单片机控制交流变频调速系统

目录：单片机控制交流变频调速系统设计一简介： (5)二变频调速系统的硬件组成： (6)（一）变频器主电路（整流电路、逆变器电路） (7)（二）晶闸管及功率晶体管驱动电路 (7)（三）PWM脉冲形成电路 (8)（四）单片机控制系统 (9)（五）信号检测电路 (10)（六）转速测量电路 (10)（七）电源电路 (11)三变频调速系统的软件组成 (11)（一）主程序 (11)（二）外部中断服务程序 (11)（三）串行通讯子程序 (12)（四）高速输入部件中断子程序 (12)四系统的冗余措施 (13)（一）输入缓冲 (13)（二）输出总线仲裁 (13)（三）单片机时钟级同步的实现 (15)（四）控制模块的VHDL语言描述 (16)五变频调速恒压供水系统应用 (17)（一）系统工作过程如下: (17)六设计小结 (18)七、设计参考资料 (18)毕业设计（论文）开题报告单片机控制交流变频调速系统的设计摘要：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。

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。

作者：严俊关键词：单片机，变频器，调速系统，冗余技术Abstract: In the 1970s, large-scale integrated circuits and computer control technology development and application of modern control theory, making the exchange of electric drive system gradually with a wide speed range, high-speed range, high stability speed accuracy and fast dynamic response and in a reversible four-quadrant operation with good technical performance, speed performance can be comparable with the DC electric drive. In exchange Speed technology, VVVF have absolute superiority, and its speed continuously improve performance and reliability, reduce prices, especially energy-saving effect of VVVF obvious, and easy to implement process automation, industry by industry the favored.Author: Yan JunKey words: SCM, converter, speed control system, redundant technology一简介：在传统的可调速电气传动系统中，直流电动机调速系统占绝对优势。

但是直流电动机结构复杂，价格高，又有换向器和电刷，在运行中常出故障。

与此相反，鼠笼式异步电动机具有结构简单，运行可靠，价格便宜等优点。

但是交流电动机调速困难。

交流变频技术出现以来，使用变频调速器和调节器来进行交流电动机无级调速成为可能。

它具有调速范围宽，稳速精度高，动态响应快，运行可靠等技术性能，已逐步取代直流电动机调速系统。

然而目前的变频器大部分都是线路复杂，价格昂贵，常用于大、中功率的电动机。

对于国内占有率极大的中、小型电动机采用这类变频器无疑是难以普及的。

鉴于这种情况，我们设计了此种由 8098单片机为主控制器的，具有高度灵活性和可靠性的低价格交流电动机变频调速系统。

在本设计中以INTEL公司的8098单片机作主控制器，并且采用了功率晶体管作输出，具有完善的电流、电压、转速的检测和显示，以及过压，过流保护。

另又增加了串行通讯口，采用两线制RS-485通讯结构。

可靠通讯距离为1.2km，并且可加上中继来加长距离。

该系统可方便的组网控制或组成分布式集散控制系统，也可单独作为直接控制器来使用。

电路中还采用了美国达拉斯公司最新生产的时钟芯片DS-12887，内含128字节的不挥发RAM，可以记录下电动机过流过压保护时的时间和电流电压数据，供查询使用。

二变频调速系统的硬件组成：8098单片机变频调速系统框图如图1所示。

图1 8098单片机变频调速系统框图由系统框图所示，交流变频调速系统的硬件是由变频调速主电路（整流电路、逆变器电路）、可控硅及功率晶体管驱动电路、ＰＷＭ脉冲形成电路、单片机控制系统、信号检测电路、转速测量和电源电路等七大环节组成（一）变频器主电路（整流电路、逆变器电路）变频器主电路为交－直－交电压型变频器电路。

整流器由6个晶闸管组成三相可控桥式整流电路，将三相交流电整流后再由电容滤波，为变频调速主回路提供直流电源，且经由这6个晶闸管控制的导通与截止来实现电源的软开关。

逆变器功率元件由VT1至VT6支功率晶体管组成。

VD1至VD6支二极管组成功率晶体管的保护部分。

由于采用二极管不可控整流产生恒定直流电源，功率因数问题用这种方法就可以解决。

用PWM逆变器，输出电压是一系列脉冲，调节脉冲宽度就可以调节输出电压值。

假如脉冲宽度按正弦分布，则输出电压中谐波可以大大减少。

谐波减少的成度还取决于逆变器功率开关的开关频率。

因此，PWM逆变器中很少采用像晶闸管之类开关频率低的半控型器件作为开关器件，而是采用开关频率高的全控型器件如GTR、GTO 、MOSFET 、IGBT 等。

同时调频调压都集中在逆变器一侧，控制也简化了。

因此，这种结构成为当前中小型交—直—交变频器中普遍采用的一种结构形式。

由于PWM逆变器具有许多优点，所以在中小型变频器中得到普遍采用。

电压型PWM变频器主电路的原理图如图2所示。

交—直—交变频器主要适用于中小功率、转速较高、负载较平稳的场合。

图2 变频器主电路原理图（二）晶闸管及功率晶体管驱动电路晶闸管驱动电路采用型号为MOC3021的6支光电耦合器件组成，该器件是双向晶闸管输出型的光电耦合器，作用是隔离单片机主控系统和触发外部的晶闸管。

