基于AT89C51单片机的变频调速控制系统设计.docx

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1、基于AT89C51单片机的变频调速控制系统设计基于AT89C51单片机的变频调速控制系统设计ronggang导语：本文介绍了一种由AT89C51单片机为主控制器的变频调速系统，采用SA8281作为正弦波发生器。主回路采用交-直-交电压型变频电路摘要：本文介绍了一种由AT89C51单片机为主控制器的，采用SA8281作为正弦波发生器。主回路采用交-直-交电压型变频电路。在阐述系统的硬件构造及软件设计根底之上，并给出了主要程序的流程图。理论说明：该系统可靠性高，组配灵敏，具有很好的应用前景。关键词：单片机，SA8281波形发生器，变频控制DesignofFrequencyVariableAdjus

2、ting-speedControlSystemBasedonAT89C51MicrocomputerAbstract：Inthispaper，akindoffrequencyvariableadjustingspeedsystembasedonsingle-chipmicrocomputerAT89C51isintroducedasmastercontroller，adoptingtheSA8281asasinewavegenerator.ItsmaincircuitistheAC-DC-ACvoltagesourcefrequencyconversioncircuit.Basedondisc

3、ussingthesystemhardwarestructureandthesoftwaredesign，wehaspresentedthemainprogramflowchart.Practiceshowsthatthissystemhasmanymeritssuchashighreliability，flexibleassemblyandgoodviability.Keywords：Single-chipmicrocomputer;SA8281WaveformGenerator;Frequencyconrtol在电气传动领域中，随着自关断器件技术程度的不断进步，脉宽调制技术简称PWM技术也

4、日趋成熟。沟通以其高效率、高功率因数、输出波形好、构造简单等优点，在井下风机、水泵、造纸机等设备中得到了广泛的应用。将单片机应用于沟通变频调速系统，可有效地防止传统调速方案中的一些缺点，到达了进步控制精度的目的1，其特点：1采用单片机可以使绝大多数控制逻辑通过软件实现，简化了电路。2单片机具有更强的逻辑功能，运算速度快，精度高，有大容量的存储单元，可以实现较为复杂的控制。3无零点漂移，控制精度高。4可以提供人机界面，多机连网工作。根据国内外有关变频调速的最新研究成果及研究动向，参阅大量的文献、资料，本着先进性与成熟性兼顾、标准化、可靠性、连续性、及时性的系统设计原那么，设计了如图1所示的系统构

5、造框图。align=center图1系统构造框图图2整流电路/align整个电路分为三大局部：主回路、驱动电路以及用单片机控制PWM产生器的控制电路，另外还有过流检测和保护电路，这样使得系统工作更稳定、可靠。2.系统主回路设计2.1整流滤波电路的设计为了给逆变器提供一个稳定的直流电压，需要将电网输入的沟通电进展整流。通常整流电路可分为可控整流和不可控整流。可控整流可以使系统的功率因数接近l，并且具有较小的纹波，频率高，可降低较小幅值的滤波电容。但是采用可控整流电路会使得系统本钱上升，并且控制电路复杂。目前比拟经济可靠的方案，一般都是采用二极管整流，使电网功率因数与逆变输出电压无关而接近于1。在

6、本系统中，我们采用了三相二极管不可控整流，如图2所示，采用它无需控制电路驱动，电路简单、可靠，本钱低，缺点就是纹波较大，需采用较大幅值的滤波电容。2.2三相逆变电路的设计三相沟通负载需要三相逆变器，在三相逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆变电路2。采用IGBT作为可控元件的电压型三相逆变电路如图3所示，可以看出电路由三个半桥组成。align=center图3三相逆变电路图4IR2110驱动半桥电路/align电压型三相逆变桥的根本工作方式与单相逆变桥一样，是导电方式，即每个桥臂的导电角度为，同一相同一半桥上下两个臂交替导电，各相开场导电的时间依次相差。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可

7、能是上面一个臂，下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。由于每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进展的，因此，也被称为纵向换流。用T记为周期，只要留意三相之间互隔T/3T是周期就可以了，即B相比A相滞后T/3，C相又比B相滞后T/3。详细的导通顺序如下：第1个T/6:V1,V6,V5导通,V4,V3,V2截至;第2个T/6:Vl,V6,V2导通,V4,V3,V5截至;第3个T/6:V1,V3,V2导通,V4,V6,V5截至;第4个T/6:V4,V3,V2导通,V1,V6,V5截至;第5个T/6：V4,V3,V5导通,V1,V6,V2截至;第6个T/6:V4,V6,V5导通,V1,V3

