【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 輸入 D0~D7 由 MCS51 的 PB0~PB7 提供?？勺儽嚷氏禂?shù)的比例乘法器與固定分頻系數(shù)的 8253 的通道 2 相串聯(lián)，達(dá)到均勻輸出 f 控制信號(hào) 。8253 的通道 1 提供 VCT 時(shí)鐘信號(hào)，分頻系數(shù)由 P0 口寫入8253， RCT、 OCT 時(shí)鐘脈沖直接使用系統(tǒng)時(shí)鐘Φ經(jīng) 8253 的 0 通道分頻產(chǎn)生。 80C51單 片機(jī)控制 HEF4752的 PWM 變頻調(diào) 速系 統(tǒng) 系統(tǒng)的組成 由 80C51 單片機(jī)控制 HEF4752 的 PWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖所示，整個(gè)系統(tǒng)由速度給定環(huán)節(jié) no，微機(jī)控制系統(tǒng) MC， PWM 調(diào)制信號(hào)生成環(huán)節(jié) PWM，電流調(diào)節(jié)環(huán)節(jié) LT， 測(cè)速環(huán)節(jié)和電壓型逆變器等組成。 SPWM 波形產(chǎn)生 技術(shù)原理 SPWM 技術(shù)的基本原理是利用一個(gè)三角波載波和一個(gè)正弦波進(jìn)行比較，得到一個(gè)寬度 按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，用它們來驅(qū)動(dòng)逆變器開關(guān)管的開關(guān)轉(zhuǎn)換。由微控制器來實(shí) 現(xiàn) SPWM 波形的方法有表格法、隨時(shí)計(jì)算法和實(shí)時(shí)計(jì)算法，但前兩種無實(shí)時(shí)處理能力。 采用實(shí)時(shí)計(jì)算法要有數(shù)學(xué)模型，其中一種較為常用的是采樣型 SPWM 法，它分 為自然采 樣法、對(duì)稱規(guī)則采樣法和不對(duì)稱規(guī)則采樣法。本文采用對(duì)稱規(guī)則采樣法，即利用經(jīng)過采 樣的正弦波（實(shí)際上是階梯波）與三角波相交，由交點(diǎn)得出脈沖寬度。圖 4 是典型的單 極性對(duì)稱規(guī)則采樣法，它只在三角波的峰值時(shí)刻采樣正弦調(diào)制波并將采樣值保持，分別 取保持值和三角波FLT CLK FCT 基于單片機(jī)控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng) 14 交點(diǎn)作為脈沖寬度時(shí)間。圖中 Ts 為三角波的周期，同時(shí)也是采樣周 期； Ur 為三角波的高，正弦波為 Ucsinω t。根據(jù)三角形相似關(guān)系，得到 所以 其中， M=Uc/Ur 為調(diào)制比， t 為采樣點(diǎn)（這里為頂點(diǎn)采樣）的時(shí)刻。則脈沖寬度為 采樣點(diǎn)時(shí)刻 t 只與載波比 N 有關(guān)。對(duì)于圖 1 情況有 t=kTS+θ ，其中 k=0，1， 2，?， N1，θ =180/N 度。 圖 4 對(duì)稱規(guī)則采樣圖 基于單片機(jī)控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng) 15 對(duì)稱規(guī)則采樣法 在對(duì)稱規(guī)則采樣情況下，只要知道采樣點(diǎn)時(shí)刻 t 就可以確定這個(gè)采樣周期內(nèi)的脈沖 寬度 tpw 和時(shí)間間隔 toff，從而可以計(jì)算出 SPWM 波形高、低脈沖的寬度。 圖 8 為 SPWM 波形生成原理圖。 圖 5 SPWM 波形生成原理圖 1）載波頻率設(shè)定 載波頻率（即三角波頻率）越高越好，但頻 率過高損耗會(huì)越大，另外，還受開關(guān)管最高頻率限制，因此要合理設(shè)定。設(shè)定字由 CFS0～ CFS2這 3位組成。載波頻率 CARRf 通過下式： 1251 2 ??? nC L KC A R Rff 求出。式中 CLKf 為時(shí)鐘頻率， n值的二進(jìn)制數(shù)即為載波頻率設(shè)定字 。 2） 調(diào)制波頻率范圍設(shè)定 設(shè)定調(diào)制波頻率范圍的目的是在此范圍進(jìn)行 16位分辨率的細(xì)分，這樣可以提高控制精度。調(diào)制波頻率范圍設(shè)定字是由 CFS0～ CFS2三位組成。 384 2 mC A R R YR A N G E ff ?? 