一種基于單片機的變頻電壓控制器設計

南充職業技術學院信息與管理工程系 劉遠仲

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一種基于單片機的變頻電壓控制器設計

南充職業技術學院信息與管理工程系 劉遠仲

【摘要】本文以單片機AT89C51為核心控制芯片，采用EXB841厚膜IGBT器件作為變頻器的驅動電路，從提高電子產品安全性與性能性方面來闡述了變頻器電壓控制設計方法。論文在硬件上詳細敘述了變頻器主電路設計，正弦脈沖寬度調制（PWM）技術以及利用單片機端口如何連接EXB841引腳接口電路設計；在軟件上詳細給出了軟件設計思路與更改軟件控制方法介紹。

【關鍵詞】單片機；IGBT驅動器；變頻電壓控制

引言

隨著現代社會對電子產品的使用頻率越來越高，IT技術在家用電子產品中的應用得到了快速發展。目前，風機，水泵等一些機械產品已進入了人們的生產和生活中，但它的高耗能給人們帶來了一些不便。目前，市面的上變頻器價格普片偏高，而且高性能變頻器缺乏，所以設計出一款高性能、低耗材變頻器十分必要，本文使用單片機來進行設計，單片機(MCU)是一種計算機微處理器，內部集合了CPU、RAM、ROM以及各種I/O接口。通過對1kw以下的電動機驅動運行檢測證明此設計能夠很好的滿足電機工作要求，達到了設計要求。

圖2　主電路原理圖

1　主電路設計

在本文中，變頻器的主電路采用“交流～直流～交流”設計思想來作為設計思路，從后面電路原理圖可看出，該電路接線方便，頻率可根據需要任意設置且工作效率高。主電路圖結構如圖2所示。

2　IGBT驅動接口電路設計

IGBT內部為電壓驅動式電路結構設計，它的內部包含有快速放電電容阻抗，因此要讓IGBT驅動電路更好的配合我們的主電路工作，需滿足如下條件：

圖3　EXB841厚膜IGBT元件結構圖

EXB841與單片機連接構成的驅動電路如圖4所示。

圖4　EXB841與單片機連接驅動電路圖

使用EXB841作為驅動電路的幾點注意：

（1）電路輸出端EXB841引腳3與IGBT柵極的連接電阻R20不可省略，因為該電阻可以有效降低驅動電路開關引起的雜音并可抑制電路產生的尖脈沖，該電阻阻值不是固定的，與電路工作時的電壓、電流大小有關，當工作電壓為900v，額定電流6A時可取R20為150Ω；

（2）在連接電路時為了保證電路的安全，提高電路性能，應使光電耦合器的接線與電壓輸出端保持足夠遠的距離；

（3）未了避免電路之間的干擾，應使用雙絞線將IGBT柵極與射極之間連接起來且柵極與射極之間距離須小于0.6m。

3　變頻器軟件設計

通常一款產品的好壞，硬件是基礎，但軟件的高效，簡潔，易懂才是真正的核心，因此選擇一款低成本高性能的芯片對我們的產品增值是非常重要的，本論文選用目前較通用的AT89C51作為我們的主控芯片，前面已詳細介紹過單片機在此不再累述。

3.1軟件設計思路

現假設變頻器出廠時設定額定工作頻率為f，則采用正弦脈寬調制(SPWM)的調制脈沖頻率為512f，在控制理論中，根據采樣沖量相等定理，可以用公式（1）來確定驅動電路的第一個時間脈沖間隔寬度：

式中：f為變頻器額定工作頻率，U為橋式電路整流后輸出的電壓平均值，為正弦交流電路輸出的電壓峰值。是單片機定時計數器T0的計數初值，當定時時間到后，由P1^0輸出低電平來作為驅動電路EXB841 P14腳的驅動。計數器T0自身計數滿溢出后便立即置位變為高電平并啟動定時計數器T1工作為下一個調制脈沖做好準備。調制脈沖可由公式（2）來確定：

由此可推出，只要在相鄰2個調制脈沖進行調制，都可以通過公式（3）來推出，所以，我們只要預先計算出調制脈沖時間并建立一張數據表存放在單片機中就可以運用單片機查表指令來完成驅動電路的快速關斷。

3.2恒定頻率電壓控制的實現

要想主電路工作在恒定頻率下，則只需對調制脈沖做一些修正，例如常規的單相異步交流電動機工作電壓大都在220v，電流工作頻率50Hz左右，如果變頻器低于工作頻率時，可先計算出低于50Hz的誤差值，然后使用預先算出的脈沖調制間隔數據乘上誤差值。

4　結論分析

以上述分析理論為基礎，在1.5P空調上進行實際控制實驗，當機器接上市政電壓220v時，在相同環境下，將普通空調設置在26°，將我們可變頻電壓空調也設置在26°，運行12小時后，通過實驗發現，使用變頻器設計的空調耗電量是與與普通直接供電的空調耗電量的69%,也就是說，節約了電量大約31%，但此單片機設計成本不足130元，這樣算下來，一年節約的耗電量的錢遠遠大于成本，隨著年限的使用延長，人們節約的成本更多。

參考文獻

[1]黃俊,王兆安.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社,2012．

[2]賈正春,馬志源.電力電子學[M].北京:中國電力出版社,2009．

[3]李雅軒.電力電子技術[M].北京:中國電力出版社,2013.

[4]趙曉安.MCS一51單片機原理與應用[M].天津:天津大學出版社,2010．

[5]秦忠基.一種適用的單片機和變頻器的接口[J].微計算機信息,2005(2):69-70．

[6]趙德元．由單片機控制的單相SPwM變頻器的研究[J]．微型機與應用,2007(3)：15-17．

劉遠仲（1985-），男，四川儀隴人，碩士研究生，主要研究方向：電子技術，信號與信息處理。

作者簡介：