基于單片機控制的交流異步電動機變頻調速裝置設計

龔文楊+朱細敏

摘要： 為了使三相交流異步電動機的無極調速達到工作可靠、降低成本的目的，文章以所研究的恒壓自動供水系統為例提出了應用MCS-51單片機控制專用集成電路芯片SA4828產生SPWM波的原理，并進行了單片機控制電機變頻調速裝置實現電機無極調速的硬件設計與軟件設計，通過實驗與實踐，該方案切實可行，為實現單片機控制交流電動機無極調速提供了很好的實施方案。

Abstract： In order to ensure the reliable operation and reduce the cost of stepless speed regulation of three-phase AC induction motor， by taking the automatic constant pressure water supply system as an example， the article presents the principle of generating SPWM wave of IC chip SA4828 controlled by MCS-51 single-chip， and designs the hardware and software of stepless speed regulation of motor frequency control device controlled by single-chip. Through experiment and practice， the program is feasible and provides a good implementation solution for achieving stepless speed regulation of AC motor controlled by single-chip.

關鍵詞： 單片機；SPWM波；變頻調速；電動機

Key words： single-chip；SPWM wave；frequency control；motor

中圖分類號：TM343 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）25-0032-02

0 引言

三相交流異步電動機在機械、泵類、傳送帶、空調和鼓風機等設備中應用非常廣泛，為了使設備運行穩定，要解決的一個突出問題是進行無極調速，特別是在自動控制系統中，電機調速問題表現得更為突出。因此，研究和解決電動機的無極調速裝置技術是電類和自動控制的專業技術人員必須引起高度重視的重要技術課題。計算機的應用特別是單片微型計算機應用技術的推廣使用以及高穩定度高可靠性的電力電子器件的發展，電機的調速問題相應得到了很好的解決，在電機調速裝置中普遍推廣“變頻變壓法”即“VVVF”法，應用單片機控制專用集成電路芯片和電力電子器件組成的電機變頻調速裝置實現電機無極調速可以降低成本、提高系統工作穩定性。筆者通過探索與實踐，利用MCS-51單片機對三相交流異步電動變頻調速裝置進行控制可以達到調速要求。

1 單片機在電機變頻調速裝置中的工作原理

1.1 電機調速的工作原理 根據電機學理論，三相交流異步電機轉速可以用下式表示：n=■（1-s），從公式可知，只要改變磁極對數p，電源頻率f和轉差率s便可以調節轉速n。但是p和s在電機結構上做很大改變很不方便，應用范圍小，最理想的辦法是調節交流電源頻率f，這就是所謂的變頻調速，通過改變f的大小，調節轉速n具有高效率、寬范圍、高精度的性能，故變頻調速是交流異步電動機的一種非常合理又理想的調速方法。但在電機在轉動過程中，產生反電動勢，因此，若僅僅改變電源頻率調節轉速將嚴重影響電機的機械特性，為了保證調節頻率達到調節轉速的目的，根據電機機械特性可知還必須調節電源電壓U，因此，若頻率從一個頻率f調到另外一個頻率fx，則電壓U也要調到Ux，而且必須滿足：■=■，由此可知，電機調速時，調頻的同時必須調壓，這就是“變頻變壓法”。如何實現變頻的同時又變壓呢？我們首先想到的是PWM脈沖波，其波形如圖1所示。

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圖1 PWM脈沖波

圖中t1為脈寬，t2為脈沖之間間隔時間，T2為脈沖周期，若調節脈沖占空比a=■則可調節輸出的平均電壓，若調節脈沖周期T2則可調節頻率，可在變頻的同時實現變壓。

但是這種脈沖波中含有很多諧波成份，不是正弦波，不能作為電機的交流電源進行調速。因此我們必須把這些脈沖矩形波變成漸變的脈沖波，其變化符合正弦變化規律，稱這種脈沖波為正弦脈寬調制波即SPWM波。

1.2 產生SPWM波的過程 由上述分析可知，如果要實現電機變頻調速，首先必須產生SPWM波。根據電子技術理論，產生SPWM波的方法是：用一組等腰三角形與一個正弦波進行比較，由兩波交點的時刻所形成的波可以得到SPWM波，波形形成過程如圖2所示。SPWM調制波是等幅而不等寬的脈沖列，其調制的基本特點是在正弦波半個周期內，兩邊的脈沖窄，兩邊的脈沖寬，各個脈沖之間等距。

