单片机控制的变频调速系统

近年来，变频调速技术发展迅速，应用日益广泛，在工业生产和民用生活中都得到了广泛的应用。本文采用8051单片机结合可编程PWM调制波集成芯片HEF4752V,实现了单片机控制的变频调速系统的设计。

单片机控制交流变频调速系统主要由单片机系统、整流电路、逆变器电路、PWM模块、门极可关断可控硅(GTO)驱动电路等环节构成。

本设计的单片机控制系统是整个变频调速系统的测控中枢，主要完成对整个变频调速系统的检测、控制、保护等工作。启动前，单片机对系统进行启动前的检测，在保证电路电压、电流正常,且无电流冲击的情况下才允许启动。正常运行时，单片机控制集成触发芯片HEF4752V产生PWM信号，同时完成转速检测、PID数字调节的运算与处理、监视系统的运行等功能。

PWM变频调速系统是一种交-直-交调速系统。它的工作原理是采用三相二极管整流电路将三相交流电变成直流电;整流后的电压波形是脉动的，脉动的直流电经平波电抗器L_(l和滤波电容C,滤波后，将变为电压恒定的直流电；然后通过改变GTO管GG'GSGsG,、G；G、G.G、G：G各组交替导通的时间来改变逆变器输出波形的频率。在每组GTO控制的周期内，通过改变它们的通、断时间比来改变脉冲宽度,从而改变逆变器输出电压的大小。如果使每组开关元件在其控制周期内反复通、断多次，并使每个输出矩形脉冲波电压下的面积接近于对应的正弦波电压下的面积，则逆变器输出电压将很接近三相正弦波。此时的三相正弦波就可为异步电动机供电，从而实现电机的平滑启动、停机和宽范围调速。

1  单片机最小系统

本装置的单片机控制系统选用8051单片机作为系统主机。由于8051内部只有4KB的ROM,因此要利用8KBEPROM2764进行扩展，这是一种可擦除可编程的只读存储器。芯片6264与控制系统的连接如图1所示,8051的P0口经地址锁存器74LS373与6264的An〜A；相连;P2口的低5位P2.0〜P2.4接6264的必〜AbPO口同时又直接与6264的数据线D,〜D；相连；6264的片选信号来自译码器74LS138的Y1。图1所示是8051单片机的最小系统主电路。

2  变频调速系统主电路

本系统的变频调速主电路由整流电路、滤波电路及逆变电路组成，图2所示是其主电路图。为简化控制电路，减少谐波，整流电路采用三相二极管整流电路来整流。系统的调压调频均由逆变电路承担，逆变电路开关器件全部采用门极可关断可控硅(GTO)。在主电路中，R、G组成的星型网络接在交流输入端，目的是吸收过电压，滤去高次谐波；平波电抗器L、滤波电容G为直流侧的滤波环节，可把脉动的直流电变为电压恒定的直流电；同理，G组成的星型网络接在输出端,可使输出到电动机的电压和电流接近正弦波。

3  转速测量电路

本系统釆用光码盘及M/T法进行高精度测速设计。由于测速装置属于反馈环节，转速检测的精度直接影响系统的稳态控制精度，因此，本系统用光电码盘测速，每转包含1024个脉冲。作为转速传感器,和硬件定时器8253结合在一起，可以记录码盘脉冲个数。本设计使用高速和低速测量精度都较高的M/T法测速，可在较宽的调速范围内获得满意的效果。M/T法测速的硬件电路如图3所示。

由图3可见,单片机扩展了一片可编程定时计数器8253,使用其中的0#,1#计数器分别对仇和脉冲进行计数。D触发器F1用来使m₂的计数与光码盘输出脉冲同步。因8253为负沿计数，故加入了反相器G。由8051的P1.2端口控制8253的两个计数器门控gateO、gatel的启动或停止测速。

当P1.2=1时,GAGEO=1、GAGE1=1,系统启动两个计数器工作；

当P1.2=0时,GAGE0=0,0#立即停止计数，稍后，光码盘输出脉冲上升沿使D触发器F1翻转，Qi=0,GAGEl=0,l#停止计数，此时可用软件可读取m1、m2的值。

测速脉冲2倍频电路利用光码盘输出在相位上互差90°的A、B二路矩形波输出，并经“异或”门在C点得到2倍频脉冲波形，以提高光码盘上的测速精度。

反映电机转向的鉴向电路由D触发器F2等构成。光码盘输出的A、B两相互差90°的方波脉冲应分别送至F2的D2和CP2端。此时若电机正转，表示A(D2)相脉冲在前,Q2=1；反转则表示B(CP2)相脉冲在前,Q2=0。将Q2端接至8051的Pl.0端，即可通过软件查询判断P1.0电平的高、低来确定电机旋转的方向。

4  逆变器触发单元设计

逆变器触发单元以8051单片机为核心，由可编程定时计数器8253和PWM信号发生器HEF4752V等组成。8051主要完成控制工作，并向8253V送时间常数和控制字;8253的三个计数器可用以产生

HEF4752V是采用LCMOS技术制造的专用大规模集成电路芯片，可用以产生PWM逆变器的驱动信号。HEF4752V能够产生三对互补的PWM信号，用该信号驱动逆变器可使之产生对称的三相输出。PWM信号的重复频率总是逆变器输出频率的整数倍，这样可以维持三相平衡。

HEF4752V内部有三个计数器，一个译码器，三个输出口及试验电路。试验电路仅用于制造过程中的试验用。HEF4752V的三个输出口分别对应于逆变器的U、V、W三相。每个输出口有四个输出，其中两个主输出分别用于控制每一相的上、下开关器件。在由12只晶闸管组成的逆变器中，两个辅助输出用于触发换相晶闸管。

HEF4752V的基本功能是提供驱动输出波形，以适当的次序去开闭逆变器中的开关器件。这是靠交替地切换PWM芯片每相输出口的上、下主输出来实现的。为了确保同一相上、下主输出不令同时接通，可使用一个互锁推迟间来隔时间隔开上、下主输出的接通。互锁推迟间隔时间的长短由输出时钟OCT和K来控制，上、下主输出的切换由内部产生的控制信号控制,这个控制信号的电平变化将引起原来输出高电平的主输出关掉，而在推迟间隔时间后，则会引起原来输出低电平的主驱动输出接通。

5  结语

本文针对单片机控制的PWM变频调速系统进行了研究,详细介绍了变频调速系统主电路和控制电路的硬件设计方法，然后介绍了系统中的转速测量电路和逆变器触发单元的设计，重点分析了各电路的工作原理。该设计可以实现单片机控制变频调速系统的主要功能。