變頻專用芯片SM2001的離心機(jī)變頻控制器設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)一種通過STC系列單片機(jī)來控制變頻專用芯片SM2001，最終輸出目標(biāo)頻率及電壓的變頻調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)在變頻調(diào)速的基礎(chǔ)上對(duì)控制曲線進(jìn)行優(yōu)化，最終獲得較大的輸出轉(zhuǎn)矩以及穩(wěn)定的調(diào)速性能。
關(guān)鍵詞：SM2001；變頻器；離心機(jī)

引言
    離心機(jī)是一種借助高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大離心力來分離或提純某種物質(zhì)的設(shè)備。離心機(jī)按照其應(yīng)用規(guī)?？梢苑譃橐韵聝深悾阂活愑糜诨?、醫(yī)藥類等主要應(yīng)用領(lǐng)域，稱為通用離心機(jī)；另一類應(yīng)用領(lǐng)域較為特別、范圍較窄，稱為特種離心機(jī)，如氣體離心機(jī)、航空航天離心機(jī)、精密離心機(jī)和土工離心機(jī)等。目前，主要是以通用離心機(jī)為研究對(duì)象。
    離心機(jī)可以采用各種電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，隨著電機(jī)的控制技術(shù)的發(fā)展，離心機(jī)也相應(yīng)地采用不同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。直流調(diào)速在20世紀(jì)90年代以前占據(jù)著非常重要的地位，其主要特點(diǎn)是具有良好的起制動(dòng)、調(diào)速范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、理論和實(shí)踐都比較成熟等。但機(jī)械整流子換向是其致命的弱點(diǎn)。到了90年代，國內(nèi)外離心機(jī)普遍采用變頻調(diào)速技術(shù)，主要通過改變感應(yīng)電機(jī)的供電頻率調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。由于感應(yīng)電機(jī)無需機(jī)械整流子，不僅免去更換碳刷的麻煩，而且提高了電機(jī)轉(zhuǎn)速，也能直接驅(qū)動(dòng)，大大簡化了離心機(jī)的結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性。因此，本項(xiàng)目采用感應(yīng)電機(jī)作離心機(jī)的動(dòng)力。

