采用AT89C51單片機設(shè)計的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

摘?要：本文介紹了一種由AT89C51單片機為主控制器的變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用SA8281作為正弦波發(fā)生器。主回路采用交-直-交電壓型變頻電路。在論述系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計基礎(chǔ)之上，并給出了主要程序的流程圖。實踐表明：該系統(tǒng)可靠性高，組配靈活，具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：單片機，SA8281波形發(fā)生器，變頻控制

1.概述

　　在電氣傳動領(lǐng)域中，隨著自關(guān)斷器件技術(shù)水平的不斷提高，脈寬調(diào)制技術(shù)（簡稱PWM技術(shù)）也日趨成熟。PMW交流變頻調(diào)速以其高效率、高功率因數(shù)、輸出波形好、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，在井下風機、水泵、造紙機等設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。將單片機應(yīng)用于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，可有效地避免傳統(tǒng)調(diào)速方案中的一些缺點，達到了提高控制精度的目的[1]，其特點：

　　（1）采用單片機可以使絕大多數(shù)控制邏輯通過軟件實現(xiàn)，簡化了電路。

　?。?）單片機具有更強的邏輯功能，運算速度快，精度高，有大容量的存儲單元，可以實現(xiàn)較為復雜的控制。

　?。?）無零點漂移，控制精度高。

　?。?）可以提供人機界面，多機連網(wǎng)工作。

　　根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)變頻調(diào)速的最新研究成果及研究動向，參閱大量的文獻、資料，本著先進性與成熟性兼顧、標準化、可靠性、連續(xù)性、及時性的系統(tǒng)設(shè)計原則，設(shè)計了如圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。?

圖1?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖?

圖2?整流電路

　　整個電路分為三大部分：主回路、驅(qū)動電路以及用單片機控制PWM產(chǎn)生器的控制電路，另外還有過流檢測和保護電路，這樣使得系統(tǒng)工作更穩(wěn)定、可靠。

2.系統(tǒng)主回路設(shè)計

　　2.1整流濾波電路的設(shè)計

　　為了給逆變器提供一個穩(wěn)定的直流電壓，需要將電網(wǎng)輸入的交流電進行整流。通常整流電路可分為可控整流和不可控整流?？煽卣骺梢允瓜到y(tǒng)的功率因數(shù)接近l，并且具有較小的紋波，頻率高，可降低較小幅值的濾波電容。但是采用可控整流電路會使得系統(tǒng)成本上升，并且控制電路復雜。

　　目前比較經(jīng)濟可靠的方案，一般都是采用二極管整流，使電網(wǎng)功率因數(shù)與逆變輸出電壓無關(guān)而接近于1。在本系統(tǒng)中，我們采用了三相二極管不可控整流，如圖2所示，采用它無需控制電路驅(qū)動，電路簡單、可靠，成本低，缺點就是紋波較大，需采用較大幅值的濾波電容。

　　2.2?三相逆變電路的設(shè)計

　　三相交流負載需要三相逆變器，在三相逆變電路中，應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路[2]。采用IGBT作為可控元件的電壓型三相逆變電路如圖3所示，可以看出電路由三個半橋組成。

圖3?三相逆變電路?

圖4?IR2110驅(qū)動半橋電路

　　電壓型三相逆變橋的基本工作方式與單相逆變橋相同，是?導電方式，即每個橋臂的導電角度為?，同一相（同一半橋）上下兩個臂交替導電，各相開始導電的時間依次相差?。這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導通。可能是上面一個臂，下面兩個臂，也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導通。因為每次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進行的，因此，也被稱為縱向換流。用T記為周期，只要注意三相之間互隔T/3（T是周期）就可以了，即B相比A相滯后T/3，C相又比B相滯后T/3。

　　具體的導通順序如下：

　　第1個T/6:V1,V6,V5導通,V4,V3,V2截至;第2個T/6:Vl,V6,V2導通,V4,V3,V5截至;

