基于單片機變頻調速控制器的設計

摘要：文章設計了一類適用于風機、水泵負載節(jié)能運行的數(shù)字式交流變頻調速控制器。設計了以8098單片機為控制核心變頻調速裝置，采用IGBT作為主功率器件，以EXB841集成驅動器構成IGBT的驅動電路，對故障檢測電路等進行了硬件設計，并做了詳細的分析。采用恒VVVF控制規(guī)律和規(guī)則采樣法的SPWM控制算法，控制電動機的運轉實現(xiàn)變頻調速，同時對系統(tǒng)軟件進行設計，結果表明，該裝置在整個調頻范圍內(nèi)運行可靠。

關鍵詞：變頻調速;單片機;VVVF控制

0 引言

目前，隨著電子和控制技術的發(fā)展，交流變頻調速具有節(jié)能，簡單、可靠等特點被廣泛應用于調速系統(tǒng)中。近年來，以單片機為控制核心，采用VVVF控制原理實現(xiàn)變頻調速的控制器在性能上取得了巨大進步。本文設計了一類適用于風機、水泵負載節(jié)能運行的數(shù)字式交流變頻調速裝置，采用IGBT為主功率器件，以單片機 8098為控制核心的數(shù)字式交流變頻調速系統(tǒng)。

1 調速系統(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f=50Hz時，U線=380V。

2 主電路的設計

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，調制生成交流信號供給電機，實現(xiàn)變頻調速。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。逆變器選用型號為GT250101的IGBT單管，GT25Q101的有關參數(shù)如下：UCES=1200 V，UCES =±20 V，IC=25A，PC=200W，IGBT驅動模塊選用的是日本富士公司開發(fā)的EXB841驅動模塊。本文選用的控制電機為交流鼠籠異步電動機，其參數(shù)如下：Ue=380V;Ie=1.84A;ne=2810r/min;cosψ=085;η=77.5%;Kf(起動電流倍數(shù))=7;KQ(起動轉矩倍數(shù))=1.8;λM(過載能力倍數(shù))=2.2。

3 硬件電路的設計

3.1 控制系統(tǒng)的總體構成框圖

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

3.2 故障檢測電路

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

圖中應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小電流。

4 正弦波脈寬調制技術

4.1 SPWM波形控制模式和實現(xiàn)方法

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

其中

式中 T口為三角波周期，即SPWM開關周期;

M為正弦波調制度(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)，其大小取決于運行頻率;

M——調制系數(shù)，由V/F曲線確定，M1。

5 系統(tǒng)軟件的設計

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

5.1 主程序設計

主控模塊如圖6所示完成系統(tǒng)的初始化。

5. 2 PWM中斷服務子程序

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

6 結論

本文利用了MCS-8098單片機的特點，使系統(tǒng)結構簡單，功能完善，除了完成PWM變頻控制外，還在系統(tǒng)內(nèi)進行故障檢測、自動保護等控制功能，合理利用MCS-8098單片機的中斷、定時等功能，借助軟件優(yōu)勢，設計了一個針對泵、風機的實用微機控制交流變頻裝置，在整個調頻范圍內(nèi)，運行可靠，性能優(yōu)良。