变频专用芯片SM2001的离心机变频控制器设计

摘要：设计一种通过STC系列单片机来控制变频专用芯片SM2001，最终输出目标频率及电压的变频调速系统。该系统在变频调速的基础上对控制曲线进行优化，最终获得较大的输出转矩以及稳定的调速性能。
关键词：SM2001；变频器；离心机

引言
    离心机是一种借助高速旋转产生的巨大离心力来分离或提纯某种物质的设备。离心机按照其应用规模可以分为以下两类：一类用于化工、医药类等主要应用领域，称为通用离心机；另一类应用领域较为特别、范围较窄，称为特种离心机，如气体离心机、航空航天离心机、精密离心机和土工离心机等。目前，主要是以通用离心机为研究对象。
    离心机可以采用各种电机进行驱动，随着电机的控制技术的发展，离心机也相应地采用不同的电机驱动。直流调速在20世纪90年代以前占据着非常重要的地位，其主要特点是具有良好的起制动、调速范围宽、结构简单、成本低、理论和实践都比较成熟等。但机械整流子换向是其致命的弱点。到了90年代，国内外离心机普遍采用变频调速技术，主要通过改变感应电机的供电频率调节转速。由于感应电机无需机械整流子，不仅免去更换碳刷的麻烦，而且提高了电机转速，也能直接驱动，大大简化了离心机的结构，提高了系统的可靠性。因此，本项目采用感应电机作离心机的动力。

1 硬件设计
    综合考虑成本、产品化以及使用的因素，本变频器的核心控制器采用Silicon Labs公司的混合信号控制器C8051F410。同时，变频器还包含有一块独立的键盘显示控制面板和一块集变频器主电路和变频核心控制电路于一体的变频控制面板。系统结构框图如图1所示。

1．1 核心控制器及控制电路
1．1．1 核心控制器
    核心控制器C8051F410一方面通过串口与控制面板连接，接收并处理相应的命令；另一方面通过模拟三线同步串行口与控制芯片SM2001连接，根据控制面板所需要的相关频率设置SM2001的参数。本项目中，在串口电路中增加了光耦隔离。这样有利于高低压的分离、干扰的消除以及元器件安全性的提高。
    C8051F410特点如下：
    ◆高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核 (50MIPS)，70％的指令为一个或者两个系统时间周期；
    ◆时钟源内部振荡器为24．5MHz，±2％精度，时钟乘法器可达98MHz；
    ◆可编程计数器阵列(PCA)，可配置为频率输出模式。
1．1．2 控制电路
    SM2001特点说明：
    ◆全数字化设计，可产生用于交流电机控制的高效准正弦波；
    ◆自动产生三相PWM调制波形，范围为0～200Hz，步进频率为最大频率的1／255；
    ◆可选择死去时间和窄脉冲时间；
    ◆三相输出的电平为负脉冲有效。
    SM2001在变频器中的使用非常方便，其输出频率的计算公式为：
    f正弦=fclk×PFR／(512×192×256)
    式中，中f正弦为要求输出的正弦波的频率，fclk为时钟源输入，PFR为内部的参数设定值。从式中可以看出f正弦与两个参数有关，只要合理地选择好相应的fclk时钟源以及PFR设定值，就可以正确设定输出频率。当然，fclk时钟源越大，可以输出的正弦波频率也就越高，随之而来也就会导致正弦波步进频率增大，精度降低。所以为了尽可能地保证精度，往往会采用尽可能小的时钟源。
    SM2001的另一个重要参数是其电压输出设置，其输出关系为：
    Asin=(AMPR／255)×100％
    式中，Asin为控制输出的PWM合成的正弦波的电压幅度，AMPR为需要设置的参数。在这里要注意的是，Asin为幅度而并非幅值，它与后级功率电路的直流电压有关。加入后级功率电路的直流电压为300V，AMPR=128，则输出正弦波的峰值电压为150V，电压的有效值为106V。
    在使用SM2001的过程中要合理设置电压值，当采用恒压频比调速时电压与频率成比例关系。若电压过小，电机转矩也会相应地变小，这样会导致转速上不去从而使电机的电流变大，电机发热严重，严重时甚至会烧掉电机。若设置的电压比较大，则直接导致电枢电流较大，从而导致电机发热严重。所以电压值的选取应与频率成一定的比例关系。
    SM2001还有一些重要的参数，如开关频率、窄脉冲时间以及死区时间。开关频率与窄脉冲时间公用一个寄存器PFDR，开关频率的选择由字节的高两位决定其分频系数N。当一个开关动作时间小于设定的窄脉冲时间，则SM2001自动删除这个开关动作。这两个值共同设定开关动作频率。若开关频率过低，在低频驱动电机时可以明显地感觉到电机抖动严重；而在高频时，如果开关频率过高将会导致电机噪声严重。
    死区时间则对于功率输出器件尤其重要。如若设置不当则可能直接烧毁功率电路或谐波失真。由于很多资料都有介绍死区时间的设置，这里就不再重复。
    当设置完以上所有参数后，SM2001还不能工作，因为SM2001设置了多重保护，以防止系统未初始化而输出错误的波形。在初始化以后，只有收到开启命令之后，才会有波形输出。另外，还有一个OE端口锁定。当OE为低时系统输出锁定，恢复为高时输出波形。因此，在使用SM2001时须严格按照图2所示的流程对SM2001进行设置，否则不能正确输出理想的波形。