載波 調(diào)制波 基于單片機(jī)控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng) 16 式中： m值的二進(jìn)制數(shù)即為調(diào)制波頻率范圍設(shè)定字。 單片機(jī) 80C51 單片機(jī)介紹 單片機(jī)的 40個(gè)引腳大致可分為 4類：電源、時(shí)鐘、控制和 I/O 引腳。 ⒈ 電源 : ⑴ VCC 芯片電源，接 +5V； ⑵ VSS 接地端； ⒉ 時(shí)鐘 : XTAL XTAL2 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。 ⒊ 控制線 : 控制線共有 4 根， ⑴ ALE/PROG:地址鎖存允許 /片內(nèi) EPROM 編程脈沖 ① ALE 功能：用來鎖存 P0 口送出的低 8 位地址 ② PROG 功能：片內(nèi)有 EPROM 的芯片，在 EPROM 編程期間，此引腳輸入編程脈沖。 （ 2） PSEN:外 ROM 讀選通信號(hào) （ 3） RST/VPD:復(fù)位 /備用電源。 ① RST（ Reset）功能：復(fù)位信號(hào)輸入端。 ② VPD功能：在 Vcc掉電情況下，接備用電源。 （ 4） EA/Vpp:內(nèi)外 ROM 選擇 /片內(nèi) EPROM 編程電源。 ① EA功能：內(nèi)外 ROM 選擇端。 ② Vpp功能：片內(nèi)有 EPROM 的芯片，在 EPROM 編程期間，施加編程電源 Vpp。 基于單片機(jī)控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng) 17 ⒋ I/O線 80C51共有 4 個(gè) 8 位并行 I/O 端口： P0、 P P P3 口，共 32個(gè)引腳。 P3口還具有第二功能，用于特殊信號(hào)輸入輸出和控制信號(hào)（屬控制總線）。 SPWM 波形產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)說明 SPWM 產(chǎn)生電路設(shè)計(jì) 如圖 4 所示。在該控制電路中，由 外圍電路芯片 產(chǎn)生推遲時(shí)鐘（ OCT）和參考時(shí)鐘（ RCT）、頻率控制時(shí)鐘（ FCT）和電壓控制時(shí)鐘（ VCT）3 路時(shí)鐘信號(hào)供給 HEF4752。 圖 4 SPWM 產(chǎn)生電路 驅(qū)動(dòng)電路（有強(qiáng)弱電隔離） HEF4752 輸出的 6 路控制信號(hào)是 TTL 電平的，它們不能直接驅(qū)動(dòng) IPM 中的6 個(gè) IGBT。原因有兩個(gè)：① IGBT 需要的開關(guān)信號(hào)幅值約為177。 10V， TTL電平不能勝任；②逆變橋中三個(gè)下橋臂是共地的，而三個(gè)上橋臂是懸浮的， HEF4752輸出的 6 路信號(hào)均是共地的，必須加以隔離。因此驅(qū)動(dòng)電路的任務(wù)有兩個(gè)：電平轉(zhuǎn)換和隔離。 1) 電平轉(zhuǎn)換 IGBT 一般用集成電路芯片來驅(qū)動(dòng)，常用電路有富士公司的 EXB8 84850、 851 系列、三菱公司的 M5796 系列等。這里介紹一種東芝公司的產(chǎn)品TLP250，電路非常簡(jiǎn)單。 TLP250 采用 8 腳的 DIP 封裝，輸入端光耦的隔離電壓達(dá)到 3000V，輸入電HEF4752 基于單片機(jī)控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng) 18 流為 5~10mA，可以驅(qū)動(dòng) 100A/600V的 IGBT。它采用單電源供電，使用時(shí)須外接一個(gè)電阻和一個(gè) 10V的穩(wěn)壓管，把 25V 的隔離電源變?yōu)?+15V的導(dǎo)通電壓和－10V的關(guān)斷電壓。 2) 隔離電源 為了驅(qū)動(dòng)主電路逆變橋的三個(gè)上橋臂的 IGBT，必須給每一路提供一個(gè)隔離的 25V 電源而三個(gè)下橋臂可以共用一個(gè)電源。此外， HEF4752 及單片機(jī)系統(tǒng)還需要 +5V電源以及異步通訊所需的177。 12V電源，一共需要 7 路電源，如圖 6 所示。 該電源可以采用線性電源，也可采用開關(guān)電源。前者體積大，笨重，但電路簡(jiǎn)單，各路電源完全獨(dú)立，調(diào)試容易。后者則輕便、小巧，電路相對(duì)較復(fù)雜。采用單片開關(guān)電源芯片可大大簡(jiǎn)化電路。 第 5 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)逆變控制的核心，它決定著逆變器的輸出特性。