基于單片機的變頻調(diào)速系統(tǒng)

變頻調(diào)速在控制中的應用愈來愈廣泛，傳統(tǒng)的變頻調(diào)速控制是用普通的單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)，電路復雜、編程麻煩，本系統(tǒng)采用C504專用控制單片機來實現(xiàn)變頻調(diào)速。

1C504功能簡述

C504是西門子公司的8Bit專用微控制器，它兼容51系列單片機，其顯著特點是：具有一個專用于產(chǎn)生PWM信號的16位捕捉/比較單元(Capture/CompareUnit，簡稱CCU)，4個8Bit通用輸入/輸出口，其中P1口既可作為4路模擬輸入，也可作為6路PWM輸出，這就給變頻調(diào)速控制提供了PWM波驅(qū)動信號，無需外加PWM波產(chǎn)生電路，或使用復雜的軟件編程方式。

C504的PWM波產(chǎn)生原理是：通過向CCU中的周期寄存器、控制寄存器、方式選擇寄存器和初始化寄存器寫入命令字，把晶振時鐘信號經(jīng)預分頻單元，變?yōu)橐欢ㄖ芷诘拿}沖，再經(jīng)捕捉定時器，把時鐘脈沖轉(zhuǎn)化為一定周期的三角波或鋸齒波，再經(jīng)比較器進行比較，將輸入信號調(diào)制成不同脈寬的方波脈沖，經(jīng)接口控制單元向外輸出六路方波脈沖，當改變?nèi)齻€比較器和周期寄存器的賦值時，就改變了PWM波的脈寬和周期，從而實現(xiàn)調(diào)頻和調(diào)脈寬的控制。

2硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)如圖1所示。C504是該系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)系統(tǒng)的控制和6路PWM波的產(chǎn)生。27256EPROM作為程序存儲器，74AS573作為地址鎖存器，8255可編程并行接口芯片、ULN2803及74LS245，組成鍵盤與顯示電路。通過鍵盤進行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的設置，顯示器顯示工作狀態(tài)和頻率。IPM是一個智能功率模塊，具有過壓、欠壓、過流自動保護功能，并輸出故障指示信號，內(nèi)設有驅(qū)動電路和光電隔離電路，直接由C504的P1.2～P1.7輸出的六路PWM波驅(qū)動，具有抗干擾性能強的特點。它是一個自關(guān)斷三相全控逆變橋，直接用來控制需調(diào)速的三相電動機。

整個系統(tǒng)外圍元件少，宜于編程和開發(fā)，體積小，推廣使用非常方便，具有非常高的性能/價格比。

3軟件系統(tǒng)

本系統(tǒng)利用C504微控制器芯片內(nèi)的CCU單元，可以較為簡便地產(chǎn)生三相SPWM波，去驅(qū)動IPM直接來控制三相感應式電動機。在設計軟件時，基于時間優(yōu)化的原則，所有的控制任務使用高效的算法，只需很短的CPU計算時間。

整個軟件系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括主程序（見圖2）、用戶設置子程序（見圖3）、鍵盤檢測子程序、狀態(tài)及故障監(jiān)控子程序和CCU中斷服務程序（見圖4）?？紤]到開發(fā)周期和控制效率兩方面的問題，在開發(fā)中使用C51和匯編語言混合編程。

主程序完成系統(tǒng)初始化和控制任務。系統(tǒng)初始化包括：在RAM中建立完整的正弦表，CCU初始化、中斷系統(tǒng)初始化和8255初始化（包括鍵盤、顯示電路）。具體流程如圖2所示。用戶設置子程序設有密碼保護，主要接收用戶通過鍵盤輸入的“旋轉(zhuǎn)方向”和“轉(zhuǎn)速”，并將設定值存入RAM中，流程如圖3。狀態(tài)與故障監(jiān)控子程序可將當前電動機的“轉(zhuǎn)向”和“轉(zhuǎn)速”，以及IPM的故障代碼，遇到嚴重故障可以自動停機。鍵盤檢測和顯示子程序比較簡單，在此不再贅述。

圖1硬件系統(tǒng)圖

圖2變頻調(diào)速系統(tǒng)主程序 圖3用戶設置子程序

圖4CCU中斷服務子程序

CCU中斷服務程序是軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，使用匯編語言編程。通過比較定時器1的溢出中斷，系統(tǒng)每50μs調(diào)用一次中斷服務程序，周期性地更新CCU比較寄存器中的賦值。該任務耗時15μs左右，約占用30％的CPU運算時間，程序簡練，執(zhí)行效率很高。如果轉(zhuǎn)速增加或減小時也可以按一定的速率改變轉(zhuǎn)速，同時為了避免當轉(zhuǎn)速低于1Hz時向電動機輸出DC電流，會自動關(guān)閉CCU輸出。這時，該任務耗時30μs左右，約占用60％的CPU運算時間，為實現(xiàn)閉環(huán)控制提供了時間。流程如圖4所示。