基于8098單片機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

史 今

（新疆職業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，烏魯木齊830013）

基于8098單片機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

史 今

（新疆職業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，烏魯木齊830013）

變頻調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)能效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)，已成為高性能交流調(diào)速領(lǐng)域中備受關(guān)注和重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)之一。在分析了交流調(diào)速系統(tǒng)研究背景的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種由8098單片機(jī)為主控制器，配合集成芯片產(chǎn)生PWM波形控制逆變開關(guān)通斷的低價(jià)格交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理以及軟件構(gòu)成，系統(tǒng)具有易于改變控制算法、程序易于移植、控制精度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

單片機(jī)；脈寬調(diào)制；信號(hào)檢測；變頻器；調(diào)速；節(jié)能

1 引 言

在傳統(tǒng)的可調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)占絕對(duì)優(yōu)勢。但是直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，又有換向器和電刷，在運(yùn)行中常出故障。與此相反，鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但是交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速困難。交流變頻技術(shù)出現(xiàn)以來，使用變頻調(diào)速器和調(diào)節(jié)器來進(jìn)行交流電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速成為可能。它具有調(diào)速范圍寬，穩(wěn)速精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，運(yùn)行可靠等技術(shù)性能，已逐步取代直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。然而目前的變頻器大部分都線路復(fù)雜，價(jià)格昂貴，常用于大、中功率的電動(dòng)機(jī)。對(duì)于國內(nèi)占有率極大的中、小型電動(dòng)機(jī)采用這類變頻器無疑是難以普及的。

鑒于以上情況，設(shè)計(jì)了一種由8098單片機(jī)為主控制器的，具有高度靈活性和可靠性的低價(jià)格交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。以INTEL公司的8098單片機(jī)作主控制器，并且采用了功率晶體管作輸出，具有完善的電流、電壓、轉(zhuǎn)速的檢測和顯示，以及過壓，過流保護(hù)，另又增加了串行通訊口，采用兩線制RS－485通訊結(jié)構(gòu)，可靠通訊距離為1．2km，并且可加中繼來延長距離。該系統(tǒng)可方便的組網(wǎng)控制或組成分布式集散控制系統(tǒng)，也可單獨(dú)作為直接控制器來使用。電路中還采用了美國達(dá)拉斯公司最新生產(chǎn)的時(shí)鐘芯片DS－12887，內(nèi)含128字節(jié)的不揮發(fā)RAM，可以記錄下電動(dòng)機(jī)過流過壓保護(hù)時(shí)的時(shí)間和電流電壓數(shù)據(jù)，供查詢使用。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

該硬件系統(tǒng)主要包括主電路與控制電路兩個(gè)部分，其中主電路包括交－直－交變頻電路（本設(shè)計(jì)采用IPM集成模塊）與電動(dòng)機(jī)；控制電路包括89C51主控制模塊、SA4825產(chǎn)生SPWM波模塊、驅(qū)動(dòng)模塊以及外圍設(shè)備模塊（如鍵盤輸入、液晶顯示、A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換以及串口等）。以CPU為核心，配以鍵盤、顯示、通訊等設(shè)備，完成對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的速度控制。這里選用了ATMEL公司的89C51單片機(jī)，它與Intel 51系列單片機(jī)完全兼容。其內(nèi)部配置了8kb的Flash Memory，無須擴(kuò)展外部存貯器。同時(shí)這種8位單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)與SA4828完全兼容，可以直接相連。給定轉(zhuǎn)速n0可以用三種方式設(shè)定：鍵盤、電位器和上位機(jī)。用8位LED分別顯示給定轉(zhuǎn)速n0和實(shí)際轉(zhuǎn)速n，一目了然［1］。

2．1 晶閘管及功率晶體管驅(qū)動(dòng)電路

晶閘管驅(qū)動(dòng)電路采用型號(hào)為MOC3021的6支光電耦合器件組成，該器件是雙向晶閘管輸出型的光電耦合器，作用是隔離單片機(jī)主控系統(tǒng)和觸發(fā)外部晶閘管。功率晶體管基級(jí)驅(qū)動(dòng)電路采用MPD1203厚膜集成電路，以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)可靠性。MPD1203集成電路集光電隔離與驅(qū)動(dòng)電路于一身，為GTR提供正或負(fù)的基級(jí)電流，控制GTR的導(dǎo)通或關(guān)斷［2］。它與軟件結(jié)合形成所謂軟開關(guān)。

