摘 要：本文介紹了一種由AT89C51單片機(jī)為主控制器的變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用SA8281作為正弦波發(fā)生器。主回路采用交-直-交電壓型變頻電路。在論述系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上，并給出了主要程序的流程圖。實(shí)踐表明：該系統(tǒng)可靠性高，組配靈活，具有很好的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：單片機(jī)，SA8281波形發(fā)生器，變頻控制

Design of Frequency Variable Adjusting-speed Control System Based on AT89C51 Microcomputer

Abstract：In this paper，a kind of frequency variable adjusting speed system based on single-chip microcomputer AT89C51 is introduced as master controller，adopting the SA8281 as a sine wave generator.Its main circuit is the AC-DC-AC voltage source frequency conversion circuit.Based on discussing the system hardware structure and the software design，we has presented the main program flow chart.Practice shows that this system has many merits such as high reliability，flexible assembly and good viability. Key words：Single-chip microcomputer;SA8281 Waveform Generator; Frequency conrtol 1.概述 　　在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中，隨著自關(guān)斷器件技術(shù)水平的不斷提高，脈寬調(diào)制技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)PWM技術(shù)）也日趨成熟。PMW交流變頻調(diào)速以其高效率、高功率因數(shù)、輸出波形好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在井下風(fēng)機(jī)、水泵、造紙機(jī)等設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。將單片機(jī)應(yīng)用于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，可有效地避免傳統(tǒng)調(diào)速方案中的一些缺點(diǎn)，達(dá)到了提高控制精度的目的[1]，其特點(diǎn)： 　　（1）采用單片機(jī)可以使絕大多數(shù)控制邏輯通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了電路。 　?。?）單片機(jī)具有更強(qiáng)的邏輯功能，運(yùn)算速度快，精度高，有大容量的存儲(chǔ)單元，可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的控制。 　?。?）無(wú)零點(diǎn)漂移，控制精度高。 　?。?）可以提供人機(jī)界面，多機(jī)連網(wǎng)工作。 　　根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)變頻調(diào)速的最新研究成果及研究動(dòng)向，參閱大量的文獻(xiàn)、資料，本著先進(jìn)性與成熟性兼顧、標(biāo)準(zhǔn)化、可靠性、連續(xù)性、及時(shí)性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)了如圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖2 整流電路[/align] 　　整個(gè)電路分為三大部分：主回路、驅(qū)動(dòng)電路以及用單片機(jī)控制PWM產(chǎn)生器的控制電路，另外還有過(guò)流檢測(cè)和保護(hù)電路，這樣使得系統(tǒng)工作更穩(wěn)定、可靠。 2.系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì) 　　2.1整流濾波電路的設(shè)計(jì) 　　為了給逆變器提供一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，需要將電網(wǎng)輸入的交流電進(jìn)行整流。通常整流電路可分為可控整流和不可控整流。可控整流可以使系統(tǒng)的功率因數(shù)接近l，并且具有較小的紋波，頻率高，可降低較小幅值的濾波電容。但是采用可控整流電路會(huì)使得系統(tǒng)成本上升，并且控制電路復(fù)雜。 　　目前比較經(jīng)濟(jì)可靠的方案，一般都是采用二極管整流，使電網(wǎng)功率因數(shù)與逆變輸出電壓無(wú)關(guān)而接近于1。在本系統(tǒng)中，我們采用了三相二極管不可控整流，如圖2所示，采用它無(wú)需控制電路驅(qū)動(dòng)，電路簡(jiǎn)單、可靠，成本低，缺點(diǎn)就是紋波較大，需采用較大幅值的濾波電容。 　　2.2 三相逆變電路的設(shè)計(jì) 　　三相交流負(fù)載需要三相逆變器，在三相逆變電路中，應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路[2]。