基于8098單片機(jī)的SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)研究
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摘要:數(shù)字控制的交流調(diào)速系統(tǒng)所選用的微處理器、功率器件及產(chǎn)生PWM波的方法是影響交流調(diào)速系統(tǒng)性能好壞的直接因素。在介紹了正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種以8098單片機(jī)作為控制器,以智能功率模塊IPM為開(kāi)關(guān)器件的變頻調(diào)速系統(tǒng)。通過(guò)軟件編程,產(chǎn)生正弦脈沖寬度調(diào)制波形來(lái)控制絕緣柵雙極晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷,從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)可調(diào)頻率調(diào)電壓,穩(wěn)定度高,調(diào)速范圍寬,具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞:變頻調(diào)速系統(tǒng);8098單片機(jī);正弦脈寬調(diào)制;IPM
目前,高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)引起各國(guó)學(xué)者的高度重視,并得到越來(lái)越深入的研究。而所選用微處理器、功率器件及產(chǎn)生PWM波的方法是影響交流調(diào)整系統(tǒng)性能好壞的直接因素。筆者研究了一種以8098單片機(jī)為控制器、以智能功率模塊IPM為開(kāi)關(guān)器件的變頻調(diào)速系統(tǒng),此控制系統(tǒng)硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高,制作成本低,且不受器件溫度漂移的影響:其控制軟件能夠進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算,可以實(shí)現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律,而且更改起來(lái)靈活方便。
1 正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)
1.1 SPWM控制技術(shù)原理
由于PWM變換器具有功率因數(shù)高、可同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓及抵制諧波的特點(diǎn),因此在交流傳動(dòng)及其他能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。最常用的PWM技術(shù)為正弦波脈寬調(diào)制技術(shù),即SPWM控制技術(shù)。
SPWM控制技術(shù)原理如圖1所示。以正弦波作為逆變器輸出的期望波形,以頻率比期望波高得多的三角波作為載波,并用頻率和期望相同的正弦波作為調(diào)制波,當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí),由它們的交點(diǎn)確定逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻,從而獲得在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。按照波形面積相等的原則,每一個(gè)矩形波的面積與相應(yīng)位置的正弦波面積相等,因而這個(gè)序列的矩形波與期望的正弦波等效。
采用SPWM控制技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)是:由于電動(dòng)機(jī)的繞組具有電感性,因此,盡管電壓是由一系列的脈沖構(gòu)成的,但通入電動(dòng)機(jī)的電流卻十分逼近正弦波。
1.2 SPWM波的實(shí)現(xiàn)方法
SPWM波可通過(guò)模擬電路、數(shù)字電路或?qū)S眉尚酒扔布娐穼?shí)現(xiàn),也可用微型計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件生成。如何計(jì)算SPWM的開(kāi)關(guān)點(diǎn),是SPWM信號(hào)生成的一個(gè)難點(diǎn),也是當(dāng)前人們研究的一個(gè)熱門(mén)課題。生成SPWM波的方法有多種,但其目標(biāo)只有一個(gè),盡量減少逆變器的輸出諧波分量和計(jì)算機(jī)的工作量,使計(jì)算機(jī)能更好地完成實(shí)時(shí)控制任務(wù)。在模擬電子電路中,SPWM波的實(shí)現(xiàn)方法采用正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器和比較器來(lái)實(shí)現(xiàn);改成數(shù)字控制后,開(kāi)始時(shí)只是把同樣的方法數(shù)字化,稱(chēng)作“自然采樣法”。自然采樣法的運(yùn)算比較復(fù)雜,在工程上更實(shí)用的是簡(jiǎn)化后的“規(guī)則采樣法”。文中采用8098單片機(jī)通過(guò)“等面積法”實(shí)現(xiàn)SPWM波的生成。
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2 SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)組成
2.1 系統(tǒng)總體組成框圖
