【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，采用新型三相SPWM專用芯片80C196MC組成的三相脈寬調(diào)制逆變器控制電路組成性能良好的新型全數(shù)字化逆變器調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有不僅需少量的外圍元件，而且無(wú)需繁雜的軟件編程等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)主要由主電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路以及保護(hù)電路構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖37a, b, c，其中控制電路原理圖見(jiàn)附錄。外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器8279鍵盤(pán)顯示電路模擬輸入80C196MC單片機(jī)保護(hù)電路輸入口SPWM輸出檢測(cè)電流預(yù)留口a控制電路框圖直流電源光電隔離電路晶體管放大電路輸出給IGBT基極控制信號(hào)BU BX BV BY BW BZSPWM輸入信號(hào)b驅(qū)動(dòng)電路框圖逆變電路濾波電路整流電路電源C主電路方框圖圖31 硬件電路方框圖控制電路以80C196MC為核心，輸出六路互補(bǔ)SPWM波形，輸入和電位器模擬輸入兩種輸入方式，可以用鍵盤(pán)數(shù)字電流檢測(cè)以及測(cè)速碼盤(pán)的接入口在控制電路中全都預(yù)留有接口，驅(qū)動(dòng)電路是控制電路和主電路之間的接口電路，主要完成SPWM波形的隔離、放大，然后驅(qū)動(dòng)主電路。主電路是交一直一交電壓源型，單相220V工頻交流供電，采用不可控的二極管整流橋，大電容濾波，采用大功率晶體管IGBT作為輸出SPWM波形的開(kāi)關(guān)器件。目前的大功率開(kāi)關(guān)器件都是以集成的大功率場(chǎng)效應(yīng)管IGBT為主流，另外系統(tǒng)中設(shè)置了保護(hù)電路，包括過(guò)壓、過(guò)流的保護(hù)等。該主電路由二極管三相整流橋向電壓型逆變器提供恒定的直流電壓，變頻器的變壓、變頻均在逆變器內(nèi)進(jìn)行。逆變器由六只IGBT管組成三相橋式逆變電路，并輔以吸收電路構(gòu)成。平波電容器C起中間能量存儲(chǔ)作用，使逆變器與交流電網(wǎng)去耦，并可以向電機(jī)提供無(wú)功功率。由于二極管整流器不能為異步電機(jī)的再生制動(dòng)提供反向電流的途徑，所以一般都用電阻吸收制動(dòng)能量。制動(dòng)時(shí)，異步電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，首先通過(guò)IGBT兩端并聯(lián)的續(xù)流二極管D向電容C充電，當(dāng)中間直流回路電壓升高到一定限制值時(shí)，通過(guò)電壓限制電路將電機(jī)釋放的動(dòng)能消耗在制動(dòng)電阻R上。 圖32主電路結(jié)構(gòu)圖逆變(DC／AC)技術(shù)是電力電子技術(shù)的重要組成部分，是把直流電變成交流電的過(guò)程，完成逆變功能的電路稱為逆變電路逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。它們也分別被稱為電壓源型逆變電路和電流源型逆變電路。電壓型逆變電路在直流側(cè)接有大電容，相當(dāng)于電壓源，直流電壓基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗的特點(diǎn)。本節(jié)主要介紹電壓型逆變電路的基本構(gòu)成，并分析其工作原理。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2．7所示，可以看出電路由三個(gè)半橋組成。 電壓型三相逆變橋的基本工作方式與單相逆變橋相同，也是導(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(kāi)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。圖33三相逆變電路 用T記為周期，只要注意三相之間互隔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。下面來(lái)分析電壓型三相橋式逆變電路的工作波形。