AT89S52的交流異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

董家璽，常甲興，王曉明

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，錦州121001）

引 言

目前交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備的動(dòng)力源或運(yùn)動(dòng)源，并起到節(jié)約電能、提高效率等良好效果。因此，交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代自動(dòng)控制專業(yè)技術(shù)人員必須掌握的知識。

1 交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理

根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可表示為：

式中：n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)；p為電動(dòng)機(jī)磁極對數(shù)；f為電源頻率；s為轉(zhuǎn)差率。由上式可知，影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的因素有：轉(zhuǎn)差率、磁極對數(shù)、電源頻率。其中，改變電源頻率來實(shí)現(xiàn)交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的方法是最理想的，這就是所謂的變頻調(diào)速。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)由兩部分組成，即控制電路和驅(qū)動(dòng)電路。控制電路以AT89S52為控制核心，配以三相SPWM信號發(fā)生和控制集成芯片SA4828。驅(qū)動(dòng)電路是以PS21564為核心的智能功率模塊（Intelligent Power Module，IPM）。硬件接口電路如圖1所示。

圖1 硬件接口電路

2.1 SA4828專用運(yùn)動(dòng)控制芯片

SA4828工作原理：來自AT89S52的數(shù)據(jù)通過總線控制和譯碼器進(jìn)入初始化寄存器或控制寄存器。它們對相控邏輯電路進(jìn)行控制。外部時(shí)鐘輸入經(jīng)分頻器分成設(shè)定的頻率，并生成三角形載波，三角形載波與所選定的片內(nèi)ROM中的調(diào)制波形進(jìn)行比較，自動(dòng)生成SPWM輸出脈沖。通過脈沖刪除電路，刪去比較窄的脈沖，因?yàn)檫@樣的脈沖不起任何作用，只會(huì)增加開關(guān)的損耗。通過脈沖延時(shí)電路生成死區(qū)，保證任何橋臂上的兩個(gè)開關(guān)不會(huì)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間短路?？撮T狗定時(shí)器用來防止程序的跑飛，當(dāng)時(shí)間條件滿足時(shí)快速封閉輸出，極大地減輕了單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。

片內(nèi)ROM存有三種可供選擇的波形，如圖2所示。分別為純正弦波形、增強(qiáng)型波形和高效型波形。每一種波形各1536個(gè)采樣值。增強(qiáng)型波形又稱三次諧波，它可以使輸出功率提高20%，三相諧波相互抵消，防止電動(dòng)機(jī)發(fā)熱。高效型波形又稱死區(qū)帶三次諧波，它是進(jìn)一步優(yōu)化的三次諧波，可以減少逆變開關(guān)的損耗，提高功率利用率。

圖2 片內(nèi)ROM存有的三種波形

SA4828主要具有以下特點(diǎn)：

①具有增強(qiáng)型微處理器接口，可與更多的單片機(jī)兼容；

② 將調(diào)制波頻率的分辨率提高到16位；

③ 由于采用了可由用戶選擇的三相幅值獨(dú)立控制方式，因而使得三相逆變可用于任意不對稱負(fù)載；

④ 有三種可供選擇的輸出波形，適用于多種應(yīng)用場合；

⑤ 可提供軟件復(fù)位功能；

⑥內(nèi)置看門狗定時(shí)器以加強(qiáng)監(jiān)控，從而提高了可靠性。

2.2 智能功率模塊PS21564

PS21564采用第5代IGBT技術(shù)，6單元三相輸出結(jié)構(gòu)如圖3所示，內(nèi)置優(yōu)化后的柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)和保護(hù)電路，以超小型的體積，輸出功率強(qiáng)勁的三相波。圖中U、V和W為逆變橋的輸出，它們?yōu)橄嗖?20°來自SA4828的高壓SPWM波。逆變橋由兩組（3個(gè)上橋臂IGBT，3個(gè)下橋臂IGBT）構(gòu)成，每一時(shí)刻總有3只逆變管導(dǎo)通，另外3只逆變管關(guān)斷，并且上下橋臂的3對一一對應(yīng)，逆變管不能同時(shí)導(dǎo)通。PS21564具有短路、欠壓、過熱保護(hù)功能，一旦發(fā)生故障，內(nèi)部的6個(gè)逆變管就會(huì)同時(shí)關(guān)斷，同時(shí)發(fā)出故障信號到主控制器單片機(jī)，單片機(jī)控制SA4828停止發(fā)送SPWM波，并向保護(hù)中斷引腳發(fā)出中斷請求。

