单片机的电机变频调速系统设计论文.docx

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单片机的电机变频调速系统设计论文

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基于单片机的变频调速系统设计

[摘要]本文介绍了一种利用专用集成电路SA4828设计电机变频调速的方法。

系统主要包括主电路与控制电路，主电路采用IPM智能功率模块作为电机的控制。

控制电路由MCS-51系列的8051单片机最小系统和SA4828三相SPWM产生器及少量的扩展外围芯片构成，充分发挥其控制电路简单、控制方式灵活、输出波形优点多的特点，结合相应的软件，实现电机的调速要求。

其中主要内容包括：

SA4828的特性介绍及变频系统的主电路、驱动电路、保护电路、速度检测、调速系统及软件编程设计方法。

所设计的系统实现了变频调速的全数字化控制，实时性好，可靠性高。

[关键词]单片机SA4828变频调速SPWM电动机

TheDesignofMotorVVVFSystemBasedOnMCU

Abstract:

ThisarticledescribesauseofSA4828ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）designmotorVVVFsystem.Thesystemincludesthemaincircuitandcontrolcircuit,maincircuitusedastheIntelligentPowerModuleIPMmotorcontrol.ThecontrolcircuitisconstitutedbytheMCS-51seriesof8051systems、three-phaseSPWMgeneratorSA4828andtheexpansionofasmallnumberofperipheralchips.Givefullplaytoitscontrolcircuitissimple,flexiblecontrol,theadvantagesofmulti-outputwaveformcharacteristics,combinedwithappropriatesoftware,toachievethespeedrequirementsofmotorcontrol.Thesystemhasall-digitalVVVFcontrol,real-time,andhighreliability.

Keywords:

MCUSA4828VVVFSPWMMotor-Control

目录

引言0

第1章概述1

1.1电动机调速系统的发展1

1.2交流调速系统1

1.3单片机控制的变频调速2

第二章电机变频调速系统3

2.1系统调速原理3

2.2单片机控制的变频调速系统4

2.2.1系统框图4

2.2.2硬件系统原理图4

第三章系统主要模块简介与设计6

3.1IPM模块6

图3.1IPM内部结构图3.1.1IPM的基本工作特性6

3.1.2IPM驱动电路的设计7

3.1.3IPM的选用9

3.1.3IPM相关参数10

3.289C51主控制模块10

3.2.1主要特性：

11

3.2.2管脚说明：

11

3.2.3振荡器特性：

12

3.2.4芯片擦除：

13

3.3SPWM波发生模块13

3.3.1SA4828的引脚功能13

3.3.2SA4828内部结构14

3.3.3SA4828初始化编程16

3.4其他模块简介18

3.4.1串口通信18

3.4.2驱动模块19

3.4.3保护电路20

3.4.4速度反馈22

3.3.5A/D模数转换模块21

第四章系统软件设计23

结论26

致谢语27

参考文献28

引言

对于可调速的电力拖动系统，工程上往往根据电动机电流形式分为直流调速系统和交流调速系统两类。

它们最大的不同之处主要在于交流电力拖动免除了改变直流电机电流流向变化的机械向器——整流子。

20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。

许多传统的由直流电机调速系统拖动的工业设备改由交流变额调速系统拖动，从而提高了系统的可靠性，减少了系统的维护费用。

随着变频调速应用的日益广泛，相关技术的日益成熟，人们不仅对变频调速系统的精度要求越来越高，而且对控制的功能要求越来越多，对系统的智能化要求越来越高，对系统的抗扰能力要求越来越高，以满足生产的需求并适应不同的工作环境。

在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。

交流变频调速的优异特性：

调速时平滑性好，效率高。

低速时，特性静关率较高，相对稳定性好；调速范围较大，精度高；起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显；变频器体积小，便于安装、调试、维修简便，易于实现过程自动化；在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。