8、,V2截至。3驱动电路及系统保护电路的设计3.1驱动电路的设计作为功率开关器件，IGBT的工作状态直接关系到整机的性能，所以选择或者设计公道的驱动电路显得尤为重要。采用一个性能良好的驱动电路，可使IGBT工作在比拟理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对进步整个装置的运行效率，可靠性和平安性都有重要的意义。驱动电路必须具备两个功能：一是实现控制电路与被驱动IGBT栅极的电隔离;二是提供适宜的栅极驱动脉冲3。对驱动电路的要求，可归纳如下：1IGBT和MOSFET都是电压驱动，都具有一个2.55V值电压，有一个容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷非常敏感，故驱动电路必须很可靠，要保证有一条低

9、阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。2用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压Uge,有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率，使IGBT不退出饱和而损坏。3驱动电路要能传递几十kHz的脉冲信号。4在大电感负载下，IGBT的开关时间不能太短，以限制出di/dt形成的尖峰电压，确保IGBT的平安。5IGBT的栅极驱动电路应尽可能简单实用，最好自身带有对IGBT的保护功能，有较强的抗干扰才能。本文采用美国IR公司推出的IR21lO集成驱动器来驱动IGBT，它兼有体积小，速度快，电路简单的优点，是中小功率变换装置中

10、驱动器件的首选品种。驱动芯片IR2110用于驱动半桥电路如图4所示。3.2电流检测及过流保护电路当流过IGBT的电流过流，一旦超出平安区，IGBT将永久损坏，因此系统要设置电流过流保护电路，系统在变频器的直流局部串电流互感器将电流转换为电压信号再通过比拟器比拟，将过流信号检测出来后，送到SA828l的脉冲封闭端电平信号，那么SA828l就会停顿输出PWM脉冲，以保护IGBT。IGBT的过电流保护电路如图5所示。align=center图5IGBT的电流保护电路/align其中运放C814组成电压跟随器，其输入来自电流互感器的输出。两个电压比拟器C271组成窗口电压比拟器，比拟器的输出经施密特反

11、相器连接到与门的输入端。当IGBT没有过电流时，C814的输入电压比拟低，窗口电压比拟器输出高电平，因此EN信号为高电平，使IGBT驱动信号有效;反之，当IGBT过电流时，EN信号变为低电平，封闭了IGBT驱动信号而使IGBT关断，调节电位器RP，可以改变过流阀值的大小。过压保护电路的原理与电流保护电路类似，另外在主电路上应配装一个10A的快速熔断保险，当电路发生严重过流时，快速熔断保险烧断切断电网电源，尽可能的保证主电路的平安。4.控制电路软硬件设计三相SPWM发生器是控制电路的核心局部。在本设计中，我们选用了AT89C51单片机控制英国MITEL公司的专用集成芯片SA8281作为SPWM波

12、形发生器，该芯片与微处理器接口方便，几乎不用加任何的逻辑电路即可构成完好的SPWM控制电路，构造紧凑，进步了系统的集成度和可靠性，利于降低本钱。4.1SA8281的功能介绍SA8281芯片是MITEL公司设计的专门为沟通电机的调速控制，UPS电源以及其他需要脉宽调制作为一种有效电源控制的电力电子器件4。引脚如图6所示：align=center图6SA8281的引脚排列图7单片机与SA8281连接图/align它可用于三相PWM波形产生的可编程微机外围接口芯片，使用一组标准的MOTEL总线，适用于英特尔和摩托罗拉二种总线接口，接口通用性好，编程和操纵简单，方便，快捷。SA8281采用常用的对称的

13、双边沿采样法产生全数字化PWM波形，无时漂，无温漂，具有很高的精度和温度稳定性。有6个标准的TTL电平输出，用来驱动逆变器的6个功率开关器件。工作频率范围宽，精度高，三角载波频率可调。工作方式灵敏，在电路不变的情况下，直接通过软件设定载波频率、调制频率、调制比、最小脉宽、死区时间等工作参数就可改变逆变器的性能指标，驱动不同负载或者工作于不同工况。可通过改变输出SPWM脉冲的相序实现电机的正反转，通过调制到达输出频率为OHz而给电机绕组通一直流电，实现电机的“直流插入制动。独立闭锁端可瞬时闭锁输出SPWM脉冲，可处理电机突发情况的发生。波形存储在内部ROM中，可以选择可删除的最小脉宽和死区时间。

