基于单片机的变频调速控制策略

1、基于 AVR 单片机的 SPWM 变频调速段策略中南大学机电（410083）摘要：重点讨论了一种新型单片机AVR 高速单片机在交流变频调速中的应用，并给出了软硬件设计方法，同时利用等效面积法生成 SPWM 脉冲序列，较好的解决了精度和实时的要求，理论分析和实验证明该方法可行。关键字：AVR 单片机，SPWM 波，等效面积法，变频调速0 引言近年来，随着自关断器件的不断发展，采用以正弦波作为参考电压的 SPWM（正弦脉宽调制）的 VVVF 变频调速,已成为交流异步电机调速的主流。作为新一代电力电子器件，综合了 MOSFET 和 GTR 的优点，开关频率高、驱动功率小，的功率交换器输出电压纹波小，

2、线路简单，是最具有应用前景的功率器件。早期使用模拟电路元件生成 SPWM 波形，所需硬件较多，算法不够灵活，改变参数和调试比较麻烦。随着电力电子技术、微电子技术和计算机技术的发展，研究重点转移到以 MCU、DSP 为主的数字方案1。本文介绍一种由 AVR 高速单片机输出的 SPWM 脉冲序列变频调速的方法。1 SPWM 波形生成策略1.1 常用算法比较1.2 等效面积法把一个正弦半波分为 N 等分，每一等分微机的 SPWM 算法有多种，常用的的正弦曲线与横轴所包围的面积一个有自然取样法和规则取样法。自然取样法（图 1a）采用计算的方法寻找三角载波 U与参考正弦波 UR 的交点作为开关值以确定S

3、PWM 的脉冲宽度，这种方法误差小、精度高，与此面积相同的等高矩形脉冲代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合，这样，由 N 个等幅而不等宽的矩形脉冲所的波形就与正弦半波等效，显然这一系列脉冲波形的宽的和开关时刻可以严格地用数学方法计算得到34。如图 2 所示，在区间t,t+t，正弦波面积为 S1 ,则有：但是计算量以做到实时，用查表法将占用大量内存，调速范围有限，一般不采用。规则取样法（图 1b）采用近似求 U和 UR 交点的方法，通过两个三角波峰之间中线与UR 的交点作水平线与两个三角波分别t + DtsinwtdtS1 = M ´US òt交于 A 和 B 点，

4、由交点确定 SPWM 的脉宽， 这种方法计算量相对自然取样法小的多，但存在一定误差2。本文采用等效面积法。(1)M=´US coswt - cosw (t + Dt)w式中 M 为调制深度， US 为直流电源电压。US2S 2 = d ´对应图中脉冲面积(2)将正弦信号的正半周 N 等分，则每份为/N 弧度，由图知脉冲高度为US / 2 ,设脉冲宽度为 dK ，则第 K 份正弦波面积与对应的第 K 个 SPWM 脉冲面积相等，：dK = 2M cos( K -1)p - cos( K )p wNN(3)= M cos( K -1)p - cos( K )p pfNN如图 2

5、 所示算：开启时刻：的开关时间按如下计达 256K 的 EEPROM，可用于保存运动参数， 便于现场参数修改，这使得它用在运动方面有很大的灵活性。同时 AVR 单片机还支Ton = 1 (Dt - d ) =(K11持对器的在系统编程。(4)- dK )2 2 ´ f ´ N2这些特点使得 AT90 系列单片机成为一种满足许多需要的、具有高度灵活性和低成关断时刻：器5。本111本的应用的高效微(5)Toff =(Dt + dK ) =(+ dK )2 2 ´ f ´ N2文采用 AT90LS8535，8K 可重复编程FLASH,512 字节的 SRAM,

6、三路 PWM 通道，8路 10 位 A/D。2.2规律在高频段（f50Hz）和低频段（f10Hz）采用恒功率中频段采用恒转矩，可加大调速范围，。为使输出波形对称性好、谐波分量小，系统采用分段同步调制， 以保证整个变频范围内的开关频率变化不 是很大。每个频段载波比 N 为恒定值，不同频段的 N 不同，为了计算快速，余弦采用查表方式，余弦三角函数表在 0°360°范围内，每隔 0.1 度存一个余弦值，每个余弦值2 AVR 单片机系统由 16 位二进制，其中最为符号位，2.1 AVR 单片机结构特点：AT90 系列单片机为 ATMEL 公司生产的新一代基于 AVR 增强功能、RI

7、SC 结构的、低功耗 CMOS 技术的微处理器。后 15 位表示数值位。整个余弦函数表预先存在 EPROM 中，占用了近 8K 字节的寄存器。为保证三相互差 120°，N 应设为 3 的整数倍。2.3 硬件结构：1) 哈佛双总线结构，使程序器和数据器。使用 RISC 指令集，指令系统框图如图 3 所示的驱动模块周期绝大部分为单周期指令。有相当高的执行速度，8MHz 频率下工作的 AVR 相当于224MHz 频率下工作的普通 MCS51。2) AVR 核为 32 个通用工作寄存器与丰富指令集的组合，32 个寄存器全部直接地与运算逻辑单元连接，这种组合机构具备的代码效率比完成同样处理能力

