基于单片控制的交流调速设计毕业设计.docx

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基于单片控制的交流调速设计毕业设计

基于单片控制的交流调速设计

学生：

XX指导教师：

XX

内容摘要：

本文介绍了一种利用专用集成电路SA4828设计电机变频调速的方法。

系统主要包括主电路与控制电路，主电路采用IPM智能功率模块作为电机的控制。

控制电路由MCS-51系列的8051单片机最小系统和SA4828三相SPWM产生器及少量的扩展外围芯片构成，充分发挥其控制电路简单、控制方式灵活、输出波形优点多的特点，结合相应的软件，实现电机的调速要求。

其中主要内容包括：

SA4828的特性介绍及变频系统的主电路、驱动电路、保护电路、速度检测、调速系统及软件编程设计方法。

所设计的系统实现了变频调速的全数字化控制，实时性好，可靠性高。

关键词：

单片机SA4828变频调速SPWM电动机

TheDesignofMotorVVVFSystemBasedOnMCU

Abstract:

ThisarticledescribesauseofSA4828ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）designmotorVVVFsystem.Thesystemincludesthemaincircuitandcontrolcircuit,maincircuitusedastheIntelligentPowerModuleIPMmotorcontrol.ThecontrolcircuitisconstitutedbytheMCS-51seriesof8051systems、three-phaseSPWMgeneratorSA4828andtheexpansionofasmallnumberofperipheralchips.Givefullplaytoitscontrolcircuitissimple,flexiblecontrol,theadvantagesofmulti-outputwaveformcharacteristics,combinedwithappropriatesoftware,toachievethespeedrequirementsofmotorcontrol.Thesystemhasall-digitalVVVFcontrol,real-time,andhighreliability.

Keywords:

MCS-51SA4828VVVFSPWMMotor-Control

基于单片控制的交流调速设计

前言

对于可调速的电力拖动系统，工程上往往根据电动机电流形式分为直流调速系统和交流调速系统两类。

它们最大的不同之处主要在于交流电力拖动免除了改变直流电机电流流向变化的整流子。

大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。

在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。

交流变频调速的优异特性：

调速时平滑性好，效率高。

低速时，特性静关率较高，相对稳定性好；调速范围较大，精度高；起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显；变频器体积小，便于安装、调试、维修简便，易于实现过程自动化；在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。

本文主要内容是研究采用单片机89C51与SA4828芯片组成SPWM波发生电路，并结合智能功率模块IPM，通过软件编程控制电动机变频调速。

1概述

1.1电动机调速系统的发展

据资料显示，现在有90%以上的动力来源来自电动机。

我国生产的电能60%用于电动机，电动机与人们的生活息息相关，密不可分，所以要对电动机的调速有足够的重视。

我们都知道，动力和运动是可以相互转化的，从这个意义上说电动机也是最常见的运动源，对运动控制的最有效方式是对运动源的控制。

因此，常常通过对电动机的控制来实现运动控制。

对电动机的控制可以分为简单控制和复杂控制两大类。

简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。

这类控制可以通过继电器，可编程器件和开关元件来实现。

复杂控制是指对电动机的转速，转角，转距，电压，电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。

以前，对电动机的简单控制的应用较多，但是，随着现代化步伐的前进，人们对自动化的需求也越来越高，使电动机的复杂控制逐渐成为主流，其应用领域极为广泛。

在军事和雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳的控制等。

工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，绕线机，泵和压缩机，轧机主传动等设备的控制。

计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，绘图仪，打印机，复印机等的控制；音像设备和家用电器中的录音机，数码相机，洗衣机，冰箱空调，电扇等的控制，我们统统称其为电动机的控制。

随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，这使得全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。

目前适于交流传动系统的微处理器有单片机、数字信号处理器（DigitalSignalProcessor——DSP）、专用集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit——ASIC）等。

其中，高性能的计算机结构形式采用超高速缓冲储存器、多总线结构、流水线结构和多处理器结构等。

核心控制算法的实时完成、功率器件驱动信号的产生以及系统的监控、保护功能都可以通过微处理器实现，为交流传动系统的控制提供很大的灵活性，且控制器的硬件电路标准化程度高，成本低，使得微处理器组成全数字化控制系统达到了较高的性能价格比。