對(duì)于A相輸出來(lái)說(shuō)，當(dāng)橋臂l導(dǎo)通時(shí)， 當(dāng)橋臂4導(dǎo)通， 因此，的波形是幅值為的矩形波。B，C兩相的情況和A相類似，的波形形狀和相同，只是相位依次相差。三相逆變電路輸出電壓波形如圖： U A A T U B B B T U C C C T圖34三相逆變電路輸出電壓波形 8XC196MC單片機(jī)是Intel公司專門(mén)為電機(jī)高速控制設(shè)計(jì)的一種16位微控制器，其后綴MC正是電機(jī)控制(Motor Controller)的縮寫(xiě)，它己被廣泛的應(yīng)用。在各種電器的電機(jī)控制中。8XCI96MC根據(jù)片內(nèi)有無(wú)程序存儲(chǔ)器的區(qū)別可以分為:80C196MC(無(wú))、83C196MC (ROM). 87CI96MC (EPROM)，它們的外部引腳，指令集完全一樣，其82腳PLCC封裝形式的引腳圖如圖51所示。本系統(tǒng)采用8OC196MC設(shè)計(jì)，控制電路同樣適用于87C196MC和83C196MC。圖3—5 80C196MC引腳圖 8OC196MC的基本結(jié)構(gòu)主要包括算術(shù)、邏輯運(yùn)算部件RALU，寄存器集，內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器，PWM發(fā)生器，事件處理陣列EPA，三相互補(bǔ)5PWM輸出發(fā)生器以及看門(mén)狗、時(shí)鐘、中斷控制邏輯等，如圖36. XTAL EXTINT NMI16KROM時(shí)鐘電路P1口P6口P0口A/D512字節(jié)RAMP3中斷控制RALU總線控制邏輯定時(shí)器P4 P5SPWM波發(fā)生器EPAPWMP2口7根8根 5根 6根 2根圖36 80C196MC基本結(jié)構(gòu)在本系統(tǒng)中，單片機(jī)主要資源分配如下：片內(nèi)外設(shè):——速度給定輸入?！獑?dòng)/停止命令輸入。 ——三位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示值輸出P3 口 、P4 口— 外擴(kuò)展ROM地址/數(shù)據(jù)信號(hào)線., — 外擴(kuò)展ROM控制信號(hào)線。,—三位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示位選擇輸出. WFG六路SPWM信號(hào)輸出.EXTINT—— 過(guò)壓、過(guò)流中斷信號(hào)輸入。片內(nèi)RAM:OOOOOH 00017HCPU專用寄存器，直接尋址。OIFOOH OIFFFH一內(nèi)部專用寄存器，CPU專用寄存器窗口尋址。片外ROM:02000H07FFFH—監(jiān)控、計(jì)算程序及數(shù)據(jù)表。80C196MC有64K存貯空間，除了OOOOHOIFFH,IFOOHIFFFH,2000H207FH三個(gè)專用區(qū)，以及表明“保留”的單元以外，其它都可以由用戶任意安排作為程序存貯區(qū)、數(shù)據(jù)存貯區(qū)或存貯區(qū)映射的外設(shè)區(qū)，但是系統(tǒng)復(fù)位后，程序由2080H單元開(kāi)始執(zhí)行，因此與2080H相鄰的區(qū)域必須配置成程序存貯區(qū)。80C196MC的片內(nèi)寄存器陣列共包括512個(gè)字節(jié)，分為低256字節(jié)和高256字節(jié)，低256字節(jié)中的最低的24字節(jié)為特殊功能寄存器SFR, RALU在運(yùn)算過(guò)程中，不象其它的單片機(jī)那樣只使用一個(gè)累加器，而是把這256個(gè)寄存器都當(dāng)作累加器，這樣就避免了使用單個(gè)累加器所產(chǎn)生的“瓶頸效應(yīng)”，高256字節(jié)寄存器雖然不能象低256字節(jié)的寄存器那樣直接當(dāng)累加器用，但是它們可以通過(guò)80C196MC的窗口技術(shù)，切換成具有累加器功能的256字節(jié)，因此使得編程容易，執(zhí)行速度更快。8OC196MC的特殊功能寄存器SFR除了24個(gè)在寄存器集低端以外，大部分在存儲(chǔ)空間的1FOOH1FFFH中，在使用這些特殊功能寄存器時(shí)為了加快操作速度，通常使用窗口技術(shù)把它們映射到低256字節(jié)寄存器區(qū)。