變頻器中單片機控制的設(shè)計分析

馬衛(wèi)民

（安徽職業(yè)技術(shù)學院， 安徽 合肥230051）

變頻器中單片機控制的設(shè)計分析

馬衛(wèi)民

（安徽職業(yè)技術(shù)學院， 安徽 合肥230051）

隨著科技的快速發(fā)展，單片機得到了更深層次的開發(fā)研制，其應(yīng)用的范圍和領(lǐng)域也變得越來越廣闊，其中將單片機裝入變頻器中，利用單片機電子控制系統(tǒng)對變頻器進行控制，利用串行通訊接口修改變頻器的各種參數(shù)，從而使傳統(tǒng)的利用接線方式對變頻器進行控制的方法得到徹底改變，這樣既節(jié)約了成本、提高了控制效率，也順應(yīng)了時代發(fā)展的趨勢.本文闡述的變頻器設(shè)計方法是利用AT89C51單片機作為控制中樞，采用EXB841專用驅(qū)動和保護器件對功率模塊絕緣柵雙極晶體管(IGBT)進行驅(qū)動與保護.

變頻器設(shè)計；單片機控制；變壓變頻

在應(yīng)用EXB841時應(yīng)該注意一些原則性的事項，同時AT89C51單片機采用SPWM的變成方法，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制脈沖，此外，本文還詳述了異步電動機在變壓變頻(VVVF)調(diào)速時所具有的近似機械特性以及在變頻調(diào)速的方式下主要的對策，以及怎樣使帶有反饋信號的輸出控制模式得以實現(xiàn)，并輸出由變頻調(diào)速所控制的一些數(shù)據(jù).在對變頻器進行設(shè)計時，應(yīng)最大限度的降低材料消耗，創(chuàng)新出新的更科學的管理措施，以最終實現(xiàn)對變頻器的單片機控制，從而降低其成本.

1 對主電路的設(shè)計

在運行的過程中主電路的設(shè)計對整個電路技術(shù)設(shè)計而言非常關(guān)鍵，一般情況下人們都是采用逆變電路.與電流型的逆變器有所不同的是，這種逆變電路的中間直流環(huán)節(jié)部分的電壓值與負載沒有關(guān)系.并且這一組合方式能使形式比較清晰，并且還可以根據(jù)實際情況進行適當?shù)恼{(diào)試，其另外一個優(yōu)點是主電路的功率因數(shù)比較高.由四個雙模塊組成了逆變電路，這四個雙單元模塊能控制一系列的變壓變頻活動.在使用過程中電容采用3000uF／450V，其在電路中作為儲能元件，構(gòu)成了電壓型的逆變器，并來完成其所被指定的功能和任務(wù).IGBT模塊信號的改變由單片機AT89C51來控制，以PWM技術(shù)的形式，實現(xiàn)變壓和變頻.主電路圖如圖1所示.

圖1 主電路

2 IGBT的驅(qū)動設(shè)計

IGBT也就是兩個單元模塊，屬于電壓驅(qū)動元件，其中有一個容性輸入阻抗存在于整體結(jié)構(gòu)中，這樣就對IGBT的驅(qū)動電路提出了很高的要求.由于驅(qū)動的初始內(nèi)阻值較小，這樣就可以相應(yīng)的增大前后沿的空間范圍，這樣IGBT的開關(guān)所消耗的能量也會隨之減少.增加IGBT的通態(tài)壓降和開關(guān)耗損的降低，往往不利于負載短路的保護和安全，于是實際的電壓一般定為15V.在關(guān)斷時，電容應(yīng)該是在放電的狀態(tài)，此時在電壓上需加上負偏壓才行，一般是使電壓值能保持在-5V.根據(jù)上述的信息，設(shè)計中采用的是EXB841厚膜，IGBT高速型的驅(qū)動電路.其內(nèi)部布置如下圖所示.

圖2 EXB841的內(nèi)部框圖

如上圖所示，為了保證正常發(fā)射，1連接到IGBT的發(fā)射級上，2連接到V直流型的電源上，一般選擇+20V的直流電源就可以了.4主要起著保護的功能，外部接到電容上，以防止過流保護誤動作，因此一般可不接.5主要保護正常情況下輸出的高電平信號.6通過二極管連接到集電極上，然后通過檢測UCE的大小，來判斷是否出現(xiàn)了短路現(xiàn)象，是否出現(xiàn)集電極的電流過大現(xiàn)象.9為電源點，其余是空端.

