基于單片機(jī)控制的交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

丁古祥

上海交通大學(xué)

摘要：基于單片機(jī)控制的交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)際上通過(guò)利用單片機(jī)的控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，是一種廉價(jià)的控制方式。重點(diǎn)介紹了該設(shè)計(jì)給出的系統(tǒng)的總體規(guī)劃，控制策略和硬件，軟件，數(shù)據(jù)計(jì)算，該產(chǎn)品類型選擇的原則和程序代碼實(shí)現(xiàn)。并簡(jiǎn)要介紹了一些相關(guān)理論基礎(chǔ)，同時(shí)指出了調(diào)速系統(tǒng)有待于進(jìn)一步完善發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；電動(dòng)機(jī)；變頻調(diào)速；C8051

1引言：

電動(dòng)機(jī)作為主要的動(dòng)力設(shè)備被廣泛的應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、科技、日常生活等各個(gè)方面，成為用電量最多的電氣設(shè)備。根據(jù)采用的電流制式不同，電動(dòng)機(jī)分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩大類，其中交流電動(dòng)機(jī)形式多樣、用途各異、擁有量最多，交流電動(dòng)機(jī)又分為同步電動(dòng)機(jī)和異步（感應(yīng)）電動(dòng)機(jī)兩大類。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，交流電動(dòng)機(jī)用電量占電機(jī)總用電量的85%左右，可見(jiàn)交流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的廣泛性及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要地位。

2 C8051單片機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)控制的支持

為了使用單片機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，對(duì)現(xiàn)代單片機(jī)的要求是：具有足夠快的速度；有PWM口，用于自動(dòng)產(chǎn)生PWM波；有捕捉功能，用于測(cè)頻；有A/D轉(zhuǎn)換器，用來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，輸出電壓和電流的模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；有各種同步串行接口，足夠的內(nèi)部ROM和RAM，以減少控制系統(tǒng)物理尺寸；有看門(mén)狗和電源管理功能等。

2.1 C8051單片機(jī)用于控制電動(dòng)機(jī)時(shí)的輸入/輸出端口設(shè)置

C8051的I/O引腳有2種用途：作為標(biāo)準(zhǔn)的I/O引腳和作為第二功能引腳。與其他單片機(jī)不同，C8051并不指定固定的引腳作為第二功能引腳，而是通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)由用戶設(shè)定。

1 交叉開(kāi)關(guān)的使用

在I/O口P0，P1，P2與內(nèi)部資源之間是使用交叉開(kāi)關(guān)進(jìn)行連接的。當(dāng)需要將某些內(nèi)部資源與I/O引腳相連接時(shí)，必須通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)控制寄存器XBR0，XBR1，XBR2進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置交叉開(kāi)關(guān)控制寄存器XBR0，XBR1，XBR2的作用是：確定被選擇的資源。

2 I/O口初始化

首先，通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)控制寄存器XBR0，XBR1，XBR2將所需的資源分配給端口引腳，并在XBR2中將交叉開(kāi)關(guān)設(shè)置為允許。

所有的I/O端口都耐5V電壓輸入。

I/O引腳的輸出驅(qū)動(dòng)器特性是用端口配置寄存器PRT0CF，PRT1CF，PRT2CF和PRT3CF定義的。它們分別相應(yīng)的控制P0口，P1口，P2口和P3口的輸出方式設(shè)置。每個(gè)端口輸出器都可以通過(guò)端口配置寄存器被設(shè)置為漏極開(kāi)路方式或推挽方式，即使對(duì)于已在交叉開(kāi)關(guān)XBRn寄存器中分配了的引腳也需要定義，而不是自動(dòng)定義的。當(dāng)PRTnCF寄存器中相應(yīng)的引腳位設(shè)置為0時(shí)，這些引腳的輸出驅(qū)動(dòng)為漏極開(kāi)路方式；設(shè)置為1時(shí)，則為推挽方式。只有SMBus的SDA和SCL以及UART在方式0時(shí)的RX所分配的引腳與PRTnCF的設(shè)置無(wú)關(guān)。

為了將一個(gè)通用I/O引腳配置為輸入，與這一引腳相關(guān)的PRTnCF端口配置寄存器位必須被清0.另外，與該引腳相關(guān)的端口位必須置1，這樣使該引腳處于高組態(tài)；獲將XBR2中的WEAKUPD位清0，若上拉為高電平，這是端口引腳的復(fù)位配置。

當(dāng)XBR2中的WEAKUPD位設(shè)置為0時(shí)，被設(shè)置為漏極開(kāi)路輸出方式的所有端口I/O都被允許為弱上拉。WEAKUPD位不影響推挽輸出方式的端口I/O。另外，輸出經(jīng)常為0的漏極開(kāi)路引腳的弱上拉應(yīng)該關(guān)閉，以免造成不必要的功耗。

