1、- 1 -基于单片机的变频调速系统设计姓名：尹海涛学号：102081101163专业：控制理论与控制工程班级：电信 2010.2- 2 -基于单片机的变频调速系统设计摘要：本文介绍了一种利用专用集成电路SA4828 设计电机变频调速的方法。系统主要包括主电路与控制电路，主电路采用IPM智能功率模块作为电机的控制。控制电路由MCS-51系列的8051单片机最小系统和SA4828 三相SPWM 产生器及少量的扩展外围芯片构成，充分发挥其控制电路简单、控制方式灵活、输出波形优点多的特点，结合相应的软件，实现电机的调速要求。其中主要内容包括：SA4828的特性介绍及变频系统的主电路、驱动电路、保护电路
2、、速度检测、调速系统及软件编程设计方法。所设计的系统实现了变频调速的全数字化控制，实时性好，可靠性高。关键词：单片机 SA4828 变频调速 SPWM 电动机The Design of Motor VVVF System Based On MCUAbstract: This article describes a use of SA4828 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) design motor VVVF system. The system includes the main circuit and control circuit
3、, main circuit used as the Intelligent Power Module IPM motor control. The control circuit is constituted by the MCS-51 series of 8051 systems、three-phase SPWM generator SA4828 and the expansion of a small number of peripheral chips. Give full play to its control circuit is simple, flexible control,
4、 the advantages of multi-output waveform characteristics, combined with appropriate software, to achieve the speed requirements of motor control. The system has all-digital VVVF control, real-time, and high reliability.Key words: MCU SA4828 VVVF SPWM Motor-Control- 3 -1 概述1.1 电动机调速系统的发展随着电力电子技术，计算机技
5、术的不断发展和电力电子器件的更新换代，变频调速技术得到了飞速的发展。据资料显示，现在有 90%以上的动力来源来自电动机。随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，这使得全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。目前适于交流传动系统的微处理器有单片机、数字信号处理器等。其中，高性能的计算机结构形式采用超高速缓冲储存器、多总线结构、流水线结构和多处理器结构等。核心控制算法的实时完成、功率器件驱动信号的产生以及系统的监控、保护功能都可以通过微处理器实现，为交流传动系统的控制提供很大的灵活性，且控制器的硬件电路标准化程度高， 成本低，使得微处理器组成全数字化控制
6、系统达到了较高的性能价格比。1.2 交流调速系统交流调速控制作为对电动机控制的一种手段。作用相当明显，就交流调速系统目前的发展水平而言，可概括的如下：（1）已从中容量等级发展到了大容量、特大容量等级。并解决了交流调速的性能指标问题，填补了直流调速系统在特大容量调速的空白。（2）可以使交流调速系统具有高的可靠性和长期的连续运行能力，从而满足有些场合不停机检修的要求或对可靠性的特殊要求。（3）可以使交流调速系统实现高性能、高精度的转速控制。除了控制部分可以得到和直流调速控制同样良好的性能外，异步电动机本身固有的优点，又使整个系统得到更好的动态性能。采用数字锁相控制的异步电动机变频调速系统，调速精度
7、可以达到 0.002%。在交流调速技术中，交流电动机的调速方法有三种：变极调速、改变转差率调速和变频调速。其中变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。 2 电机变频调速系统该 硬 件 系 统 主 要 包 括 主 电 路 与 控 制 电 路 两 个 部 分 ， 其 中 主 电 路 包 括 交 -直-交 变 频 电 路 （ 本 设 计 采 用 IPM集 成 模 块 ） 与 电 动 机 ； 控 制 电 路 包 括 89C51主 控制 模 块 、 SA4825产 生 SPWM波 模 块 、 驱 动 模