　　第3個T/6:V1,V3,V2導通,V4,V6,V5截至;第4個T/6:V4,V3,V2導通,V1,V6,V5截至;

　　第5個T/6：V4,V3,V5導通,V1,V6,V2截至;第6個T/6:V4,V6,V5導通,V1,V3,V2截至。

3?驅(qū)動電路及系統(tǒng)保護電路的設(shè)計

　　3.1?驅(qū)動電路的設(shè)計

　　作為功率開關(guān)器件，IGBT的工作狀態(tài)直接關(guān)系到整機的性能，所以選擇或設(shè)計合理的驅(qū)動電路顯得尤為重要。采用一個性能良好的驅(qū)動電路，可使IGBT工作在比較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗，對提高整個裝置的運行效率，可靠性和安全性都有重要的意義。

　　驅(qū)動電路必須具備兩個功能：一是實現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動IGBT柵極的電隔離;二是提供合適的柵極驅(qū)動脈沖[?3]。

　　對驅(qū)動電路的要求，可歸納如下：

　　1）IGBT和MOSFET都是電壓驅(qū)動，都具有一個2.5～5V值電壓，有一個容性輸入阻抗，因此IGBT對柵極電荷非常敏感，故驅(qū)動電路必須很可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動電路與IGBT的連線要盡量短。

　　2）用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓Uge,有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT開通后，柵極驅(qū)動源應(yīng)能提供足夠的功率，使IGBT不退出飽和而損壞。

　　3）驅(qū)動電路要能傳遞幾十kHz的脈沖信號。

　　4）在大電感負載下，IGBT的開關(guān)時間不能太短，以限制出di/dt形成的尖峰電壓，確保IGBT的安全。

　　5）IGBT的柵極驅(qū)動電路應(yīng)盡可能簡單實用，最好自身帶有對IGBT的保護功能，有較強的抗干擾能力。

　　本文采用美國IR公司推出的IR21lO集成驅(qū)動器來驅(qū)動IGBT，它兼有體積小，速度快，電路簡單的優(yōu)點，是中小功率變換裝置中驅(qū)動器件的首選品種。

　　驅(qū)動芯片IR2110用于驅(qū)動半橋電路如圖4所示。

　　3.2?電流檢測及過流保護電路

　　當流過IGBT的電流過流，一旦超出安全區(qū)，IGBT將永久損壞，因此系統(tǒng)要設(shè)置電流過流保護電路，系統(tǒng)在變頻器的直流部分串電流互感器將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號再通過比較器比較，將過流信號檢測出來后，送到SA828l的脈沖封鎖端（電平信號），那么SA828l就會停止輸出PWM脈沖，以保護IGBT。IGBT的過電流保護電路如圖5所示。

圖5?IGBT的電流保護電路

　　其中運放C814組成電壓跟隨器，其輸入來自電流互感器的輸出。兩個電壓比較器C271組成窗口電壓比較器，比較器的輸出經(jīng)施密特反相器連接到與門的輸入端。當IGBT沒有過電流時，C814的輸入電壓比較低，窗口電壓比較器輸出高電平，因此EN信號為高電平，使IGBT驅(qū)動信號有效;反之，當IGBT過電流時，EN信號變?yōu)榈碗娖?，封鎖了IGBT驅(qū)動信號而使IGBT關(guān)斷，調(diào)節(jié)電位器RP，可以改變過流閥值的大小。

　　過壓保護電路的原理與電流保護電路類似，另外在主電路上應(yīng)配裝一個10A的快速熔斷保險，當電路發(fā)生嚴重過流時，快速熔斷保險燒斷切斷電網(wǎng)電源，盡可能的保證主電路的安全。

4.控制電路軟硬件設(shè)計

　　三相SPWM發(fā)生器是控制電路的核心部分。在本設(shè)計中，我們選用了AT89C51單片機控制英國MITEL公司的專用集成芯片SA8281作為SPWM波形發(fā)生器，該芯片與微處理器接口方便，幾乎不用加任何的邏輯電路即可構(gòu)成完整的SPWM控制電路，結(jié)構(gòu)緊湊，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性，利于降低成本。

　　4.1?SA8281的功能介紹

　　SA8281芯片是MITEL公司設(shè)計的專門為交流電機的調(diào)速控制，UPS電源以及其他需要脈寬調(diào)制作為一種有效電源控制的電力電子器件[4]。引腳如圖6所示：

圖6?SA8281的引腳排列?