EXB841單臂驅(qū)動電路圖如圖3所示.

圖3 EXB841單臂驅(qū)動電路圖

我們在使用EXB841時需更加注意一些重要的關(guān)鍵點.第一，RG電阻是串聯(lián)的并連接在IGBT柵極與輸出端之間，電阻RG的主要作用是抑制電壓的尖脈沖以及降低開關(guān)噪聲，因為IGBT電極在工作中會產(chǎn)生很大的電壓尖脈沖和噪音，電阻RG的具體取值主要決定于IGBT額定的電壓和電流.第二，綜合各方面的因素進行考量，輸入電路接線都必須最大程度的遠離輸出的電路接線，這樣可以盡可能地增大絕緣強度從而使之得到有效的保證，還能阻抗一定量的強大噪聲.第三，在使用ExB84l的時候，要保證其與IGBT柵射極之間的接線距離小于50厘米，而且最好都要使用雙絞線.

3 交流異步電動機的設(shè)計分析

交流異步型電動機的變頻特性非常復雜，額定頻率在50Hz左右，然而此次設(shè)計的變頻器，在變頻調(diào)速時，其機械特性頻率是不在額定頻率范圍內(nèi)的，因此為了安全起見沒有使用恒壓頻.我們采用了恒壓升頻的變頻調(diào)速方式，這種變頻調(diào)速可以加強電動機的轉(zhuǎn)速從而使磁通減小，最后使被允許的輸出轉(zhuǎn)矩下降.又由于電動機的允許輸出功率很少變化，所以是屬于近似的恒功率調(diào)速.下圖為近似的恒功率機械特性曲線.

圖4 近似恒功率機械特性

在特定頻率下，變頻頻率應(yīng)使用恒壓頻比進行控制.因為當電動機定子供電的電壓被固定時，若是簡單利用降低頻率以調(diào)整變頻速度就會相應(yīng)引起磁通增加，進而引起磁路的飽和電流上升，然后急劇增加鐵的消耗，最后使電動機損害增大，導致其功率因數(shù)和效率急劇下降.因此，為防止出現(xiàn)這一現(xiàn)象，在現(xiàn)實控制操作的時候就應(yīng)該注意一方面要降低頻率，另一方面也要按照一定的比例降低定子的電壓.盡管如此，這種方法也有其不利的方面，如不能使定子保持它的磁通恒定不變，只是進行近似的恒轉(zhuǎn)矩和恒磁通調(diào)速而已.下圖5為其機械特性的曲線，可以結(jié)合圖進行進一步的理解.

圖5 恒壓頻比控制的機械特性

4 分析單片機的程序設(shè)計過程

AT89C51單片機的程序決定著逆變器的主要綜合性能，可以對單片機AT89C5l的具體程序進行靈活設(shè)計，充分利用AT89C51單片機內(nèi)部的軟件、硬件資源.一般情況下采用的設(shè)計方式為，在大于額定的頻率時，調(diào)頻的時候不進行調(diào)壓，而在小于額定頻率的恒壓頻比時，就需要進行適度調(diào)速.下面詳細解析一下在對單片機進行程序設(shè)計時，如何實現(xiàn)恒壓頻比以及如何讓頻率實現(xiàn)自動變化.

4.1 單片機設(shè)計時的思路探析

假定變頻器的輸出頻率為f,那么脈寬調(diào)制的脈沖頻率就會是512f，由沖量的相等原理，就能確定首個輸出脈沖的寬度，此脈沖的寬度用△tl表示，其大小是按下面的公式進行計算的：

式中的f為輸出電壓的頻率；U是整流器的輸出電壓平均值，Um表示預期正弦交流輸出的電壓峰值.公式中△t1是AT89C51單片機定時器TO的初始值，當開啟變頻器設(shè)計T0后，能使P1.0輸出低電平，進而就會驅(qū)動EXB 841的P14.定時器T1的啟動要根據(jù)TO何時溢出，在啟動后就應(yīng)該開始準備輸出下一個脈沖.用△t2來表示第2個調(diào)制脈沖寬度，計算公式如下：

按上面的計算方法，就可以計算出相鄰的調(diào)制脈沖之間的時間間隔，當前面的輸出脈沖結(jié)束了，就可以將提前儲存在程序中的數(shù)據(jù)給予定時器Tl，這樣△ti就可以利用上述的計算方法進行計算了，最后再把計算的結(jié)果數(shù)據(jù)儲存到程序內(nèi)以便查詢使用.