該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由三部分組成：主程序、初始化程序和中斷服務(wù)子程序。主程序是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心和靈魂，只有通過主程序才能有機(jī)地調(diào)用系統(tǒng)中各個(gè)子程序，使它們形成一個(gè)聯(lián)系緊密的整體，有條不紊的完成各種各樣的操作命令。 TLP250 驅(qū)動(dòng)電路 圖 6 隔離電源 基于單片機(jī)控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng) 19 主程序：圖 7 給出 了本系統(tǒng)的主程序流程圖。單片機(jī)首先初始 HEF4752，打開中斷系統(tǒng)。傳送控制參數(shù)后，判斷 HEF4752有沒有保護(hù)動(dòng)作，允許輸出，則開始輸出 SPWM控制信號(hào)，逆變器開始工作。工作過程中，單片機(jī)不斷的處理檢測(cè)反饋回來的信號(hào)，控制 HEF4752 調(diào)整輸出的 SPWM 控制信號(hào)，控制系統(tǒng)的輸出狀態(tài)，以滿足系統(tǒng)的性能要求。在系統(tǒng)正常工作過程中，不斷更新看門狗定時(shí)器。防止其溢出而中斷 SPWM控制信號(hào)的輸出。 初始化子程序：它實(shí)現(xiàn)鍵盤處理、刷新處理與下位機(jī)和其它程序主要完成硬件器件工作方式的設(shè)定、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和變量的初始化 等，其流程圖如圖 8 所示。 故障保護(hù)中斷子程序 ：中斷程序處理的都是需要立即處理的故障，比如過壓、欠壓、 IGBT故障等。如圖 9 所示。 開始 單片機(jī)初始化 開中斷 送初始化數(shù)據(jù)至 HEF4752 送控制數(shù)據(jù)至 HEF4752 允許輸出 更新看門狗 HEF4752 工作是否正常？ 延時(shí) N 過載否？ 停機(jī) 結(jié)束 Y Y 調(diào)整控制數(shù)據(jù) N 基于單片機(jī)控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng) 20 中斷入口 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) 發(fā)停止命令給 HEF4752 根據(jù)讀入內(nèi)容判斷故障來源并做相應(yīng)處理 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) 中斷返回 系統(tǒng)初始化 設(shè)定定時(shí)器、 SPWM、 系統(tǒng)工作方式 設(shè)定 I/O、通信接口及鍵盤、顯示工作方式 參數(shù)及變量 返回 圖 8 初始化子程序流程圖 顯示故障原因，報(bào)警 圖 9故障保護(hù)中斷子程序流程圖 基于單片機(jī)控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng) 21 結(jié) 論 本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于 :利用單片微機(jī)和集成芯片配合產(chǎn)生 SPWM 波形控制逆變開關(guān)的通斷，控制算法容易編程實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn) 了全數(shù)字化控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與采用模擬器件相比，減少了生產(chǎn)成本，性能良好；具有易于改變控制算法、程序易于移植、控制精度高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，采用變頻技術(shù)后，可以節(jié)省大量的能源，有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)保效果。這種系統(tǒng)在電力電子設(shè)備與人們生活日益密切的今天有著廣泛的應(yīng)用。 通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，真正的學(xué)習(xí)到了不少東西，讓自己知道了工科學(xué)生扎實(shí)的基本功是必不可少的，對(duì)于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和加強(qiáng)得引起高度的重視，光課堂的學(xué)習(xí)是不夠的，通過自學(xué)是提高的一個(gè)途徑，能夠?qū)⑺鶎W(xué)到的知識(shí)