交流电动机因其结构简单，运行可靠，价格低廉，维修方便，故而应用面很广，几乎所有的调速传动都采用交流电动机。

尽管从1930年开始，人们就致力于交流调速系统的研究，然而主要局限于利用开关设备来切换主回路达到控制电动机启动，制动和有级调速的目的。

变极对调速，电抗或自藕降压启动以及绕线式异步电动机转子回路串电阻的有级调速都还处于开发的阶段。

交流调速缓慢的主要原因是决定电动机转速调节主要因素的交流电源频率的改变和电动机的转距控制都是非常困难的，使交流调速的稳定性，可靠性，经济性以及效率均不能满足生产要求。

后来发展起来的调压，调频控制只控制了电动机的气隙磁通，而不能调节转距。

本文主要内容是研究采用单片机89C51与SA4828芯片组成SPWM波发生电路，并结合智能功率模块IPM，通过软件编程控制电动机变频调

第1章概述

1.1电动机调速系统的发展

随着电力电子技术，计算机技术的不断发展和电力电子器件的更新换代，变频调速技术得到了飞速的发展。

据资料显示，现在有90%以上的动力来源来自电动机。

我国生产的电能60%用于电动机，电动机与人们的生活息息相关，密不可分，所以要对电动机的调速有足够的重视。

我们都知道，动力和运动是可以相互转化的，从这个意义上说电动机也是最常见的运动源，对运动控制的最有效方式是对运动源的控制。

因此，常常通过对电动机的控制来实现运动控制。

对电动机的控制可以分为简单控制和复杂控制两大类。

简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。

这类控制可以通过继电器，可编程器件和开关元件来实现。

复杂控制是指对电动机的转速，转角，转距，电压，电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。

以前，对电动机的简单控制的应用较多，但是，随着现代化步伐的前进，人们对自动化的需求也越来越高，使电动机的复杂控制逐渐成为主流，其应用领域极为广泛。

在军事和雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳的控制等。

工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，绕线机，泵和压缩机，轧机主传动等设备的控制。

计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，绘图仪，打印机，复印机等的控制；音像设备和家用电器中的录音机，数码相机，洗衣机，冰箱空调，电扇等的控制，我们统统称其为电动机的控制。

功率半导体器件的不断进步，尤其是新型可关断器件，如BJT（双极型晶体管）、MOSFET（金属氧化硅场效应管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的实用化，使得开关高频化的PWM技术成为可能。

目前功率半导体器件正向高压、大功率、高频化、集成化和智能化方向发展。

脉宽调制技术PWM（PulseWidthModu-lation）就是利用功率半导体器件的高频开通和关断，把直流电压变成按一定宽度规律变化的电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效地控制和消除谐波。

PWM技术可分为三大类：

正弦PWM、优化PWM及随机PWM。

随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，这使得全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。

目前适于交流传动系统的微处理器有单片机、数字信号处理器（DigitalSignalProcessor——DSP）、专用集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit——ASIC）等。

其中，高性能的计算机结构形式采用超高速缓冲储存器、多总线结构、流水线结构和多处理器结构等。

核心控制算法的实时完成、功率器件驱动信号的产生以及系统的监控、保护功能都可以通过微处理器实现，为交流传动系统的控制提供很大的灵活性，且控制器的硬件电路标准化程度高，成本低，使得微处理器组成全数字化控制系统达到了较高的性能价格比。