圖中等腰三角形為載波，正弦波為調制波，正弦波的幅值和頻率可控可調，從而電機的轉速可控可調。

1.3 應用單片機產生SPWM波 等腰三角形載波頻率、正弦調制波的頻率與幅值是決定SPWM波的三個基本參數，電機就是靠這些參數實現調速。由于這些參數的變化計算量很大，變化速度也非常快，以往都是采用分立元件構成SPWM波發生器，這種電路結構復雜，調試困難，無法完成達到預期效果。

單片機技術具有很強的計算功能和速度，但是由于等腰三角波與正弦波比較時表格坐標的制定和計算工作量大，僅有單片機產生SPWM波速度較慢，不夠理想。近年來，數字化專用SPWM集成芯片的應用越來越廣泛，功能越來越強大，如SA868、SA4828、HEF4752等各種型號的SPWM波形集成發生器芯片。其中，SA4828與單片機連接方便，可產生相位互差120°的SPWM波形，電路結構簡單，軟件控制也很方便，所以在設計變頻調速裝置中選擇SA4828產生SPWM波是最理想的方案。endprint

1.4 SA4828芯片簡介 SA4828芯片是英國MITEL公司生產制造的高精度三相可編程SPWM集成電路芯片，調制波形頻率采有16為精度、變頻調速、分辨率可以達到0.05轉/分。相輸出波形的幅值可單獨控制，可接三相不平衡負載，實現三相閉環控制。該芯片可以與各種類型的單片機控制器連接，并采用了抑制諧波技術，選擇這種芯片作SPWM波形發生器是比較理想的方案。

2 單片機控制電機變頻調速裝置的方案

單片機控制電機變頻調速裝置分為開環和閉環控制兩種方案。現以恒壓自動供水系統為例，其原理框圖如圖3所示。

■圖3 單片機控制電機變頻調速原理框圖

該系統把工頻50HZ的三相電源變為0～400HZ的三相頻率可控的交流電源控制水泵電機轉速。逆變部分采用IGBT-IBM智能功率模塊，該模塊具有自動過壓過流和短路保護，并自帶驅動電路，變頻電流檢測采用霍爾電流傳感器，閉環控制原理是由水壓傳感器采集水管水壓，經ADD7705模數轉換器將水壓和檢測電流轉換成數字量輸入給單片機系統，由單片機系統控制SA4828與IGBT-IBM調節水泵電機轉速，維持水壓恒定，實現水壓與電機轉速的閉環控制。

3 單片機變頻調速裝置的程序設計

由單片機最小應用系統控制可編程芯片SA4828產生SPWM波，因此程序要對SA4828芯片進行初始化設計，因該芯片可在中斷情況下工作，我們在程序設計時采用中斷方式的模式。中斷方式是采用定時中斷，因為頻率較低，周期較長，定時器T0初值超過了十六位，還要用到定時器T0的溢出中斷，因此本程序要用到兩個中斷服務程序，程序設計為三個部分。

3.1 主程序 主程序的任務主要是初始化的設計，即對定時器T0和SA4828同時進行有關參數初始化預置，流程圖如圖4所示。

■

圖4 主程序設計流程圖

3.2 中斷服務調速子程序 本變頻調速裝置是采用閉環控制模式，在設計中斷調速服務程序時，分為三個子程序來編制：①AD7705模數轉換子程序；②采樣值與標準值進行比較，將差值轉換成調制頻率與電壓幅值子程序；③控制程序子程序。程序處理思路：首先將檢測采樣值經AD7705轉換成數字量后存入RAM固定單元，然后用該單元中的值與RAM中固定單元中的標準值進行比較，將得到的差值經處理后轉換成調制頻率值和電壓幅值存入RAM中的某固定單元，通過數據總線AD0-AD7傳送給SA4828控制寄存器R0-R2。然后輸出SPWM調速波，實現水壓與調速的轉速的閉環控制。

3.3 通用子程序的設計 在系統程序設計中涉及到了乘法和除法子程序，此兩種程序可調用通用子程序，然后根據實用調速子程序中的部分參數進行改編。程序設計時要合理分配RAM中的地址，要注意標準值的預置。

4 結語

電機實行變頻調速，可像直流電機那樣實行無極調速，這將擴大交流電機的應用范圍，降低各類電機應用設備的成產成本，節約能源，像各類電梯原大都是使用昂貴的、體積龐大的直流電機，現改為使用變頻調速裝置的交流電機，這樣比原成本降低了許多，安裝維修方便。

基于單片機控制的電機調速裝置，提高和擴大了變頻調速裝置的應用效果和范圍。只要我們合理設計硬件控制方案，優化程序，則使單片機控制的變頻調速裝置得到更普遍更深層次的應用，將變頻調速技術更廣泛的應用到機電設備和自動化設備中，將會產生更好的經濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1]蔡振江.單片機原理及應用[M].機械工業出版社，2011，8.

