AT89S52的交流異步電機變頻調速系統(tǒng)

2013-10-10 01:56:42董家璽常甲興王曉明

單片機與嵌入式系統(tǒng)應用 2013年6期

董家璽，常甲興，王曉明

（遼寧工業(yè)大學機械工程與自動化學院，錦州121001）

引言

目前交流異步電動機的調速已經(jīng)廣泛應用于數(shù)控機床、風機、泵類等設備的動力源或運動源，并起到節(jié)約電能、提高效率等良好效果。因此，交流異步電動機調速技術是現(xiàn)代自動控制專業(yè)技術人員必須掌握的知識。

1 交流異步電動機變頻調速原理

根據(jù)電機學理論，交流異步電動機的轉速可表示為：

式中：n為電動機轉數(shù)；p為電動機磁極對數(shù)；f為電源頻率；s為轉差率。由上式可知，影響電動機轉速的因素有：轉差率、磁極對數(shù)、電源頻率。其中，改變電源頻率來實現(xiàn)交流異步電動機調速的方法是最理想的，這就是所謂的變頻調速。

2 系統(tǒng)的硬件設計

整個控制系統(tǒng)由兩部分組成，即控制電路和驅動電路。控制電路以AT89S52為控制核心，配以三相SPWM信號發(fā)生和控制集成芯片SA4828。驅動電路是以PS21564為核心的智能功率模塊（Intelligent Power Module，IPM）。硬件接口電路如圖1所示。

圖1 硬件接口電路

2.1 SA4828專用運動控制芯片

SA4828工作原理：來自AT89S52的數(shù)據(jù)通過總線控制和譯碼器進入初始化寄存器或控制寄存器。它們對相控邏輯電路進行控制。外部時鐘輸入經(jīng)分頻器分成設定的頻率，并生成三角形載波，三角形載波與所選定的片內ROM中的調制波形進行比較，自動生成SPWM輸出脈沖。通過脈沖刪除電路，刪去比較窄的脈沖，因為這樣的脈沖不起任何作用，只會增加開關的損耗。通過脈沖延時電路生成死區(qū)，保證任何橋臂上的兩個開關不會在狀態(tài)轉換期間短路。看門狗定時器用來防止程序的跑飛，當時間條件滿足時快速封閉輸出，極大地減輕了單片機的負擔。

片內ROM存有三種可供選擇的波形，如圖2所示。分別為純正弦波形、增強型波形和高效型波形。每一種波形各1536個采樣值。增強型波形又稱三次諧波，它可以使輸出功率提高20%，三相諧波相互抵消，防止電動機發(fā)熱。高效型波形又稱死區(qū)帶三次諧波，它是進一步優(yōu)化的三次諧波，可以減少逆變開關的損耗，提高功率利用率。

圖2 片內ROM存有的三種波形

SA4828主要具有以下特點：

①具有增強型微處理器接口，可與更多的單片機兼容；

② 將調制波頻率的分辨率提高到16位；

③ 由于采用了可由用戶選擇的三相幅值獨立控制方式，因而使得三相逆變可用于任意不對稱負載；

④ 有三種可供選擇的輸出波形，適用于多種應用場合；

⑤ 可提供軟件復位功能；

⑥內置看門狗定時器以加強監(jiān)控，從而提高了可靠性。

2.2 智能功率模塊PS21564

PS21564采用第5代IGBT技術，6單元三相輸出結構如圖3所示，內置優(yōu)化后的柵極驅動技術和保護電路，以超小型的體積，輸出功率強勁的三相波。圖中U、V和W為逆變橋的輸出，它們?yōu)橄嗖?20°來自SA4828的高壓SPWM波。逆變橋由兩組（3個上橋臂IGBT，3個下橋臂IGBT）構成，每一時刻總有3只逆變管導通，另外3只逆變管關斷，并且上下橋臂的3對一一對應，逆變管不能同時導通。PS21564具有短路、欠壓、過熱保護功能，一旦發(fā)生故障，內部的6個逆變管就會同時關斷，同時發(fā)出故障信號到主控制器單片機，單片機控制SA4828停止發(fā)送SPWM波，并向保護中斷引腳發(fā)出中斷請求。

圖3 PS21564的6單元三相輸出結構圖

2.3 光耦隔離

由于SA4828數(shù)據(jù)處理器輸出的是高速PWM脈沖信號，且智能功率模塊PS21564對SPWM脈沖的規(guī)則性要求很高，需要反應速度較快的光耦，普通的P521光耦無法滿足速度要求，故設計中采用的是一款專用的IPM驅動芯片HCPL4504。HCPL4504是美國安捷倫公司專為IPM等功率器件設計的高速光電隔離接口芯片，瞬間共模比為15kV／μs，內部集成高靈敏度光傳感器，可以準確、快速地反映信號變化狀況。

同時，為了防止SA4828數(shù)據(jù)處理器和智能功率模塊PS21564的相互影響以及高壓輸出的人身危險，建議使用HCPL4504的光耦隔離。圖4所示為IPM的上橋臂隔離。圖5所示為IPM的下橋臂隔離。

3 系統(tǒng)的軟件設計

單片機將數(shù)據(jù)送入SA4828芯片內的兩個寄存器（初始化寄存器和控制寄存器）。初始化寄存器用于設定與交流電動機有關的基本參數(shù)，這些參數(shù)要在SPWM輸出端允許輸出前設定，系統(tǒng)工作以后不允許改變。

圖4 IPM上橋臂輸入電路圖

圖5 IPM下橋臂輸入電路圖

3.1 主程序設計

單片機首先初始化SA4828，打開中斷系統(tǒng)。傳送控制參數(shù)后，若SA4828允許輸出，則單片機向其發(fā)出SPWM的控制信號，驅動及隔離電路開始工作。在運動過程中，單片機不斷地處理反饋信號，及時地對SPWM波進行調整，來滿足系統(tǒng)的需要，如圖6所示。

3.2 調速子程序

SA4828寄存器列陣包含8個8位寄存器R0～R5和R14、R15。其中，R0～R5用來暫存來自單片機的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可能是初始化數(shù)據(jù)，或者是控制數(shù)據(jù)；而R14、R15是2個虛擬寄存器，物理上不存在。當向R14寫操作時，實際是將R0～R5中存放的48位數(shù)據(jù)送入初始化寄存器。當向R15寫操作時，是將R0～R5中存放的48位數(shù)據(jù)送入控制寄存器，如表1所列。控制寄存器在工作過程中控制輸出脈寬調制波的狀態(tài)，從而進一步控制交流電動機的運行狀態(tài)。通常在工作時，該寄存器的內容常被改寫，以實現(xiàn)對交流電動機的速度進行控制。調速子程序如圖7所示。