8、的常规 CICS 微处理器要快 10 倍以上，从而解决了 MCS51 的累加器 A 的瓶颈问题3) 内置晶振的可编程看门狗定时器、片内模拟比较器、SPI 串口和 UART 串口，有采用富士电机公司的 EXB841 驱动器，AT90LS8535 输出的三相脉宽调制 SPWM 波经分相与开通延时电路分为六路输出，分别控制 EXB841 的光耦，以驱动 6 个件；40 脚的 PA0 作为 A/D 采样输功率器，采样电位器给定频率；16 脚的 INT0 外部中断作为电路故障信号（ 由于 AT90LS8535态是“高”，因此、过压等）的输入脚； 复位时端口的初始状信号和驱动信号均设为“低”电平为无效状态

9、；PWM 的载波周期由片内定时器 T0 完成；定义 T/C1寄存几种有 810 位的 AD 转换器。有带器 TCCR1A 和 T/C2寄存器 TCCR2，使比较和捕获模式的定时计数器，且具有PWM 功能，PWM 可以在双 8 值、9 位或 10 位下自运行、抗误、节拍修正操作。同时还有一路输入捕获口，可以捕获引脚 ICP 上的上升和下降沿。4) AVR 单片机内置可重复编程的 FLASHT/C1、T/C2 工作在8 位PWM 模式。PD4（OC1B）、PD5(OC1A)、PD7（OC2）作为三相 PWM 输出口；扩展 8279 键盘显示接口，可自动完成键盘的扫描输入和 LED 的扫描显示输出，

10、节省了 CPU 对键盘/显示器的操作时间。内部有硬件看门狗，防止程序跑飞。程序器和 EEPROM 数据器，最大可电流检测整流滤波M过压检测逆变器检测光电编码器驱动阵列保护电路延时电路脉冲整形INT0 PD6PD4 PD5 PD7计数器AVR单片机PA0PC0| PC7键盘显示芯片8279功能键图3 SPWM变频调速系统结构框图3 系统软件设计采用模块化设计思想，包括主程序、T/C0 中断服务子程序、外部中断服务子程序、键盘显示子程序等。主程序的主要任务是对逆变器的输出频率进行采样，计算调制深度 M、载波比 N、载波周期定时常数 T,确定正弦时标。计算脉主程序流程图如图 4 所示。T/C0 中断

11、服务程序:定时时间到达载波周期 T 后，CPU 执行 T/C0 中断服务程序，读开关点数据，计算各相占空比，在相应PWM寄存器中，PWM 使能，向端口驱动信号。程序流程图如图 5 所示。外部中断服务程序：当上发生过冲宽度 dK流时，EX841 立即向单片机申请中断，CPU，根据(4)、（5）式计算出三相发出指令器件。所有输出，有效地保护各功率开关点T,T,T,T,T,T，onUonVonWoffUoffVoffW4 实验及结论按照上述的设计思想，开发了单片机控制系统的软硬件，程序由 ICCAVR 编写，在SL-AVR 实验开发机上调试通过，输出波形经地址总线显示EPROM 2764数据总线频率

12、给定示波器观察，SPWM 波形线性度较好，当给定频率改变时，三相线电压基本保持对称。采用等效面积法生成的 SPWM 波形精度高，更接近正弦波，且谐波分量小，同时也对 CPU 的运算速度提出更高要求。本文利用高速与AVR 单片机产生 SPWM 脉冲序列，相比，具有速度快、精度高、算法灵活等特点，同时由于 AVR 单片机价格低廉，编程开发方便，在低成本的变频调速系统中有良好的发展前景。参考文献12. 现代交流调速技术M. 机械工业. PWM 变频调速技术M. 机械工业. 1999.1999.3 Li Hong. New algorithm for generating SPWM waveformJ

13、. Journal of NorthwesternPolytechnical University. 18,2,May,2000NPU,P264-267.4 钟，. 面积等效法生成 SPWM 波形的算法及软件研究J.电气自动化.1999(6),14-18.5 耿等. AVR 高速单片机原理及应用M. 北京航天航空大学. 2001.SPWM Variable Frequency Speed Regulation SystemBasedon AVR Micro-controllerZhang XilinDuan JiAn(College of mechanical and electrical e

14、ngineering, Central South University, ChangSha, 410083)Abstract: This paper main discusses the application of AVR-a new type of high-speed embedded micro-controller in the field of AC variable frequency speed regulation (VFSR) system, the designed method of hardware and software were given. The SPWM signal generated by Area Equivalent Principle solve the demands of control accuracy and real-time control. It was proved by analysis and simulative experiment that the proposed method