[2]王水平.控制與驅動器使用指南及應用電路[M].西安電子科技大學出版社，2009，8.

[3]張燕賓.變頻器在恒壓供水中的應用[J].實用技術，2010，19.endprint

1.4 SA4828芯片簡介 SA4828芯片是英國MITEL公司生產制造的高精度三相可編程SPWM集成電路芯片，調制波形頻率采有16為精度、變頻調速、分辨率可以達到0.05轉/分。相輸出波形的幅值可單獨控制，可接三相不平衡負載，實現三相閉環控制。該芯片可以與各種類型的單片機控制器連接，并采用了抑制諧波技術，選擇這種芯片作SPWM波形發生器是比較理想的方案。

2 單片機控制電機變頻調速裝置的方案

單片機控制電機變頻調速裝置分為開環和閉環控制兩種方案。現以恒壓自動供水系統為例，其原理框圖如圖3所示。

■圖3 單片機控制電機變頻調速原理框圖

該系統把工頻50HZ的三相電源變為0～400HZ的三相頻率可控的交流電源控制水泵電機轉速。逆變部分采用IGBT-IBM智能功率模塊，該模塊具有自動過壓過流和短路保護，并自帶驅動電路，變頻電流檢測采用霍爾電流傳感器，閉環控制原理是由水壓傳感器采集水管水壓，經ADD7705模數轉換器將水壓和檢測電流轉換成數字量輸入給單片機系統，由單片機系統控制SA4828與IGBT-IBM調節水泵電機轉速，維持水壓恒定，實現水壓與電機轉速的閉環控制。

3 單片機變頻調速裝置的程序設計

由單片機最小應用系統控制可編程芯片SA4828產生SPWM波，因此程序要對SA4828芯片進行初始化設計，因該芯片可在中斷情況下工作，我們在程序設計時采用中斷方式的模式。中斷方式是采用定時中斷，因為頻率較低，周期較長，定時器T0初值超過了十六位，還要用到定時器T0的溢出中斷，因此本程序要用到兩個中斷服務程序，程序設計為三個部分。

3.1 主程序 主程序的任務主要是初始化的設計，即對定時器T0和SA4828同時進行有關參數初始化預置，流程圖如圖4所示。

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圖4 主程序設計流程圖

3.2 中斷服務調速子程序 本變頻調速裝置是采用閉環控制模式，在設計中斷調速服務程序時，分為三個子程序來編制：①AD7705模數轉換子程序；②采樣值與標準值進行比較，將差值轉換成調制頻率與電壓幅值子程序；③控制程序子程序。程序處理思路：首先將檢測采樣值經AD7705轉換成數字量后存入RAM固定單元，然后用該單元中的值與RAM中固定單元中的標準值進行比較，將得到的差值經處理后轉換成調制頻率值和電壓幅值存入RAM中的某固定單元，通過數據總線AD0-AD7傳送給SA4828控制寄存器R0-R2。然后輸出SPWM調速波，實現水壓與調速的轉速的閉環控制。

3.3 通用子程序的設計 在系統程序設計中涉及到了乘法和除法子程序，此兩種程序可調用通用子程序，然后根據實用調速子程序中的部分參數進行改編。程序設計時要合理分配RAM中的地址，要注意標準值的預置。

4 結語

電機實行變頻調速，可像直流電機那樣實行無極調速，這將擴大交流電機的應用范圍，降低各類電機應用設備的成產成本，節約能源，像各類電梯原大都是使用昂貴的、體積龐大的直流電機，現改為使用變頻調速裝置的交流電機，這樣比原成本降低了許多，安裝維修方便。

基于單片機控制的電機調速裝置，提高和擴大了變頻調速裝置的應用效果和范圍。只要我們合理設計硬件控制方案，優化程序，則使單片機控制的變頻調速裝置得到更普遍更深層次的應用，將變頻調速技術更廣泛的應用到機電設備和自動化設備中，將會產生更好的經濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1]蔡振江.單片機原理及應用[M].機械工業出版社，2011，8.

