史 今

（新疆職業(yè)大學機械電子工程學院，烏魯木齊830013）

基于8098單片機的變頻調(diào)速系統(tǒng)設計

史 今

（新疆職業(yè)大學機械電子工程學院，烏魯木齊830013）

變頻調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)能效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點，已成為高性能交流調(diào)速領域中備受關注和重點發(fā)展的技術之一。在分析了交流調(diào)速系統(tǒng)研究背景的基礎上，設計了一種由8098單片機為主控制器，配合集成芯片產(chǎn)生PWM波形控制逆變開關通斷的低價格交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的結構和工作原理以及軟件構成，系統(tǒng)具有易于改變控制算法、程序易于移植、控制精度高、可靠性高等優(yōu)點。

單片機；脈寬調(diào)制；信號檢測；變頻器；調(diào)速；節(jié)能

1 引 言

在傳統(tǒng)的可調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)中，直流電動機調(diào)速系統(tǒng)占絕對優(yōu)勢。但是直流電動機結構復雜，價格高，又有換向器和電刷，在運行中常出故障。與此相反，鼠籠式異步電動機具有結構簡單，運行可靠，價格便宜等優(yōu)點，但是交流電動機調(diào)速困難。交流變頻技術出現(xiàn)以來，使用變頻調(diào)速器和調(diào)節(jié)器來進行交流電動機無級調(diào)速成為可能。它具有調(diào)速范圍寬，穩(wěn)速精度高，動態(tài)響應快，運行可靠等技術性能，已逐步取代直流電動機調(diào)速系統(tǒng)。然而目前的變頻器大部分都線路復雜，價格昂貴，常用于大、中功率的電動機。對于國內(nèi)占有率極大的中、小型電動機采用這類變頻器無疑是難以普及的。

鑒于以上情況，設計了一種由8098單片機為主控制器的，具有高度靈活性和可靠性的低價格交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)。以INTEL公司的8098單片機作主控制器，并且采用了功率晶體管作輸出，具有完善的電流、電壓、轉(zhuǎn)速的檢測和顯示，以及過壓，過流保護，另又增加了串行通訊口，采用兩線制RS－485通訊結構，可靠通訊距離為1．2km，并且可加中繼來延長距離。該系統(tǒng)可方便的組網(wǎng)控制或組成分布式集散控制系統(tǒng)，也可單獨作為直接控制器來使用。電路中還采用了美國達拉斯公司最新生產(chǎn)的時鐘芯片DS－12887，內(nèi)含128字節(jié)的不揮發(fā)RAM，可以記錄下電動機過流過壓保護時的時間和電流電壓數(shù)據(jù)，供查詢使用。

2 系統(tǒng)結構及其工作原理

系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

該硬件系統(tǒng)主要包括主電路與控制電路兩個部分，其中主電路包括交－直－交變頻電路（本設計采用IPM集成模塊）與電動機；控制電路包括89C51主控制模塊、SA4825產(chǎn)生SPWM波模塊、驅(qū)動模塊以及外圍設備模塊（如鍵盤輸入、液晶顯示、A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換以及串口等）。以CPU為核心，配以鍵盤、顯示、通訊等設備，完成對交流電動機的速度控制。這里選用了ATMEL公司的89C51單片機，它與Intel 51系列單片機完全兼容。其內(nèi)部配置了8kb的Flash Memory，無須擴展外部存貯器。同時這種8位單片機的總線結構與SA4828完全兼容，可以直接相連。給定轉(zhuǎn)速n0可以用三種方式設定：鍵盤、電位器和上位機。用8位LED分別顯示給定轉(zhuǎn)速n0和實際轉(zhuǎn)速n，一目了然［1］。

2．1 晶閘管及功率晶體管驅(qū)動電路

晶閘管驅(qū)動電路采用型號為MOC3021的6支光電耦合器件組成，該器件是雙向晶閘管輸出型的光電耦合器，作用是隔離單片機主控系統(tǒng)和觸發(fā)外部晶閘管。功率晶體管基級驅(qū)動電路采用MPD1203厚膜集成電路，以簡化系統(tǒng)結構，提高系統(tǒng)可靠性。MPD1203集成電路集光電隔離與驅(qū)動電路于一身，為GTR提供正或負的基級電流，控制GTR的導通或關斷［2］。它與軟件結合形成所謂軟開關。

2．2 PWM脈沖形成電路

正弦PWM脈沖信號采用大規(guī)模集成電路HEF4752產(chǎn)生，它是專門設計用來產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制信號的大規(guī)模集成電路。HEF4752集成電路輸出3對互補的脈寬調(diào)制驅(qū)動波形，由它們?nèi)ヲ?qū)動三相逆變橋功率元件產(chǎn)生對稱的三相輸出。當控制端I為低電平時，輸出波形適宜驅(qū)動晶體管逆變器；當控制輸入端I為高電平時，適宜于驅(qū)動晶體管逆變器。輸入端CW用于控制相序。當CW為高電平時，相序為RYB；當CW為低電平時，相序為RBY，用于控制電機的旋轉(zhuǎn)方向。當輸入端L為低電平時，封鎖所有的脈寬調(diào)制驅(qū)動輸出，它的作用除了起停電機外，還可方便地用于過流保護。