2．2 PWM脈沖形成電路

正弦PWM脈沖信號(hào)采用大規(guī)模集成電路HEF4752產(chǎn)生，它是專門設(shè)計(jì)用來產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制信號(hào)的大規(guī)模集成電路。HEF4752集成電路輸出3對(duì)互補(bǔ)的脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)波形，由它們?nèi)ヲ?qū)動(dòng)三相逆變橋功率元件產(chǎn)生對(duì)稱的三相輸出。當(dāng)控制端I為低電平時(shí)，輸出波形適宜驅(qū)動(dòng)晶體管逆變器；當(dāng)控制輸入端I為高電平時(shí)，適宜于驅(qū)動(dòng)晶體管逆變器。輸入端CW用于控制相序。當(dāng)CW為高電平時(shí)，相序?yàn)镽YB；當(dāng)CW為低電平時(shí)，相序?yàn)镽BY，用于控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)輸入端L為低電平時(shí)，封鎖所有的脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)輸出，它的作用除了起停電機(jī)外，還可方便地用于過流保護(hù)。

為了避免逆變橋中同一相上下2支開關(guān)元件同時(shí)導(dǎo)通引起短路，在它們切換時(shí)，插入互鎖推遲間隔，以確保有足夠的換相時(shí)間。在HEF4752集成電路中，由推遲間隔選擇端K和時(shí)鐘輸入OCT一齊決定推遲間隔的長短。當(dāng)K為高電平時(shí)，推遲間隔時(shí)間Tb＝16／Foct（s）；當(dāng)K為低電平時(shí)，Tb＝8／Foct（s）［3］。

三相PWM輸出波形的頻率、電壓和每周期的脈沖數(shù)，分別由3個(gè)時(shí)鐘輸入FCT，VCT，OCT決定。它的輸入由8098單片機(jī)改變計(jì)數(shù)常數(shù)，經(jīng)可編程計(jì)數(shù)器8254輸出方波信號(hào)獲得。采用專用PWM芯片HEF 4752，使系統(tǒng)可靠性好，應(yīng)用方便，編程簡單。在大規(guī)模集成電路HEF4752控制電路中采用載頻信號(hào)Uc與參考信號(hào)Ur相比較的方法產(chǎn)生基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這里采用單極性等腰三角形；Ur采用可變的直流電壓。在Ur與Uc波形的交點(diǎn)處發(fā)生調(diào)制信號(hào)，部分脈沖調(diào)制波形如下圖2所示［3］。

圖2 PWM脈沖形成過程

2．3 單片機(jī)控制系統(tǒng)

單片機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖如圖3所示。

圖3 單片機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖

從圖3可知，系統(tǒng)由8098，EPROM2764，RAM6264和74LS373構(gòu)成主體部分。外圍擴(kuò)展有鍵盤和數(shù)碼顯示接口芯片8279、并行輸入輸出芯片8255、時(shí)鐘芯片DS12887、定時(shí)器計(jì)數(shù)器接口芯片8254、雙四選一模擬開關(guān)4052、鎖存器74LS373和串行RS－485標(biāo)準(zhǔn)通訊驅(qū)動(dòng)接口芯片75176構(gòu)成一個(gè)完整的變頻調(diào)速中心控制系統(tǒng)［4］。

系統(tǒng)內(nèi)由8279構(gòu)成了32位數(shù)碼管顯示和四乘五鍵盤矩陣。32位數(shù)碼顯示分別顯示6位時(shí)間、4位給定轉(zhuǎn)速、4位實(shí)際轉(zhuǎn)速、4位運(yùn)行頻率、2位運(yùn)行指示和1個(gè)3位的運(yùn)行電壓、3個(gè)3位的運(yùn)行電流。鍵盤矩陣分別有0至9共10個(gè)數(shù)字鍵和8個(gè)功能鍵與2個(gè)備用鍵［5］。

