AC89C2051在全數(shù)字變頻控制器中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1．前言

在家電或工業(yè)控制中，經(jīng)常需要根據(jù)環(huán)境條件的改變而改變供電頻率，以便取得最佳的啟動(dòng)力矩、最佳的轉(zhuǎn)速、最佳的風(fēng)量或制冷/熱量。本文介紹一種全數(shù)字的變頻控制器，它可以根據(jù)外界環(huán)境的變化(如壓力、溫度、輸入電壓和人為地設(shè)定等)，自適應(yīng)地改變輸出電源頻率，達(dá)到對(duì)電機(jī)調(diào)速的目的。在控制算法中，采用模糊理論，設(shè)定隸屬函數(shù)，求出控制輸入的隸屬度，并進(jìn)行模糊規(guī)則判斷，得出模糊的控制輸出。然后進(jìn)行模糊量的計(jì)算，得出精確的控制輸出，達(dá)到控制運(yùn)行頻率的目的。經(jīng)過(guò)試運(yùn)行表明：自適應(yīng)能力強(qiáng)，控制精度高，特別是解決了一般低壓帶負(fù)荷啟動(dòng)的困難。

2．變頻控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

下面，以1.5kW輸出功率的變頻控制器為例進(jìn)行介紹，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：逆變器采用三菱智能模塊PM20CTM060六合一封裝，本身具有控制電源欠壓鎖定、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)。一旦出現(xiàn)保護(hù)，送出一個(gè)故障信號(hào)（F0）。該模塊通態(tài)損耗、開(kāi)關(guān)損耗均較低，因而散熱器尺寸較小。運(yùn)算控制單元采用ATMEL公司的89C2051高性能價(jià)格比單片機(jī)[1]，該單片機(jī)采用80C31內(nèi)核指令系統(tǒng)，與MCS-51完全兼容，內(nèi)含2K Flash用戶(hù)存儲(chǔ)器，編程極為方便。反復(fù)編程次數(shù)可達(dá)1000次以上，數(shù)據(jù)可保存10年。AT89C2051引腳如圖2所示。

該系統(tǒng)的工作原理如下：外部模擬量（溫度、電壓、界面設(shè)定等）經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入89C2051，經(jīng)運(yùn)算處理后，求得運(yùn)行頻率，然后轉(zhuǎn)換成預(yù)置分頻器的倍數(shù)，從而控制尋址計(jì)數(shù)器IC4輸入脈沖的頻率，從而控制27512已存波形數(shù)據(jù)的輸出速度，達(dá)到變頻的目的。27512的低11位地址（A0～A10）由計(jì)數(shù)器尋址，控制具有一定調(diào)制度M的SPWM 波形輸出。高5位地址（A11～A15）由89C2051直接尋址。控制具有不同M的SPWM波形。因此可選擇32種不同調(diào)制度的波形。系統(tǒng)的工作狀態(tài)及環(huán)境參數(shù)均可由顯示單元分類(lèi)顯示。整個(gè)顯示部分由89C2051的RXD、TXD控制。

由于PM20CTM060功率模塊內(nèi)含驅(qū)動(dòng)單元，故只需光耦隔離，就可以用數(shù)字電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

3．控制器電路設(shè)計(jì)

如圖3所示，其中SPWM波形存于27512中，格式見(jiàn)圖4。圖中211個(gè)8位字節(jié)存儲(chǔ)一個(gè)具有固定調(diào)制度的SPWM波形。由于SPWM的對(duì)稱(chēng)性，211 位只存一個(gè)周期的1/2，具體分配方法是：每個(gè)字節(jié)的0、1、2三位存放三相SPWM的0 ～ p 中的數(shù)值，3、4、5三位存放p ～2 p 中的數(shù)值，對(duì)應(yīng)的尋址方法是：IC4由0開(kāi)始計(jì)數(shù)，IC17相應(yīng)的1Y1、1Y2、1Y3輸出0 ～ p 波形。當(dāng)211位計(jì)滿(mǎn)后，半個(gè)周期輸出完畢，再計(jì)一次數(shù)時(shí)，IC4的Q12輸出為1，經(jīng)反向器驅(qū)動(dòng)IC17的2Y1，2Y2，2Y3輸出。這時(shí)，存于 27512各字節(jié)中檔的第3，4，5位的數(shù)據(jù)開(kāi)始輸出，從而產(chǎn)生SPWM的后半周期。這樣反復(fù)循環(huán)，就可輸出一個(gè)具有固定頻率、固定調(diào)制度的波形。一個(gè)完整的SPWM波形共由4096個(gè)脈沖組成。

變頻的原理是改變IC14的分頻基數(shù) 。就可改變計(jì)數(shù)脈沖頻率，從而改變讀完4096個(gè)脈沖的時(shí)間，達(dá)到了變頻的目的，

