基于单片机变频调速器的设计研究

作者/王博、康德，成都理工大学信息科学与技术学院；郑智波，四川电力职业技术学院

基于单片机变频调速器的设计研究

作者/王博、康德，成都理工大学信息科学与技术学院；郑智波，四川电力职业技术学院

在变频调速系统中控制器是其核心，而单片机将被利用于其实现硬件配置和软件设计当中。本文通过讲述变频调速系统的内容以及其硬件配置合格软件设计来探讨其单片机控制器的而设计。

单片机；变频调速；控制器；设计

现代社会随着电子和科学技术的发展，交流变频调速具备节能的功能同时还兼顾简单、可靠的特点，使之在调速系统中被广泛应用。最近几年，以单机片为控制核心，并采用VVVF的控制原理实现变频调速的控制器并在其性能方面有了极大的进步[1]。

1.变频调速系统

在各种高性能的电子器件随着微电子技术和自动控制技术的迅速发展的时候，交流调速系统已经在电气传统领域占有极重要的地位，其中应用范围最广、最有发展前景的就是变频调速的装置。他能代替直流调速系统在工业上进行应用是因为其结构简单、运行可靠、节电效果明显。

变频调速系统的主要组成是主回路、整流滤波、控制器和故障检测等。

控制器是系统的核心部分，其产生的脉宽调制（PWM）波形，驱动主回路中的功率开关管，并输出正弦三相交流电，从而达到电机在规定转速内运行的目的[2]。

另外，在PWM的方式中，最基本的调制脉宽的方式之一就是正弦波脉宽调制（SPWM）。正弦是对控制器输出的脉冲宽度进行规律变化的。简单来说就是各个矩形脉冲波下的面积接近于正弦波下的面积，就使得逆变器的输出电压接近于正弦波。

2.控制器硬件设置

■2.1 变频控制器

变频控制器的输出PWM波的频率是由外控模拟的电压或者键盘设定，其工作频率范围在2～120Hz，精度控制在0.5%；可随意设定的数值曲线是电压/频率曲线以及频率变化斜率，这是为了满足各种电气传动装置的需求，同时其还具有过载保护功能。若在检测到短路、过压等情况出现时，通过自动切断电源来保护回路功率开关管和电动机免受损伤[3]。

■2.2 硬件配置

根据控制器实时处理精度和速度要求，系统选用MCS—8098准十六位单片机作为主要控制部位，该芯片要扩展少量外围器件就可以控制完整的电路。

8098的ACH4端口的可以接外控输入电压，通过改变电压调整变频器输出脉冲的频率达到遥控的目的。三相交流电的产生是HS00～HS02段输出的SPWM波。故障标志是通过缓冲器输入8098的HSI0～HSI3，再经过CPU判断后作停机处理[4]。 控制系统框图如图1所示。

图1 控制系统框图

3.控制器软件设计

■3.1 软件设计的变频算法

变频调速软件采用的规则算法为：

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叫做采样周期，就是载波脉冲周期，运行频率决定了它的大小，M也随着运行频率耳边，被称作调制系数，他的变化规律由V/F曲线所确定的，其值要控制在1以内[5]。

■3.2 软件设计

按照变频控制器所有的功能，将系统软件设计成主控模块、键盘中断模块、显示模块、软件定时中断和脉宽计算模块、外控模块及故障识别模块这些独立模块。

在主控模块中完成系统初始化之后，调用外控模块，并输入外控指令。程序从2080H单元开始执行，若有键盘在电动机起动之前中断，就要执行相应的服务程序，同时设置运行的参数。反之，若主回路没有出现任何故障，就进入整成循环运行的过程中。此外要求其在运行过程中不断响应软件定时中断，并计算脉宽，向主回路输出三相PWM波。

在完成PWM波的生成以及输出任务的同时将软件定时中断模块。在控制器中利用的是8098的高速输出部件HS0来实现其功能。要想形成三相PWM波。需要设置每一项脉冲，并得出相应的命令。除此之外，还要设置下一周期的起始和终止时间，在软件中断程序完成时会产生一波PWM波的输出。由于HS0 是以定时器T1 为计时基准的，因此脉冲的前后沿时刻是定时器的时间值的偏移量。

4.结语

综上所述，文中采用了8098单片机存在的特点，将系统结构简单化，功能完善化，与此同时，除了完成PWM变频控制，还能在系统内进行故障检测、自我保护等功能的实现。要进一步推广并应用变频调速系统，节约能源，还需要研制其性能的优越性、输出波形的高质量、宽屏率范围等等的变频控制器。

＊ [1]汪义旺,宋佳,张波.基于SOC单片机的FFU风机变频调速控制器[J].苏州市职业大学学报,2013,01:19—21.

＊ [2]岳连德.以单片机为主控制器的交流变频调速系统的设计及应用[J].变频器世界,2005,06:45—48.

＊ [3]弓亚超,李慧.基于单片机的电动机变频调速控制器设计[J].福建电脑,2006,03:157+159.

＊ [4]陈迎松,乔伟强.变频调速控制器的设计[J].电气时代,2004,12:84—86.

＊ [5]肖乾湘.基于单片机的变频调速电机设计思路研究[J].企业技术开发,2014,08:96—97.