采用IGBT作為可控元件的電壓型三相逆變電路如圖3所示，可以看出電路由三個(gè)半橋組成。 [align=center] 圖3 三相逆變電路 圖4 IR2110驅(qū)動(dòng)半橋電路[/align] 　　電壓型三相逆變橋的基本工作方式與單相逆變橋相同，是 導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為 ，同一相（同一半橋）上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電，各相開(kāi)始導(dǎo)電的時(shí)間依次相差 。這樣，在任一瞬間，將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通?？赡苁巧厦嬉粋€(gè)臂，下面兩個(gè)臂，也可能是上面兩個(gè)臂下面一個(gè)臂同時(shí)導(dǎo)通。因?yàn)槊看螕Q流都是在同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行的，因此，也被稱(chēng)為縱向換流。用T記為周期，只要注意三相之間互隔T/3（T是周期）就可以了，即B相比A相滯后T/3，C相又比B相滯后T/3。 　　具體的導(dǎo)通順序如下： 　　第1個(gè)T/6:V1,V6,V5導(dǎo)通,V4,V3,V2截至;第2個(gè)T/6:Vl,V6,V2導(dǎo)通,V4,V3,V5截至; 　　第3個(gè)T/6:V1,V3,V2導(dǎo)通,V4,V6,V5截至;第4個(gè)T/6:V4,V3,V2導(dǎo)通,V1,V6,V5截至; 　　第5個(gè)T/6：V4,V3,V5導(dǎo)通,V1,V6,V2截至;第6個(gè)T/6:V4,V6,V5導(dǎo)通,V1,V3,V2截至。 3 驅(qū)動(dòng)電路及系統(tǒng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 　　3.1 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 　　作為功率開(kāi)關(guān)器件，IGBT的工作狀態(tài)直接關(guān)系到整機(jī)的性能，所以選擇或設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動(dòng)電路顯得尤為重要。采用一個(gè)性能良好的驅(qū)動(dòng)電路，可使IGBT工作在比較理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，減小開(kāi)關(guān)損耗，對(duì)提高整個(gè)裝置的運(yùn)行效率，可靠性和安全性都有重要的意義。 　　驅(qū)動(dòng)電路必須具備兩個(gè)功能：一是實(shí)現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動(dòng)IGBT柵極的電隔離;二是提供合適的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖[ 3]。 　　對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求，可歸納如下： 　　1）IGBT和MOSFET都是電壓驅(qū)動(dòng)，都具有一個(gè)2.5～5V值電壓，有一個(gè)容性輸入阻抗，因此IGBT對(duì)柵極電荷非常敏感，故驅(qū)動(dòng)電路必須很可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動(dòng)電路與IGBT的連線(xiàn)要盡量短。 　　2）用內(nèi)阻小的驅(qū)動(dòng)源對(duì)柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓Uge,有足夠陡的前后沿，使IGBT的開(kāi)關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT開(kāi)通后，柵極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)能提供足夠的功率，使IGBT不退出飽和而損壞。 　　3）驅(qū)動(dòng)電路要能傳遞幾十kHz的脈沖信號(hào)。 　　4）在大電感負(fù)載下，IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間不能太短，以限制出di/dt形成的尖峰電壓，確保IGBT的安全。 　　5）IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單實(shí)用，最好自身帶有對(duì)IGBT的保護(hù)功能，有較強(qiáng)的抗干擾能力。 　　本文采用美國(guó)IR公司推出的IR21lO集成驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)IGBT，它兼有體積小，速度快，電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，是中小功率變換裝置中驅(qū)動(dòng)器件的首選品種。 　　驅(qū)動(dòng)芯片IR2110用于驅(qū)動(dòng)半橋電路如圖4所示。 　　3.2 電流檢測(cè)及過(guò)流保護(hù)電路 　　當(dāng)流過(guò)IGBT的電流過(guò)流，一旦超出安全區(qū)，IGBT將永久損壞，因此系統(tǒng)要設(shè)置電流過(guò)流保護(hù)電路，系統(tǒng)在變頻器的直流部分串電流互感器將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)再通過(guò)比較器比較，將過(guò)流信號(hào)檢測(cè)出來(lái)后，送到SA828l的脈沖封鎖端（電平信號(hào)），那么SA828l就會(huì)停止輸出PWM脈沖，以保護(hù)IGBT。