1.2交流调速系统

20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。

交流调速控制作为对电动机控制的一种手段。

作用相当明显，就交流调速系统目前的发展水平而言，可概括的如下：

（1）已从中容量等级发展到了大容量、特大容量等级。

并解决了交流调速的性能指标问题，填补了直流调速系统在特大容量调速的空白。

（2）可以使交流调速系统具有高的可靠性和长期的连续运行能力，从而满足有些场合不停机检修的要求或对可靠性的特殊要求。

（3）可以使交流调速系统实现高性能、高精度的转速控制。

除了控制部分可以得到和直流调速控制同样良好的性能外，异步电动机本身固有的优点，又使整个系统得到更好的动态性能。

采用数字锁相控制的异步电动机变频调速系统，调速精度可以达到0.002%。

在交流调速技术中，交流电动机的调速方法有三种：

变极调速、改变转差率调速和变频调速。

其中变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。

交流变频调速的优异特性

（1）调速时平滑性好，效率高。

低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。

（2）调速范围较大，精度高。

（3）起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。

（4）变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。

（5）易于实现过程自动化。

（6）必须有专用的变频电源，目前造价较高。

（7）在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。

1.3单片机控制的变频调速

微处理器（单片机）取代模拟电路作为电动机的控制器，具有如下特点：

（1）使电路更简单。

模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路更复杂，采用微处理器后，绝大多数控制逻辑可通过软件来实现。

（2）可以实现较为复杂的控制。

微处理器具有更强的逻辑功能，运算速度快，精度高，有大容量的存储单元。

因此，有能力实现复杂的控制。

（3）灵活性和适应性。

微处理器的控制方式是有软件来实现的，如果需要修改控制规律，一般不必改变系统的硬件电路，只须修改程序即可，在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便。

（4）无零点漂移，控制精度高数字控制不会出现模拟电路中经常遇见的零点漂移问题，无论被控量是大还是小，都可以保证足够的控制精度。

（5）可以提供人机界面，多机连网工作。

用工业控制计算机可谓功能强大，它有极高的速度，很强的运算能力和接口功能，方便的软件功能，但是由于成本高，体积过大，所以只用于大型的控制系统。

可编程控制器则恰好相反，它只能完成逻辑判断、定时、记数和简单的运算，由于功能太弱，所以它只能用于简单的电动机控制。

在民用生产中，通常用介于工控机和可编程控制器之间的单片机作为微处理器。

本次设计就是用单片机作为电动机的控制器。

第2章电机变频调速系统

2.1变频调速原理

变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。

变频可以调速这个概念，可以说是交流电动机“与生俱来”的。

同步电动机不消说，即使是异步电动机，其转速也是取决于同步转速（即旋转磁场的转速）的：

（2.11）

式中：

——电动机的转速，m/min

——电动机的同步转速，r/min

——电动机的转差率s=（n1-n/）=△n/n1

而同步转速则主要取决于频率

（2.12）

式中：

——输入频率，Hz

——电动机的磁极对数

由式（2.11）与式（2.12）可知变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：

（2.13）

由上式可知，在电动机磁极对数不变的情况下，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。

在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。

如果磁通太弱，即电机出现欠励磁，将会影响电机的输出转矩，由

（2.14）

（式中：

电磁转矩，：

主磁通，：

转子电流，:

转子回路功率因素，：

比例系数），可知，电机磁通的减小，势必造成电机电磁转矩的减小。

由于电动机设计时，电动机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电动机铁心出现饱和，从而导致电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电动机。

因此，在改变电动机频率时，应对电动机的电压进行协调控制，以维持电动机磁通的恒定。

2.2单片机控制的变频调速系统

2.2.1系统框图

2.2.2硬件系统原理图

该硬件系统主要包括主电路与控制电路两个部分，其中主电路包括交-直-交变频电路（本设计采用IPM集成模块）与电动机；控制电路包括89C51主控制模块、SA4825产生SPWM波模块、驱动模块以及外围设备模块（如键盘输入、液晶显示、A/D模数转换以及串口等）。

以CPU为核心，配以键盘、显示、通讯等设备，完成对交流电动机的速度控制。

这里选用了ATMEL公司的89C51单片机，它与Intel51系列单片机完全兼容。

其内部配置了8KB的FlashMemory，无须扩展外部存贮器。

同时这种8位单片机的总线结构与SA4828完全兼容，可以直接相连。

给定转速nO可以用三种方式设定：

键盘、电位器和上位机。

用8位LED分别显示给定转速nO和实际转速n，一目了然。

系统对电动机运行状态的数据监测、调速效果、动态响应的跟踪情况都可以传送到上位机，以表格或曲线的形式输出，以便于观察分析。

第3章系统主要模块设计

3.1IPM模块

IPM（IntelligentPowerModule），即智能功率模块，不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起。