圖7?單片機與SA8281連接圖

　　它可用于三相PWM波形產(chǎn)生的可編程微機外圍接口芯片，使用一組標準的MOTEL總線，適用于英特爾和摩托羅拉二種總線接口，接口通用性好，編程和操作簡單，方便，快捷。

　　SA8281采用常用的對稱的雙邊緣采樣法產(chǎn)生全數(shù)字化PWM波形，無時漂，無溫漂，具有很高的精度和溫度穩(wěn)定性。

　　有6個標準的TTL電平輸出，用來驅(qū)動逆變器的6個功率開關(guān)器件。

　　工作頻率范圍寬，精度高，三角載波頻率可調(diào)。

　　工作方式靈活，在電路不變的情況下，直接通過軟件設(shè)定載波頻率、調(diào)制頻率、調(diào)制比、最小脈寬、死區(qū)時間等工作參數(shù)就可改變逆變器的性能指標，驅(qū)動不同負載或工作于不同工況?？赏ㄟ^改變輸出SPWM脈沖的相序?qū)崿F(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，通過調(diào)制達到輸出頻率為OHz而給電機繞組通一直流電，實現(xiàn)電機的“直流插入制動”。

　　獨立閉鎖端可瞬時閉鎖輸出SPWM脈沖，可處理電機突發(fā)情況的發(fā)生。

　　波形存儲在內(nèi)部ROM中，可以選擇可刪除的最小脈寬和死區(qū)時間。

　　4.2?控制硬件電路的實現(xiàn)

　　控制電路部分采用的單片機為ATMEL公司推出的AT89C51，它采用CMOS結(jié)構(gòu)，耗能低，抗干擾能力強，與MCS一5l系列完全兼容，且功能比一般的51系列芯片要強大許多。其內(nèi)部含有128字節(jié)的RAM和4K字節(jié)的EPROM完全滿足系統(tǒng)需要，不用外加RAM或EPROM存放數(shù)據(jù)或程序，但需要設(shè)定和保存的參數(shù)則存放在一片EEPROM中[?5]。

　　正弦波發(fā)生器的原理圖如圖7所示，它以SA828l作為三相正弦波的發(fā)生芯片，單片機AT89C51作為SA8281的控制芯片。SA828l將大部分外圍電路都集成在芯片內(nèi)部，可以看出SA8281與微處理器接口簡單，控制電路非常簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，這樣做從另一方面來講對芯片工作的穩(wěn)定性有很大幫助，提高了可靠性。

　　從整個電路來說，實現(xiàn)對SA828l的控制是通過按鍵輸入相應(yīng)的信息。本電路的設(shè)計要對SA8281輸入初始化參數(shù)和控制參數(shù)，所以用到了三個按鍵0#鍵、1#鍵和2#鍵。在主程序中判斷鍵號用的是查詢式,0#鍵按下轉(zhuǎn)入初始化子程序：l#鍵按下轉(zhuǎn)入加速子程序：2#鍵按下轉(zhuǎn)入減速子程序。

　　AT89C51是地址與數(shù)據(jù)總線復用類的單片機，為了隔離潛在的噪音干擾，設(shè)置輸出斷開引腳SETTRIP在通常情況下接地，同時設(shè)置了開關(guān)，便于在緊急情況下迅速關(guān)斷所有PWM輸出;為使PWM輸出處于有效狀態(tài)，輸出關(guān)斷引腳?接高電平[?6]。外部時鐘CLK引腳接獨立的12M有源晶振為SA8281芯片提供一時鐘基準用于控制與PWM有關(guān)的各時序。

