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

1.概述

在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中，隨著自關(guān)斷器件技術(shù)水平的不斷提高，脈寬調(diào)制技術(shù)（簡(jiǎn)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在井下風(fēng)機(jī)、水泵、造紙機(jī)等設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。將單片機(jī)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)速方案中的一些缺點(diǎn)，達(dá)到了提高控制精度的目的，其特點(diǎn)：

（1）采用單片機(jī)可以使絕大多數(shù)控制邏輯通過軟件實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了電路。

（2）單片機(jī)具有更強(qiáng)的邏輯功能，運(yùn)算速度快，精度高，有大容量的存儲(chǔ)單元，可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的控制。

（3）無零點(diǎn)漂移，控制精度高。

（4）可以提供人機(jī)界面，多機(jī)連網(wǎng)工作。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)變頻調(diào)速的最新研究成果及研究動(dòng)向，參閱大量的文獻(xiàn)、資料，本著先進(jìn)性與成熟性兼顧、標(biāo)準(zhǔn)化、可靠性、連續(xù)性、及時(shí)性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)了如圖1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(gè)電路分為三大部分：主回路、驅(qū)動(dòng)電路以及用單片機(jī)控制PWM產(chǎn)生器的控制電路，另外還有過流檢測(cè)和保護(hù)電路，這樣使得系統(tǒng)工作更穩(wěn)定、可靠。

2.系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì)

2.1整流濾波電路的設(shè)計(jì)

為了給逆變器提供一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，需要將電網(wǎng)輸入的交流電進(jìn)行整流。通常整流電路可分為可控整流和不可控整流?？煽卣骺梢允瓜到y(tǒng)的功率因數(shù)接近l，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(huì)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(jì)可靠的方案，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1。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(dòng)，電路簡(jiǎn)單、可靠，成本低，缺點(diǎn)就是紋波較大，需采用較大幅值的濾波電容。

2.2 三相逆變電路的設(shè)計(jì)

三相交流負(fù)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(gè)半橋組成。

圖3 三相逆變電路

圖4 IR2110驅(qū)動(dòng)半橋電路

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(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為 ，同一相（同一半橋）上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的時(shí)間依次相差 。這樣，在任一瞬間，將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通?？赡苁巧厦嬉粋€(gè)臂，下面兩個(gè)臂，也可能是上面兩個(gè)臂下面一個(gè)臂同時(shí)導(dǎo)通。因?yàn)槊看螕Q流都是在同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行的，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(gè)T/6:V1,V6,V5導(dǎo)通,V4,V3,V2截至;第2個(gè)T/6:Vl,V6,V2導(dǎo)通,V4,V3,V5截至;

第3個(gè)T/6:V1,V3,V2導(dǎo)通,V4,V6,V5截至;第4個(gè)T/6:V4,V3,V2導(dǎo)通,V1,V6,V5截至;

第5個(gè)T/6：V4,V3,V5導(dǎo)通,V1,V6,V2截至;第6個(gè)T/6:V4,V6,V5導(dǎo)通,V1,V3,V2截至。

3 驅(qū)動(dòng)電路及系統(tǒng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

作為功率開關(guān)器件，IGBT的工作狀態(tài)直接關(guān)系到整機(jī)的性能，所以選擇或設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動(dòng)電路顯得尤為重要。采用一個(gè)性能良好的驅(qū)動(dòng)電路，可使IGBT工作在比較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減小開關(guān)損耗，對(duì)提高整個(gè)裝置的運(yùn)行效率，可靠性和安全性都有重要的意義。

驅(qū)動(dòng)電路必須具備兩個(gè)功能：一是實(shí)現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動(dòng)IGBT柵極的電隔離;二是提供合適的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖[ 3]。

對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求，可歸納如下：

1）IGBT和MOSFET都是電壓驅(qū)動(dòng)，都具有一個(gè)2.5～5V值電壓，有一個(gè)容性輸入阻抗，因此IGBT對(duì)柵極電荷非常敏感，故驅(qū)動(dòng)電路必須很可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動(dòng)電路與IGBT的連線要盡量短。

2）用內(nèi)阻小的驅(qū)動(dòng)源對(duì)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(dòng)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(dòng)電路要能傳遞幾十kHz的脈沖信號(hào)。

4）在大電感負(fù)載下，IGBT的開關(guān)時(shí)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(dòng)電路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單實(shí)用，最好自身帶有對(duì)IGBT的保護(hù)功能，有較強(qiáng)的抗干擾能力。

本文采用美國(guó)IR公司推出的IR21lO集成驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)IGBT，它兼有體積小，速度快，電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，是中小功率變換裝置中驅(qū)動(dòng)器件的首選品種。

驅(qū)動(dòng)芯片IR2110用于驅(qū)動(dòng)半橋電路如圖4所示。

**3.2 電流檢測(cè)及過流保護(hù)電路**

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)置電流過流保護(hù)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(hào)再通過比較器比較，將過流信號(hào)檢測(cè)出來后，送到SA828l的脈沖封鎖端（電平信號(hào)），那么SA828l就會(huì)停止輸出PWM脈沖，以保護(hù)IGBT。IGBT的過電流保護(hù)電路如圖5所示。

圖5****IGBT的電流保護(hù)電路

其中運(yùn)放C814組成電壓跟隨器，其輸入來自電流互感器的輸出。兩個(gè)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(shí)，C814的輸入電壓比較低，窗口電壓比較器輸出高電平，因此EN信號(hào)為高電平，使IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)有效;反之，當(dāng)IGBT過電流時(shí)，EN信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，封鎖了IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)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。

