基于單片機控制的交流異步電動機變頻調速系統

丁古祥

上海交通大學

摘要：基于單片機控制的交流異步電動機變頻調速系統，實際上通過利用單片機的控制，來實現電動機的變頻調速，是一種廉價的控制方式。重點介紹了該設計給出的系統的總體規劃，控制策略和硬件，軟件，數據計算，該產品類型選擇的原則和程序代碼實現。并簡要介紹了一些相關理論基礎，同時指出了調速系統有待于進一步完善發展的方向。

關鍵詞：單片機；電動機；變頻調速；C8051

1引言：

電動機作為主要的動力設備被廣泛的應用于工農業生產、國防、科技、日常生活等各個方面，成為用電量最多的電氣設備。根據采用的電流制式不同，電動機分為直流電動機和交流電動機兩大類，其中交流電動機形式多樣、用途各異、擁有量最多，交流電動機又分為同步電動機和異步（感應）電動機兩大類。根據統計，交流電動機用電量占電機總用電量的85%左右，可見交流電動機應用的廣泛性及其在國民經濟中的重要地位。

2 C8051單片機對電動機控制的支持

為了使用單片機對電動機進行控制，對現代單片機的要求是：具有足夠快的速度；有PWM口，用于自動產生PWM波；有捕捉功能，用于測頻；有A/D轉換器，用來對電動機的輸出轉速，輸出電壓和電流的模擬量進行A/D轉換；有各種同步串行接口，足夠的內部ROM和RAM，以減少控制系統物理尺寸；有看門狗和電源管理功能等。

2.1 C8051單片機用于控制電動機時的輸入/輸出端口設置

C8051的I/O引腳有2種用途：作為標準的I/O引腳和作為第二功能引腳。與其他單片機不同，C8051并不指定固定的引腳作為第二功能引腳，而是通過交叉開關由用戶設定。

1 交叉開關的使用

在I/O口P0，P1，P2與內部資源之間是使用交叉開關進行連接的。當需要將某些內部資源與I/O引腳相連接時，必須通過交叉開關控制寄存器XBR0，XBR1，XBR2進行設置。設置交叉開關控制寄存器XBR0，XBR1，XBR2的作用是：確定被選擇的資源。

2 I/O口初始化

首先，通過交叉開關控制寄存器XBR0，XBR1，XBR2將所需的資源分配給端口引腳，并在XBR2中將交叉開關設置為允許。

所有的I/O端口都耐5V電壓輸入。

I/O引腳的輸出驅動器特性是用端口配置寄存器PRT0CF，PRT1CF，PRT2CF和PRT3CF定義的。它們分別相應的控制P0口，P1口，P2口和P3口的輸出方式設置。每個端口輸出器都可以通過端口配置寄存器被設置為漏極開路方式或推挽方式，即使對于已在交叉開關XBRn寄存器中分配了的引腳也需要定義，而不是自動定義的。當PRTnCF寄存器中相應的引腳位設置為0時，這些引腳的輸出驅動為漏極開路方式；設置為1時，則為推挽方式。只有SMBus的SDA和SCL以及UART在方式0時的RX所分配的引腳與PRTnCF的設置無關。

為了將一個通用I/O引腳配置為輸入，與這一引腳相關的PRTnCF端口配置寄存器位必須被清0.另外，與該引腳相關的端口位必須置1，這樣使該引腳處于高組態；獲將XBR2中的WEAKUPD位清0，若上拉為高電平，這是端口引腳的復位配置。

當XBR2中的WEAKUPD位設置為0時，被設置為漏極開路輸出方式的所有端口I/O都被允許為弱上拉。WEAKUPD位不影響推挽輸出方式的端口I/O。另外，輸出經常為0的漏極開路引腳的弱上拉應該關閉，以免造成不必要的功耗。

2.2電動機控制中A/D轉換在C8051中的實現

在電動機的控制過程中，常需要將一些過程信號送回單片機進行處理，如輸出轉速信號，輸出電壓信號，輸出電流信號等。因為單片機只能處理數字信號，如果電動機的這些過程信號是模擬量，必須先進過A/D轉換，再將轉換所得到的數字信號送入單片機處理。所以A/D轉換在電動機控制中常常是不可缺少的。

3 單片機控制交流異步電動機變頻調速應用

由SA4828構成的變頻調速系統如下圖3.1所示。首先由鍵盤輸入給定的轉速nO（rpm），單片機把它換算成變頻器將要輸出的頻率和電壓的控制字，寫入到SA4828的控制寄存器，啟動SA4828。從RTBB的6個引腳輸出相應頻率和電壓的SPWM控制信號，經驅動電路隔離后，分別控制智能功率模塊IPM的6個IGBT的導通與截止，最后在三個輸出端上產生對稱的三相SPWM電壓，以驅動交流電動機運轉。利用轉速編碼器可以構成閉環調速系統，提高轉速控制的精度。IPM的故障檢測信號接到SA4828的SET TRIP端，一旦IPM發生過流、過熱、短路和欠壓等情況，將立即切斷SA4828的6路輸出信號，使IPM得以保護。

圖3.1 7單元

3.1智能功率模塊——IPM

目前已有許多廠商把該電路與整流電路、控制電路、驅動電路、保護電路及傳感電路等集成為一個模塊，稱為智能功率模塊——IPM（Intelligent Power Module）這樣使主電路結構緊湊，避免了分布參數的影響。

（1）IPM的特點

① 內含驅動電路，設定最佳IGBT驅動條件；

② 內含過流、過熱、欠壓、短路保護電路，出現異常時給出報警信號，以控制逆變器停止工作；

③ 內含制動電路，可直接外接制動電阻RB；

（2）IPM的選用

IPM的參數由電動機的額定功率PO及峰值電流I P來確定。例如，當電動機的線電壓為U = 220V，輸出功率PO=2.2kW，功率因數Cosφ=0.75，效率η=0.8時，峰值電壓UP=√2 U =310V，峰值電流I P=√2PO /（√3 UCosφη）= 13.8A，可選用東芝、三菱、富士的產品，規格為600V/30A，7單元IPM。

3.2 驅動電路

SA4828輸出的6路控制信號是TTL電平的，它們不能直接驅動IPM中的6個IGBT。原因有兩個：①IGBT需要的開關信號幅值約為±10V，TTL電平不能勝任；②逆變橋中三個下橋臂是共地的，而三個上橋臂是懸浮的，SA4828輸出的6路信號均是共地的，必須加以隔離。因此驅動電路的任務有兩個：電平轉換和隔離。

IGBT一般用集成電路芯片來驅動，常用電路有富士公司的EXB840、841、850、851系列；三菱公司的M5796系列，以上各電路在很多書籍中都有介紹，不再贅述。這里介紹一種東芝公司的產品TLP250，電路非常簡單。

TLP250采用8腳的DIP封裝，引腳如圖3.3。輸入端光耦的隔離電壓達到3000V，輸入電流為5～10mA，可以驅動100A/600V的IGBT。它采用單電源供電，使用時須外接一個電阻和一個10V的穩壓管，把25V的隔離電源變為+15V的導通電壓和-10V的關斷電壓。

圖3.3 TLP250驅動

3.3 隔離電源

如前所述，為了驅動主電路逆變橋的三個上橋臂的IGBT，必須給每一路提供一個隔離的25V電源而三個下橋臂可以共用一個電源。此外，SA4828及單片機系統還需要+5V電源以及異步通訊所需的±12V電源，一共需要7路電源，如圖3.4所示。