基于單片機變頻調速器的設計研究

作者/王博、康德，成都理工大學信息科學與技術學院；鄭智波，四川電力職業技術學院

基于單片機變頻調速器的設計研究

作者/王博、康德，成都理工大學信息科學與技術學院；鄭智波，四川電力職業技術學院

在變頻調速系統中控制器是其核心，而單片機將被利用于其實現硬件配置和軟件設計當中。本文通過講述變頻調速系統的內容以及其硬件配置合格軟件設計來探討其單片機控制器的而設計。

單片機；變頻調速；控制器；設計

現代社會隨著電子和科學技術的發展，交流變頻調速具備節能的功能同時還兼顧簡單、可靠的特點，使之在調速系統中被廣泛應用。最近幾年，以單機片為控制核心，并采用VVVF的控制原理實現變頻調速的控制器并在其性能方面有了極大的進步[1]。

1.變頻調速系統

在各種高性能的電子器件隨著微電子技術和自動控制技術的迅速發展的時候，交流調速系統已經在電氣傳統領域占有極重要的地位，其中應用范圍最廣、最有發展前景的就是變頻調速的裝置。他能代替直流調速系統在工業上進行應用是因為其結構簡單、運行可靠、節電效果明顯。

變頻調速系統的主要組成是主回路、整流濾波、控制器和故障檢測等。

控制器是系統的核心部分，其產生的脈寬調制（PWM）波形，驅動主回路中的功率開關管，并輸出正弦三相交流電，從而達到電機在規定轉速內運行的目的[2]。

另外，在PWM的方式中，最基本的調制脈寬的方式之一就是正弦波脈寬調制（SPWM）。正弦是對控制器輸出的脈沖寬度進行規律變化的。簡單來說就是各個矩形脈沖波下的面積接近于正弦波下的面積，就使得逆變器的輸出電壓接近于正弦波。

2.控制器硬件設置

■2.1 變頻控制器

變頻控制器的輸出PWM波的頻率是由外控模擬的電壓或者鍵盤設定，其工作頻率范圍在2～120Hz，精度控制在0.5%；可隨意設定的數值曲線是電壓/頻率曲線以及頻率變化斜率，這是為了滿足各種電氣傳動裝置的需求，同時其還具有過載保護功能。若在檢測到短路、過壓等情況出現時，通過自動切斷電源來保護回路功率開關管和電動機免受損傷[3]。

■2.2 硬件配置

根據控制器實時處理精度和速度要求，系統選用MCS—8098準十六位單片機作為主要控制部位，該芯片要擴展少量外圍器件就可以控制完整的電路。

8098的ACH4端口的可以接外控輸入電壓，通過改變電壓調整變頻器輸出脈沖的頻率達到遙控的目的。三相交流電的產生是HS00～HS02段輸出的SPWM波。故障標志是通過緩沖器輸入8098的HSI0～HSI3，再經過CPU判斷后作停機處理[4]。 控制系統框圖如圖1所示。

圖1 控制系統框圖

3.控制器軟件設計

■3.1 軟件設計的變頻算法

變頻調速軟件采用的規則算法為：

①A相：τKA＝TC(1＋M·sinωt)/2

②B相：τKB＝TC[1＋Msin(ωt－120°)]/2

③C相：τKC＝TC[1＋Msin(ωt－240°)]/2

在上面的算式中，TC叫做采樣周期，就是載波脈沖周期，運行頻率決定了它的大小，M也隨著運行頻率耳邊，被稱作調制系數，他的變化規律由V/F曲線所確定的，其值要控制在1以內[5]。

■3.2 軟件設計

按照變頻控制器所有的功能，將系統軟件設計成主控模塊、鍵盤中斷模塊、顯示模塊、軟件定時中斷和脈寬計算模塊、外控模塊及故障識別模塊這些獨立模塊。

在主控模塊中完成系統初始化之后，調用外控模塊，并輸入外控指令。程序從2080H單元開始執行，若有鍵盤在電動機起動之前中斷，就要執行相應的服務程序，同時設置運行的參數。反之，若主回路沒有出現任何故障，就進入整成循環運行的過程中。此外要求其在運行過程中不斷響應軟件定時中斷，并計算脈寬，向主回路輸出三相PWM波。

在完成PWM波的生成以及輸出任務的同時將軟件定時中斷模塊。在控制器中利用的是8098的高速輸出部件HS0來實現其功能。要想形成三相PWM波。需要設置每一項脈沖，并得出相應的命令。除此之外，還要設置下一周期的起始和終止時間，在軟件中斷程序完成時會產生一波PWM波的輸出。由于HS0 是以定時器T1 為計時基準的，因此脈沖的前后沿時刻是定時器的時間值的偏移量。

4.結語

綜上所述，文中采用了8098單片機存在的特點，將系統結構簡單化，功能完善化，與此同時，除了完成PWM變頻控制，還能在系統內進行故障檢測、自我保護等功能的實現。要進一步推廣并應用變頻調速系統，節約能源，還需要研制其性能的優越性、輸出波形的高質量、寬屏率范圍等等的變頻控制器。

＊ [1]汪義旺,宋佳,張波.基于SOC單片機的FFU風機變頻調速控制器[J].蘇州市職業大學學報,2013,01:19—21.

＊ [2]岳連德.以單片機為主控制器的交流變頻調速系統的設計及應用[J].變頻器世界,2005,06:45—48.

＊ [3]弓亞超,李慧.基于單片機的電動機變頻調速控制器設計[J].福建電腦,2006,03:157+159.

＊ [4]陳迎松,喬偉強.變頻調速控制器的設計[J].電氣時代,2004,12:84—86.

＊ [5]肖乾湘.基于單片機的變頻調速電機設計思路研究[J].企業技術開發,2014,08:96—97.