[2]王水平.控制與驅動器使用指南及應用電路[M].西安電子科技大學出版社，2009，8.

[3]張燕賓.變頻器在恒壓供水中的應用[J].實用技術，2010，19.endprint

1.4 SA4828芯片簡介 SA4828芯片是英國MITEL公司生產制造的高精度三相可編程SPWM集成電路芯片，調制波形頻率采有16為精度、變頻調速、分辨率可以達到0.05轉/分。相輸出波形的幅值可單獨控制，可接三相不平衡負載，實現三相閉環控制。該芯片可以與各種類型的單片機控制器連接，并采用了抑制諧波技術，選擇這種芯片作SPWM波形發生器是比較理想的方案。

2 單片機控制電機變頻調速裝置的方案

單片機控制電機變頻調速裝置分為開環和閉環控制兩種方案。現以恒壓自動供水系統為例，其原理框圖如圖3所示。

■圖3 單片機控制電機變頻調速原理框圖

該系統把工頻50HZ的三相電源變為0～400HZ的三相頻率可控的交流電源控制水泵電機轉速。逆變部分采用IGBT-IBM智能功率模塊，該模塊具有自動過壓過流和短路保護，并自帶驅動電路，變頻電流檢測采用霍爾電流傳感器，閉環控制原理是由水壓傳感器采集水管水壓，經ADD7705模數轉換器將水壓和檢測電流轉換成數字量輸入給單片機系統，由單片機系統控制SA4828與IGBT-IBM調節水泵電機轉速，維持水壓恒定，實現水壓與電機轉速的閉環控制。

3 單片機變頻調速裝置的程序設計

由單片機最小應用系統控制可編程芯片SA4828產生SPWM波，因此程序要對SA4828芯片進行初始化設計，因該芯片可在中斷情況下工作，我們在程序設計時采用中斷方式的模式。中斷方式是采用定時中斷，因為頻率較低，周期較長，定時器T0初值超過了十六位，還要用到定時器T0的溢出中斷，因此本程序要用到兩個中斷服務程序，程序設計為三個部分。

3.1 主程序 主程序的任務主要是初始化的設計，即對定時器T0和SA4828同時進行有關參數初始化預置，流程圖如圖4所示。

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圖4 主程序設計流程圖

3.2 中斷服務調速子程序 本變頻調速裝置是采用閉環控制模式，在設計中斷調速服務程序時，分為三個子程序來編制：①AD7705模數轉換子程序；②采樣值與標準值進行比較，將差值轉換成調制頻率與電壓幅值子程序；③控制程序子程序。程序處理思路：首先將檢測采樣值經AD7705轉換成數字量后存入RAM固定單元，然后用該單元中的值與RAM中固定單元中的標準值進行比較，將得到的差值經處理后轉換成調制頻率值和電壓幅值存入RAM中的某固定單元，通過數據總線AD0-AD7傳送給SA4828控制寄存器R0-R2。然后輸出SPWM調速波，實現水壓與調速的轉速的閉環控制。

3.3 通用子程序的設計 在系統程序設計中涉及到了乘法和除法子程序，此兩種程序可調用通用子程序，然后根據實用調速子程序中的部分參數進行改編。程序設計時要合理分配RAM中的地址，要注意標準值的預置。

4 結語

電機實行變頻調速，可像直流電機那樣實行無極調速，這將擴大交流電機的應用范圍，降低各類電機應用設備的成產成本，節約能源，像各類電梯原大都是使用昂貴的、體積龐大的直流電機，現改為使用變頻調速裝置的交流電機，這樣比原成本降低了許多，安裝維修方便。

基于單片機控制的電機調速裝置，提高和擴大了變頻調速裝置的應用效果和范圍。只要我們合理設計硬件控制方案，優化程序，則使單片機控制的變頻調速裝置得到更普遍更深層次的應用，將變頻調速技術更廣泛的應用到機電設備和自動化設備中，將會產生更好的經濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1]蔡振江.單片機原理及應用[M].機械工業出版社，2011，8.

[2]王水平.控制與驅動器使用指南及應用電路[M].西安電子科技大學出版社，2009，8.

[3]張燕賓.變頻器在恒壓供水中的應用[J].實用技術，2010，19.endprint