1.2交流调速系统

20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。

交流调速控制作为对电动机控制的一种手段。

作用相当明显，就交流调速系统目前的发展水平而言，可概括的如下：

●已从中容量等级发展到了大容量、特大容量等级。

并解决了交流调速的性能指标问题，填补了直流调速系统在特大容量调速的空白。

●可以使交流调速系统具有高的可靠性和长期的连续运行能力，从而满足有些场合不停机检修的要求或对可靠性的特殊要求。

●可以使交流调速系统实现高性能、高精度的转速控制。

除了控制部分可以得到和直流调速控制同样良好的性能外，异步电动机本身固有的优点，又使整个系统得到更好的动态性能。

采用数字锁相控制的异步电动机变频调速系统，调速精度可以达到0.002%。

在交流调速技术中，交流电动机的调速方法有三种：

变极调速、改变转差率调速和变频调速。

其中变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。

交流变频调速的优异特性：

Ø调速时平滑性好，效率高。

低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。

Ø调速范围较大，精度高。

Ø起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。

Ø变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。

Ø易于实现过程自动化。

Ø必须有专用的变频电源，目前造价较高。

Ø在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。

1.3单片机控制的变频调速

微处理器（单片机）取代模拟电路作为电动机的控制器，具有如下特点：

Ø使电路更简单。

模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路更复杂，采用微处理器后，绝大多数控制逻辑可通过软件来实现。

Ø可以实现较为复杂的控制。

微处理器具有更强的逻辑功能，运算速度快，精度高，有大容量的存储单元。

因此，有能力实现复杂的控制。

Ø灵活性和适应性。

微处理器的控制方式是有软件来实现的，如果需要修改控制规律，一般不必改变系统的硬件电路，只须修改程序即可，在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便。

Ø无零点漂移，控制精度高数字控制不会出现模拟电路中经常遇见的零点漂移问题，无论被控量是大还是小，都可以保证足够的控制精度。

Ø可以提供人机界面，多机连网工作。

用工业控制计算机可谓功能强大，它有极高的速度，很强的运算能力和接口功能，方便的软件功能，但是由于成本高，体积过大，所以只用于大型的控制系统。

可编程控制器则恰好相反，它只能完成逻辑判断、定时、记数和简单的运算，由于功能太弱，所以它只能用于简单的电动机控制。

在民用生产中，通常用介于工控机和可编程控制器之间的单片机作为微处理器。

本次设计就是用单片机作为电动机的控制器。

2电机变频调速系统

2.1变频调速原理

变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。

变频可以调速这个概念，可以说是交流电动机“与生俱来”的。

同步电动机不消说，即使是异步电动机，其转速也是取决于同步转速（即旋转磁场的转速）的：

（2.1.1）

式中：

——电动机的转速，m/min

——电动机的同步转速，r/min

——电动机的转差率s=（n1-n/）=△n/n1

而同步转速则主要取决于频率

（2.1.2）

式中：

——输入频率，Hz

——电动机的磁极对数

由式（2.1.1）与式（2.1.2）可知变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：

（2.1.3）

由上式可知，在电动机磁极对数不变的情况下，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。

2.2单片机控制的变频调速系统

2.2.1系统框图

图2.2.1-1电动机变频调速系统框图

2.2.2硬件系统原理图

图2.2.2-1单片机与SA4828控制的变频系统原理图

该硬件系统主要包括主电路与控制电路两个部分，其中主电路包括交-直-交变频电路（本设计采用IPM集成模块）与电动机；控制电路包括89C51主控制模块、SA4825产生SPWM波模块、驱动模块以及外围设备模块（如键盘输入、液晶显示、A/D模数转换以及串口等）。

以CPU为核心，配以键盘、显示、通讯等设备，完成对交流电动机的速度控制。

3系统主要模块设计

3.1IPM模块

IPM（IntelligentPowerModule），即智能功率模块，不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起。