　　4.3控制電路軟件設(shè)計

　　對SA8281芯片的控制是通過微處理器接口將相應(yīng)的參數(shù)送入芯片內(nèi)部兩24位的寄存器R4、R3來實現(xiàn)的，它們是初始化寄存器和控制寄存器。數(shù)據(jù)先被讀入一系列臨時寄存器R0～R2中，然后通過一條虛擬的寫操作將數(shù)據(jù)傳送至相應(yīng)的R4，R3寄存器。

　　初始化寄存器用于設(shè)定和電機及逆變器有關(guān)的一些基本參數(shù)。在正常情況下，這些參數(shù)在電機工作前就被初始化（例.在PWM輸出允許前），并且在電機工作時一般不允許改變。

　　控制寄存器在工作過程中控制輸出脈寬調(diào)制波的狀態(tài)，從而進一步控制電機的運行，比如轉(zhuǎn)速、正/反轉(zhuǎn)、啟動和停止等。通常在電機工作時該寄存器內(nèi)容經(jīng)常被改寫以實現(xiàn)對電機的實時控制。程序流程圖下面分別進行說明：

　　4.3.1主程序

　　主程序判斷鍵號用的是查詢式：

　　O#鍵按下轉(zhuǎn)入初始化子程序;1#鍵按下轉(zhuǎn)入加速子程序;2#鍵按下轉(zhuǎn)入減速子程序。

　　另外為了防止誤操作增加了延時去抖動的再次判斷鍵號環(huán)節(jié)。主程序流程圖如圖8所示：

圖8?主程序流程圖?

圖9?SA8281初始化子程序流程圖

　　4.3.2初始化子程序

　　在初始化子程序要設(shè)定的是與電機和變頻器有關(guān)的基本參數(shù)，包括載波頻率的設(shè)定、調(diào)制波頻率范圍設(shè)定、脈沖延遲時間設(shè)定、最小刪除脈寬的設(shè)定、調(diào)制波形選擇、幅值控制設(shè)定等。

　　初始化寄存器的數(shù)據(jù)先以8位格式存入臨時寄存器R0，R1和R2中，然后通過虛擬寫操作R4再被存入初始化寄存器。

　　通常情況下，這些參數(shù)在電機工作過程中不要改變。

　　SA8281初始化子程序流程如圖9所示：

　　4.3.3?調(diào)速子程序

　　調(diào)速子程序包括加速子程序和減速子程序，本文只介紹加速子程序，減速子程序類似于加速子程序。

　　加速子程序流程圖如圖9所示，控制參數(shù)包括調(diào)制波頻率控制字和調(diào)制波幅值控制字，它們要通過計算求得，方法：首先根據(jù)電機的U/F曲線得到調(diào)制波的頻率與幅值，然后通過公式計算出相應(yīng)的控制字并制成表格，本文的程序設(shè)計中利用查表法實現(xiàn)兩種控制參數(shù)的傳送。調(diào)制波頻率與幅值對比如表1所示。加速子程序流程圖如圖10所示：

　　表1?調(diào)制波頻率與幅值對比表

圖10?加速子程序流程圖

5?總結(jié)

　　本文中，設(shè)計變頻調(diào)速控制系統(tǒng)時，控制芯片采用單片機AT89C51，采用SA8281作為正弦波發(fā)生器，用IR2110芯片來驅(qū)動，另外考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計了系統(tǒng)的保護電路，這樣整個系統(tǒng)有成本低廉，功能齊全的特點，并具有較大的實用價值。目前，我國的變頻調(diào)速市場逐漸增長，需求量日益廣泛。因而，對于變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的研究具有重要的學術(shù)意義和應(yīng)用價值。