电平转换IGBT一般用集成电路芯片来驱动，常用电路有富士公司的EXB840、841、850、851系列、三菱公司的M5796系列等。这里介绍一种东芝公司的产品TLP250，电路非常简单。图3.13 TLP250驱动电路TLP250采用8脚的DIP封装，引脚如图4。输入端光耦的隔离电压达到3000V，输入电流为510mA，可以驱动100A/600V的IGBT。它采用单电源供电，使用时须外接一个电阻和一个10V的稳压管，把25V的隔离电源变为+15V的导通电压和10V的关断电压。2 隔离电源为了驱动主电路逆变桥的三个上桥臂的IGBT，必须给每一路提供一个隔离的25V电源而三个下桥臂可以共用一个电源。此外，SA4828及单片机系统还需要+5V电源以及异步通讯所需的12V电源，一共需要7路电源，如图5所示。该电源可以采用线性电源，也可采用开关电源。前者体积大，笨重，但电路简单，各路电源完全独立，调试容易。后者则轻便、小巧，电路相对较复杂。采用单片开关电源芯片可大大简化电路。 3.4 A/D模数转换模块该模块主要是将对主电路进行的实时检测的模拟信号转换为数字信号，而后传送给单片机控制系统，实现系统的实时监测。常见的A/D转换器有计数式A/D转换器，双积分式A/D转换器，逐次逼近式A/D转换器，并行直接比较式A/D转换器，V/F式A/D转换器等。本系统需处理多路模拟信号，故采用ADC0809 A/D转换模块，它采用逐次逼近的方法完成A/D转换；其片内带有锁存功能的8 路模拟开关，可对8路05V的输入模拟电压信号进行转换, 完成一次转换约需100s。其输出具有TTL三态锁存缓冲器,可直接与单片机通信。 图3.15 AD0809内部结构 图3.16 AD0809管脚图ADC0809管脚说明ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3.16所示，各引脚功能如下： IN0IN7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： AD转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC： AD转换结束信号，输出，当AD转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当AD转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一5V。 GND：地。 ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 3.5 速度反馈采用转速编码器对电动机进行测速，可以构成闭环调速系统。转速编码器的主要有两种，一种是增量型，另一种是绝对型。增量型的特征是只有在旋转期间会输出对应旋转角度脉冲，停止是不会输出。它是利用计数来测量旋转的方式；价格比较便宜。绝对型的的特征是不论是否旋转，可以将对应旋转角度进行平行输出的类型，不需要计数器可确认旋转位置；它还有不受机械的晃动或震动以及开关等电器干扰的功能，价格贵。在选择使用时，可参考以下几点：包括成本、分辨率、外形尺寸、轴负荷及机械寿命、输出频率、环境、轴旋转力矩、输出回路等等。 4 系统软件设计软件设计是整个逆变控制的核心，它决定着逆变器的输出特性。该系统软件设计由三部分组成：主程序、初始化程序和中断服务子程序。主程序是整个控制系统的核心和灵魂，只有通过主程序才能有机地调用系统中各个子程序，使它们形成一个联系紧密的整体，有条不紊的完成各种各样的操作命令。主程序：图4.1给出了本系统的主程序流程图。单片机首先初始SA4828，打开中断系统。传送控制参数后，判断SA4828 有没有保护动作，允许输出，则开始输出SPWM控制信号，逆变器开始工作。工作过程中，单片机不断的处理检测反馈回来的信号，控制SA4828 调整输出的SPWM 控制信号，控制系统的输出状态，以满足系统的性能要求。在系统正常工作过程中，不断更新看门狗定时器。防止其溢出而中断SPWM控制信号的输出。初始化子程序：它实现键盘处理、刷新处理与下位机和其它程序主要完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等，其流程图如图4.2 所示。 故障保护中断子程序：中断程序处理的都是需要立即处理的故障，比如过压、欠压、IGBT故障等。这些故障信号通过或门连接到SA4828 的SET TRIP 端上，只要有一个故障发生，就会使SET TRIP 端为高电平，启动SA4828 内部的故