IGBT的過(guò)電流保護(hù)電路如圖5所示。 [align=center] 圖5 IGBT的電流保護(hù)電路[/align] 　　其中運(yùn)放C814組成電壓跟隨器，其輸入來(lái)自電流互感器的輸出。兩個(gè)電壓比較器C271組成窗口電壓比較器，比較器的輸出經(jīng)施密特反相器連接到與門(mén)的輸入端。當(dāng)IGBT沒(méi)有過(guò)電流時(shí)，C814的輸入電壓比較低，窗口電壓比較器輸出高電平，因此EN信號(hào)為高電平，使IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)有效;反之，當(dāng)IGBT過(guò)電流時(shí)，EN信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，封鎖了IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)而使IGBT關(guān)斷，調(diào)節(jié)電位器RP，可以改變過(guò)流閥值的大小。 　　過(guò)壓保護(hù)電路的原理與電流保護(hù)電路類(lèi)似，另外在主電路上應(yīng)配裝一個(gè)10A的快速熔斷保險(xiǎn)，當(dāng)電路發(fā)生嚴(yán)重過(guò)流時(shí)，快速熔斷保險(xiǎn)燒斷切斷電網(wǎng)電源，盡可能的保證主電路的安全。 4.控制電路軟硬件設(shè)計(jì) 　　三相SPWM發(fā)生器是控制電路的核心部分。在本設(shè)計(jì)中，我們選用了AT89C51單片機(jī)控制英國(guó)MITEL公司的專(zhuān)用集成芯片SA8281作為SPWM波形發(fā)生器，該芯片與微處理器接口方便，幾乎不用加任何的邏輯電路即可構(gòu)成完整的SPWM控制電路，結(jié)構(gòu)緊湊，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性，利于降低成本。 　　4.1 SA8281的功能介紹 　　SA8281芯片是MITEL公司設(shè)計(jì)的專(zhuān)門(mén)為交流電機(jī)的調(diào)速控制，UPS電源以及其他需要脈寬調(diào)制作為一種有效電源控制的電力電子器件[4]。引腳如圖6所示： [align=center] 圖6 SA8281的引腳排列 圖7 單片機(jī)與SA8281連接圖[/align] 　　它可用于三相PWM波形產(chǎn)生的可編程微機(jī)外圍接口芯片，使用一組標(biāo)準(zhǔn)的MOTEL總線(xiàn)，適用于英特爾和摩托羅拉二種總線(xiàn)接口，接口通用性好，編程和操作簡(jiǎn)單，方便，快捷。 　　SA8281采用常用的對(duì)稱(chēng)的雙邊緣采樣法產(chǎn)生全數(shù)字化PWM波形，無(wú)時(shí)漂，無(wú)溫漂，具有很高的精度和溫度穩(wěn)定性。 　　有6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平輸出，用來(lái)驅(qū)動(dòng)逆變器的6個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件。 　　工作頻率范圍寬，精度高，三角載波頻率可調(diào)。 　　工作方式靈活，在電路不變的情況下，直接通過(guò)軟件設(shè)定載波頻率、調(diào)制頻率、調(diào)制比、最小脈寬、死區(qū)時(shí)間等工作參數(shù)就可改變逆變器的性能指標(biāo)，驅(qū)動(dòng)不同負(fù)載或工作于不同工況?？赏ㄟ^(guò)改變輸出SPWM脈沖的相序?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)制達(dá)到輸出頻率為OHz而給電機(jī)繞組通一直流電，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的“直流插入制動(dòng)”。 　　獨(dú)立閉鎖端可瞬時(shí)閉鎖輸出SPWM脈沖，可處理電機(jī)突發(fā)情況的發(fā)生。 　　波形存儲(chǔ)在內(nèi)部ROM中，可以選擇可刪除的最小脈寬和死區(qū)時(shí)間。 　　4.2 控制硬件電路的實(shí)現(xiàn) 　　控制電路部分采用的單片機(jī)為ATMEL公司推出的AT89C51，它采用CMOS結(jié)構(gòu)，耗能低，抗干擾能力強(qiáng)，與MCS一5l系列完全兼容，且功能比一般的51系列芯片要強(qiáng)大許多。其內(nèi)部含有128字節(jié)的RAM和4K字節(jié)的EPROM完全滿(mǎn)足系統(tǒng)需要，不用外加RAM或EPROM存放數(shù)據(jù)或程序，但需要設(shè)定和保存的參數(shù)則存放在一片EEPROM中[ 5]。 　　正弦波發(fā)生器的原理圖如圖7所示，它以SA828l作為三相正弦波的發(fā)生芯片，單片機(jī)AT89C51作為SA8281的控制芯片。SA828l將大部分外圍電路都集成在芯片內(nèi)部，可以看出SA8281與微處理器接口簡(jiǎn)單，控制電路非常簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，這樣做從另一方面來(lái)講對(duì)芯片工作的穩(wěn)定性有很大幫助，提高了可靠性。 　　從整個(gè)電路來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)對(duì)SA828l的控制是通過(guò)按鍵輸入相應(yīng)的信息。本電路的設(shè)計(jì)要對(duì)SA8281輸入初始化參數(shù)和控制參數(shù)，所以用到了三個(gè)按鍵0#鍵、1#鍵和2#鍵。在主程序中判斷鍵號(hào)用的是查詢(xún)式,0#鍵按下轉(zhuǎn)入初始化子程序：l#鍵按下轉(zhuǎn)入加速子程序：2#鍵按下轉(zhuǎn)入減速子程序。 　　