8、 块 以 及 外 围 设 备 模 块 （ 如 键 盘 输 入 、液 晶 显 示 、 A/D模 数 转 换 以 及 串 口 等 ） 。 以CPU为核心，配以键盘、显示、通讯等设备，完成对交流电动机的速度控制。这里选用了ATMEL公司的89C51单片机，它与Intel 51系列单片机完全兼容。其内部配置了8KB的Flash Memory ，无须扩展外部存贮器。同时这种8位单片机的总线结构与SA4828完全兼容，可以直接相连。给定转速n O可以用三种方式设定：键盘、电位器和上位机。用8位LED分别显示给定转速n O和实际转速n，一目了然。系统对电动机运行状态的数据监测、调速效果、动态响应的跟踪情况都
9、可以传送到上位机，以表格或曲线的形式输出，以便于观察- 4 -分析。3 系 统 主 要 模 块3.1 IGBT的分立驱动电路的设计IGBT的驱动设计问题亦即MOSFET的驱动设计问题，设计时应注意以下几点：IGBT 栅极耐压一般在20V左右，因此驱动电路输出端要给栅极加电压保护，通常的做法是在栅极并联稳压二极管或者电阻。前者的缺陷是将增加等效输入电容C in，从而影响开关速度，后者的缺陷是将减小输入阻抗，增大驱动电流，使用时应根据需要取舍。尽管IGBT 所需驱动功率很小，但由于MOSFET存在输入电容C in，开关过程中需要对电容充放电，因此驱动电路的输出电流应足够大。假定开通驱动时，在上升时
10、间t r内线性地对MOSFET 输入电容C in充电，则驱动电流为IgtC inUgs/tr，其中可取t r2.2RC in，R为输入回路电阻。为可靠关闭IGBT， 防止擎住现象，要给栅极加一负偏压，因此最好采用双电源供电。3.2 IGBT集成式驱动电路 IGBT的分立式驱动电路中分立元件多，结构复杂，保护功能比较完善的分立电路就更加复杂，可靠性和性能都比较差，因此实际应用中大多数采用集成式驱动电路。日本富士公司的EXB系列集成电路、法国汤姆森公司的UA4002集成电路等应用都很广泛。3.3 IPM驱动电路设计 现以PM100DSA120为例进行介绍。PM100DSA120是一种D 型的IPM
11、，内部封装了两个IGBT，工作在1200V/100A以下，功率器件的开关频率最大为20kHz。由于 IPM内置了驱动电路，与IGBT驱动电路设计相比，外围驱动电路的设计比较方便，只要能提供15V直流电压即可。 - 5 -图3.2所示的是一种典型的高可靠性IPM外部驱动电路方案。来自控制电路的PWM信号经R1限流再经高速光耦隔离并放大后接IPM内部驱动电路并控制开关管工作，FO信号也经过光耦隔离输出。其中每个开关管的控制电源端采用独立隔离的稳压。15V电源，且接1只10F的退耦电容器(图中未画出)以滤去共模噪声。Rl根据控制电路的输出电流选取如用MCU产生PWM，则R1的阻值可为330。R2根据
12、IPM驱动电流选值，一方面应尽可能小以避免高阻抗IPM拾取噪声，另一方面又要足够可靠地控制IPM。可在2k6.8k内选取。C1为2端与地间的O.1F滤波电容器，PWM隔离光耦可选用HCPIA503型、HCPIA504型、PS204l型(NEC)等高速光耦，且在光耦输入端接1只O.1F的退耦电容器(图中未画出)。FO输出光耦可用低速光耦(如PC817)3.4串口通信单片机与PC机的通信能够让控制系统实现实时监测并进行相应的控制，使控制系统更加智能化、自动化。目前，大部分计 算机的串口都采用RS-232C通信接口的DB9连接器，如右图所示。 RS-232C 规定的逻辑电平与一般微处理器、单片机的逻
13、辑电平是不同的。RS-232的逻辑“1”是以-3-15V来表示的，而单片机的逻辑“1”是以+5V来表示的，两者完全不同。因此，单片机系统要和电脑的RS-232接口进行通信，就必须把单片机的信号电平（TTL电平）转换成计算机的RS-232C电平，或者把计算机的RS-232C电平转换成单片机的TTL电平。实现这种转换的方法可以使用分立元件，也可以使用专用RS-232电平转换芯片。目前较为广泛地使用专用电平转换芯片，如MC1488、MC1489、MAX232等电平转换芯片来实现EIA到TTL电平的转换。下面介绍的是MAXIM公司的单电源电平转换芯片MAX232及接口电路。图3.2 IPM外部驱动电路
14、- 6 -3.5 保护电路逆变器中的 IGBT 模块是变频器的主要部件，也是最昂贵的部件。由于它工作在高频、高压、大电流的状态，所以也是最容易损坏的部件。因此 IGBT模块的保护工作显得十分重要。为此应做到以下几点：（1）选用智能型 IGBT 模块。IPM 中一般都有过流、过热、短路、欠压保护电路，当任一情况发生时它能迅速给出报警信号。把该信号接到 SA4828 的SET TRIP 端，可立即切断 SA4828 的 6 路控制信号，关闭所有的 IGBT。（2）对 SA4828 编程时，设置合理的“死区”时间和欲删除的“窄脉冲”的宽度，前者可有效防止同一桥臂上、下开关元件的共态导通；后者可降低开