2.2電動(dòng)機(jī)控制中A/D轉(zhuǎn)換在C8051中的實(shí)現(xiàn)

在電動(dòng)機(jī)的控制過(guò)程中，常需要將一些過(guò)程信號(hào)送回單片機(jī)進(jìn)行處理，如輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)，輸出電壓信號(hào)，輸出電流信號(hào)等。因?yàn)閱纹瑱C(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，如果電動(dòng)機(jī)的這些過(guò)程信號(hào)是模擬量，必須先進(jìn)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換所得到的數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)處理。所以A/D轉(zhuǎn)換在電動(dòng)機(jī)控制中常常是不可缺少的。

3 單片機(jī)控制交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速應(yīng)用

由SA4828構(gòu)成的變頻調(diào)速系統(tǒng)如下圖3.1所示。首先由鍵盤(pán)輸入給定的轉(zhuǎn)速nO（rpm），單片機(jī)把它換算成變頻器將要輸出的頻率和電壓的控制字，寫(xiě)入到SA4828的控制寄存器，啟動(dòng)SA4828。從RTBB的6個(gè)引腳輸出相應(yīng)頻率和電壓的SPWM控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離后，分別控制智能功率模塊IPM的6個(gè)IGBT的導(dǎo)通與截止，最后在三個(gè)輸出端上產(chǎn)生對(duì)稱的三相SPWM電壓，以驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。利用轉(zhuǎn)速編碼器可以構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，提高轉(zhuǎn)速控制的精度。IPM的故障檢測(cè)信號(hào)接到SA4828的SET TRIP端，一旦IPM發(fā)生過(guò)流、過(guò)熱、短路和欠壓等情況，將立即切斷SA4828的6路輸出信號(hào)，使IPM得以保護(hù)。

圖3.1 7單元

3.1智能功率模塊——IPM

目前已有許多廠商把該電路與整流電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路及傳感電路等集成為一個(gè)模塊，稱為智能功率模塊——IPM（Intelligent Power Module）這樣使主電路結(jié)構(gòu)緊湊，避免了分布參數(shù)的影響。

（1）IPM的特點(diǎn)

① 內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電路，設(shè)定最佳IGBT驅(qū)動(dòng)條件；

② 內(nèi)含過(guò)流、過(guò)熱、欠壓、短路保護(hù)電路，出現(xiàn)異常時(shí)給出報(bào)警信號(hào)，以控制逆變器停止工作；

③ 內(nèi)含制動(dòng)電路，可直接外接制動(dòng)電阻RB；

（2）IPM的選用

IPM的參數(shù)由電動(dòng)機(jī)的額定功率PO及峰值電流I P來(lái)確定。例如，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的線電壓為U = 220V，輸出功率PO=2.2kW，功率因數(shù)Cosφ=0.75，效率η=0.8時(shí)，峰值電壓UP=√2 U =310V，峰值電流I P=√2PO /（√3 UCosφη）= 13.8A，可選用東芝、三菱、富士的產(chǎn)品，規(guī)格為600V/30A，7單元IPM。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路

SA4828輸出的6路控制信號(hào)是TTL電平的，它們不能直接驅(qū)動(dòng)IPM中的6個(gè)IGBT。原因有兩個(gè)：①IGBT需要的開(kāi)關(guān)信號(hào)幅值約為±10V，TTL電平不能勝任；②逆變橋中三個(gè)下橋臂是共地的，而三個(gè)上橋臂是懸浮的，SA4828輸出的6路信號(hào)均是共地的，必須加以隔離。因此驅(qū)動(dòng)電路的任務(wù)有兩個(gè)：電平轉(zhuǎn)換和隔離。

IGBT一般用集成電路芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)，常用電路有富士公司的EXB840、841、850、851系列；三菱公司的M5796系列，以上各電路在很多書(shū)籍中都有介紹，不再贅述。這里介紹一種東芝公司的產(chǎn)品TLP250，電路非常簡(jiǎn)單。

TLP250采用8腳的DIP封裝，引腳如圖3.3。輸入端光耦的隔離電壓達(dá)到3000V，輸入電流為5～10mA，可以驅(qū)動(dòng)100A/600V的IGBT。它采用單電源供電，使用時(shí)須外接一個(gè)電阻和一個(gè)10V的穩(wěn)壓管，把25V的隔離電源變?yōu)?15V的導(dǎo)通電壓和-10V的關(guān)斷電壓。

圖3.3 TLP250驅(qū)動(dòng)

3.3 隔離電源

如前所述，為了驅(qū)動(dòng)主電路逆變橋的三個(gè)上橋臂的IGBT，必須給每一路提供一個(gè)隔離的25V電源而三個(gè)下橋臂可以共用一個(gè)電源。此外，SA4828及單片機(jī)系統(tǒng)還需要+5V電源以及異步通訊所需的±12V電源，一共需要7路電源，如圖3.4所示。