《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種實(shí)用數(shù)字變頻控制器的設(shè)計(jì)
Jdzj
張紅玲，張繼光，侯靜
解放軍第451醫(yī)院經(jīng)管科,西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院
摘要： 介紹了一種用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字變頻控制器，可根據(jù)外界條件變化，自適應(yīng)地改變輸出頻率，從而可使被驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載能力在一定的范圍內(nèi)自動(dòng)地適應(yīng)環(huán)境條件，達(dá)到無(wú)控調(diào)整的目的。這種控制器不但可用于一般交流變頻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，也可以在小頻率范圍實(shí)現(xiàn)對(duì)普通交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。因之，可應(yīng)用于某些工業(yè)控制及家用電器中。
Abstract：
Key words :

 

 

 

張紅玲1 ，張繼光2，侯靜2
（1.解放軍第451醫(yī)院經(jīng)管科，陜西西安710054）
（2.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西西安710072）
    摘要  介紹了一種用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字變頻控制器，可根據(jù)外界條件變化，自適應(yīng)地改變輸出頻率，從而可使被驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載能力在一定的范圍內(nèi)自動(dòng)地適應(yīng)環(huán)境條件，達(dá)到無(wú)控調(diào)整的目的。這種控制器不但可用于一般交流變頻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，也可以在小頻率范圍實(shí)現(xiàn)對(duì)普通交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。因之，可應(yīng)用于某些工業(yè)控制及家用電器中。
    關(guān)鍵字  變頻控制器；單片機(jī)；自適應(yīng)；家用電器

 

The Design and Application of Full-digital Variable Frequency Inverter by AC89C2051
ZHANG Hongling1，ZHANG Jiguang2，HOU Jing2
（1 Branch of economy management，451st Hospital of People’s Liberation Army，Xi’an Shannxi 710054 China）
（2 School of Electronic and Information，Northwestern Polytechnical University，Xi’an Shannxi 710072 China）
    Abstract  It is introduced a kind of digital variable frequency inverter in which the single-chip microcomputer technique is employed. This inverter can supply a variable frequency automatically according to the outer conditions.Thereby，it will enable the load capacity of driven motor automatically adapt to environmental conditions in a certain area，achieving the purpose with no adjustment. This controller can be used not only in ordinary AC motor-driven，it can also drive ordinary AC motor in a small frequency range.Therefor，it can be used in the industrial automatic control and domestic appliances.
    Keywords  variable frequency inverter；single-chip microcomputer；adaptive；domestic appliances

    

0 引言
     本文介紹一種基于C2051 的全數(shù)字變頻控制器，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)到自適應(yīng)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)，電路簡(jiǎn)單，特別適合于低壓帶負(fù)荷啟動(dòng)困難的邊遠(yuǎn)地區(qū)用戶(hù)。
1 變頻控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
     下面，以1.5 kW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IPM模塊PM20CTM060，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)，一旦保護(hù)動(dòng)作，送出一個(gè)故障信號(hào)（F0）。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)，內(nèi)含2KB Flash

 

 

用戶(hù)存儲(chǔ)器，編程較為方便。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)，控制尋址計(jì)數(shù)器IC4 輸入脈沖的頻率fc，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耀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 耀A15）由89C2051直接尋址?？刂凭哂胁煌琈的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，故只須光耦隔離，就可以用數(shù)字電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
2 控制器電路設(shè)計(jì)
如圖3所示，其中SPWM波形存于27512中。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SP原WM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耀仔中的數(shù)值。3、4、5 三位存放仔耀2仔中的數(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耀仔波形。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4 096個(gè)脈沖組成。
變頻的原理是改變IC14的分頻基數(shù)fb。就可改變計(jì)數(shù)脈沖頻率，從而改變讀完4 096 個(gè)脈沖的時(shí)間，達(dá)到了變頻的目的，其關(guān)系是

顯然，變頻器的輸出頻率越高的值越大，而分頻系數(shù)越小。例如，當(dāng)需要輸出fo=50 Hz交流電時(shí)，則先求得

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fo的頻率分辨率達(dá)到0.5 Hz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耀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4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)膄 及M，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2 kB，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。

3 波形存儲(chǔ)的幾點(diǎn)考慮
3.1 載波頻率的確定
設(shè)定最高輸出交流頻率為60 Hz，可求得輸出周期TO=16.67 ms，則存儲(chǔ)器中每單元的分辨率為駐T=16.67/4 096=4.096 滋s，也就是說(shuō)，每個(gè)存儲(chǔ)單元所代表的脈寬為4 滋s。
設(shè)定載波頻率fPWM=20 kHz，TPWM=1/20 000=50 滋s，則當(dāng)調(diào)制度最大時(shí)存儲(chǔ)的載波波形如圖5所示。圖5中TPWM =50 滋s，所占的存儲(chǔ)單元數(shù)為N=TPWM / 駐T=12，同樣可求得Td占一個(gè)存儲(chǔ)單元，TON占11 個(gè)存儲(chǔ)單元。

3.2 存儲(chǔ)波形的形成
以fo=50 Hz為例，見(jiàn)圖6。由于載波脈沖周期TPWM =50 滋s，而20 ms對(duì)應(yīng)360°，所以每個(gè)載波周期對(duì)應(yīng)的角度為琢PWM=360°×50 滋s/20 ms=0.9°。
而對(duì)于消除3、5、7、9、11 次5 個(gè)諧波的最佳波形的P1 耀P5點(diǎn)位置經(jīng)計(jì)算為[3]：18.167毅、26.633毅、36.867毅、52.9毅、56.683毅，顯然不是園.9毅的整數(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。

3.3 輸出交流電源的控制
根據(jù)U/f =常數(shù)，當(dāng)頻率變低時(shí)，相應(yīng)輸出電壓須下降。因此，在35耀60 Hz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耀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。
4 結(jié)語(yǔ)
該變頻控制系統(tǒng)配用三菱IPM模塊PM20CHA060構(gòu)成1.5 kW 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)，滿(mǎn)足應(yīng)用要求。
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，適應(yīng)性寬，易于批量生產(chǎn)，可用于家庭、工業(yè)控制。
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）為了進(jìn)一步提高控制精度，簡(jiǎn)化硬件電路，可將C2051改換為富士通公司的MB89130A（48腳）8位單片機(jī)[4]。由于該片內(nèi)部ROM為32 KB，4 通道8位A/D 轉(zhuǎn)換，5 個(gè)內(nèi)部中斷和3 個(gè)外部中斷，從而增加變量空間，可降低成本，提高可靠性。

 

作者簡(jiǎn)介：

    張紅玲（1972-），女，本科畢業(yè)，現(xiàn)為中國(guó)人民解放軍第451 醫(yī)院經(jīng)管科工作人員。

參考文獻(xiàn)：

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