而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU。

它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。

即使发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM自身不受损坏。

IPM一般使用IGBT作为功率开关元件，内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。

IPM以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源，是变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服驱动、变频家电的一种非常理想的电力电子器件。

其内部结构如图3.1。

3.1.1IPM的基本工作特性

1.1IPM的结构

   IPM由高速、低功率的IGBT芯片和优选的门级驱动及保护电路构成，其中，IGBT是GTR和MOSFET的复合，由MOSFET驱动GTR，因而IGBT具有两者的优点。

IPM根据内部功率电路配置的不同可分为四类：

H型（内部封装一个IGBT）、D型（内部封装两个IGBT）、C型（内部封装六个IGBT）和R型（内部封装七个IGBT）。

小功率的IPM使用多层环氧绝缘系统，中大功率的IPM使用陶瓷绝缘。

1.2IPM内部功能机制

   IPM内置的驱动和保护电路使系统硬件电路简单、可靠，缩短了系统开发时间，也提高了故障下的自保护能力。

与普通的IGBT模块相比，PM在系统性能及可靠性方面都有进一步的提高。

保护电路可以实现控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护。

各种保护功能具体如下：

（1）控制电压欠压保护（UV）：

PM使用单一的+15V供电，若供电电压低于12.5V，且时间超过toff＝10ms，发生欠压保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。

（2）过温保护（OT）：

在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当IPM温度传感器测出其基板的温度超过温度值时，发生过温保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。

（3）过流保护（OC）：

若流过IGBT的电流值超过过流动作电流，且时间超过toff，则发生过流保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。

为避免发生过大的di/dt，大多数IPM采用两级关断模式。

其中，VG为内部门极驱动电压，ISC为短路电流值，IOC为过流电流值，IC为集电极电流，IFO为故障输出电流。

（4）短路保护（SC）：

若负载发生短路或控制系统故障导致短路，流过IGBT的电流值超过短路动作电流，则立刻发生短路保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。

跟过流保护一样，为避免发生过大的di/dt，大多数IPM采用两级关断模式。

为缩短过流保护的电流检测和故障动作间的响应时间，IPM内部使用实时电流控制电路（RTC），使响应时间小于100ns，从而有效抑制了电流和功率峰值，提高了保护效果。

   当IPM发生UV、OC、OT、SC中任一故障时，其故障输出信号持续时间FO为1．8ms（SC持续时间会长一些），此时间内IPM会封锁门极驱动，关断IPM;故障输出信号持续时间结束后，IPM内部自动复位，门极驱动通道开放。

   可以看出，器件自身产生的故障信号是非保持性的，如果FO结束后故障源仍旧没有排除，IPM就会重复自动保护的过程，反复动作。

过流、短路、过热保护动作都是非常恶劣的运行状况，应避免其反复动作，因此仅靠IPM内部保护电路还不能完全实现器件的自我保护。

要使系统真正安全、可靠运行，需要辅助的外围保护电路。

3.1.2IPM驱动电路的设计

驱动电路是IPM主电路和控制电路之间的接口，良好的驱动电路设计对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。