… …
50Hz 1DH
49Hz 1EH
48Hz 1FH
… …
表１． 與 對(duì)應(yīng)關(guān)系

其中 為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，本方案取6M， 為由27512讀出數(shù)據(jù)的頻率， ， 為變頻器的輸出頻率。顯然，變頻器的輸出頻率越高的值越大，而分頻系數(shù)越小。

同理欲輸出35Hz交流電時(shí)，可求得 ，總之根據(jù)變頻的范圍，可以按公式列出如下表格（見(jiàn)表１．其中 ）。

為了提高系統(tǒng)的分辨率，可提高系統(tǒng)的振蕩頻率，一般可使 的頻率分辨率達(dá)到0.5Hz以下。

調(diào)制度M的控制方法是：將27512共分成25共32個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域包含211個(gè)字節(jié)，存儲(chǔ)一個(gè)具有一定調(diào)制度的全周期SPWM波形。存儲(chǔ)區(qū)一共存儲(chǔ) 32個(gè)不同M的SPWM波，并將其按M的大小排列，由IC1的P1.3～P1.7尋址，輸出頻率及調(diào)制度的選擇由控制算法決定。

控制算法原理如圖５所示[2]，控制量R和反饋量Y之差e，以及誤差變化率一同輸入到模糊控制器進(jìn)行推理，并對(duì)狀態(tài)的走勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而選擇恰當(dāng)?shù)募癕，通過(guò)計(jì)算機(jī)尋址及分頻，輸出一組合適的波形進(jìn)入下一狀態(tài)的運(yùn)行。由于IC1內(nèi)的Flash存儲(chǔ)區(qū)只有2k，推理方法主要采用相關(guān)法，參數(shù)子集和其變化率子集分別選用4維和3維，完全滿(mǎn)足一般家電及工業(yè)控制的需要。

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4．波形存儲(chǔ)的幾點(diǎn)考慮

4.1載波頻率的確定

設(shè)定最高輸出交流頻率為60Hz，可求得輸出周期 ，則存儲(chǔ)器中每單元的分辨率為 ，也就是說(shuō)，每個(gè)存儲(chǔ)單元所代表的脈寬為 。

設(shè)定載波頻率 ， ，則當(dāng)調(diào)制度最大時(shí)存儲(chǔ)的載波波形如圖6示。圖6中 ，所占的存儲(chǔ)單元數(shù)為 ，同樣可求得 占一個(gè)存儲(chǔ)單元， 占11個(gè)存儲(chǔ)單元。

4.2存儲(chǔ)波形的形成（以 為例）

由于載波脈沖周期 ，而 對(duì)應(yīng)360°，所以每個(gè)載波周期對(duì)應(yīng)的角度為 。而對(duì)于消除3、5、7、9、11次5個(gè)諧波的最佳波形的P1 ～ P5點(diǎn)位置經(jīng)計(jì)算為[3]：18.167°、26.633°、36.867°、52.9°、56.683°，顯然不是０.9°的整數(shù)倍。因此，量化誤差將影響Pi位置的精確度，使整個(gè)系統(tǒng)對(duì)諧波的消除不能達(dá)到最佳。試驗(yàn)證明，這種影響可以忽略。

4.3輸出交流電源的控制

根據(jù)V/f =常數(shù)，當(dāng)頻率變低時(shí)，相應(yīng)輸出電壓需下降。因此，在35～60Hz范圍內(nèi)，設(shè)置了32種針對(duì)不同電壓的波形，并用計(jì)算機(jī)的P1.3～P1.7直接尋址。另外，考慮到負(fù)載的變化和頻率的變化而影響輸出電壓的波動(dòng)，軟件設(shè)置上允許同一頻率下可根據(jù)需要選擇不同M的波形，從而使電壓在一定范圍內(nèi)可以調(diào)整，用來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償，這些工作都由模糊推理來(lái)完成。

5．結(jié)論

該變頻控制系統(tǒng)配用三菱公司的智能功率模塊PM20CHA060構(gòu)成，1.5KW微型全數(shù)字三相變頻控制器，并對(duì)油泵電機(jī)進(jìn)行拖載實(shí)驗(yàn)，其結(jié)論如下：

1） 該系統(tǒng)由于變頻構(gòu)思巧妙，并利用IPM功率塊，使電路結(jié)構(gòu)緊湊，控制簡(jiǎn)單，易于批量生產(chǎn)，可用于家電、工業(yè)控制系統(tǒng)，作為嵌入式/外置式均可。

2）由于配有LED顯示器（4位）可對(duì)環(huán)境條件、設(shè)置條件、運(yùn)行情況分類(lèi)進(jìn)行顯示。

3）該系統(tǒng)在交流輸入端配有可控硅調(diào)壓?jiǎn)卧ㄏ辔粩?shù)控）及交流過(guò)、欠壓保護(hù)。高電壓適應(yīng)范圍可達(dá)300VAC，再加上低壓低頻啟動(dòng)功能，使可工作的交流電壓范圍為165～300VAC。