為了避免逆變橋中同一相上下2支開關元件同時導通引起短路，在它們切換時，插入互鎖推遲間隔，以確保有足夠的換相時間。在HEF4752集成電路中，由推遲間隔選擇端K和時鐘輸入OCT一齊決定推遲間隔的長短。當K為高電平時，推遲間隔時間Tb＝16／Foct（s）；當K為低電平時，Tb＝8／Foct（s）［3］。

三相PWM輸出波形的頻率、電壓和每周期的脈沖數(shù)，分別由3個時鐘輸入FCT，VCT，OCT決定。它的輸入由8098單片機改變計數(shù)常數(shù)，經(jīng)可編程計數(shù)器8254輸出方波信號獲得。采用專用PWM芯片HEF 4752，使系統(tǒng)可靠性好，應用方便，編程簡單。在大規(guī)模集成電路HEF4752控制電路中采用載頻信號Uc與參考信號Ur相比較的方法產(chǎn)生基極驅(qū)動信號。這里采用單極性等腰三角形；Ur采用可變的直流電壓。在Ur與Uc波形的交點處發(fā)生調(diào)制信號，部分脈沖調(diào)制波形如下圖2所示［3］。

圖2 PWM脈沖形成過程

2．3 單片機控制系統(tǒng)

單片機控制系統(tǒng)組成框圖如圖3所示。

圖3 單片機控制系統(tǒng)組成框圖

從圖3可知，系統(tǒng)由8098，EPROM2764，RAM6264和74LS373構成主體部分。外圍擴展有鍵盤和數(shù)碼顯示接口芯片8279、并行輸入輸出芯片8255、時鐘芯片DS12887、定時器計數(shù)器接口芯片8254、雙四選一模擬開關4052、鎖存器74LS373和串行RS－485標準通訊驅(qū)動接口芯片75176構成一個完整的變頻調(diào)速中心控制系統(tǒng)［4］。

系統(tǒng)內(nèi)由8279構成了32位數(shù)碼管顯示和四乘五鍵盤矩陣。32位數(shù)碼顯示分別顯示6位時間、4位給定轉(zhuǎn)速、4位實際轉(zhuǎn)速、4位運行頻率、2位運行指示和1個3位的運行電壓、3個3位的運行電流。鍵盤矩陣分別有0至9共10個數(shù)字鍵和8個功能鍵與2個備用鍵［5］。

并行輸入輸出接口8255的PC7與PC6兩個口作為雙四選一開關4052的控制信號。PA口作為輸入口，用光電耦合器隔離，輸入8路狀態(tài)量。PB口作為輸出口，經(jīng)MC1413隔離驅(qū)動后，經(jīng)過繼電器輸出7路開關量。這一部分主要是作為擴展系統(tǒng)時使用。

DS12877是一片內(nèi)帶鋰電池、晶振的時鐘芯片。它可以為系統(tǒng)提供一個時間基準。在電動機電流過大保護時可以記錄下時間。并且此芯片內(nèi)有128字節(jié)的不掉電RAM，可以在停電后保持數(shù)據(jù)不丟失。所以把系統(tǒng)運行中的一些參數(shù)儲存在這里，如鍵盤輸入的給定轉(zhuǎn)速、最大電流等。

8254 是一個內(nèi)含3路16位可編程計數(shù)器定時器［6］。8098單片機定時對頻率給定信號進行采樣，根據(jù)A／D轉(zhuǎn)換結果或鍵盤的設定，或從上位機通過串行通訊口設定的轉(zhuǎn)速，經(jīng)軟件處理為適合8254可編程計數(shù)器的計數(shù)常數(shù)。8254裝入由單片機送出的計數(shù)常數(shù)后便產(chǎn)生相應頻率的方波信號。單片機一旦改變送出的計數(shù)常數(shù)，就可以改變8254輸出的方波信號頻率。這個方波信號作為PWM芯片HEF4752的時鐘輸入FCT。因此，調(diào)節(jié)頻率給定信號，也就是改變了8254的計數(shù)常數(shù)，也即改變了HEF4752的時鐘輸入FCT的頻率，從而改變逆變器輸出的頻率，實現(xiàn)電動機的變頻調(diào)速。

雙四選一模擬開關4052是作為8098模擬輸入的擴展來使用的。因為8098有4路10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入，其中的ACH4與ACH5通過外接可調(diào)模擬電壓作為頻率給定和V／F調(diào)節(jié)。ACH6與ACH7通過4052擴展為8路模數(shù)轉(zhuǎn)換。其中4路接一個電壓與3個電流信號，另4路可根據(jù)不同需要作不同的用途。8098單片機通過74LS373鎖存與74LS274驅(qū)動后控制整流晶閘管與HEF4752的5腳、24腳來實現(xiàn)電動機的啟停控制與正反轉(zhuǎn)控制。