    在使用SM2001实现调速过程时，为了提高转速精度，应使用尽可能小的时钟源。实际使用的过程中，采用每240转对应0．4 MHz的时钟源。也就是说，转速每增加240 r／min，时钟源增加0．4MHz。由于单片机的PCA频率输出控制参数只能是整数，因此会导致精度丢失。随之而来也会带来一个问题，当在240r／min的整数倍时，调速过程中需要同时改变两个参数才能得到需要的频率，否则就会导致电机的抖动。
    举例说明：转速从4 790 r／min上升到4 800 r／min，当小于4 800 r／min时实际时钟源频率为8 MHz，PFR为237；而达到4 800 r／min时，实际时钟源频率为12 MHz，PFR应为16。在转速变化到4 800r／min的过程中，时钟源先发生变化，SM2001的实际输出频率为118．5Hz。转速突变到7 110 r／min，当PFR设置为16时转速再次回到正常的4 800 r／min。这样一个转速的突变直接导致电机发生剧烈抖动，在这种情况下要采取过渡处理。
1．2 键盘以及显示驱动
    功能简介：本控制面板需要能进行速度及时间的设定，保存上一次设定的速度值，且能对离心机运行进行倒计时功能。
    考虑到键盘以及显示的面板与其他控制器的通用性及量产问题，本变频控制器控制面板的处理芯片采用Silicon Labs公司的STC11F04e，按键、显示芯片采用南京沁恒的CH452A。

2 控制策略
    假定加在三相电机上的电压是正弦波，并忽略定子上的电压降，则在稳定的条件下有以下关系：
     E1=4．44f1·N1·Kw1·φm
    其中，E1和φm为定子电压矢量，f1为定子频率，N1为短距元件匝数，Kw1为短距系数，φm为定子磁通量。由以上关系可以得到：
   
    令F=E1／f1，由此在基频以下只要在频率变化过程中保持F为定值，则定子磁通量φm也保持不变，从而使电机转矩与电流频率无关。在实际应用中常常是使比值F能使磁通量和电磁转矩都保持在额定值。但是，在低电压条件下，为了补偿定子压降，必须使U／f比值适当变大。
所以，最后的U-f关系如图3所示。

    异步电机转矩关系如下：
   
    式中，Ω1为转子角速度，PM为总机械功率，r2’为转子电阻，I2’为转子电流，s为转差率，p为极对数。由此可得：
   
    式中，L12’为转子每相漏电感的折算值，L12’=x2’／2πf1。
    除了sf1以外其他各量都是常数，s是在不同频率下由负载转矩T下产生的转速降，因此s与f1无关，仅与负载有关。
    在基频以上(f1>50 Hz)，如果要保持φm恒定，需要将电压设定为高于额定电压的值，这在电机中是不允许的。因此，在基频以上采取保持电压为额定电压值不变，只改变频率的方式调速。

3 软件设计
    变频控制器主要实现对异步电机的变频控制，从而实现无级调速。根据离心机生产厂家提供的相关指标(启动时间、最高转速、运行时间、紧急停车等)要求，本变频器可以实现快速启动达到稳定速度且无超调。其功能还包括计时停止、过流自动保护等保护措施。过流自动保护通过采用外部中断触发重启单片机，从而对SM2001进行复位来实现。变频器总流程如图4所示。

结语
    本文通过对控制算法进行优化，使变频调速系统具有响应快、转矩大等特点。同时，该系统还具有过流保护、紧急停车等安全措施，以及离心倒计时等人性化功能。加上其成本较低的优势，相信随着市场进一步的发展，变频控制器在离心机的应用将会日趋广泛。