2.1IGBT的分立驱动电路的设计

IGBT的驱动设计问题亦即MOSFET的驱动设计问题，设计时应注意以下几点：

①IGBT栅极耐压一般在±20V左右，因此驱动电路输出端要给栅极加电压保护，通常的做法是在栅极并联稳压二极管或者电阻。

前者的缺陷是将增加等效输入电容Cin，从而影响开关速度，后者的缺陷是将减小输入阻抗，增大驱动电流，使用时应根据需要取舍。

②尽管IGBT所需驱动功率很小，但由于MOSFET存在输入电容Cin，开关过程中需要对电容充放电，因此驱动电路的输出电流应足够大。

假定开通驱动时，在上升时间tr内线性地对MOSFET输入电容Cin充电，则驱动电流为Igt＝CinUgs/tr，其中可取tr＝2.2RCin，R为输入回路电阻。

③为可靠关闭IGBT，防止擎住现象，要给栅极加一负偏压，因此最好采用双电源供电。

2.2IGBT集成式驱动电路

  IGBT的分立式驱动电路中分立元件多，结构复杂，保护功能比较完善的分立电路就更加复杂，可靠性和性能都比较差，因此实际应用中大多数采用集成式驱动电路。

日本富士公司的EXB系列集成电路、法国汤姆森公司的UA4002集成电路等应用都很广泛。

2.3IPM驱动电路设计

现以PM100DSA120为例进行介绍。

PM100DSA120是一种D型的IPM，内部封装了两个IGBT，工作在1200V/100A以下，功率器件的开关频率最大为20kHz。

由于IPM内置了驱动电路，与IGBT驱动电路设计相比，外围驱动电路的设计比较方便，只要能提供15V直流电压即可。

图3.2所示的是一种典型的高可靠性IPM外部驱动电路方案。

来自控制电路的PWM信号经R1限流．再经高速光耦隔离并放大后接IPM内部驱动电路并控制开关管工作，FO信号也经过光耦隔离输出。

其中每个开关管的控制电源端采用独立隔离的稳压。

15V电源，且接1只10μF的退耦电容器（图中未画出）以滤去共模噪声。

Rl根据控制电路的输出电流选取．如用MCU产生PWM，则R1的阻值可为330Ω。

R2根据IPM驱动电流选值，一方面应尽可能小以避免高阻抗IPM拾取噪声，另一方面又要足够可靠地控制IPM。

可在2kΩ～6.8kΩ内选取。

C1为2端与地间的O.1μF滤波电容器，PWM隔离光耦可选用HCPIA503型、HCPIA504型、PS204l型（NEC）等高速光耦，且在光耦输入端接1只O.1μF的退耦电容器（图中未画出）。

FO输出光耦可用低速光耦（如PC817）

3.1.3IPM的选用

IPM在选用时，首先是根据变频装置的容量与供电电源容量，确定其额定值和最大值，然后选择具体型号。

选型时，根据IPM的过流动作数值以确定峰值电流及适当的热设计以保证结温峰值永远小于最大结温额定值，使基板的温度永远低于过热动作数值。

　　峰值电流依电机的功率额定值而定。

下表是根据OC动作数值和电机峰值电流而给出的交流220V电机推荐使用的IPM类型。

电机峰值电流是基于变频器和电机工作的效率、功率因数、最大负载和电流脉动而设定的。

电机电流最大峰值可由下式计算：

（3.11）

式中：

P＝电机功率（W）；

　　　OL＝变频器最大过载系数；

　　　λ＝电流脉动因数；

　　　η＝变频器的效率；

　　　F＝功率因数；

　　　VAC＝交流线电压（V）。

例如：

电源Vac＝220V交流，电机P＝3.7kW，OL＝150%，λ＝120%，η＝0.9，F＝0.76，则Ic（峰值）＝36.1A。

3.1.3IPM相关参数

PS21564-P、PS21564-SP智能IPM功率模块控制端口定义：

1：

VUFS（U组驱动电源地）                           

2：

NC（不接）                           

3：

VUFB（U组驱动电源正极）                           

4：

VP1（控制电源正极）                 

5：

NC（不接）                            

6：

UP（U组信号输入）                           

7：

VVFS（V组驱动电源地）                            

8：

NC（不接）                

9：

VVFB（V组驱动电源正极）                          

10：

VP1（控制电源正极）                       

11：

NC（不接）                        

12：

VP（V组信号输入）  

13：

VWFS（V组驱动电源地）

14：

NC（不接）

15：

VWFB（W组驱动电源正极）

16：

VP1（控制电源正极）

17：

NC（不接）

18：

WP（W组信号输入）

19