基于單片機變頻調速控制器的設計

摘要：文章設計了一類(lèi)適用于風(fēng)機、水泵負載節能運行的數字式交流變頻調速控制器。設計了以8098單片機為控制核心變頻調速裝置，采用IGBT作為主功率器件，以EXB841集成驅動(dòng)器構成IGBT的驅動(dòng)電路，對故障檢測電路等進(jìn)行了硬件設計，并做了詳細的分析。采用恒VVVF控制規律和規則采樣法的SPWM控制算法，控制電動(dòng)機的運轉實(shí)現變頻調速，同時(shí)對系統軟件進(jìn)行設計，結果表明，該裝置在整個(gè)調頻范圍內運行可靠。

關(guān)鍵詞：變頻調速;單片機;VVVF控制

0 引言

目前，隨著(zhù)電子和控制技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調速具有節能，簡(jiǎn)單、可靠等特點(diǎn)被廣泛應用于調速系統中。近年來(lái)，以單片機為控制核心，采用VVVF控制原理實(shí)現變頻調速的控制器在性能上取得了巨大進(jìn)步。本文設計了一類(lèi)適用于風(fēng)機、水泵負載節能運行的數字式交流變頻調速裝置，采用IGBT為主功率器件，以單片機 8098為控制核心的數字式交流變頻調速系統。

1 調速系統的控制策略

1.1 VVVF控制(恒U/f控制)

圖1是U/f的特性曲線(xiàn)，整定當f=50Hz時(shí)，U線(xiàn)=380V。

2 主電路的設計

主電路采用交直交電壓型，由整流器、中間電路和逆變器組成。三相交流電壓經(jīng)過(guò)整流器整流后，再經(jīng)過(guò)中間電路濾波送逆變器，調制生成交流信號供給電機，實(shí)現變頻調速。本文采用不可控整流器，中間電路中的濾波電容CF具有濾除整流后的電壓紋波和去耦作用，通過(guò)計算得到濾波電容器CF=121 μF，限流電阻RL=20 Ω。逆變器選用型號為GT250101的IGBT單管，GT25Q101的有關(guān)參數如下：UCES=1200 V，UCES =±20 V，IC=25A，PC=200W，IGBT驅動(dòng)模塊選用的是日本富士公司開(kāi)發(fā)的EXB841驅動(dòng)模塊。本文選用的控制電機為交流鼠籠異步電動(dòng)機，其參數如下：Ue=380V;Ie=1.84A;ne=2810r/min;cosψ=085;η=77.5%;Kf(起動(dòng)電流倍數)=7;KQ(起動(dòng)轉矩倍數)=1.8;λM(過(guò)載能力倍數)=2.2。

3 硬件電路的設計

3.1 控制系統的總體構成框圖

由鍵盤(pán)設定控制器輸出PEM波的頻率，工作頻率范圍為21～20Hz，精度0.5%，可以隨意設定電壓/頻率曲線(xiàn)(相當于電機負載特性)及頻率變化斜率來(lái)滿(mǎn)足各種電氣傳動(dòng)裝置的要求，當檢測到故障信號，控制器能自動(dòng)切斷變頻電源，從而保護主回路功率開(kāi)關(guān)管和電機免受損壞。

3.2 故障檢測電路

變頻器直流電壓在正常范圍時(shí)，電位器VR5處的電壓低于PC1的導通電壓，光耦PC1截止，比較器A輸出高電平，PC2輸出也為高電平。當直流母線(xiàn)電壓升高至一定程度時(shí)，VR5處的電壓足以使PC1導通，且比較器A的6端電平高于5端電平，這時(shí)A翻轉輸出低電平，PC2導通，直流母線(xiàn)過(guò)電壓信號為低電平，即故障狀態(tài)。

圖中應用霍而元件作為檢測元件，霍而電流是與直流母線(xiàn)電流成正比的一個(gè)小電流。

4 正弦波脈寬調制技術(shù)

4.1 SPWM波形控制模式和實(shí)現方法

規則取樣法就是設法使SPWM波形的每一個(gè)脈沖與三角載波的中心線(xiàn)對稱(chēng)，而且兩側間隙時(shí)間相等，從而使計算工作量大為減輕。規則取樣是用一個(gè)取樣值確定脈寬t2，如圖5所示。

其中

式中 T口為三角波周期，即SPWM開(kāi)關(guān)周期;

M為正弦波調制度(正弦波幅值和三角波幅值)

W為正弦波角頻率;

其tk算式為：

式中：TC——采樣周期(即載波脈沖周期)，其大小取決于運行頻率;

M——調制系數，由V/F曲線(xiàn)確定，M1。

5 系統軟件的設計

系統軟件包括主控模塊、軟件定時(shí)中斷模塊、脈寬計算模塊、鍵盤(pán)中斷模塊、顯示模塊、外控模塊和故障識別模塊。

5.1 主程序設計

主控模塊如圖6所示完成系統的初始化。

5. 2 PWM中斷服務(wù)子程序

圖7完成PWM波的生成和輸出任務(wù)，產(chǎn)生三相調制波脈沖總共需三路HSO(HSO0～HSO2)和一個(gè)軟件定時(shí)器，程序定時(shí)將脈沖輸出命令和前后沿時(shí)刻傳送到HSO的有關(guān)寄存器中，從而在HSO0、HSO1和HSO2端連續輸出A、B、C三相PWM脈沖信號。

6 結論

本文利用了MCS-8098單片機的特點(diǎn)，使系統結構簡(jiǎn)單，功能完善，除了完成PWM變頻控制外，還在系統內進(jìn)行故障檢測、自動(dòng)保護等控制功能，合理利用MCS-8098單片機的中斷、定時(shí)等功能，借助軟件優(yōu)勢，設計了一個(gè)針對泵、風(fēng)機的實(shí)用微機控制交流變頻裝置，在整個(gè)調頻范圍內，運行可靠，性能優(yōu)良。