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一種實用數字變頻控制器的設計
Jdzj
張紅玲，張繼光，侯靜
解放軍第451醫(yī)院經管科,西北工業(yè)大學電子信息學院
摘要： 介紹了一種用單片機實現的數字變頻控制器，可根據外界條件變化，自適應地改變輸出頻率，從而可使被驅動電機的負載能力在一定的范圍內自動地適應環(huán)境條件，達到無控調整的目的。這種控制器不但可用于一般交流變頻電機的驅動，也可以在小頻率范圍實現對普通交流電機的驅動。因之，可應用于某些工業(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)院經管科，陜西西安710054）
（2.西北工業(yè)大學電子信息學院，陜西西安710072）
    摘要  介紹了一種用單片機實現的數字變頻控制器，可根據外界條件變化，自適應地改變輸出頻率，從而可使被驅動電機的負載能力在一定的范圍內自動地適應環(huán)境條件，達到無控調整的目的。這種控制器不但可用于一般交流變頻電機的驅動，也可以在小頻率范圍實現對普通交流電機的驅動。因之，可應用于某些工業(yè)控制及家用電器中。
    關鍵字  變頻控制器；單片機；自適應；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 的全數字變頻控制器，它可以根據外界環(huán)境的變化(如壓力、溫度、輸入電壓和人為地設定等)，自適應地改變輸出電源頻率，達到自適應對電機調速的目的。在控制算法中，采用模糊理論，設定隸屬函數，求出控制輸入的隸屬度，并進行模糊規(guī)則判斷，得出模糊的控制輸出。然后進行模糊量的計算，得出精確的控制輸出，達到控制運行頻率的目的。經過試運行表明，自適應能力強，電路簡單，特別適合于低壓帶負荷啟動困難的邊遠地區(qū)用戶。
1 變頻控制器系統(tǒng)結構原理
     下面，以1.5 kW輸出功率的變頻控制器為例進行介紹，該系統(tǒng)結構如圖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、過熱保護、過流保護、短路保護，一旦保護動作，送出一個故障信號（F0）。運算控制單元采用ATMEL 公司的89C2051 高性能價格比單片機 [1]，該單片機采用80C31內核指令系統(tǒng)，內含2KB Flash

 

 

用戶存儲器，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、界面設定等）經A/D轉換后送入89C2051，經運算處理后，求得運行頻率，然后轉換成預置分頻器的倍數，控制尋址計數器IC4 輸入脈沖的頻率fc，從而控制27512已存波形數據的輸出速度，達到變頻的目的。27512的低11位地址（A0耀A10）由計數器尋址，控制具有一定調制度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種不同調制度的波形。系統(tǒng)的工作狀態(tài)及環(huán)境參數均可由顯示單元分類顯示。整個顯示部分由89C2051的RXD、TXD控制。
由于PM20CTM060 功率模塊內含驅動單元，故只須光耦隔離，就可以用數字電路進行驅動。
2 控制器電路設計
如圖3所示，其中SPWM波形存于27512中。圖中211個8 位字節(jié)存儲一個具有固定調制度的SP原WM波形。由于SPWM 的對稱性，211位只存一個周期的1/2，具體分配方法是每個字節(jié)的0、1、2 三位存放三相SPWM 的0耀仔中的數值。3、4、5 三位存放仔耀2仔中的數值。對應的尋址方法是IC4由0開始計數，IC17相應的1Y1、1Y2、1Y3輸出0耀仔波形。當211
位計滿后，半個周期輸出完畢，再計一次數時，IC4的Q12輸出為1，經反向器驅動IC17的2Y1，2Y2，2Y3輸出。這時，存于27512各字節(jié)中檔的第3，4，5位的數據開始輸出，從而產生SPWM的后半周期。這樣反復循環(huán)，就可輸出一個具有固定頻率、固定調制度的波形。一個完整的SPWM波形共由4 096個脈沖組成。
變頻的原理是改變IC14的分頻基數fb。就可改變計數脈沖頻率，從而改變讀完4 096 個脈沖的時間，達到了變頻的目的，其關系是

