基于单片机的变频器控制电路的设计.doc

1、目录一 引 言 2二芯片特性简介22.1AT89S52单片机功能介绍22.2 芯片SPMC75F2413A特性4三 系统总体方案介绍53.1 这个系统的功能：63.2 系统工作流程：6四系统硬件设计6五变频器系统软件设计75.1该系统核心驱动部分的结构如图 5-1。75.2 子程序的流程如图 5-2。85.3系统主流程图95.4变频器运行过程中参数调整模块设计95.5 变频器采样及故障检测模块设计105.6定时器中断模块设计11五总 结13六参考文献13一 引 言 变频器是从上世纪中叶发展起来的一种交流调速设备。它是为了解决传统的交流电机调 速困难、传统的交变速设备不但结构复杂且效率和可靠性均

2、不尽人意的缺点而出现的。由于其使交流电机的调速范围和调速性能均大为提升，因此交流电机逐渐代替 直流电机出现在各种应用领域，即便是以往只可能是直流电机出现的伺服控制领域。随着电力半导体长足发展，变频器也随之不断进步。今变频器已深入我们的日 常生活，随处可见其为我们服务的身影。 本文主要介绍设计一种较为通用的变频器，控制器采用AT89S52单片机，对变频的控制算法进行分析设计，利用恒压频比方式控制变频器工作，得出程序算法的流程图和硬件电路设计图，本文所设计的系统具备以下功能：括电机驱动、异常事件处理、运行参数的设置、信息状态管理、通信链路接口、人机交互接口等几部分。二芯片特性简介 控制电路的设计是

3、变频器设计的关键，传统的变频器采用模拟器件实现，因模拟器件受温度的影响而严重影响其性能，所以系统设计采用AT89S52单片机SPWM专用集成芯片配合来实现逆变控制器6个IGBT的通断。2.1 AT89S52单片机功能介绍 AT89S52单片机为40引脚芯片如图所示，具有PDIP，PLCC和TQFP3钟封装形式。各引脚的功能如下： P0口8位、开漏极、双向I/O口。当用做通用I/O口时，每个引脚可驱动8个TTL负载；当用做输入时，每个端口首先置1。P0口也可用做访问片外数据存储器和程序存储器时的低8位地址/数据总线的复用口。这种情况下，P0口内含上拉电阻。在Flash编程时，P0口输入代码数据；

4、在Flash校验时，P0口输出代码数据。在进行编程校验时，需外接10K的上拉电阻。 P1口8位、双向I/O口，内含上拉电阻。P1口为用户使用的通用I/O口，每个引脚可驱动4个TTL负载。当用做输入时，每个端口首先置1。P1.0和P1.1引脚也用做定时器2的外部计数输入(P1.0/T2)和触发器输入(P1.1/T2DX)。在编程和校验期间，P1口可输入低字节地址。 P2口8位、双向I/O口，内部具有上拉电阻。P2口可用做通用I/O，可以驱动4个TTL负载。对P2口各位写入1，可作为输入。每个引脚由外部负载拉为低电平时，经由内部上拉电阻向外输出电流。在访问16位地址的外部程序存储器和数据存储器时，

5、P2口提供高8位地址。用MOVX DPTR类指令访问外部数据存储器时,P2口为高8位地址(即PCH)；用MOVX R0和MOVX R1类指令访问外部数据存储器时，P2口上的内容是SFR P2的内容。在编程和校验时，P2口接收地址线的高位和一些控制信号。P3口8位、双向I/O口，内部含有上拉电阻。 P3口可用做通用I/O口，可驱动4个TTL负载。当用做输入熟，要先将P3口各位置如外部负载将P3口拉低，则经过上拉电阻向外输出电流。在编程和校验时，P3口接收某些控制信号。 地址锁存允许/编程脉冲输入。 外部程序存储器读选通，低电平有效。 片外程序存储器访问允许。 XTAL1和XTAL2XTAL1是片

6、内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端，XTAL2是片内振荡器反相放大器的输出端。 2.2 芯片SPMC75F2413A特性 基于智能功率模组芯片和SPMC75F2413A实现的通用变频器方案，下面介绍SPMC75F2413A的特性。SPMC75F2413A 是nSP系列产品的一个新成员，是凌阳科技新推出的一个16位结构的微控制器。与其它nSP产品不同的是，SPMC75F2413A主要应用在工 控或是家电的变频驱动领域。由于其拥有出色性能定时器PWM信号发生器组。因此，SPMC75F2413A可以方便的实现各种电机驱动方案。SPMC75F2413A在4.5V5.5V工作电压范围内的工作速度范围