而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU。

它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。

即使发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM自身不受损坏。

IPM一般使用IGBT作为功率开关元件，内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。

IPM以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源，是变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服驱动、变频家电的一种非常理想的电力电子器件。

3.1.1IPM的结构

由高速、低功率的IGBT芯片和优选的门级驱动及保护电路构成，其中，IGBT是GTR和MOSFET的复合，由MOSFET驱动GTR，因而IGBT具有两者的优点。

IPM根据内部功率电路配置的不同可分为四类：

H型（内部封装一个IGBT）、D型（内部封装两个IGBT）、C型（内部封装六个IGBT）和R型（内部封装七个IGBT）。

小功率的IPM使用多层环氧绝缘系统，中大功率的IPM使用陶瓷绝缘。

3.1.2IPM内部功能机制

IPM内置的驱动和保护电路使系统硬件电路简单、可靠，缩短了系统开发时间，也提高了故障下的自保护能力。

与普通的IGBT模块相比，PM在系统性能及可靠性方面都有进一步的提高。

保护电路可以实现控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护。

各种保护功能具体如下：

Ø控制电压欠压保护（UV）：

PM使用单一的+15V供电，若供电电压低于12.5V，且时间超过toff＝10ms，发生欠压保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。

Ø过温保护（OT）：

在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当IPM温度传感器测出其基板的温度超过温度值时，发生过温保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。

Ø过流保护（OC）：

若流过IGBT的电流值超过过流动作电流，且时间超过toff，则发生过流保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。

为避免发生过大的di/dt，大多数IPM采用两级关断模式。

其中，VG为内部门极驱动电压，ISC为短路电流值，IOC为过流电流值，IC为集电极电流，IFO为故障输出电流。

Ø短路保护（SC）：

若负载发生短路或控制系统故障导致短路，流过IGBT的电流值超过短路动作电流，则立刻发生短路保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。

跟过流保护一样，为避免发生过大的di/dt，大多数IPM采用两级关断模式。

为缩短过流保护的电流检测和故障动作间的响应时间，IPM内部使用实时电流控制电路（RTC），使响应时间小于100ns，从而有效抑制了电流和功率峰值，提高了保护效果。

当IPM发生UV、OC、OT、SC中任一故障时，其故障输出信号持续时间FO为1．8ms（SC持续时间会长一些），此时间内IPM会封锁门极驱动，关断IPM;故障输出信号持续时间结束后，IPM内部自动复位，门极驱动通道开放。

 可以看出，器件自身产生的故障信号是非保持性的，如果FO结束后故障源仍旧没有排除，IPM就会重复自动保护的过程，反复动作。

过流、短路、过热保护动作都是非常恶劣的运行状况，应避免其反复动作，因此仅靠IPM内部保护电路还不能完全实现器件的自我保护。

要使系统真正安全、可靠运行，需要辅助的外围保护电路。

3.289C51主控制模块

89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

3.2.1主要特性

Ø4K字节可编程闪烁存储器

Ø寿命：

1000写/擦循环

Ø数据保留时间：

10年

Ø全静态工作：

0Hz-24Hz

Ø三级程序存储器锁定

Ø128*8位内部RAM

Ø32可编程I/O线

Ø两个16位定时器/计数器

Ø5个中断源

Ø可编程串行通道

Ø低功耗的闲置和掉电模式

Ø片内振荡器和时钟电路

3.2.2振荡器特性

　　XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

3.3SPWM波发生模块

是英国MITEL公司研制出的一种专门用于三相SPWM信号发生和控制的集成电路芯片。

它采用28引脚，分DIP和SOIC两种封装。

它可以和大部分的单片机连接，也可以单独使用。

芯片的主要特性是：

全数字控制；兼容Intel和Motorola系列的单片机；载波频率最高可达24kHz；输出调制波频率范围为0～4kHz；16位调速分辨率；8位调压分辨率；内部ROM固化3种可选波形；可设定死区时间和删除最小脉宽；可实现正反转控制；可以单独设定各相的输出电压幅值以适应不平衡负载；有看门狗定时器。

