采用AT89C51單片機設計的變頻調速控制系統

　　1.概述

　　在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中，隨著(zhù)自關(guān)斷器件技術(shù)水平的不斷提高，脈寬調制技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)PWM技術(shù)）也日趨成熟。PMW交流變頻調速以其高效率、高功率因數、輸出波形好、結構簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在井下風(fēng)機、水泵、造紙機等設備中得到了廣泛的應用。將單片機應用于交流變頻調速系統，可有效地避免傳統調速方案中的一些缺點(diǎn)，達到了提高控制精度的目的[1]，其特點(diǎn)：

　?。?）采用單片機可以使絕大多數控制邏輯通過(guò)軟件實(shí)現，簡(jiǎn)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(shí)現較為復雜的控制。

　?。?）無(wú)零點(diǎn)漂移，控制精度高。

　?。?）可以提供人機界面，多機連網(wǎng)工作。

　　根據國內外有關(guān)變頻調速的最新研究成果及研究動(dòng)向，參閱大量的文獻、資料，本著(zhù)先進(jìn)性與成熟性兼顧、標準化、可靠性、連續性、及時(shí)性的系統設計原則，設計了如圖1所示的系統結構框圖。

圖1系統結構框圖

圖2整流電路

　　整個(gè)電路分為三大部分：主回路、驅動(dòng)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(guò)流檢測和保護電路，這樣使得系統工作更穩定、可靠。

2.系統主回路設計

　　2.1整流濾波電路的設計

　　為了給逆變器提供一個(gè)穩定的直流電壓，需要將電網(wǎng)輸入的交流電進(jìn)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的功率因數接近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(huì )使得系統成本上升，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)功率因數與逆變輸出電壓無(wú)關(guān)而接近于1。在本系統中，我們采用了三相二極管不可控整流，如圖2所示，采用它無(wú)需控制電路驅動(dòng)，電路簡(jiǎn)單、可靠，成本低，缺點(diǎn)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計

　　三相交流負載需要三相逆變器，在三相逆變電路中，應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(gè)半橋組成。

圖3三相逆變電路

圖4IR2110驅動(dòng)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(gè)橋臂的導電角度為，同一相（同一半橋）上下兩個(gè)臂交替導電，各相開(kāi)始導電的時(shí)間依次相差。這樣，在任一瞬間，將有三個(gè)橋臂同時(shí)導通?？赡苁巧厦嬉粋€(gè)臂，下面兩個(gè)臂，也可能是上面兩個(gè)臂下面一個(gè)臂同時(shí)導通。因為每次換流都是在同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行的，因此，也被稱(chēng)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(gè)T/6:V1,V6,V5導通,V4,V3,V2截至;第2個(gè)T/6:Vl,V6,V2導通,V4,V3,V5截至;

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

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

3驅動(dòng)電路及系統保護電路的設計

　　3.1驅動(dòng)電路的設計

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

　　驅動(dòng)電路必須具備兩個(gè)功能：一是實(shí)現控制電路與被驅動(dòng)IGBT柵極的電隔離;二是提供合適的柵極驅動(dòng)脈沖[3]。

　　對驅動(dòng)電路的要求，可歸納如下：

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

　　2）用內阻小的驅動(dòng)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(kāi)關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT開(kāi)通后，柵極驅動(dòng)源應能提供足夠的功率，使IGBT不退出飽和而損壞。

　　3）驅動(dòng)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(kāi)關(guān)時(shí)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的柵極驅動(dòng)電路應盡可能簡(jiǎn)單實(shí)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集成驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)IGBT，它兼有體積小，速度快，電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，是中小功率變換裝置中驅動(dòng)器件的首選品種。

　　驅動(dòng)芯片IR2110用于驅動(dòng)半橋電路如圖4所示。

　　3.2電流檢測及過(guò)流保護電路

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

圖5IGBT的電流保護電路

　　其中運放C814組成電壓跟隨器，其輸入來(lái)自電流互感器的輸出。兩個(gè)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(mén)的輸入端。當IGBT沒(méi)有過(guò)電流時(shí)，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驅動(dòng)信號有效;反之，當IGBT過(guò)電流時(shí)，EN信號變?yōu)榈碗娖?，封鎖了IGBT驅動(dòng)信號而使IGBT關(guān)斷，調節電位器RP，可以改變過(guò)流閥值的大小。

　　過(guò)壓保護電路的原理與電流保護電路類(lèi)似，另外在主電路上應配裝一個(gè)10A的快速熔斷保險，當電路發(fā)生嚴重過(guò)流時(shí)，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.控制電路軟硬件設計

　　三相SPWM發(fā)生器是控制電路的核心部分。在本設計中，我們選用了AT89C51單片機控制英國MITEL公司的專(zhuān)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成完整的SPWM控制電路，結構緊湊，提高了系統的集成度和可靠性，利于降低成本。

　　4.1SA8281的功能介紹

　　SA8281芯片是MITEL公司設計的專(zhuān)門(mén)為交流電機的調速控制，UPS電源以及其他需要脈寬調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6SA8281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(xiàn)，適用于英特爾和摩托羅拉二種總線(xiàn)接口，接口通用性好，編程和操作簡(jiǎn)單，方便，快捷。