7、为024MHz，拥有2K字SRAM和32K字闪存ROM；64个可编程的 多功能I/O端口；5个通用16位定时器/计数器，且每个定时器均有PWM发生的事件捕获功能；2个专用于定时可编程周期定时器；可编程看门狗；低电压复 位/监测功能；8通道10位模-数转换。SPMC75F2413A在电机控制领域有相当优秀的表现。特性包括： 凌阳16位nSP处理器(ISA 1.2)； 工作电压： 内核：4.5V5.5V； 最高运行速度：24MHz； 工作温度： -40 85 ； 芯片内存储器：32KW (32K16) Flash 2KW (2K16) SRAM； 基于时钟发生模块的锁相环电路； 看门狗定时器 10

8、位模/数转换器 8通道输入 10us (100kHz)转换时间； 串行通讯接口通用异步串行通讯接口(UART) 标准外围接口(SPI)； 总计64个通用输入输出管脚； 电源管理2种低功耗模式：Wait/Standby 每个外设都可以独立的供电； 两个比较匹配定时器； 5个16位通用定时器； 2个用于脉宽调制，2个用于速度捕获，1个用于速度反馈环； MCP定时器3支持 TIO3ATIO3F, MCP定时器4支持 TIO4ATIO4F； 脉宽调制定时器支持递增/递减计数； PDC定时器0/1均支持3通道的TIO0ATIO0C输入捕获； TPM定时器2支持捕获/脉宽调制； 12个16位脉宽调制输出；

9、 2通道的电机驱动脉宽调制输出(互补的3相6路脉宽调制输出)； TIO3ATIO3F利用 MCP 定时器3工作, TIO4ATIO4F利用MCP定时器4工作； 中心(center)或边沿(edge)脉宽调制输出； 通过外部错误保护管脚进行脉宽调制输出保护； 可编程的死区控制(Dead time control)； 脉宽调制服务和错误中断发生； 具备驱动交流感应电机和直流无刷电机的能力； 内嵌在线仿真功能；三 系统总体方案介绍本通用变频器系统主要由凌阳十六位单片机SPMC75F2413A、三凌的IPM功率模组芯片PS21865A组成，系统框图如图 3-1。 图 3-1系统框图3.1 这个系统的功

10、能：系统运行参数可调化，以适应不同应用的需要；拥有实时的信息和状态显示，主要用于当前系统的状态信息显示和人机接口的一部分；带有系统参数设置和控制用的 键盘；拥有8个数字控制端口，以方便用户的远程操控，端口的具体功能可通过设置来更改；具备模拟控制接口；完备的系统保护功能，在系统异常时保护系统不受损坏。3.2 系统工作流程：主控MCU接收根据设置来自键盘和数字或是模拟接口的控制信息合成驱动电机驱动所用的驱动信号，信号经IPM功率变换后驱动电机。同时主控MCU会随时监视系统的运行，一旦出现异常便会立即保护，同时报警，以提醒用户进行处理。四系统硬件设计系统驱动部分的电路原理图如图 4-1。其中PS21

11、865A内部是一个三相的功率桥相应驱动电路，用于实现SPWM信号到驱动电机的功率变换功能。SPMC75F2413A 单片机的主要作用：（1）. 产生驱动电机所需的SPWM信号。（2）. 完成人机交互，方便用户对系统的控制。（3）. 处理相关的异常信息，确保系统的安全可靠。SPMC75F2413A产生的三相互补的PWM信号经由芯片的IOB05输出，控制PS21865A的三相全桥电路，信号经功率合成放大后从 OUT_U、OUT_V、OUT_W三个端子输出并控制电机。同时，U相和W相的信号还会通过电流互感器，为系统控制提供电流传感信号。 SPMC75F2413A的IOB6是错误侦测输入端，通过对其传

