單片機控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)

近年來，變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，在工業(yè)生產(chǎn)和民用生活中都得到了廣泛的應(yīng)用。本文采用8051單片機結(jié)合可編程PWM調(diào)制波集成芯片HEF4752V,實現(xiàn)了單片機控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。

單片機控制交流變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由單片機系統(tǒng)、整流電路、逆變器電路、PWM模塊、門極可關(guān)斷可控硅(GTO)驅(qū)動電路等環(huán)節(jié)構(gòu)成。

本設(shè)計的單片機控制系統(tǒng)是整個變頻調(diào)速系統(tǒng)的測控中樞，主要完成對整個變頻調(diào)速系統(tǒng)的檢測、控制、保護(hù)等工作。啟動前，單片機對系統(tǒng)進(jìn)行啟動前的檢測，在保證電路電壓、電流正常,且無電流沖擊的情況下才允許啟動。正常運行時，單片機控制集成觸發(fā)芯片HEF4752V產(chǎn)生PWM信號，同時完成轉(zhuǎn)速檢測、PID數(shù)字調(diào)節(jié)的運算與處理、監(jiān)視系統(tǒng)的運行等功能。

PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)是一種交-直-交調(diào)速系統(tǒng)。它的工作原理是采用三相二極管整流電路將三相交流電變成直流電;整流后的電壓波形是脈動的，脈動的直流電經(jīng)平波電抗器L_(l和濾波電容C,濾波后，將變?yōu)殡妷汉愣ǖ闹绷麟?；然后通過改變GTO管GG'GSGsG,、G；G、G.G、G：G各組交替導(dǎo)通的時間來改變逆變器輸出波形的頻率。在每組GTO控制的周期內(nèi)，通過改變它們的通、斷時間比來改變脈沖寬度,從而改變逆變器輸出電壓的大小。如果使每組開關(guān)元件在其控制周期內(nèi)反復(fù)通、斷多次，并使每個輸出矩形脈沖波電壓下的面積接近于對應(yīng)的正弦波電壓下的面積，則逆變器輸出電壓將很接近三相正弦波。此時的三相正弦波就可為異步電動機供電，從而實現(xiàn)電機的平滑啟動、停機和寬范圍調(diào)速。

1  單片機最小系統(tǒng)

本裝置的單片機控制系統(tǒng)選用8051單片機作為系統(tǒng)主機。由于8051內(nèi)部只有4KB的ROM,因此要利用8KBEPROM2764進(jìn)行擴展，這是一種可擦除可編程的只讀存儲器。芯片6264與控制系統(tǒng)的連接如圖1所示,8051的P0口經(jīng)地址鎖存器74LS373與6264的An?A；相連;P2口的低5位P2.0?P2.4接6264的必?AbPO口同時又直接與6264的數(shù)據(jù)線D,?D；相連；6264的片選信號來自譯碼器74LS138的Y1。圖1所示是8051單片機的最小系統(tǒng)主電路。

2  變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路

本系統(tǒng)的變頻調(diào)速主電路由整流電路、濾波電路及逆變電路組成，圖2所示是其主電路圖。為簡化控制電路，減少諧波，整流電路采用三相二極管整流電路來整流。系統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)頻均由逆變電路承擔(dān)，逆變電路開關(guān)器件全部采用門極可關(guān)斷可控硅(GTO)。在主電路中，R、G組成的星型網(wǎng)絡(luò)接在交流輸入端，目的是吸收過電壓，濾去高次諧波；平波電抗器L、濾波電容G為直流側(cè)的濾波環(huán)節(jié)，可把脈動的直流電變?yōu)殡妷汉愣ǖ闹绷麟?；同理，G組成的星型網(wǎng)絡(luò)接在輸出端,可使輸出到電動機的電壓和電流接近正弦波。

3  轉(zhuǎn)速測量電路

本系統(tǒng)釆用光碼盤及M/T法進(jìn)行高精度測速設(shè)計。由于測速裝置屬于反饋環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速檢測的精度直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度，因此，本系統(tǒng)用光電碼盤測速，每轉(zhuǎn)包含1024個脈沖。作為轉(zhuǎn)速傳感器,和硬件定時器8253結(jié)合在一起，可以記錄碼盤脈沖個數(shù)。本設(shè)計使用高速和低速測量精度都較高的M/T法測速，可在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)獲得滿意的效果。M/T法測速的硬件電路如圖3所示。

