基于單片機(jī)變頻調(diào)速控制器的設(shè)計(jì)

摘要：文章設(shè)計(jì)了一類適用于風(fēng)機(jī)、水泵負(fù)載節(jié)能運(yùn)行的數(shù)字式交流變頻調(diào)速控制器。設(shè)計(jì)了以8098單片機(jī)為控制核心變頻調(diào)速裝置，采用IGBT作為主功率器件，以EXB841集成驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成IGBT的驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)故障檢測電路等進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)，并做了詳細(xì)的分析。采用恒VVVF控制規(guī)律和規(guī)則采樣法的SPWM控制算法，控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，該裝置在整個(gè)調(diào)頻范圍內(nèi)運(yùn)行可靠。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速;單片機(jī);VVVF控制

0 引言

目前，隨著電子和控制技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速具有節(jié)能，簡單、可靠等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于調(diào)速系統(tǒng)中。近年來，以單片機(jī)為控制核心，采用VVVF控制原理實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的控制器在性能上取得了巨大進(jìn)步。本文設(shè)計(jì)了一類適用于風(fēng)機(jī)、水泵負(fù)載節(jié)能運(yùn)行的數(shù)字式交流變頻調(diào)速裝置，采用IGBT為主功率器件，以單片機(jī) 8098為控制核心的數(shù)字式交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。

1 調(diào)速系統(tǒng)的控制策略

1.1 VVVF控制(恒U/f控制)

圖1是U/f的特性曲線，整定當(dāng)f=50Hz時(shí)，U線=380V。

2 主電路的設(shè)計(jì)

主電路采用交直交電壓型，由整流器、中間電路和逆變器組成。三相交流電壓經(jīng)過整流器整流后，再經(jīng)過中間電路濾波送逆變器，調(diào)制生成交流信號(hào)供給電機(jī)，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。本文采用不可控整流器，中間電路中的濾波電容CF具有濾除整流后的電壓紋波和去耦作用，通過計(jì)算得到濾波電容器CF=121 μF，限流電阻RL=20 Ω。逆變器選用型號(hào)為GT250101的IGBT單管，GT25Q101的有關(guān)參數(shù)如下：UCES=1200 V，UCES =±20 V，IC=25A，PC=200W，IGBT驅(qū)動(dòng)模塊選用的是日本富士公司開發(fā)的EXB841驅(qū)動(dòng)模塊。本文選用的控制電機(jī)為交流鼠籠異步電動(dòng)機(jī)，其參數(shù)如下：Ue=380V;Ie=1.84A;ne=2810r/min;cosψ=085;η=77.5%;Kf(起動(dòng)電流倍數(shù))=7;KQ(起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù))=1.8;λM(過載能力倍數(shù))=2.2。

3 硬件電路的設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的總體構(gòu)成框圖

由鍵盤設(shè)定控制器輸出PEM波的頻率，工作頻率范圍為21～20Hz，精度0.5%，可以隨意設(shè)定電壓/頻率曲線(相當(dāng)于電機(jī)負(fù)載特性)及頻率變化斜率來滿足各種電氣傳動(dòng)裝置的要求，當(dāng)檢測到故障信號(hào)，控制器能自動(dòng)切斷變頻電源，從而保護(hù)主回路功率開關(guān)管和電機(jī)免受損壞。

3.2 故障檢測電路

變頻器直流電壓在正常范圍時(shí)，電位器VR5處的電壓低于PC1的導(dǎo)通電壓，光耦PC1截止，比較器A輸出高電平，PC2輸出也為高電平。當(dāng)直流母線電壓升高至一定程度時(shí)，VR5處的電壓足以使PC1導(dǎo)通，且比較器A的6端電平高于5端電平，這時(shí)A翻轉(zhuǎn)輸出低電平，PC2導(dǎo)通，直流母線過電壓信號(hào)為低電平，即故障狀態(tài)。

圖中應(yīng)用霍而元件作為檢測元件，霍而電流是與直流母線電流成正比的一個(gè)小電流。

4 正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)

4.1 SPWM波形控制模式和實(shí)現(xiàn)方法

規(guī)則取樣法就是設(shè)法使SPWM波形的每一個(gè)脈沖與三角載波的中心線對(duì)稱，而且兩側(cè)間隙時(shí)間相等，從而使計(jì)算工作量大為減輕。規(guī)則取樣是用一個(gè)取樣值確定脈寬t2，如圖5所示。

其中

式中 T口為三角波周期，即SPWM開關(guān)周期;

M為正弦波調(diào)制度(正弦波幅值和三角波幅值)

W為正弦波角頻率;

其tk算式為：

式中：TC——采樣周期(即載波脈沖周期)，其大小取決于運(yùn)行頻率;

M——調(diào)制系數(shù)，由V/F曲線確定，M1。

5 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括主控模塊、軟件定時(shí)中斷模塊、脈寬計(jì)算模塊、鍵盤中斷模塊、顯示模塊、外控模塊和故障識(shí)別模塊。

5.1 主程序設(shè)計(jì)

主控模塊如圖6所示完成系統(tǒng)的初始化。

5. 2 PWM中斷服務(wù)子程序

圖7完成PWM波的生成和輸出任務(wù)，產(chǎn)生三相調(diào)制波脈沖總共需三路HSO(HSO0～HSO2)和一個(gè)軟件定時(shí)器，程序定時(shí)將脈沖輸出命令和前后沿時(shí)刻傳送到HSO的有關(guān)寄存器中，從而在HSO0、HSO1和HSO2端連續(xù)輸出A、B、C三相PWM脈沖信號(hào)。

6 結(jié)論

本文利用了MCS-8098單片機(jī)的特點(diǎn)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，功能完善，除了完成PWM變頻控制外，還在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行故障檢測、自動(dòng)保護(hù)等控制功能，合理利用MCS-8098單片機(jī)的中斷、定時(shí)等功能，借助軟件優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了一個(gè)針對(duì)泵、風(fēng)機(jī)的實(shí)用微機(jī)控制交流變頻裝置，在整個(gè)調(diào)頻范圍內(nèi)，運(yùn)行可靠，性能優(yōu)良。