基于单片机变频调速控制器的设计

摘要：文章设计了一类适用于风机、水泵负载节能运行的数字式交流变频调速控制器。设计了以8098单片机为控制核心变频调速装置，采用IGBT作为主功率器件，以EXB841集成驱动器构成IGBT的驱动电路，对故障检测电路等进行了硬件设计，并做了详细的分析。采用恒VVVF控制规律和规则采样法的SPWM控制算法，控制电动机的运转实现变频调速，同时对系统软件进行设计，结果表明，该装置在整个调频范围内运行可靠。

关键词：变频调速;单片机;VVVF控制

0 引言

目前，随着电子和控制技术的发展，交流变频调速具有节能，简单、可靠等特点被广泛应用于调速系统中。近年来，以单片机为控制核心，采用VVVF控制原理实现变频调速的控制器在性能上取得了巨大进步。本文设计了一类适用于风机、水泵负载节能运行的数字式交流变频调速装置，采用IGBT为主功率器件，以单片机 8098为控制核心的数字式交流变频调速系统。

1 调速系统的控制策略

1.1 VVVF控制(恒U/f控制)

图1是U/f的特性曲线，整定当f=50Hz时，U线=380V。

2 主电路的设计

主电路采用交直交电压型，由整流器、中间电路和逆变器组成。三相交流电压经过整流器整流后，再经过中间电路滤波送逆变器，调制生成交流信号供给电机，实现变频调速。本文采用不可控整流器，中间电路中的滤波电容CF具有滤除整流后的电压纹波和去耦作用，通过计算得到滤波电容器CF=121 μF，限流电阻RL=20 Ω。逆变器选用型号为GT250101的IGBT单管，GT25Q101的有关参数如下：UCES=1200 V，UCES =±20 V，IC=25A，PC=200W，IGBT驱动模块选用的是日本富士公司开发的EXB841驱动模块。本文选用的控制电机为交流鼠笼异步电动机，其参数如下：Ue=380V;Ie=1.84A;ne=2810r/min;cosψ=085;η=77.5%;Kf(起动电流倍数)=7;KQ(起动转矩倍数)=1.8;λM(过载能力倍数)=2.2。

3 硬件电路的设计

3.1 控制系统的总体构成框图

由键盘设定控制器输出PEM波的频率，工作频率范围为21～20Hz，精度0.5%，可以随意设定电压/频率曲线(相当于电机负载特性)及频率变化斜率来满足各种电气传动装置的要求，当检测到故障信号，控制器能自动切断变频电源，从而保护主回路功率开关管和电机免受损坏。

3.2 故障检测电路

变频器直流电压在正常范围时，电位器VR5处的电压低于PC1的导通电压，光耦PC1截止，比较器A输出高电平，PC2输出也为高电平。当直流母线电压升高至一定程度时，VR5处的电压足以使PC1导通，且比较器A的6端电平高于5端电平，这时A翻转输出低电平，PC2导通，直流母线过电压信号为低电平，即故障状态。

图中应用霍而元件作为检测元件，霍而电流是与直流母线电流成正比的一个小电流。

4 正弦波脉宽调制技术

4.1 SPWM波形控制模式和实现方法

规则取样法就是设法使SPWM波形的每一个脉冲与三角载波的中心线对称，而且两侧间隙时间相等，从而使计算工作量大为减轻。规则取样是用一个取样值确定脉宽t2，如图5所示。

其中

式中 T口为三角波周期，即SPWM开关周期;

M为正弦波调制度(正弦波幅值和三角波幅值)

W为正弦波角频率;

其tk算式为：

式中：TC——采样周期(即载波脉冲周期)，其大小取决于运行频率;

M——调制系数，由V/F曲线确定，M<1。

5 系统软件的设计

系统软件包括主控模块、软件定时中断模块、脉宽计算模块、键盘中断模块、显示模块、外控模块和故障识别模块。

5.1 主程序设计

主控模块如图6所示完成系统的初始化。

5. 2 PWM中断服务子程序

图7完成PWM波的生成和输出任务，产生三相调制波脉冲总共需三路HSO(HSO0～HSO2)和一个软件定时器，程序定时将脉冲输出命令和前后沿时刻传送到HSO的有关寄存器中，从而在HSO0、HSO1和HSO2端连续输出A、B、C三相PWM脉冲信号。

6 结论

本文利用了MCS-8098单片机的特点，使系统结构简单，功能完善，除了完成PWM变频控制外，还在系统内进行故障检测、自动保护等控制功能，合理利用MCS-8098单片机的中断、定时等功能，借助软件优势，设计了一个针对泵、风机的实用微机控制交流变频装置，在整个调频范围内，运行可靠，性能优良。