4.2 如何做到單片機恒壓頻比

小交流電動機與大交流電動機在額定頻率和額定電壓方面差異明顯，小交流電動機的額定頻率一般為50Hz，而其額定的電壓一般是在220V左右.如果變頻時候的頻率不足50Hz的話，就應(yīng)該首先計算實際頻率不足50Hz的百分比是多少，然后通過查找表中的數(shù)據(jù)，將從表中查到的△ti值乘以其百分比數(shù)值，才能實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速.

4.3 如何對單片機頻率變化進行設(shè)計

對一般的變頻器來說，單片機的頻率變化范圍對其是非常重要的.像日常用的家電，其內(nèi)部都安裝有電動機負載，這些電動機的負載能對家電進行恒溫式的控制.所以我們就可以利用溫度的傳感器來計量外面的環(huán)境溫度，當溫度傳感器檢測到的外部環(huán)境溫度達不到設(shè)定值溫度的時候，其就會輸出低頻率的電壓，相反，當傳感器計量到的環(huán)境溫度比設(shè)定的溫度高時，其就會輸出高頻率的電壓，最高的頻率能達到80-100Hz之間.這種變頻器頻率的自動變化都是通過設(shè)計單片機來實現(xiàn)和完成的.

將我們所設(shè)計的基于單片機控制的變頻器的實際應(yīng)用成效與其他變頻器進行對照比較，例如可以對兩者在空調(diào)器上的應(yīng)用成效進行對照.首先，在耗電量上對它們進行比較，能清楚看到在相同的溫度和時間下，使用單片機控制下的變頻器進行供

此外，定時器Tl的初值tll的計算公式如下：電的空調(diào)，其耗電量只為連接到220V電源上空調(diào)的耗電量的一半左右，可見它們之間的耗電量差距還是非常明顯的.此外，一般情況下，使用單片機控制的變頻器，其成本也很低廉，只需百元左右，并且具有電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高和實時性好等優(yōu)點，用于單相異步電動機的變頻調(diào)速將會具有廣闊的實用前景.所以可以預見到，在今后成本低廉、節(jié)電能力超強的自制變頻器的市場發(fā)展和推廣空間將是非常廣闊的.不僅如此，單片機控制變頻器的推廣與應(yīng)用也很好的順應(yīng)了當今世界節(jié)能環(huán)保的時代潮流.

5 結(jié)語

電子電氣行業(yè)一直都是我國工業(yè)領(lǐng)域的重要產(chǎn)業(yè)，是體現(xiàn)我國經(jīng)濟發(fā)展水平的基礎(chǔ)行業(yè)，因此，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，需要相應(yīng)地不斷提升我國電子電氣行業(yè)的儀器和設(shè)備等一些基礎(chǔ)設(shè)施的資源配置水平，不斷研發(fā)能促進當前工業(yè)發(fā)展的新的科技產(chǎn)品，從而改善電子電氣行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀.本文主要介紹了基于AT89C51單片機控制的變頻器的設(shè)計，然后通過在空調(diào)器上的實際使用與對比，表明這種單片機控制的自制變頻器具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性和通用性強、應(yīng)用靈活和調(diào)節(jié)方便等諸多的優(yōu)點，為高性價比和節(jié)能環(huán)保型的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品.該設(shè)計成果在空調(diào)器、風機調(diào)速和水泵調(diào)速等方面都有著廣泛闊的應(yīng)用前景.

〔1〕袁力輝,陳壽才.基于單片機控制的變頻器的設(shè)計[J].電子制作，2012(02).

〔2〕唐中燕.基于單片機的單相SPWM變頻器設(shè)計[J].電機電器技術(shù),2011(04).

〔3〕徐進.基于單片機MC68HC05的機床電機調(diào)速的高性能TPWM變頻器的實現(xiàn)[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2010(03).

〔4〕李鵬,黃為勇.單片機控制變頻器在通風系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].江蘇煤炭,2009(03).

〔5〕韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用(第2版)[M]．北京：機械工業(yè)出版社,2006．

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1673-260X（2014）06-0026-03