1 硬件設(shè)計(jì)
    綜合考慮成本、產(chǎn)品化以及使用的因素，本變頻器的核心控制器采用Silicon Labs公司的混合信號(hào)控制器C8051F410。同時(shí)，變頻器還包含有一塊獨(dú)立的鍵盤顯示控制面板和一塊集變頻器主電路和變頻核心控制電路于一體的變頻控制面板。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1．1 核心控制器及控制電路
1．1．1 核心控制器
    核心控制器C8051F410一方面通過串口與控制面板連接，接收并處理相應(yīng)的命令；另一方面通過模擬三線同步串行口與控制芯片SM2001連接，根據(jù)控制面板所需要的相關(guān)頻率設(shè)置SM2001的參數(shù)。本項(xiàng)目中，在串口電路中增加了光耦隔離。這樣有利于高低壓的分離、干擾的消除以及元器件安全性的提高。
    C8051F410特點(diǎn)如下：
    ◆高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核 (50MIPS)，70％的指令為一個(gè)或者兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)間周期；
    ◆時(shí)鐘源內(nèi)部振蕩器為24．5MHz，±2％精度，時(shí)鐘乘法器可達(dá)98MHz；
    ◆可編程計(jì)數(shù)器陣列(PCA)，可配置為頻率輸出模式。
1．1．2 控制電路
    SM2001特點(diǎn)說明：
    ◆全數(shù)字化設(shè)計(jì)，可產(chǎn)生用于交流電機(jī)控制的高效準(zhǔn)正弦波；
    ◆自動(dòng)產(chǎn)生三相PWM調(diào)制波形，范圍為0～200Hz，步進(jìn)頻率為最大頻率的1／255；
    ◆可選擇死去時(shí)間和窄脈沖時(shí)間；
    ◆三相輸出的電平為負(fù)脈沖有效。
    SM2001在變頻器中的使用非常方便，其輸出頻率的計(jì)算公式為：
    f正弦=fclk×PFR／(512×192×256)
    式中，中f正弦為要求輸出的正弦波的頻率，fclk為時(shí)鐘源輸入，PFR為內(nèi)部的參數(shù)設(shè)定值。從式中可以看出f正弦與兩個(gè)參數(shù)有關(guān)，只要合理地選擇好相應(yīng)的fclk時(shí)鐘源以及PFR設(shè)定值，就可以正確設(shè)定輸出頻率。當(dāng)然，fclk時(shí)鐘源越大，可以輸出的正弦波頻率也就越高，隨之而來也就會(huì)導(dǎo)致正弦波步進(jìn)頻率增大，精度降低。所以為了盡可能地保證精度，往往會(huì)采用盡可能小的時(shí)鐘源。
    SM2001的另一個(gè)重要參數(shù)是其電壓輸出設(shè)置，其輸出關(guān)系為：
    Asin=(AMPR／255)×100％
    式中，Asin為控制輸出的PWM合成的正弦波的電壓幅度，AMPR為需要設(shè)置的參數(shù)。在這里要注意的是，Asin為幅度而并非幅值，它與后級(jí)功率電路的直流電壓有關(guān)。加入后級(jí)功率電路的直流電壓為300V，AMPR=128，則輸出正弦波的峰值電壓為150V，電壓的有效值為106V。
    在使用SM2001的過程中要合理設(shè)置電壓值，當(dāng)采用恒壓頻比調(diào)速時(shí)電壓與頻率成比例關(guān)系。若電壓過小，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)地變小，這樣會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速上不去從而使電機(jī)的電流變大，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)綦姍C(jī)。若設(shè)置的電壓比較大，則直接導(dǎo)致電樞電流較大，從而導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重。所以電壓值的選取應(yīng)與頻率成一定的比例關(guān)系。
    SM2001還有一些重要的參數(shù)，如開關(guān)頻率、窄脈沖時(shí)間以及死區(qū)時(shí)間。開關(guān)頻率與窄脈沖時(shí)間公用一個(gè)寄存器PFDR，開關(guān)頻率的選擇由字節(jié)的高兩位決定其分頻系數(shù)N。當(dāng)一個(gè)開關(guān)動(dòng)作時(shí)間小于設(shè)定的窄脈沖時(shí)間，則SM2001自動(dòng)刪除這個(gè)開關(guān)動(dòng)作。這兩個(gè)值共同設(shè)定開關(guān)動(dòng)作頻率。若開關(guān)頻率過低，在低頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)可以明顯地感覺到電機(jī)抖動(dòng)嚴(yán)重；而在高頻時(shí)，如果開關(guān)頻率過高將會(huì)導(dǎo)致電機(jī)噪聲嚴(yán)重。
    死區(qū)時(shí)間則對(duì)于功率輸出器件尤其重要。如若設(shè)置不當(dāng)則可能直接燒毀功率電路或諧波失真。由于很多資料都有介紹死區(qū)時(shí)間的設(shè)置，這里就不再重復(fù)。
    當(dāng)設(shè)置完以上所有參數(shù)后，SM2001還不能工作，因?yàn)镾M2001設(shè)置了多重保護(hù)，以防止系統(tǒng)未初始化而輸出錯(cuò)誤的波形。在初始化以后，只有收到開啟命令之后，才會(huì)有波形輸出。另外，還有一個(gè)OE端口鎖定。當(dāng)OE為低時(shí)系統(tǒng)輸出鎖定，恢復(fù)為高時(shí)輸出波形。因此，在使用SM2001時(shí)須嚴(yán)格按照圖2所示的流程對(duì)SM2001進(jìn)行設(shè)置，否則不能正確輸出理想的波形。