存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路主要是由兩片程序存儲(chǔ)器74HC573，用來(lái)存放奇地址單元和偶地址單元中的程序代碼，EEPROM 74HC573的可直接改寫(xiě)的特性使調(diào)試軟件方便。尋址空間可達(dá)2000H9FFFH，充分利用了74HC573的容量。擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器27256，是為了擴(kuò)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容1,在矢量控制中，由于程序復(fù)雜所需要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器較多，而80196MC本身的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器資源有限，另外為了以后系統(tǒng)的擴(kuò)展性，增加27256很有必要。 80C196MC單片機(jī)的波形發(fā)生器片內(nèi)波形發(fā)生器WFG(WaveForm Generator)是80C196MC獨(dú)具的特點(diǎn)之一。這一外設(shè)裝置大大簡(jiǎn)化了用于產(chǎn)生SPWM波形的控制軟件和外部硬件，特別適應(yīng)于控制三相交流感應(yīng)電機(jī)。死區(qū)時(shí)間發(fā)生器個(gè)載波周期三角波發(fā)生器 死區(qū)互鎖，脈沖分配與輸出方式控制U相脈沖比較及生成 保護(hù)電路脈寬值設(shè)定 外部中斷請(qǐng)求 各載波周期 中斷請(qǐng)求 外部中斷輸入圖37波形發(fā)生器框圖三相SPWM波形是由U，V ,W 三個(gè)單相SPWM波形生成器構(gòu)成的，其中一相電路的原理圖如圖37所示，它由脈寬發(fā)生，死區(qū)脈寬發(fā)生，脈沖合成及保護(hù)電路等單元電路構(gòu)成。WFG可以產(chǎn)生獨(dú)立的三對(duì)PWM波形，但它們有共同的載波頻率、無(wú)信號(hào)時(shí)間和操作方式一旦啟動(dòng)之后，WFG只要求CPU在改變PWM的占空比時(shí)加以干預(yù)。波形發(fā)生器WFG有三個(gè)同步的PWM模塊，每個(gè)模塊包含一個(gè)相位比較器、一個(gè)無(wú)信號(hào)時(shí)間發(fā)生器和一對(duì)可編程的輸出。WFG可以有獨(dú)立的占空比，但它們有共同的載波頻率、無(wú)信號(hào)時(shí)間和操作方式，一旦啟動(dòng)之后，WFG只要求CPU在改變PWM的占空比時(shí)加以干預(yù)，因此使用方便，快速性好。WFG的每個(gè)模塊產(chǎn)生一對(duì)互補(bǔ)的PWM波。無(wú)信號(hào)時(shí)間是為防止功率器件同一橋臂直通而損壞功率器件必須的。該芯片的無(wú)信號(hào)時(shí)間可以由用戶自己設(shè)計(jì)，具體參數(shù)的選擇見(jiàn)后面的無(wú)信號(hào)時(shí)間寄存器的介紹。從功能上看波形發(fā)生器可以分為三個(gè)部分，時(shí)基發(fā)生器、相位驅(qū)動(dòng)通道和控制電路。時(shí)基發(fā)生器為PWM建立載波周期， COUNT，可工作于四種不同的方式，產(chǎn)生中心對(duì)準(zhǔn)或邊沿對(duì)準(zhǔn)的PWM波，中心對(duì)準(zhǔn)PAM方式所造成的諧波小，因此在三相交流感應(yīng)電機(jī)時(shí)，就采用這種方式，本系統(tǒng)就采用這種方式工作。相位驅(qū)動(dòng)通道決定PWM波的占空比。共有三對(duì)獨(dú)立的相位驅(qū)動(dòng)通道，每個(gè)通道的電路是相同的?？刂齐娐凡糠职ㄒ恍┯脕?lái)確定工作模式和其它配置信息的寄存器。一個(gè)可編程的保護(hù)電路可監(jiān)視EXTINT輸入腳，若檢測(cè)到一次有效的事件，就產(chǎn)生一次中斷，禁止波形輸出。波形發(fā)生器的專用寄存器的設(shè)置直接影響系統(tǒng)的工作方式，因此有必要簡(jiǎn)單介紹一下。雙向計(jì)數(shù)寄存器WG_COUNT，它是一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器，是3對(duì)輸出信號(hào)的時(shí)基發(fā)生器，它的時(shí)鐘頻率是晶振的兩分頻，它是一個(gè)只讀的寄存器。重裝載寄存器WG_RELOAD，對(duì)該寄存器寫(xiě)入的值也就是半載波周期的值寄存器是可讀寫(xiě)的。相位比