12、回信号的检测，一旦PS21865A出现工作异常（如过压、欠压、过流、过热），驱动硬 件会立即禁止PS21865A工作，同时申请中断，请求CPU处理。图 4-1中的电阻是上拉电阻，因PS21865A的故障输出信号是集电极开路输出的，同时这个信号是低有效的。图 4-1系统电路原理图五变频器系统软件设计整个系统软件分为三部分：（1）.电机的核心驱动程序，这部分主要是产生电机驱动所用的SPWM信号发生器，和一些相关的驱动服务程序；（2）.系统控制程序；（3）.人机接口界面程序；5.1该系统核心驱动部分的结构如图 5-1。在这里使用直接数字频率合成的方法去实现SPWM信号的产生，只不过是用PWM发生器替

13、代了DAC。这部分结构（除PWM发生模块）将在PWM的周期中断中用软件实现。这里的调制系数计算和乘法器主要是为实现波形的幅度控制和电源波动补尝用的波形合成的PWM周期中断服务。图5-1 驱动结构5.2 子程序的流程如图 5-2。程序首先判断是否有波形参数更新，以此实现波形参数的一次性同步更新，以防止参数修改不同步对发生信号的影响。而后程序会根据图 5-1的结构流程依次执行，完成后返回。图 5-2 中断服务子程序流程图系统控制部分是整个系统协调的心脏。整个系统都在其协调下有条不紊的工作。这部分主要是根据系统设置和当前系统的状态给出相应的控制信息，以确保系统的可靠运行。5.3人机接口界面程序。这部

14、主要是为用户提供一个简单易用的交互接口，以方便用户对变频器的可靠控制。包括变频器的起停、各种运行参数的设置都在这一层面上执行。5.3系统主流程图图53 主程序流程图如图5-3所示，主程序主要负责各个模块的运行调度：首先系统运行前，先对系统相关参数、部件进行初始化；其次，当某模块需要运行的时间到时，就调用相关模块运行。总体来说，可以认为本系统采用分时轮转的系统运作模式。系统主要包括的模块（任务）有：键盘扫描处理模块、显示模块、运行参数调整模块、采样和故障检测模块等。5.4变频器运行过程中参数调整模块设计变频器在运行过程中，会实时的根据负载的大小来调节运行状态，而此运行状态则是通过调节SPWM波的

15、频率和幅值来实现的。在变频器运行过程中分为以下几个状态。加速态（ACC）、工作态（WORK）、减速态（DEC）、制动态（BRAKE）和停止态（STOP）；在设计中还应主要一些保护功能的开启，比如防跳闸功能，具体情况参见图54所示,fs为设定频率，fe为基频，通常为电机的额定频率。图54变频器运行参数调整模块流程图5.5 变频器采样及故障检测模块设计本系统设计采用ADC0809做为采样芯片对5个通道采样，分别为：直流侧电压、2相交流电流、外部模拟电压输入、外部模拟电流输入。采样到的值被送入各自变量中去，故障检测模块对是否过流、过压、欠压等故障做出判断，并设置故障状态变量为不同的状态值，以便其他模

16、块获取系统的故障状态。需要提出的是，在欠压时，流程图中体现了AVR功能，自动调整了U/f曲线。流程图见图55所示图55 采样及故障检测模块流程图5.6定时器中断模块设计T0的主要任务是：一方面将计算得到的t1，t2，t3这3相脉宽值送给外部的SPWM发生器进而产生频率和幅值可调的SPWM波；另一方面在系统为制动状态下时，保持脉宽不变，给电机输入直流电。总而言之，T0是实际产生波（交流的、直流的）的程序模块，如56所示。而T1相当于时分系统的心跳，主要负责各个模块的定时调度。某模块定时到时，将在主程序中被调用执行。图56 定时器T0、T1中断服务程序流程图12 五总 结 本次课程设计让我加深了对

17、课本知识的进一步认识和理解。在得到任务并且通读了一遍后，完全不知道应该从哪入手但是后来通过查资料和向懂得同学请教，让我掌握了课程设计的大体流程，也使我深深认识到认真学习的重要性。 好些平时课本和课堂上无法学到的知识，这次也大体掌握。最重要的一点是增强了我的自学能力，养成了一种提出问题，解决问题的思维习惯，这对以后的实践工作时有很大益处的。虽然这次课设的过程很辛苦，但是能学到一些课本上没有的知识真的很开心。六参考文献1 雷思孝、李伯成、雷向莉等，单片机原理及实用技术凌阳16位单片机原理及应用M 西安：西安电子科技大学出版社；2 SUNPLUS，SPMC75F2413A编程指南V1.1M 北京：SUNNORTH；3 Mitsubishi，PS21865A数据手册M。- 4 - 3 -