并行輸入輸出接口8255的PC7與PC6兩個(gè)口作為雙四選一開關(guān)4052的控制信號(hào)。PA口作為輸入口，用光電耦合器隔離，輸入8路狀態(tài)量。PB口作為輸出口，經(jīng)MC1413隔離驅(qū)動(dòng)后，經(jīng)過繼電器輸出7路開關(guān)量。這一部分主要是作為擴(kuò)展系統(tǒng)時(shí)使用。

DS12877是一片內(nèi)帶鋰電池、晶振的時(shí)鐘芯片。它可以為系統(tǒng)提供一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)。在電動(dòng)機(jī)電流過大保護(hù)時(shí)可以記錄下時(shí)間。并且此芯片內(nèi)有128字節(jié)的不掉電RAM，可以在停電后保持?jǐn)?shù)據(jù)不丟失。所以把系統(tǒng)運(yùn)行中的一些參數(shù)儲(chǔ)存在這里，如鍵盤輸入的給定轉(zhuǎn)速、最大電流等。

8254 是一個(gè)內(nèi)含3路16位可編程計(jì)數(shù)器定時(shí)器［6］。8098單片機(jī)定時(shí)對(duì)頻率給定信號(hào)進(jìn)行采樣，根據(jù)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果或鍵盤的設(shè)定，或從上位機(jī)通過串行通訊口設(shè)定的轉(zhuǎn)速，經(jīng)軟件處理為適合8254可編程計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)常數(shù)。8254裝入由單片機(jī)送出的計(jì)數(shù)常數(shù)后便產(chǎn)生相應(yīng)頻率的方波信號(hào)。單片機(jī)一旦改變送出的計(jì)數(shù)常數(shù)，就可以改變8254輸出的方波信號(hào)頻率。這個(gè)方波信號(hào)作為PWM芯片HEF4752的時(shí)鐘輸入FCT。因此，調(diào)節(jié)頻率給定信號(hào)，也就是改變了8254的計(jì)數(shù)常數(shù)，也即改變了HEF4752的時(shí)鐘輸入FCT的頻率，從而改變逆變器輸出的頻率，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。

雙四選一模擬開關(guān)4052是作為8098模擬輸入的擴(kuò)展來使用的。因?yàn)?098有4路10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入，其中的ACH4與ACH5通過外接可調(diào)模擬電壓作為頻率給定和V／F調(diào)節(jié)。ACH6與ACH7通過4052擴(kuò)展為8路模數(shù)轉(zhuǎn)換。其中4路接一個(gè)電壓與3個(gè)電流信號(hào)，另4路可根據(jù)不同需要作不同的用途。8098單片機(jī)通過74LS373鎖存與74LS274驅(qū)動(dòng)后控制整流晶閘管與HEF4752的5腳、24腳來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的啟?？刂婆c正反轉(zhuǎn)控制。

75176是RS－485標(biāo)準(zhǔn)的通訊驅(qū)動(dòng)芯片。在2400波特時(shí)有效距離為1200m，用于系統(tǒng)中有上位機(jī)時(shí)，8098單片機(jī)與上位機(jī)之間的通訊。上位機(jī)可通過串行口向單片機(jī)下達(dá)開關(guān)機(jī)等命令及各種運(yùn)行參數(shù)，也可隨時(shí)得到現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)控制［7－9］。8098單片機(jī)的輔助輸入輸出電路是由8255組成的并行輸入輸出接口和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路未用完的模擬輸入口組成。主要是為了保證系統(tǒng)的靈活性。

2．4 信號(hào)檢測電路

信號(hào)檢測電路主要完成電動(dòng)機(jī)的電壓、電流和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集。這部分工作分別由相應(yīng)的傳感器完成。比較理想的是采用霍爾器件的電流、電壓傳感器和霍爾轉(zhuǎn)速傳感器。

由于這一部分早已成為商品模塊，有統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，只存在不同應(yīng)用的選型問題，所以在這里不再詳述。

2．5 轉(zhuǎn)速測量電路

轉(zhuǎn)速測量電路與信號(hào)檢測電路通常在一起，它們都是通過對(duì)信號(hào)的采集，再經(jīng)過各級(jí)運(yùn)放完成對(duì)信號(hào)的PID閉環(huán)控制。如下圖4所示。