圖3 PS21564的6單元三相輸出結(jié)構(gòu)圖

2.3 光耦隔離

由于SA4828數(shù)據(jù)處理器輸出的是高速PWM脈沖信號，且智能功率模塊PS21564對SPWM脈沖的規(guī)則性要求很高，需要反應(yīng)速度較快的光耦，普通的P521光耦無法滿足速度要求，故設(shè)計(jì)中采用的是一款專用的IPM驅(qū)動(dòng)芯片HCPL4504。HCPL4504是美國安捷倫公司專為IPM等功率器件設(shè)計(jì)的高速光電隔離接口芯片，瞬間共模比為15kV／μs，內(nèi)部集成高靈敏度光傳感器，可以準(zhǔn)確、快速地反映信號變化狀況。

同時(shí)，為了防止SA4828數(shù)據(jù)處理器和智能功率模塊PS21564的相互影響以及高壓輸出的人身危險(xiǎn)，建議使用HCPL4504的光耦隔離。圖4所示為IPM的上橋臂隔離。圖5所示為IPM的下橋臂隔離。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)將數(shù)據(jù)送入SA4828芯片內(nèi)的兩個(gè)寄存器（初始化寄存器和控制寄存器）。初始化寄存器用于設(shè)定與交流電動(dòng)機(jī)有關(guān)的基本參數(shù)，這些參數(shù)要在SPWM輸出端允許輸出前設(shè)定，系統(tǒng)工作以后不允許改變。

圖4 IPM上橋臂輸入電路圖

圖5 IPM下橋臂輸入電路圖

3.1 主程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)首先初始化SA4828，打開中斷系統(tǒng)。傳送控制參數(shù)后，若SA4828允許輸出，則單片機(jī)向其發(fā)出SPWM的控制信號，驅(qū)動(dòng)及隔離電路開始工作。在運(yùn)動(dòng)過程中，單片機(jī)不斷地處理反饋信號，及時(shí)地對SPWM波進(jìn)行調(diào)整，來滿足系統(tǒng)的需要，如圖6所示。

3.2 調(diào)速子程序

SA4828寄存器列陣包含8個(gè)8位寄存器R0～R5和R14、R15。其中，R0～R5用來暫存來自單片機(jī)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可能是初始化數(shù)據(jù)，或者是控制數(shù)據(jù)；而R14、R15是2個(gè)虛擬寄存器，物理上不存在。當(dāng)向R14寫操作時(shí)，實(shí)際是將R0～R5中存放的48位數(shù)據(jù)送入初始化寄存器。當(dāng)向R15寫操作時(shí)，是將R0～R5中存放的48位數(shù)據(jù)送入控制寄存器，如表1所列?？刂萍拇嫫髟诠ぷ鬟^程中控制輸出脈寬調(diào)制波的狀態(tài)，從而進(jìn)一步控制交流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。通常在工作時(shí)，該寄存器的內(nèi)容常被改寫，以實(shí)現(xiàn)對交流電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行控制。調(diào)速子程序如圖7所示。

表1 各寄存器地址

圖6 系統(tǒng)主程序流程

圖7 調(diào)速子程序

3.3 中斷子程序

中斷處理程序針對都是需要立即處理的情況和突發(fā)事件，例如過流、欠壓、外部故障等情況。一旦故障發(fā)生，SA4828的SETTRIP端口就會(huì)立即啟動(dòng)故障保護(hù)程序，封鎖SPWM波的發(fā)送，同時(shí)將TRIP端口置0并且向單片機(jī)發(fā)出開中斷申請。中斷保護(hù)子程序如圖8所示。

圖8 中斷子程序

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

上電后，系統(tǒng)運(yùn)行頻率為10Hz時(shí)SPWM波形如圖9所示。系統(tǒng)運(yùn)行頻率為45Hz時(shí)，SPWM波形如圖10所示。

圖9 10Hz時(shí)SPWM的波形

圖10 45Hz時(shí)SPWM的波形

結(jié) 語

該系統(tǒng)具有成本低廉、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)還有良好的抗干擾能力，對電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用也具有指導(dǎo)意義。

［1］王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［2］王曉明.電動(dòng)機(jī)的DSP控制——TI公司的DSP應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

［3］王曉明.電動(dòng)機(jī)的ADSP控制——ADI公司 ADSP應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.