3.4SA4828的引脚功能

它有14个输入端、3个控制端、9个输出端、2个电源端，其主要端子的功能和接法如下：

AD0～AD7：

地址或数据通道，其功能是将单片机输出指令或数据送入SA4828。

SETTRIP：

通过该引脚，可以快速关断全部SPWM信号输出，当其有效时，TRIP端输出高电平，指示灯亮。

RST：

为硬件复位引脚，低电平有效，复位后，寄存器的INH、CR、WTE和RST各位为0。

CLK：

时钟输入端，SA4828既可以单独外接时钟，也可以与单片机共用时钟；

MUX：

用于总线选择。

当MUX高电平时，使用地址与数据共用的总线，这时，地址/数据引脚RS不用；当MUX低电平时，使用地址与数据分开的总线，这时，地址锁存引脚ALE接低电平，RS引脚要与一条地址线相连，来区分输入的字节是地址（低电平），还是数据（高电平），通常先地址后数据。

CS：

片选引脚，与微机系统的输出端相连。

WR、RD、ALE：

用于“RD/WR”模式，分别接受写、读、地址锁存指令。

RPHB、YPHB、BPHB：

这些引脚通过驱动电路控制逆变桥的R、Y、B相的下臂开关管；

RPHT、YPHT、BPHT：

这些引脚通过驱动电路控制逆变桥的R、Y、B相的上臂开关管；它们都是标准的TTL输出，每一个输出都有12mA的驱动能力，可直接驱动6个EXB840快速型IGBT专用驱动模块。

TRIP：

该引脚输出一个锁存状态，当SETTRIP有效时，TRIP为低电平，表示输出已被封锁。

它有12mA的驱动能力，可直接驱动一个LED指示灯；

ZPPR：

该引脚输出调制波频率；

WSS：

该引脚输出采样波形。

3.5其他模块简介

通过单片机与外围设备的连接与通信，使得电动机变频控制系统更加完善。

其中外围设备包括串口（与PC机等进行通信）、键盘输入以及液晶显示等。

3.5.1串口通信

单片机与PC机的通信能够让控制系统实现实时监测并进行相应的控制，使控制系统更加智能化、自动化。

目前，大部分计算机的串口都采用RS-232C通信接口的DB9连接器，如右图所示。

RS-232C规定的逻辑电平与一般微处理器、单片机的逻辑电平是不同的。

RS-232的逻辑“1”是以-3～-15V来表示的，而单片机的逻辑“1”是以+5V来表示的，两者完全不同。

因此，单片机系统要和电脑的RS-232接口进行通信，就必须把单片机的信号电平（TTL电平）转换成计算机的RS-232C电平，或者把计算机的RS-232C电平转换成单片机的TTL电平。

实现这种转换的方法可以使用分立元件，也可以使用专用RS-232电平转换芯片。

目前较为广泛地使用专用电平转换芯片，如MC1488、MC1489、MAX232等电平转换芯片来实现EIA到TTL电平的转换。

3.5.2驱动模块

SA4828输出的6路控制信号是TTL电平的，它们不能直接驱动IPM中的6个IGBT。

原因有两个：

①IGBT需要的开关信号幅值约为±10V，TTL电平不能胜任；②逆变桥中三个下桥臂是共地的，而三个上桥臂是悬浮的，SA4828输出的6路信号均是共地的，必须加以隔离。

