基于單片機(jī)變頻調(diào)速器的設(shè)計研究

作者/王博、康德，成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；鄭智波，四川電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院

基于單片機(jī)變頻調(diào)速器的設(shè)計研究

作者/王博、康德，成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；鄭智波，四川電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中控制器是其核心，而單片機(jī)將被利用于其實現(xiàn)硬件配置和軟件設(shè)計當(dāng)中。本文通過講述變頻調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)容以及其硬件配置合格軟件設(shè)計來探討其單片機(jī)控制器的而設(shè)計。

單片機(jī)；變頻調(diào)速；控制器；設(shè)計

現(xiàn)代社會隨著電子和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速具備節(jié)能的功能同時還兼顧簡單、可靠的特點(diǎn)，使之在調(diào)速系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。最近幾年，以單機(jī)片為控制核心，并采用VVVF的控制原理實現(xiàn)變頻調(diào)速的控制器并在其性能方面有了極大的進(jìn)步[1]。

1.變頻調(diào)速系統(tǒng)

在各種高性能的電子器件隨著微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展的時候，交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)在電氣傳統(tǒng)領(lǐng)域占有極重要的地位，其中應(yīng)用范圍最廣、最有發(fā)展前景的就是變頻調(diào)速的裝置。他能代替直流調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)上進(jìn)行應(yīng)用是因為其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、節(jié)電效果明顯。

變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要組成是主回路、整流濾波、控制器和故障檢測等。

控制器是系統(tǒng)的核心部分，其產(chǎn)生的脈寬調(diào)制（PWM）波形，驅(qū)動主回路中的功率開關(guān)管，并輸出正弦三相交流電，從而達(dá)到電機(jī)在規(guī)定轉(zhuǎn)速內(nèi)運(yùn)行的目的[2]。

另外，在PWM的方式中，最基本的調(diào)制脈寬的方式之一就是正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）。正弦是對控制器輸出的脈沖寬度進(jìn)行規(guī)律變化的。簡單來說就是各個矩形脈沖波下的面積接近于正弦波下的面積，就使得逆變器的輸出電壓接近于正弦波。

2.控制器硬件設(shè)置

■2.1 變頻控制器

變頻控制器的輸出PWM波的頻率是由外控模擬的電壓或者鍵盤設(shè)定，其工作頻率范圍在2～120Hz，精度控制在0.5%；可隨意設(shè)定的數(shù)值曲線是電壓/頻率曲線以及頻率變化斜率，這是為了滿足各種電氣傳動裝置的需求，同時其還具有過載保護(hù)功能。若在檢測到短路、過壓等情況出現(xiàn)時，通過自動切斷電源來保護(hù)回路功率開關(guān)管和電動機(jī)免受損傷[3]。

■2.2 硬件配置

根據(jù)控制器實時處理精度和速度要求，系統(tǒng)選用MCS—8098準(zhǔn)十六位單片機(jī)作為主要控制部位，該芯片要擴(kuò)展少量外圍器件就可以控制完整的電路。

8098的ACH4端口的可以接外控輸入電壓，通過改變電壓調(diào)整變頻器輸出脈沖的頻率達(dá)到遙控的目的。三相交流電的產(chǎn)生是HS00～HS02段輸出的SPWM波。故障標(biāo)志是通過緩沖器輸入8098的HSI0～HSI3，再經(jīng)過CPU判斷后作停機(jī)處理[4]。 控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

3.控制器軟件設(shè)計

■3.1 軟件設(shè)計的變頻算法

變頻調(diào)速軟件采用的規(guī)則算法為：

①A相：τKA＝TC(1＋M·sinωt)/2

②B相：τKB＝TC[1＋Msin(ωt－120°)]/2

③C相：τKC＝TC[1＋Msin(ωt－240°)]/2

在上面的算式中，TC叫做采樣周期，就是載波脈沖周期，運(yùn)行頻率決定了它的大小，M也隨著運(yùn)行頻率耳邊，被稱作調(diào)制系數(shù)，他的變化規(guī)律由V/F曲線所確定的，其值要控制在1以內(nèi)[5]。

■3.2 軟件設(shè)計

按照變頻控制器所有的功能，將系統(tǒng)軟件設(shè)計成主控模塊、鍵盤中斷模塊、顯示模塊、軟件定時中斷和脈寬計算模塊、外控模塊及故障識別模塊這些獨(dú)立模塊。

在主控模塊中完成系統(tǒng)初始化之后，調(diào)用外控模塊，并輸入外控指令。程序從2080H單元開始執(zhí)行，若有鍵盤在電動機(jī)起動之前中斷，就要執(zhí)行相應(yīng)的服務(wù)程序，同時設(shè)置運(yùn)行的參數(shù)。反之，若主回路沒有出現(xiàn)任何故障，就進(jìn)入整成循環(huán)運(yùn)行的過程中。此外要求其在運(yùn)行過程中不斷響應(yīng)軟件定時中斷，并計算脈寬，向主回路輸出三相PWM波。

在完成PWM波的生成以及輸出任務(wù)的同時將軟件定時中斷模塊。在控制器中利用的是8098的高速輸出部件HS0來實現(xiàn)其功能。要想形成三相PWM波。需要設(shè)置每一項脈沖，并得出相應(yīng)的命令。除此之外，還要設(shè)置下一周期的起始和終止時間，在軟件中斷程序完成時會產(chǎn)生一波PWM波的輸出。由于HS0 是以定時器T1 為計時基準(zhǔn)的，因此脈沖的前后沿時刻是定時器的時間值的偏移量。

4.結(jié)語

綜上所述，文中采用了8098單片機(jī)存在的特點(diǎn)，將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單化，功能完善化，與此同時，除了完成PWM變頻控制，還能在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行故障檢測、自我保護(hù)等功能的實現(xiàn)。要進(jìn)一步推廣并應(yīng)用變頻調(diào)速系統(tǒng)，節(jié)約能源，還需要研制其性能的優(yōu)越性、輸出波形的高質(zhì)量、寬屏率范圍等等的變頻控制器。

＊ [1]汪義旺,宋佳,張波.基于SOC單片機(jī)的FFU風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制器[J].蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013,01:19—21.

＊ [2]岳連德.以單片機(jī)為主控制器的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用[J].變頻器世界,2005,06:45—48.

＊ [3]弓亞超,李慧.基于單片機(jī)的電動機(jī)變頻調(diào)速控制器設(shè)計[J].福建電腦,2006,03:157+159.

＊ [4]陳迎松,喬偉強(qiáng).變頻調(diào)速控制器的設(shè)計[J].電氣時代,2004,12:84—86.

＊ [5]肖乾湘.基于單片機(jī)的變頻調(diào)速電機(jī)設(shè)計思路研究[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),2014,08:96—97.