基于AT89C51單片機的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計

1、基于AT89C51單片機的PWM變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計1概述.2系統(tǒng)主回路設(shè)計.2.1整流濾波電路的設(shè)計.2.2三相逆變電路的設(shè)計.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3.2電流檢測及過流保護電路4控制電路軟硬件設(shè)計4.1 SA8281的功能介紹 .4.2控制硬件電路的實現(xiàn).4.3控制電路軟件設(shè)計.5總結(jié).】概述在電氣傳動領(lǐng)域中，隨看自關(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(fēng)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

2、案中的一些缺點，達到了提高控制稽度的目的，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。(2)單片機具有更強的邏輯功能，運算速度快，稽度高，有大容量的存儲單元，可以實現(xiàn)較 為復(fù)雜的控制。(3)無零點漂移，控制精度高。(4)可以提供人機界面，多機連網(wǎng)工作。資料Word根據(jù)國外有關(guān)變頻調(diào)速的最新研究成果及研究動向，參閱大M的文獻、資料，本看先進性與成 熟性兼顧、標準化、可霏性、連續(xù)性、及時性的系統(tǒng)設(shè)計原則，設(shè)計了如圖I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

3、路，這樣使得系統(tǒng)工作更穩(wěn)定、可霏。資料Word2系統(tǒng)主回路設(shè)計2整流濾波電路的設(shè)計.333.5 5 6.8.81011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。可控整流可以使系統(tǒng)的功率因數(shù)接近I,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(fù)雜。目前比較經(jīng)濟可霏的方案，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 接近于丨。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、可霏，成本低，缺點就是紋波較大，需

4、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。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。資料Word .三相逆變電路團3If1左nH4IR21I0驅(qū)動半橋電路圖資料Word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(dǎo)電方式，即每個橋臂的導(dǎo)電角度 為，同一相（同一半橋）上下兩個臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的時間依次相差。這祥，在任一 瞬間，將有三個橋臂同時導(dǎo)通?？赡苁巧厦嬉粋€臂，下面兩個臂，也可能是上面兩個脣下面一個 臂同時導(dǎo)通。因為每次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進行

5、的，因此，也被稱為縱向換流。 用T記為周期，只要注重三相之間互隔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(dǎo)通順序如下：第1個T/6:V1.V6.V5導(dǎo)通.V4,V3,V2截至;第2個T/6:VI,V6,V2導(dǎo)通.V4.V3.V5截至；第3個T/6:V1.V3.V2導(dǎo)通.V4,V6,V5截至;第4個T/6:V4,V3,V2導(dǎo)通21 ,V6,V5截至： 第5個T/6: V4.V3.V5導(dǎo)通,V1,V6,V2截至;第6個T/6:V4,V6,V5導(dǎo)通,VI,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

6、態(tài)*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IGBTZ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，對提高整個裝盍的運行效率，可霏性和安全性都有重要的意義。資料Word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2.55V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)動電路必須很可霏，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）用阻小的驅(qū)動源對

7、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IR21IO隼成驅(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，是中小功率變換裝中驅(qū)動器件的首選品種。驅(qū)動芯片IR21I0用于驅(qū)動半橋電路如圖

8、4所示。3.2電流檢測及過流保護電路資料Word當(dāng)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)S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SA828I的脈沖封鎖端（電平信號），那么SA828I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5IGBT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(dāng)IGBT沒有過電流時,C814的輸入電壓比較低

9、，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(dāng)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。資料Word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(dāng)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控制電路軟隈件設(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AT89C5I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

10、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)的隼成度 和可霏性，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：資料Word ,的引腳排列6SA8281圖SA8281連接團單片機與圖7資料Word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，

11、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。工作頻率圍寬，稽度高，三角載波頻率可調(diào)。工作方式靈活，在電路不變的情況下，i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?過改變輸出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。波形存儲在部ROM中,可以選擇可刪除的最小脈寬和死區(qū)時間。vn 1VIIVII f fECV14V

12、14 F F4.2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-5I系列完全兼容，且功能比一般的51系列芯片要強大許多。其部含 有】28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。資料Word正弦波發(fā)生器的原理圖如圖7所示，它以SA828I作為三相正弦波的發(fā)生芯片，單片機AT89C5I作為SA8281的控制芯片。SA828I將大部分外圍電路都隼成在芯片部，可以看出SA8281與微 處理器接口簡單，控制電

13、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，提高了可霏性。從整個電路來說，實現(xiàn)對SA828I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 定鍵號用的是查詢式,0#鍵按下轉(zhuǎn)入初始化子程序：附鍵按下轉(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(fù)用類的單片機，為了隔離潛在的噪音干擾，設(shè)畫輸出斷開引腳SETTRIP在通常情況下接地，同時設(shè)畫了開關(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

14、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。43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R0R2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。初始化奇存器用于設(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輸出答應(yīng)前），并且在電機工作時一般不答應(yīng)改變。資料Word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

15、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主程序主程序判定鍵號用的是查詢式：O#鍵按下轉(zhuǎn)入初始化子程序;】#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定鍵號環(huán)節(jié)。主程序流程圖如圖8所示：資料Word主程序流程圖圖8資料Word初始化子程序流程圖9 SA8281團初始化子程序4.3.2調(diào)包括載波頻率的設(shè)定、 在初始化子程序妾設(shè)定的是與電機和變頻器有 關(guān)的基本參數(shù)，調(diào)制波形選擇、幅值控制設(shè)定制波頻率圍設(shè)定、脈沖延遲時間設(shè)定、最小刪除脈 寬的設(shè)定、等。資料隊Sd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