AT89C51是地址與數(shù)據(jù)總線(xiàn)復(fù)用類(lèi)的單片機(jī)，為了隔離潛在的噪音干擾，設(shè)置輸出斷開(kāi)引腳SETTRIP在通常情況下接地，同時(shí)設(shè)置了開(kāi)關(guān)，便于在緊急情況下迅速關(guān)斷所有PWM輸出;為使PWM輸出處于有效狀態(tài)，輸出關(guān)斷引腳 接高電平[ 6]。外部時(shí)鐘CLK引腳接獨(dú)立的12M有源晶振為SA8281芯片提供一時(shí)鐘基準(zhǔn)用于控制與PWM有關(guān)的各時(shí)序。 　　4.3控制電路軟件設(shè)計(jì) 　　對(duì)SA8281芯片的控制是通過(guò)微處理器接口將相應(yīng)的參數(shù)送入芯片內(nèi)部?jī)?4位的寄存器R4、R3來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它們是初始化寄存器和控制寄存器。數(shù)據(jù)先被讀入一系列臨時(shí)寄存器R0～R2中，然后通過(guò)一條虛擬的寫(xiě)操作將數(shù)據(jù)傳送至相應(yīng)的R4，R3寄存器。 　　初始化寄存器用于設(shè)定和電機(jī)及逆變器有關(guān)的一些基本參數(shù)。在正常情況下，這些參數(shù)在電機(jī)工作前就被初始化（例.在PWM輸出允許前），并且在電機(jī)工作時(shí)一般不允許改變。 　　控制寄存器在工作過(guò)程中控制輸出脈寬調(diào)制波的狀態(tài)，從而進(jìn)一步控制電機(jī)的運(yùn)行，比如轉(zhuǎn)速、正/反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)和停止等。通常在電機(jī)工作時(shí)該寄存器內(nèi)容經(jīng)常被改寫(xiě)以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。程序流程圖下面分別進(jìn)行說(shuō)明： 　　4.3.1主程序 　　主程序判斷鍵號(hào)用的是查詢(xún)式： 　　O#鍵按下轉(zhuǎn)入初始化子程序;1#鍵按下轉(zhuǎn)入加速子程序;2#鍵按下轉(zhuǎn)入減速子程序。 　　另外為了防止誤操作增加了延時(shí)去抖動(dòng)的再次判斷鍵號(hào)環(huán)節(jié)。主程序流程圖如圖8所示： [align=center] 圖8 主程序流程圖 圖9 SA8281初始化子程序流程圖[/align] 　　4.3.2初始化子程序 　　在初始化子程序要設(shè)定的是與電機(jī)和變頻器有關(guān)的基本參數(shù)，包括載波頻率的設(shè)定、調(diào)制波頻率范圍設(shè)定、脈沖延遲時(shí)間設(shè)定、最小刪除脈寬的設(shè)定、調(diào)制波形選擇、幅值控制設(shè)定等。 　　初始化寄存器的數(shù)據(jù)先以8位格式存入臨時(shí)寄存器R0，R1和R2中，然后通過(guò)虛擬寫(xiě)操作R4再被存入初始化寄存器。 　　通常情況下，這些參數(shù)在電機(jī)工作過(guò)程中不要改變。 　　SA8281初始化子程序流程如圖9所示： 　　4.3.3 調(diào)速子程序 　　調(diào)速子程序包括加速子程序和減速子程序，本文只介紹加速子程序，減速子程序類(lèi)似于加速子程序。 　　加速子程序流程圖如圖9所示，控制參數(shù)包括調(diào)制波頻率控制字和調(diào)制波幅值控制字，它們要通過(guò)計(jì)算求得，方法：首先根據(jù)電機(jī)的U/F曲線(xiàn)得到調(diào)制波的頻率與幅值，然后通過(guò)公式計(jì)算出相應(yīng)的控制字并制成表格，本文的程序設(shè)計(jì)中利用查表法實(shí)現(xiàn)兩種控制參數(shù)的傳送。調(diào)制波頻率與幅值對(duì)比如表1所示。加速子程序流程圖如圖10所示： 　　表1 調(diào)制波頻率與幅值對(duì)比表 [align=center] 圖10 加速子程序流程圖[/align] 5 總結(jié) 　　本文中，設(shè)計(jì)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)時(shí)，控制芯片采用單片機(jī)AT89C51，采用SA8281作為正弦波發(fā)生器，用IR2110芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)，另外考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的保護(hù)電路，這樣整個(gè)系統(tǒng)有成本低廉，功能齊全的特點(diǎn)，并具有較大的實(shí)用價(jià)值。目前，我國(guó)的變頻調(diào)速市場(chǎng)逐漸增長(zhǎng)，需求量日益廣泛。因而，對(duì)于變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的研究具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 張海賓.SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.55-80. 　　[2] 張發(fā)生,吳舒辭.由SA8281為主控的SPWM逆變器[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù), 2004（1）:23-25. 　　[3] 何風(fēng).IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)技術(shù)[J].電氣開(kāi)關(guān) 2003（4）. 　　[4] 楊慶華.SA8281型SPWM波發(fā)生器的原理及其在變頻器中的應(yīng)用[J].國(guó)外電子元器件,2006（5）:51-53. 　　[5] 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