　　SA8281采用常用的對稱(chēng)的雙邊緣采樣法產(chǎn)生全數字化PWM波形，無(wú)時(shí)漂，無(wú)溫漂，具有很高的精度和溫度穩定性。

　　有6個(gè)標準的TTL電平輸出，用來(lái)驅動(dòng)逆變器的6個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件。

　　工作頻率范圍寬，精度高，三角載波頻率可調。

　　工作方式靈活，在電路不變的情況下，直接通過(guò)軟件設定載波頻率、調制頻率、調制比、最小脈寬、死區時(shí)間等工作參數就可改變逆變器的性能指標，驅動(dòng)不同負載或工作于不同工況?？赏ㄟ^(guò)改變輸出SPWM脈沖的相序實(shí)現電機的正反轉，通過(guò)調制達到輸出頻率為OHz而給電機繞組通一直流電，實(shí)現電機的“直流插入制動(dòng)”。

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

　　波形存儲在內部ROM中，可以選擇可刪除的最小脈寬和死區時(shí)間。

　　4.2控制硬件電路的實(shí)現

　　控制電路部分采用的單片機為ATMEL公司推出的AT89C51，它采用CMOS結構，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。其內部含有128字節的RAM和4K字節的EPROM完全滿(mǎn)足系統需要，不用外加RAM或EPROM存放數據或程序，但需要設定和保存的參數則存放在一片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部，可以看出SA8281與微處理器接口簡(jiǎn)單，控制電路非常簡(jiǎn)單，結構緊湊，這樣做從另一方面來(lái)講對芯片工作的穩定性有很大幫助，提高了可靠性。

　　從整個(gè)電路來(lái)說(shuō)，實(shí)現對SA828l的控制是通過(guò)按鍵輸入相應的信息。本電路的設計要對SA8281輸入初始化參數和控制參數，所以用到了三個(gè)按鍵0#鍵、1#鍵和2#鍵。在主程序中判斷鍵號用的是查詢(xún)式,0#鍵按下轉入初始化子程序：l#鍵按下轉入加速子程序：2#鍵按下轉入減速子程序。

　　AT89C51是地址與數據總線(xiàn)復用類(lèi)的單片機，為了隔離潛在的噪音干擾，設置輸出斷開(kāi)引腳SETTRIP在通常情況下接地，同時(shí)設置了開(kāi)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(shí)鐘CLK引腳接獨立的12M有源晶振為SA8281芯片提供一時(shí)鐘基準用于控制與PWM有關(guān)的各時(shí)序。

　　4.3控制電路軟件設計

　　對SA8281芯片的控制是通過(guò)微處理器接口將相應的參數送入芯片內部?jì)?4位的寄存器R4、R3來(lái)實(shí)現的，它們是初始化寄存器和控制寄存器。數據先被讀入一系列臨時(shí)寄存器R0～R2中，然后通過(guò)一條虛擬的寫(xiě)操作將數據傳送至相應的R4，R3寄存器。

　　初始化寄存器用于設定和電機及逆變器有關(guān)的一些基本參數。在正常情況下，這些參數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(shí)一般不允許改變。

　　控制寄存器在工作過(guò)程中控制輸出脈寬調制波的狀態(tài)，從而進(jìn)一步控制電機的運行，比如轉速、正/反轉、啟動(dòng)和停止等。通常在電機工作時(shí)該寄存器內容經(jīng)常被改寫(xiě)以實(shí)現對電機的實(shí)時(shí)控制。程序流程圖下面分別進(jìn)行說(shuō)明：

　　4.3.1主程序

　　主程序判斷鍵號用的是查詢(xún)式：

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

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

圖8主程序流程圖

圖9SA8281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定的是與電機和變頻器有關(guān)的基本參數，包括載波頻率的設定、調制波頻率范圍設定、脈沖延遲時(shí)間設定、最小刪除脈寬的設定、調制波形選擇、幅值控制設定等。

　　初始化寄存器的數據先以8位格式存入臨時(shí)寄存器R0，R1和R2中，然后通過(guò)虛擬寫(xiě)操作R4再被存入初始化寄存器。

　　通常情況下，這些參數在電機工作過(guò)程中不要改變。

　　SA8281初始化子程序流程如圖9所示：

　　4.3.3調速子程序

　　調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(lèi)似于加速子程序。

　　加速子程序流程圖如圖9所示，控制參數包括調制波頻率控制字和調制波幅值控制字，它們要通過(guò)計算求得，方法：首先根據電機的U/F曲線(xiàn)得到調制波的頻率與幅值，然后通過(guò)公式計算出相應的控制字并制成表格，本文的程序設計中利用查表法實(shí)現兩種控制參數的傳送。調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調制波頻率與幅值對比表

圖10加速子程序流程圖

5總結

　　本文中，設計變頻調速控制系統時(shí)，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(lái)驅動(dòng)，另外考慮到系統的穩定性，設計了系統的保護電路，這樣整個(gè)系統有成本低廉，功能齊全的特點(diǎn)，并具有較大的實(shí)用價(jià)值。目前，我國的變頻調速市場(chǎng)逐漸增長(cháng)，需求量日益廣泛。因而，對于變頻調速控制系統的研究具有重要的學(xué)術(shù)意義和應用價(jià)值。