顯然，變頻器的輸出頻率越高的值越大，而分頻系數越小。例如，當需要輸出fo=50 Hz交流電時，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的頻率分辨率達到0.5 Hz以下。
        調制度M的控制方法是：將27512 共分成25共32個區(qū)域，每個區(qū)域包含211個字節(jié)，存儲一個具有一定調制度的全周期SPWM波形。存儲區(qū)一共存儲32個不同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行推理，并對狀態(tài)的走勢進行預測，從而選擇恰當的f 及M，通過計算機尋址及分頻，輸出一組合適的波形進入下一狀態(tài)的運行。由于IC1內的Flash存儲區(qū)只有2 kB，推理方法主要采用相關法，參數子集和其變化率子集分別選用4 維和3維，完全滿足一般家電及工業(yè)控制的需要。

3 波形存儲的幾點考慮
3.1 載波頻率的確定
設定最高輸出交流頻率為60 Hz，可求得輸出周期TO=16.67 ms，則存儲器中每單元的分辨率為駐T=16.67/4 096=4.096 滋s，也就是說，每個存儲單元所代表的脈寬為4 滋s。
設定載波頻率fPWM=20 kHz，TPWM=1/20 000=50 滋s，則當調制度最大時存儲的載波波形如圖5所示。圖5中TPWM =50 滋s，所占的存儲單元數為N=TPWM / 駐T=12，同樣可求得Td占一個存儲單元，TON占11 個存儲單元。

3.2 存儲波形的形成
以fo=50 Hz為例，見圖6。由于載波脈沖周期TPWM =50 滋s，而20 ms對應360°，所以每個載波周期對應的角度為琢PWM=360°×50 滋s/20 ms=0.9°。
而對于消除3、5、7、9、11 次5 個諧波的最佳波形的P1 耀P5點位置經計算為[3]：18.167毅、26.633毅、36.867毅、52.9毅、56.683毅，顯然不是園.9毅的整數倍。因此，量化誤
差將影響Pi 位置的精確度，使整個系統(tǒng)對諧波的消除不能達到最佳。試驗證明，這種影響可以忽略。

3.3 輸出交流電源的控制
根據U/f =常數，當頻率變低時，相應輸出電壓須下降。因此，在35耀60 Hz范圍內，設置了32 種針對不同電壓的波形，并用計算機的P1.3耀P1.7直接尋址。另外，考慮到負載的變化和頻率的變化而影響輸出電壓的波動，軟件設置上允許同一頻率下可根據需要選擇不同M 的波形，從而使電壓在一定范圍內可以調整，用來對轉矩進行補償，這些工作都由模糊推理來完成。
4 結語
該變頻控制系統(tǒng)配用三菱IPM模塊PM20CHA060構成1.5 kW 微型全數字三相變頻控制器，并對油泵電機進行拖載實驗，滿足應用要求。
1）該系統(tǒng)由于變頻構思巧妙，并利用IPM 功率塊，使電路結構緊湊，控制簡單，適應性寬，易于批量生產，可用于家庭、工業(yè)控制。
2）由于配有LED 顯示器（4 位）可對環(huán)境條件、設置條件、運行情況分類進行顯示。
3）為了進一步提高控制精度，簡化硬件電路，可將C2051改換為富士通公司的MB89130A（48腳）8位單片機[4]。由于該片內部ROM為32 KB，4 通道8位A/D 轉換，5 個內部中斷和3 個外部中斷，從而增加變量空間，可降低成本，提高可靠性。

 

作者簡介：

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

參考文獻：

    [1] 周淵深. 交直流調速系統(tǒng)與MATLAB 仿真[M].北京:中國電力出版社，2004.3.
[2] 陳伯時等.電氣傳動系統(tǒng)的智能控制[J].電氣傳動，1997，27（1）.
[3] 馬瑞卿等.單相電容電機諧波抑制PWM 調速[J]. 微電
機，1995.
[4] Micro-controller（8-bit）. Fujitsu Semiconduc Tor Data
Book[Z]. 2001.

 

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