因此驱动电路的任务有两个：

电平转换和隔离。

3.5.3保护电路

逆变器中的IGBT模块是变频器的主要部件，也是最昂贵的部件。

由于它工作在高频、高压、大电流的状态，所以也是最容易损坏的部件。

因此IGBT模块的保护工作显得十分重要。

为此应做到以下几点：

Ø选用智能型IGBT模块。

IPM中一般都有过流、过热、短路、欠压保护电路，当任一情况发生时它能迅速给出报警信号。

把该信号接到SA4828的SETTRIP端，可立即切断SA4828的6路控制信号，关闭所有的IGBT。

Ø对SA4828编程时，设置合理的“死区”时间和欲删除的“窄脉冲”的宽度，前者可有效防止同一桥臂上、下开关元件的共态导通；后者可降低开关损耗，减少发热。

Ø在单片机的调速过程中始终监视变频器输出端的电压和电流，一旦超限将停止SA4828的工作并发出报警指示。

在IPM应用中，由于高频开关过程和功率回路寄生电感等叠加产生的di／dt、dv／dt和瞬时功耗会对器件产生较大的冲击，易损坏器件．因此需设置缓冲电路（即吸收电路），目的是改变器件的开关轨迹，控制各种瞬态过压，降低器件开关损耗．保护器件安全运行。

图3.5.3-1常用的IPM缓冲电路

3.5.4A/D模数转换模块

该模块主要是将对主电路进行的实时检测的模拟信号转换为数字信号，而后传送给单片机控制系统，实现系统的实时监测。

常见的A/D转换器有计数式A/D转换器，双积分式A/D转换器，逐次逼近式A/D转换器，并行直接比较式A/D转换器，V/F式A/D转换器等。

本系统需处理多路模拟信号，故采用ADC0809A/D转换模块，它采用逐次逼近的方法完成A/D转换；其片内带有锁存功能的8路模拟开关，可对8路0～5V的输入模拟电压信号进行转换,完成一次转换约需100μs。

其输出具有TTL三态锁存缓冲器,可直接与单片机通信。

3.5.5速度反馈

采用转速编码器对电动机进行测速，可以构成闭环调速系统。

转速编码器的主要有两种，一种是增量型，另一种是绝对型。

增量型的特征是只有在旋转期间会输出对应旋转角度脉冲，停止是不会输出。

绝对型的的特征是不论是否旋转，可以将对应旋转角度进行平行输出的类型，不需要计数器可确认旋转位置；它还有不受机械的晃动或震动以及开关等电器干扰的功能。

在选择使用时，可参考以下几点：

包括分辨率、外形尺寸、轴负荷及机械寿命、输出频率、环境、轴旋转力矩、输出回路等等。

4系统软件设计

软件设计是整个逆变控制的核心，它决定着逆变器的输出特性。

该系统软件设计由三部分组成：

主程序、初始化程序和中断服务子程序。

主程序是整个控制系统的核心，图4-1给出了本系统的主程序流程图。

单片机首先初始SA4828，打开中断系统。

传送控制参数后，判断SA4828有没有保护动作，允许输出，则开始输出SPWM控制信号，逆变器开始工作。

工作过程中，单片机不断的处理检测反馈回来的信号，控制SA4828调整输出的SPWM控制信号，控制系统的输出状态，以满足系统的性能要求。

在系统正常工作过程中，不断更新看门狗定时器。

防止其溢出而中断SPWM控制信号的输出。

图4-1系统主程序流程图

初始化子程序：

它实现键盘处理、刷新处理与下位机和其它程序主要完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等，其流程图如图4-2所示。

图4-2初始化子程序流程图

故障保护中断子程序：

中断程序处理的都是需要立即处理的故障，比如过压、欠压、IGBT故障等。

这些故障信号通过或门连接到SA4828的SETTRIP端上，只要有一个故障发生，就会使SETTRIP端为高电平，启动SA4828内部的故障保护动作，瞬时封锁SPWM脉冲输出，同时拉低TRIP端电平，向单片机发中断申请，其流程图如图4-3所示。

图4-3故障保护中断子程序流程图

5结束语

本设计的主要创新点在于:

利用单片微机和集成芯片配合产生SPWM波形控制逆变开关的通断，控制算法容易编程实现，实现了全数字化控制，结构简单，与采用模拟器件相比，减少了生产成本，性能良好；具有易于改变控制算法、程序易于移植、控制精度高、可靠性好等优点，采用变频技术后，可以节省大量的能源，有良好的经济价值和环保效果。

这种系统在电力电子设备与人们生活日益密切的今天有着广泛的应用。

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本文是在我尊敬的导师XX老师和XX老师的指导下完成的。

两位老师渊博的知识、严谨的治学态度，耐心细心