14、4.2控制硬件电路的实现控制电路局部采用的单片机为ATMEL公司推出的AT89C51，它采用CMOS构造，耗能低，抗干扰才能强，与MCS一5l系列完全兼容，且功能比一般的51系列芯片要强大很多。其内部含有128字节的RAM和4K字节的EPROM完全知足系统需要，不用外加RAM或者EPROM存放数据或者程序，但需要设定和保存的参数那么存放在一片EEPROM中5。正弦波发生器的原理图如图7所示，它以SA828l作为三相正弦波的发生芯片，单片机AT89C51作为SA8281的控制芯片。SA828l将大局部外围电路都集成在芯片内部，可以看出SA8281与微处理器接口简单，控制电路非常简单，构造紧凑，这

15、样做从另一方面来讲对芯片工作的稳定性有很大帮助，进步了可靠性。从整个电路来讲，实现对SA828l的控制是通过按键输入相应的信息。本电路的设计要对SA8281输入初始化参数和控制参数，所以用到了三个按键0#键、1#键和2#键。在主程序中判定键号用的是查询式,0#键按下转入初始化子程序：l#键按下转入加速子程序：2#键按下转入减速子程序。AT89C51是地址与数据总线复用类的单片机，为了隔离潜伏的噪音干扰，设置输出断开引脚SETTRIP在通常情况下接地，同时设置了开关，便于在紧急情况下迅速关断所有PWM输出;为使PWM输出处于有效状态，输出关断引脚接高电平6。外部时钟CLK引脚接独立的12M有源晶

16、振为SA8281芯片提供一时钟基准用于控制与PWM有关的各时序。4.3控制电路软件设计对SA8281芯片的控制是通过微处理器接口将相应的参数送入芯片内部两24位的存放器R4、R3来实现的，它们是初始化存放器和控制存放器。数据先被读入一系列临时存放器R0R2中，然后通过一条虚拟的写操纵将数据传送至相应的R4，R3存放器。初始化存放器用于设定和电机及逆变器有关的一些根本参数。在正常情况下，这些参数在电机工作前就被初始化例.在PWM输出允许前，并且在电机工作时一般不允许改变。控制存放器在工作经过中控制输出脉宽调制波的状态，进而进一步控制电机的运行，比方转速、正/反转、启动和停顿等。通常在电机工作时该

17、存放器内容经常被改写以实现对电机的实时控制。程序流程图下面分别进展讲明：4.3.1主程序主程序判定键号用的是查询式：O#键按下转入初始化子程序;1#键按下转入加速子程序;2#键按下转入减速子程序。另外为了防止误操纵增加了延时去抖动的再次判定键号环节。主程序流程图如图8所示：align=center图8主程序流程图图9SA8281初始化子程序流程图/align4.3.2初始化子程序在初始化子程序要设定的是与电机和变频器有关的根本参数，包括载波频率的设定、调制波频率范围设定、脉冲延迟时间设定、最小删除脉宽的设定、调制波形选择、幅值控制设定等。初始化存放器的数据先以8位格式存入临时存放器R0，R1和

18、R2中，然后通过虚拟写操纵R4再被存入初始化存放器。通常情况下，这些参数在电机工作经过中不要改变。SA8281初始化子程序流程如图9所示：4.3.3调速子程序调速子程序包括加速子程序和减速子程序，本文只介绍加速子程序，减速子程序类似于加速子程序。加速子程序流程图如图9所示，控制参数包括调制波频率控制字和调制波幅值控制字，它们要通过计算求得，方法：首先根据电机的U/F曲线得到调制波的频率与幅值，然后通过公式计算出相应的控制字并制成表格，本文的程序设计中利用查表法实现两种控制参数的传送。调制波频率与幅值比照如表1所示。加速子程序流程图如图10所示：表1调制波频率与幅值比照表 align=cente

19、r图10加速子程序流程图/align本文中，设计变频调速控制系统时，控制芯片采用单片机AT89C51，采用SA8281作为正弦波发生器，用IR2110芯片来驱动，另外考虑到系统的稳定性，设计了系统的保护电路，这样整个系统有本钱低廉，功能齐全的特点，并具有较大的实用价值。目前，我国的变频调速市场逐渐增长，需求量日益广泛。因此，对于变频调速控制系统的研究具有重要的学术意义和应用价值。1张海宾.SPWM变频调速应用技术M.北京：机械工业出版社，2002.55-80.2张发生,吴舒辞.由SA8281为主控的SPWM逆变器J.国外电子测量技术,20041:23-25.3何风.IGBT模块的驱动和保护技术J.电气开关20034.4杨庆华.SA8281型SPWM波发生器的原理及其在变频器中的应用J.国外电子元器件,20065:51-53.5徐英凤，龚民,陈白宁等.种基于AT89C51单片机的直流调速控制装置J.沈阳理工大学学报,2007,264:71-73.6卢丹,高彩霞,王福忠.基于AT89C51的沟通变频调速系统设计J.煤矿机械,2020,297:189-191.