75176是RS－485標準的通訊驅(qū)動芯片。在2400波特時有效距離為1200m，用于系統(tǒng)中有上位機時，8098單片機與上位機之間的通訊。上位機可通過串行口向單片機下達開關機等命令及各種運行參數(shù)，也可隨時得到現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)與電動機運行參數(shù)，實現(xiàn)兩級控制［7－9］。8098單片機的輔助輸入輸出電路是由8255組成的并行輸入輸出接口和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路未用完的模擬輸入口組成。主要是為了保證系統(tǒng)的靈活性。

2．4 信號檢測電路

信號檢測電路主要完成電動機的電壓、電流和電動機轉(zhuǎn)速信號的采集。這部分工作分別由相應的傳感器完成。比較理想的是采用霍爾器件的電流、電壓傳感器和霍爾轉(zhuǎn)速傳感器。

由于這一部分早已成為商品模塊，有統(tǒng)一的接口標準，只存在不同應用的選型問題，所以在這里不再詳述。

2．5 轉(zhuǎn)速測量電路

轉(zhuǎn)速測量電路與信號檢測電路通常在一起，它們都是通過對信號的采集，再經(jīng)過各級運放完成對信號的PID閉環(huán)控制。如下圖4所示。

圖4 信號檢測與轉(zhuǎn)速測量原理方框圖

2．6 電源電路

電源是系統(tǒng)極其重要的一部分，是基礎的基礎。由于電源部分的設計早已成型，故而在本文中沒有出現(xiàn)。

3 系統(tǒng)的軟件組成

變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件主要由主程序、外部中斷服務程序、顯示子程序、串行通訊子程序、鍵盤輸入子程序和高速輸入部件中斷子程序等組成。各程序模塊功能如下。

3．1 主程序

主程序的作用是首先完成各個部件的初始化工作，設定好各個中斷向量，為各個部件以后的工作做好基礎。然后就不停的進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理，同時等待各中斷的到來，轉(zhuǎn)入相應的中斷服務子程序。主程序框圖如圖5所示。

3．2 外部中斷服務程序

外部中斷服務程序的功能比較簡單，只是作為電動機停止的控制。當外部中斷發(fā)生時，首先通過74LS373使可控整流器關斷，然后清除8254中的數(shù)據(jù)來關斷功率晶體管。完成停止電動機的過程。外部中斷服務程序框圖如圖6所示。

圖5 主程序框圖

圖6 外部中斷服務程序框圖

3．3 串行通訊子程序

串行通訊子程序用在有上位機或數(shù)臺機器聯(lián)用時。該子程序框圖如圖7所示。

圖7 串行通訊子程序框圖

3．4 高速輸入部件中斷子程序

高速輸入部件中斷子程序的作用是管理好4個輸入中斷。當輸入中斷發(fā)生時，根據(jù)不同引腳中斷的發(fā)生，由不同的處理子程序分別完成轉(zhuǎn)速測量，鍵盤中斷輸入，時鐘更新等工作。高速輸入部件中斷子程序框圖如圖8所示。

整個冗余設計的電路被置于一個核心控制模塊中。圖中8089單片機1、2、3被假定為冗余的三個單片機，它們的輸入總線并聯(lián)，接收核心控制模塊中輸入緩沖的輸出。輸出總線分別接到模塊的輸出總線仲裁器。核心控制模塊包括輸入緩沖、輸出總線仲裁、電源控制、時鐘產(chǎn)生、復位電路和報警控制輸出六個部分。

圖8 高速輸入部件中斷子程序框圖

4 結束語

系統(tǒng)利用單片微機和集成芯片配合產(chǎn)生PWM波形控制逆變開關的通斷，控制算法容易編程實現(xiàn)，實現(xiàn)了全數(shù)字化控制，結構簡單，與采用模擬器件相比，減少了生產(chǎn)成本，性能良好；具有易于改變控制算法、程序易于移植、控制精度高、可靠性好等優(yōu)點。采用變頻技術后，可以節(jié)省大量的能源，有良好的經(jīng)濟價值和環(huán)保效果。這種系統(tǒng)在電力電子設備與人們生活日益密切的今天有著廣泛的應用。

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Design of Inverter System Based on Single Chip 8098

Shi Jin
（Deparnment of Mechatronic Engineering，Xinjiang Vocational University，Urmqi 830013，China）

The inverter system，in the advantages of excellent speed control and starting－braking，high power factor，good energy－saving result and wide application range，attracts more attention to the development in the field of high capability AC speed control technology．A low prices inverter system for AC motor，based on single chip 8098，producing PWM wave with IC to control inverter switch，is designed．The structure and work principle of system are introduced and the software is described．The system has the excellent features such as convenient change for the control algorithm，simple program portable，high control precision and reliability，etc．

SCM；PWM；Signal detection；Inverter；Speed control；Energy saving

10．3969／j．issn．1002－2279．2015．04．019

TP23

A

1002－2279（2015）04－0073－04

史今（1973－），男，河北省唐山市人，實驗師，主研方向：電子技術及自動控制技術。

2015－01－04