過壓保護(hù)電路的原理與電流保護(hù)電路類似，另外在主電路上應(yīng)配裝一個(gè)10A的快速熔斷保險(xiǎn)，當(dāng)電路發(fā)生嚴(yán)重過流時(shí)，快速熔斷保險(xiǎn)燒斷切斷電網(wǎng)電源，盡可能的保證主電路的安全。

4.控制電路軟硬件設(shè)計(jì)

三相SPWM發(fā)生器是控制電路的核心部分。在本設(shè)計(jì)中，我們選用了AT89C51單片機(jī)控制英國(guó)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)的集成度和可靠性，利于降低成本。

4.1 SA8281的功能介紹

SA8281芯片是MITEL公司設(shè)計(jì)的專門為交流電機(jī)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]。

它可用于三相PWM波形產(chǎn)生的可編程微機(jī)外圍接口芯片，使用一組標(biāo)準(zhǔn)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(jiǎn)單，方便，快捷。

SA8281采用常用的對(duì)稱的雙邊緣采樣法產(chǎn)生全數(shù)字化PWM波形，無時(shí)漂，無溫漂，具有很高的精度和溫度穩(wěn)定性。

有6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平輸出，用來驅(qū)動(dòng)逆變器的6個(gè)功率開關(guān)器件。

工作頻率范圍寬，精度高，三角載波頻率可調(diào)。

工作方式靈活，在電路不變的情況下，直接通過軟件設(shè)定載波頻率、調(diào)制頻率、調(diào)制比、最小脈寬、死區(qū)時(shí)間等工作參數(shù)就可改變逆變器的性能指標(biāo)，驅(qū)動(dòng)不同負(fù)載或工作于不同工況。可通過改變輸出SPWM脈沖的相序?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過調(diào)制達(dá)到輸出頻率為OHz而給電機(jī)繞組通一直流電，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的“直流插入制動(dòng)”。

獨(dú)立閉鎖端可瞬時(shí)閉鎖輸出SPWM脈沖，可處理電機(jī)突發(fā)情況的發(fā)生。

波形存儲(chǔ)在內(nèi)部ROM中，可以選擇可刪除的最小脈寬和死區(qū)時(shí)間。

4.2 控制硬件電路的實(shí)現(xiàn)

控制電路部分采用的單片機(jī)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(qiáng)，與MCS一5l系列完全兼容，且功能比一般的51系列芯片要強(qiáng)大許多。其內(nèi)部含有128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]。

正弦波發(fā)生器的原理圖如圖7所示，它以SA828l作為三相正弦波的發(fā)生芯片，單片機(jī)AT89C51作為SA8281的控制芯片。SA828l將大部分外圍電路都集成在芯片內(nèi)部，可以看出SA8281與微處理器接口簡(jiǎn)單，控制電路非常簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，這樣做從另一方面來講對(duì)芯片工作的穩(wěn)定性有很大幫助，提高了可靠性。

從整個(gè)電路來說，實(shí)現(xiàn)對(duì)SA828l的控制是通過按鍵輸入相應(yīng)的信息。本電路的設(shè)計(jì)要對(duì)SA8281輸入初始化參數(shù)和控制參數(shù)，所以用到了三個(gè)按鍵0#鍵、1#鍵和2#鍵。在主程序中判定鍵號(hào)用的是查詢式,0#鍵按下轉(zhuǎn)入初始化子程序：l#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(jī)，為了隔離潛在的噪音干擾，設(shè)置輸出斷開引腳SETTRIP在通常情況下接地，同時(shí)設(shè)置了開關(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(shí)鐘CLK引腳接獨(dú)立的12M有源晶振為SA8281芯片提供一時(shí)鐘基準(zhǔn)用于控制與PWM有關(guān)的各時(shí)序。

4.3控制電路軟件設(shè)計(jì)

對(duì)SA8281芯片的控制是通過微處理器接口將相應(yīng)的參數(shù)送入芯片內(nèi)部?jī)?4位的寄存器R4、R3來實(shí)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(shí)寄存器R0～R2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。

初始化寄存器用于設(shè)定和電機(jī)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(jī)工作前就被初始化（例.在PWM輸出答應(yīng)前），并且在電機(jī)工作時(shí)一般不答應(yīng)改變。

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(jìn)一步控制電機(jī)的運(yùn)行，比如轉(zhuǎn)速、正/反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)和停止等。通常在電機(jī)工作時(shí)該寄存器內(nèi)容經(jīng)常被改寫以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。程序流程圖下面分別進(jìn)行說明：

4.3.1主程序

主程序判定鍵號(hào)用的是查詢式：

O#鍵按下轉(zhuǎn)入初始化子程序;1#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(shí)去抖動(dòng)的再次判定鍵號(hào)環(huán)節(jié)。主程序流程圖如圖6所示：

圖6主程序流程圖**

4.3.2初始化子程序

在初始化子程序要設(shè)定的是與電機(jī)和變頻器有關(guān)的基本參數(shù)，包括載波頻率的設(shè)定、調(diào)制波頻率范圍設(shè)定、脈沖延遲時(shí)間設(shè)定、最小刪除脈寬的設(shè)定、調(diào)制波形選擇、幅值控制設(shè)定等。

初始化寄存器的數(shù)據(jù)先以8位格式存入臨時(shí)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(jī)工作過程中不要改變。

SA8281初始化子程序流程如圖7所示：

圖7 SA8281初始化子程序流程圖

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(jì)算求得，方法：首先根據(jù)電機(jī)的U/F曲線得到調(diào)制波的頻率與幅值。