圖4 信號(hào)檢測與轉(zhuǎn)速測量原理方框圖

2．6 電源電路

電源是系統(tǒng)極其重要的一部分，是基礎(chǔ)的基礎(chǔ)。由于電源部分的設(shè)計(jì)早已成型，故而在本文中沒有出現(xiàn)。

3 系統(tǒng)的軟件組成

變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件主要由主程序、外部中斷服務(wù)程序、顯示子程序、串行通訊子程序、鍵盤輸入子程序和高速輸入部件中斷子程序等組成。各程序模塊功能如下。

3．1 主程序

主程序的作用是首先完成各個(gè)部件的初始化工作，設(shè)定好各個(gè)中斷向量，為各個(gè)部件以后的工作做好基礎(chǔ)。然后就不停的進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理，同時(shí)等待各中斷的到來，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。主程序框圖如圖5所示。

3．2 外部中斷服務(wù)程序

外部中斷服務(wù)程序的功能比較簡單，只是作為電動(dòng)機(jī)停止的控制。當(dāng)外部中斷發(fā)生時(shí)，首先通過74LS373使可控整流器關(guān)斷，然后清除8254中的數(shù)據(jù)來關(guān)斷功率晶體管。完成停止電動(dòng)機(jī)的過程。外部中斷服務(wù)程序框圖如圖6所示。

圖5 主程序框圖

圖6 外部中斷服務(wù)程序框圖

3．3 串行通訊子程序

串行通訊子程序用在有上位機(jī)或數(shù)臺(tái)機(jī)器聯(lián)用時(shí)。該子程序框圖如圖7所示。

圖7 串行通訊子程序框圖

3．4 高速輸入部件中斷子程序

高速輸入部件中斷子程序的作用是管理好4個(gè)輸入中斷。當(dāng)輸入中斷發(fā)生時(shí)，根據(jù)不同引腳中斷的發(fā)生，由不同的處理子程序分別完成轉(zhuǎn)速測量，鍵盤中斷輸入，時(shí)鐘更新等工作。高速輸入部件中斷子程序框圖如圖8所示。

整個(gè)冗余設(shè)計(jì)的電路被置于一個(gè)核心控制模塊中。圖中8089單片機(jī)1、2、3被假定為冗余的三個(gè)單片機(jī)，它們的輸入總線并聯(lián)，接收核心控制模塊中輸入緩沖的輸出。輸出總線分別接到模塊的輸出總線仲裁器。核心控制模塊包括輸入緩沖、輸出總線仲裁、電源控制、時(shí)鐘產(chǎn)生、復(fù)位電路和報(bào)警控制輸出六個(gè)部分。

圖8 高速輸入部件中斷子程序框圖

4 結(jié)束語

系統(tǒng)利用單片微機(jī)和集成芯片配合產(chǎn)生PWM波形控制逆變開關(guān)的通斷，控制算法容易編程實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化控制，結(jié)構(gòu)簡單，與采用模擬器件相比，減少了生產(chǎn)成本，性能良好；具有易于改變控制算法、程序易于移植、控制精度高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。采用變頻技術(shù)后，可以節(jié)省大量的能源，有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)保效果。這種系統(tǒng)在電力電子設(shè)備與人們生活日益密切的今天有著廣泛的應(yīng)用。

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Design of Inverter System Based on Single Chip 8098

Shi Jin
（Deparnment of Mechatronic Engineering，Xinjiang Vocational University，Urmqi 830013，China）

The inverter system，in the advantages of excellent speed control and starting－braking，high power factor，good energy－saving result and wide application range，attracts more attention to the development in the field of high capability AC speed control technology．A low prices inverter system for AC motor，based on single chip 8098，producing PWM wave with IC to control inverter switch，is designed．The structure and work principle of system are introduced and the software is described．The system has the excellent features such as convenient change for the control algorithm，simple program portable，high control precision and reliability，etc．

SCM；PWM；Signal detection；Inverter；Speed control；Energy saving

10．3969／j．issn．1002－2279．2015．04．019

TP23

A

1002－2279（2015）04－0073－04

史今（1973－），男，河北省唐山市人，實(shí)驗(yàn)師，主研方向：電子技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)。

2015－01－04