功率晶体管基级驱动电路采用MPD1203厚膜集成电路，以简化系统结构，提高系统可靠性。

MPD1203集成电路集光电隔离与驱动电路于一身，为GTR提供正或负的基级电流，控制GTR的导通或关断。

它与软件结合形成所谓软开关。

（三）PWM脉冲形成电路正弦PWM脉冲信号采用大规模集成电路HEF4752产生，它是专门设计用来产生正弦脉宽调制信号的大规模集成电路。

HEF4752 集成电路输出3对互补的脉宽调制驱动波形，由它们去驱动三相逆变桥功率元件产生对称的三相输出。

当控制端Ｉ为低电平时，输出波形适宜驱动晶体管逆变器，当控制输入端I为高电平时，适宜于驱动晶体管逆变器。

输入端CW用于控制相序。

当CW为高电平时，相序为RYB,当CW为低电平时，相序为RBY，用于控制电机的旋转方向。

当输入端Ｌ为低电平时，封锁所有的脉宽调制驱动输出，它的作用除了起停电机外，还可方便地用于过流保护。

为了避免逆变桥中同一相上下2支开关元件同时导通引起短路，在它们切换时，插入互锁推迟间隔，以确保有足够的换相时间。

在HEF4752集成电路中，由推迟间隔选择端Ｋ和时钟输入OCT一齐决定推迟间隔的长短。

当Ｋ为高电平时，推迟间隔时间Ｔb=16/Foct(s); 当Ｋ为低电平时，Ｔb=8/Foct(s)。

三相PWM输出波形的频率、电压和每周期的脉冲数，分别由3个时钟输入FCT，VCT，OCT决定。

它的输入由8098单片机改变计数常数，经可编程计数器8254输出方波信号获得。

采用专用PWM芯片HEF 4752,使系统可靠性好，应用方便，编程简单。

在大规模集成电路HEF4752控制电路中采用载频信号Uc与参考信号Ur相比较的方法产生基极驱动信号。

这里采用单极性等腰三角形；Ur采用可变的直流电压。

在Ur与Uc波形的交点处发生调制信号，部分脉冲调制波形如下图所示。

图3 PWM脉冲形成过程（四）单片机控制系统单片机控制系统组成框图如图4所示。

图4 单片机控制系统组成框图从图4可知，本系统由8098，EPROM2764，RAM6264和74LS373构成主体部分。

外围扩展有键盘和数码显示接口芯片8279、并行输入输出芯片8255、时钟芯片DS12887、定时器计数器接口芯片8254、双四选一模拟开关4052、锁存器74LS373和串行RS-485标准通讯驱动接口芯片75176构成一个完整的变频调速中心控制系统。

系统内由8279构成了32位数码管显示和四乘五键盘矩阵。

32位数码显示分别显示6位时间、4位给定转速、4位实际转速、4位运行频率、2位运行指示和1个3位的运行电压、3个3位的运行电流。

键盘矩阵分别有0至9共10个数字键和8个功能键与2个备用键。

并行输入输出接口8255的Ｐc7与Ｐc6两个口作为双四选一开关4052的控制信号。

ＰA口作为输入口，用光电耦合器隔离，输入8路状态量。

ＰB口作为输出口，经MC1413隔离驱动后，经过继电器输出7路开关量。

这一部分主要是作为扩展系统时使用。

DS12877是一片内带锂电池、晶振的时钟芯片。

它可以为系统提供一个时间基准。

在电动机电流过大保护时可以记录下时间。

并且此芯片内有128字节的不掉电RAM，可以在停电后保持数据不丢失。

所以把系统运行中的一些参数储存在这里，如键盘输入的给定转速、最大电流等。

8254是1个内含3路16位可编程计数器定时器。

8098单片机定时对频率给定信号进行采样，根据A/D 转换的结果或键盘的设定，或从上位机通过串行通讯口设定的转速，经软件处理为适合8254可编程计数器的计数常数。

8254装入由单片机送出的计数常数后便产生相应频率的方波信号。

单片机一旦改变送出的计数常数，就可以改变8254输出的方波信号的频率。

这个方波信号作为PWM 芯片HEF4752的时钟输入FCT。

因此，调节频率给定信号，也就是改变了8254的计数常数，也即改变了HEF4752的时钟输入FCT的频率，从而改变逆变器输出的频率，实现电动机的变频调速。

双四选一模拟开关4052是作为8098模拟输入的扩展来使用的。