15、关损耗，减少发热。（3）在单片机的调速过程中始终监视变频器输出端的电压和电流，一旦超限将停止 SA4828 的工作并发出报警指示。在IPM应用中，由于高频开关过程和功率回路寄生电感等叠加产生的didt、dvdt和瞬时功耗会对器件产生较大的冲击，易损坏器件因此需设置缓冲电路(即吸收电路)，目的是改变器件的开关轨迹，控制各种瞬态过压，降低器件开关损耗保护器件安全运行。 图 3.12 MAX232 管脚图图 3.11 MAX232 串口电平转换电路- 7 -3.6 A/D 模数转换模块该模块主要是将对主电路进行的实时检测的模拟信号转换为数字信号，而后传送给单片机控制系统，实现系统的实时监测。常见的
16、A/D 转换器有计数式A/D 转换器，双积分式 A/D 转换器，逐次逼近式 A/D 转换器，并行直接比较式A/D 转换器，V/F 式 A/D 转换器等。本系统需处理多路模拟信号，故采用 ADC0809 A/D 转换模块，它采用逐次逼近的方法完成 A/D 转换；其片内带有锁存功能的 8 路模拟开关，可对 8 路05V 的输入模拟电压信号进行转换, 完成一次转换约需 100s。其输出具有TTL 三态锁存缓冲器,可直接与单片机通信。图 3.15 AD0809 内部结构 图 3.16 AD0809 管脚图ADC0809 的工作过程是：首先输入 3 位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地
17、址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD 转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转换正在进行。直到 AD 转换完成，EOC 变为高电平，指示 AD 转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当 OE 输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 图 3.15 常用的 IPM 缓冲电路- 8 -4 系统软件设计软件设计是整个逆变控制的核心，它决定着逆变器的输出特性。该系统软件设计由三部分组成：主程序、初始化程序和中断服务子程序。主程序是整个控制系统的核心和灵魂，只有通过主程序才能有机地调用系统中各个子程
18、序，使它们形成一个联系紧密的整体，有条不紊的完成各种各样的操作命令。主程序：图4.1给出了本系统的主程序流程图。单片机首先初始SA4828，打开中断系统。传送控制参数后，判断SA4828 有没有保护动作，允许输出，则开始输出SPWM控制信号，逆变器开始工作。工作过程中，单片机不断的处理检测反馈回来的信号，控制SA4828 调整输出的SPWM 控制信号，控制系统的输出状态，以满足系统的性能要求。在系统正常工作过程中，不断更新看门狗定时器。防止其溢出而中断SPWM控制信号的输出。初始化子程序：它实现键盘处理、刷新处理与下位机和其它程序主要完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等，其
19、流程图如图4.2 所示。 故障保护中断子程序：中断程序处理的都是需要立即处理的故障，比如过压、欠压、IGBT故障等。这些故障信号通过或门连接到SA4828 的SET TRIP 端上，只要有一个故障发生，就会使SET TRIP 端为高电平，启动SA4828 内部的故障保护动作，瞬时封锁SPWM脉冲输出，同时拉低TRIP 端电平，向单片机发中断申请，其流程图如图4.3 所示。开始初始化 SA4828开中断写 SA4828控制寄存器更新看门狗处理反馈数据更新控制参数？允许输出?NNYY图 4.1 主程序流程图结论本论文的主要创新点在于:利用单片微机和集成芯片配合产生 SPWM 波形控制逆变开关的通断
20、，控制算法容易编程实现，实现了全数字化控制，结构简单，与采用模拟器件相比，减少了生产成本，性能良好；具有易于改变控制算法、程序易于移植、控制精度高、可靠性好等优点，采用变频技术后，可以节省大量的能源，有良好的经济价值和环保效果。这种系统在电力电子设备与人们生活日益密切的今天有着广泛的应用。参考文献1. 王晓明.电动机的单片机控制.北京：北京航空航天大学出版社，2002. - 10 -2. 张毅刚 彭喜元.MCS51 单片机应用设计.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001.3. 王兆安 黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2000.4. 李朝青.单片机原理及接口技术.北京:北京航空航天大学出版社，2003.