由圖3可見,單片機擴展了一片可編程定時計數(shù)器8253,使用其中的0#,1#計數(shù)器分別對仇和脈沖進(jìn)行計數(shù)。D觸發(fā)器F1用來使m₂的計數(shù)與光碼盤輸出脈沖同步。因8253為負(fù)沿計數(shù)，故加入了反相器G。由8051的P1.2端口控制8253的兩個計數(shù)器門控gateO、gatel的啟動或停止測速。

當(dāng)P1.2=1時,GAGEO=1、GAGE1=1,系統(tǒng)啟動兩個計數(shù)器工作；

當(dāng)P1.2=0時,GAGE0=0,0#立即停止計數(shù)，稍后，光碼盤輸出脈沖上升沿使D觸發(fā)器F1翻轉(zhuǎn)，Qi=0,GAGEl=0,l#停止計數(shù)，此時可用軟件可讀取m1、m2的值。

測速脈沖2倍頻電路利用光碼盤輸出在相位上互差90°的A、B二路矩形波輸出，并經(jīng)“異或”門在C點得到2倍頻脈沖波形，以提高光碼盤上的測速精度。

反映電機轉(zhuǎn)向的鑒向電路由D觸發(fā)器F2等構(gòu)成。光碼盤輸出的A、B兩相互差90°的方波脈沖應(yīng)分別送至F2的D2和CP2端。此時若電機正轉(zhuǎn)，表示A(D2)相脈沖在前,Q2=1；反轉(zhuǎn)則表示B(CP2)相脈沖在前,Q2=0。將Q2端接至8051的Pl.0端，即可通過軟件查詢判斷P1.0電平的高、低來確定電機旋轉(zhuǎn)的方向。

4  逆變器觸發(fā)單元設(shè)計

逆變器觸發(fā)單元以8051單片機為核心，由可編程定時計數(shù)器8253和PWM信號發(fā)生器HEF4752V等組成。8051主要完成控制工作，并向8253V送時間常數(shù)和控制字;8253的三個計數(shù)器可用以產(chǎn)生

HEF4752V是采用LCMOS技術(shù)制造的專用大規(guī)模集成電路芯片，可用以產(chǎn)生PWM逆變器的驅(qū)動信號。HEF4752V能夠產(chǎn)生三對互補的PWM信號，用該信號驅(qū)動逆變器可使之產(chǎn)生對稱的三相輸出。PWM信號的重復(fù)頻率總是逆變器輸出頻率的整數(shù)倍，這樣可以維持三相平衡。

HEF4752V內(nèi)部有三個計數(shù)器，一個譯碼器，三個輸出口及試驗電路。試驗電路僅用于制造過程中的試驗用。HEF4752V的三個輸出口分別對應(yīng)于逆變器的U、V、W三相。每個輸出口有四個輸出，其中兩個主輸出分別用于控制每一相的上、下開關(guān)器件。在由12只晶閘管組成的逆變器中，兩個輔助輸出用于觸發(fā)換相晶閘管。

HEF4752V的基本功能是提供驅(qū)動輸出波形，以適當(dāng)?shù)拇涡蛉ラ_閉逆變器中的開關(guān)器件。這是靠交替地切換PWM芯片每相輸出口的上、下主輸出來實現(xiàn)的。為了確保同一相上、下主輸出不令同時接通，可使用一個互鎖推遲間來隔時間隔開上、下主輸出的接通。互鎖推遲間隔時間的長短由輸出時鐘OCT和K來控制，上、下主輸出的切換由內(nèi)部產(chǎn)生的控制信號控制,這個控制信號的電平變化將引起原來輸出高電平的主輸出關(guān)掉，而在推遲間隔時間后，則會引起原來輸出低電平的主驅(qū)動輸出接通。

5  結(jié)語

本文針對單片機控制的PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究,詳細(xì)介紹了變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路和控制電路的硬件設(shè)計方法，然后介紹了系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速測量電路和逆變器觸發(fā)單元的設(shè)計，重點分析了各電路的工作原理。該設(shè)計可以實現(xiàn)單片機控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要功能。