    在使用SM2001實(shí)現(xiàn)調(diào)速過程時(shí)，為了提高轉(zhuǎn)速精度，應(yīng)使用盡可能小的時(shí)鐘源。實(shí)際使用的過程中，采用每240轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)0．4 MHz的時(shí)鐘源。也就是說，轉(zhuǎn)速每增加240 r／min，時(shí)鐘源增加0．4MHz。由于單片機(jī)的PCA頻率輸出控制參數(shù)只能是整數(shù)，因此會(huì)導(dǎo)致精度丟失。隨之而來也會(huì)帶來一個(gè)問題，當(dāng)在240r／min的整數(shù)倍時(shí)，調(diào)速過程中需要同時(shí)改變兩個(gè)參數(shù)才能得到需要的頻率，否則就會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的抖動(dòng)。
    舉例說明：轉(zhuǎn)速從4 790 r／min上升到4 800 r／min，當(dāng)小于4 800 r／min時(shí)實(shí)際時(shí)鐘源頻率為8 MHz，PFR為237；而達(dá)到4 800 r／min時(shí)，實(shí)際時(shí)鐘源頻率為12 MHz，PFR應(yīng)為16。在轉(zhuǎn)速變化到4 800r／min的過程中，時(shí)鐘源先發(fā)生變化，SM2001的實(shí)際輸出頻率為118．5Hz。轉(zhuǎn)速突變到7 110 r／min，當(dāng)PFR設(shè)置為16時(shí)轉(zhuǎn)速再次回到正常的4 800 r／min。這樣一個(gè)轉(zhuǎn)速的突變直接導(dǎo)致電機(jī)發(fā)生劇烈抖動(dòng)，在這種情況下要采取過渡處理。
1．2 鍵盤以及顯示驅(qū)動(dòng)
    功能簡介：本控制面板需要能進(jìn)行速度及時(shí)間的設(shè)定，保存上一次設(shè)定的速度值，且能對(duì)離心機(jī)運(yùn)行進(jìn)行倒計(jì)時(shí)功能。
    考慮到鍵盤以及顯示的面板與其他控制器的通用性及量產(chǎn)問題，本變頻控制器控制面板的處理芯片采用Silicon Labs公司的STC11F04e，按鍵、顯示芯片采用南京沁恒的CH452A。

2 控制策略
    假定加在三相電機(jī)上的電壓是正弦波，并忽略定子上的電壓降，則在穩(wěn)定的條件下有以下關(guān)系：
     E1=4．44f1·N1·Kw1·φm
    其中，E1和φm為定子電壓矢量，f1為定子頻率，N1為短距元件匝數(shù)，Kw1為短距系數(shù)，φm為定子磁通量。由以上關(guān)系可以得到：
   
    令F=E1／f1，由此在基頻以下只要在頻率變化過程中保持F為定值，則定子磁通量φm也保持不變，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電流頻率無關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中常常是使比值F能使磁通量和電磁轉(zhuǎn)矩都保持在額定值。但是，在低電壓條件下，為了補(bǔ)償定子壓降，必須使U／f比值適當(dāng)變大。
所以，最后的U-f關(guān)系如圖3所示。

    異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩關(guān)系如下：
   
    式中，Ω1為轉(zhuǎn)子角速度，PM為總機(jī)械功率，r2’為轉(zhuǎn)子電阻，I2’為轉(zhuǎn)子電流，s為轉(zhuǎn)差率，p為極對(duì)數(shù)。由此可得：
   
    式中，L12’為轉(zhuǎn)子每相漏電感的折算值，L12’=x2’／2πf1。
    除了sf1以外其他各量都是常數(shù)，s是在不同頻率下由負(fù)載轉(zhuǎn)矩T下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速降，因此s與f1無關(guān)，僅與負(fù)載有關(guān)。
    在基頻以上(f1>50 Hz)，如果要保持φm恒定，需要將電壓設(shè)定為高于額定電壓的值，這在電機(jī)中是不允許的。因此，在基頻以上采取保持電壓為額定電壓值不變，只改變頻率的方式調(diào)速。

3 軟件設(shè)計(jì)
    變頻控制器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的變頻控制，從而實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。根據(jù)離心機(jī)生產(chǎn)廠家提供的相關(guān)指標(biāo)(啟動(dòng)時(shí)間、最高轉(zhuǎn)速、運(yùn)行時(shí)間、緊急停車等)要求，本變頻器可以實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定速度且無超調(diào)。其功能還包括計(jì)時(shí)停止、過流自動(dòng)保護(hù)等保護(hù)措施。過流自動(dòng)保護(hù)通過采用外部中斷觸發(fā)重啟單片機(jī)，從而對(duì)SM2001進(jìn)行復(fù)位來實(shí)現(xiàn)。變頻器總流程如圖4所示。

結(jié)語
    本文通過對(duì)控制算法進(jìn)行優(yōu)化，使變頻調(diào)速系統(tǒng)具有響應(yīng)快、轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)。同時(shí)，該系統(tǒng)還具有過流保護(hù)、緊急停車等安全措施，以及離心倒計(jì)時(shí)等人性化功能。加上其成本較低的優(yōu)勢，相信隨著市場進(jìn)一步的發(fā)展，變頻控制器在離心機(jī)的應(yīng)用將會(huì)日趨廣泛。