基于单片机控制的交流异步电动机变频调速系统

1、基于单片机控制的交流异步电动机变频调速系统上海交通大学摘要：基于单片机控制的交流异步电动机变频调速系统，实际上通过利用单片机 的控制，来实现电动机的变频调速，是一种廉价的控制方式。重点介绍了该设计 给出的系统的总体规划，控制策略和硬件，软件，数据计算，该产品类型选择的 原则和程序代码实现。并简要介绍了一些相关理论基础，同时指出了调速系统有 待于进一步完善发展的方向。关键词：单片机；电动机；变频调速；c80511引言：电动机作为主要的动力设备被广泛的应用于工农业生产、国防、科技、 日常牛活等各个方面，成为用电量最多的电气设备。根据釆用的电流制式不同, 电动机分为直流电动机和交流电动机两大类，其中

2、交流电动机形式多样、用途各 异、拥有量最多，交流电动机乂分为同步电动机和异步（感应）电动机两大类。 根据统计，交流电动机用电量占电机总用电量的85%左右，可见交流电动机应用 的广泛性及其在国民经济中的重要地位。2 c8051单片机对电动机控制的支持为了使用单片机对电动机进行控制，对现代单片机的要求是：具有足够 快的速度；有pwm 口，用于自动产牛pwm波；有捕捉功能，用于测频；有a/d 转换器，用来对电动机的输出转速，输出电压和电流的模拟量进行a/d转换；有 各种同步串行接口，足够的内部rom和ram,以减少控制系统物理尺寸；有看 门狗和电源管理功能等。2.1 c8051单片机用于控制电动机时

3、的输入/输出端口设置c8051的i/o引脚有2种用途：作为标准的i/o引脚和作为第二功能引 脚。与其他单片机不同，c8051并不指定固定的引脚作为第二功能引脚，而是通 过交叉开关由用户设定。1交叉开关的使用在i/o 口 po, pl, p2与内部资源之间是使用交叉开关进行连接的。当 需要将某些内部资源与i/o引脚相连接吋，必须通过交叉开关控制寄存器xbro, xbr1, xbr2进行设置。设置交叉开关控制寄存器xbro, xbr1, xbr2的作用是： 确定被选择的资源。2 i/o 口初始化首先，通过交叉开关控制寄存器xbro, xbr1, xbr2将所需的资源分配给端口引脚，并在xbr2中将

4、交叉开关设置为允许。所有的i/o端口都耐5v电压输入。i/o引脚的输出驱动器特性是用端口配置寄存器prtocf, prt1cf,prt2cf和prt3cf定义的。它们分别相应的控制p0 口，p1 口，p2 口和p3 口的 输出方式设置。每个端口输出器都可以通过端口配置寄存器被设置为漏极开路方 式或推挽方式，即使对于已在交叉开关xbrn寄存器中分配了的引脚也需要定义, 而不是自动定义的。当prtncf寄存器中相应的引脚位设置为0吋，这些引脚的 输出驱动为漏极开路方式；设置为1时，则为推挽方式。只有smbus的sda和 scl以及uart在方式0时的rx所分配的引脚与prtncf的设置无关。为了将

5、一个通用i/o引脚配置为输入，与这一引脚相关的prtncf端口 配置寄存器位必须被清0.另外，与该引脚相关的端口位必须置1,这样使该引脚 处于高组态；获将xbr2中的weakupd位清0,若上拉为高电平，这是端口引脚 的复位配置。当xbr2中的weakupd位设置为0时，被设置为漏极开路输出方式的 所有端口 i/o都被允许为弱上拉。weakupd位不影响推挽输岀方式的端口 l/oo 另外，输出经常为0的漏极开路引脚的弱上拉应该关闭，以免造成不必要的功耗。 2.2电动机控制中a/d转换在c8051中的实现在电动机的控制过程中，常需要将一些过程信号送回单片机进行处理, 如输出转速信号，输出电压信号

6、，输出电流信号等。因为单片机只能处理数字信 号，如果电动机的这些过程信号是模拟量，必须先进过a/d转换，再将转换所得 到的数字信号送入单片机处理。所以a/d转换在电动机控制中常常是不可缺少的。 3单片机控制交流异步电动机变频调速应用由sa4828构成的变频调速系统如下图3.1所示。首先由键盘输入给定 的转速no (rpm),单片机把它换算成变频器将要输出的频率和电压的控制字， 写入到sa4828的控制寄存器，启动sa4828o从rt bb的6个引脚输出相应频率 和电压的spwm控制信号，经驱动电路隔离后，分别控制智能功率模块ipm的6 个igbt的导通与截止，最后在三个输出端上产生对称的三相s

7、pwm电压，以驱 动交流电动机运转。利用转速编码器可以构成闭环调速系统，提高转速控制的精 度。ipm的故障检测信号接到sa4828的set trip端，一旦ipm发生过流、过热、 短路和欠压等情况，将立即切断sa4828的6路输出信号，使ipm得以保护。图3.17单元3.1智能功率模块ipm目前已有许多厂商把该电路与整流电路、控制电路、驱动电路、保护电 路及传感电路等集成为一个模块，称为智能功率模块ipm (intelligent power module)这样使主电路结构紧凑，避免了分布参数的影响。(1) ipm的特点 内含驱动电路，设定最佳igbt驱动条件； 内含过流、过热、欠压、短路保护

8、电路，出现异常时给出报警信号， 以控制逆变器停止工作； 内含制动电路，可直接外接制动电阻rb；(2) ipm的选用ipm的参数由电动机的额定功率p0及峰值电流ip来确定。例如，当电 动机的线电压为u = 220v,输岀功率po=2.2kw,功率因数cosφ二0.75,效率 η=0.8 时，峰值电压 up二√2 u =310v,峰值电流 i p=√2p0/(√3 ucosφη) = 13.8a,可选用东芝、三菱、富士的产品，规格为600v/30a,7单元ipmo3.2驱动电

9、路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igbto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。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，以上各屯路在很多书籍中都有介绍, 不再赘述。这里介绍一种东芝公司的产品tlp250,电路非常简单。tlp250釆用8脚的dip封装，引脚如

10、图3.3。输入端光耦的隔离电压达到3000v, 输入电流为5-10ma,可以驱动100a/600v的igbt。它采用单电源供电，使用吋 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 和一10v的关断电压。图3.3 tlp250驱动3.3隔离电源如前所述，为了驱动主电路逆变桥的三个上桥臂的ig盯，必须给每一 路提供-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3.4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