為了使變頻調(diào)速系統(tǒng)獲得較為理想的靜、動(dòng)態(tài)特性,同時(shí),系統(tǒng)的組成又不至于太復(fù)雜,采用轉(zhuǎn)差頻率控制方式,如圖2所示。
系統(tǒng)由主電路和控制電路組成。主電路智能功率模塊IPM采用6只絕緣柵雙極晶體管IGBT VT1~VT6構(gòu)成。絕緣柵雙極晶體管屬于第二代自關(guān)斷器件,它綜合了MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn),由它構(gòu)成的功率變換器線路簡(jiǎn)單,控制方便,輸出電壓紋波小,是當(dāng)前最有應(yīng)用前景電力電子器件。驅(qū)動(dòng)電路采用高速型EXB850驅(qū)動(dòng)模塊??刂齐娐酚?098單片機(jī)實(shí)現(xiàn)SPWM波的生成,M/T高精度測(cè)速及閉環(huán)控制。
2.2 8098控制系統(tǒng)組成
8098單片機(jī)具有豐富的硬件資源,除具備一般單片機(jī)具有的中斷系統(tǒng)、定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行及并行輸入/輸出接口外,還包含有高速輸入/輸出口HIS/HSO,軟件定時(shí)器,片內(nèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換A/D及D/A等;具有較強(qiáng)的軟件處理能力及較高的運(yùn)算處理速度,很適合作為高性能交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的SPWM生成與輸出、調(diào)節(jié)器運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理用的核心器件使用。實(shí)現(xiàn)SPWM變頻調(diào)速的8098控制系統(tǒng)的硬件電路如圖3所示。
控制系統(tǒng)由8098單片機(jī)、地址鎖存器74LS373、外部8KEPROM2764、用于擴(kuò)展輸入/輸出接口芯片8279、鍵盤(pán)和顯示器、地址譯碼器74LS1 38和SPWM波的反相及延時(shí)電路等組成。其中8098的最小系統(tǒng)完成SPWM的生成、M/T測(cè)速及閉環(huán)控制,并在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上利用8279擴(kuò)展了鍵盤(pán)/顯示電路,完成命令/數(shù)字鍵的輸入及有關(guān)數(shù)據(jù)的輸出顯示。
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3 SPWM信號(hào)的產(chǎn)生
SPWM控制信號(hào)的作用是當(dāng)一對(duì)橋臂上的某一管處于導(dǎo)通極性時(shí),可使其按正弦規(guī)律通斷,達(dá)到電動(dòng)機(jī)電流接近正弦波的目的。
根據(jù)等面積法知道,所需U相的SPWM波第i個(gè)脈沖的脈寬時(shí)間:
由于U相的SPWM波的正負(fù)半周均由HS0.0得到,為了得到U相的負(fù)半波,把對(duì)應(yīng)于ta1、ta2、ta3的命令(低或高電平)取反后輸出。由U、V、W三相相位關(guān)系可得出V相、W相的SPWM波第i個(gè)脈沖的脈寬時(shí)間tv2、tw2及間隙時(shí)間tv1、tv3、tw1、tw3。其具體實(shí)現(xiàn)方法是:可事先將余弦值作表存在程序儲(chǔ)存器2764中,每當(dāng)采樣周期Tc時(shí)間到,計(jì)算θi并根據(jù)θi值查表得cosθi,將其與上一次Tc周期的θi-1進(jìn)行運(yùn)算即可求出三相脈沖的脈寬時(shí)間和間隙時(shí)間,對(duì)HSO.0、HSO.1、HSO.2分別寫(xiě)入兩條命令并送入HSO的CAM中,CAM根據(jù)送入的時(shí)間值和命令自動(dòng)定時(shí)控制HSO.0~HSO.2的輸出,這樣在逆變器的輸出端得到相位互差120°的SPWM的脈沖序列。此脈沖序列經(jīng)過(guò)基極驅(qū)動(dòng)控制IPM的6個(gè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷。
4 軟件框圖設(shè)計(jì)
8098微機(jī)控制的SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件程序包括主程序和M/T測(cè)速、轉(zhuǎn)差及頻率運(yùn)算、鍵盤(pán)顯示等子程序。文中主要設(shè)計(jì)了主程序和SPWM波生成的中斷服務(wù)程序框圖,如圖4所示,其他程序框圖請(qǐng)讀者查閱相關(guān)的參考書(shū)籍。
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5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
由8098單片機(jī)產(chǎn)生的SPWM波形可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)由示波器測(cè)出。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由交-直-交變頻器主回路及8098微機(jī)控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路、鍵盤(pán)控制及顯示電路和各種保護(hù)電路等控制電路組成,其中主回路中的功率模塊IPM采用IGBT,輸出電壓600 V,工作頻率為20 kHz。如圖5為測(cè)得的實(shí)驗(yàn)波形。在電機(jī)輸出頻率為50 Hz時(shí),測(cè)得的U相電壓波形如圖(a)所示,在頻率為100 Hz和150 Hz時(shí)測(cè)得的負(fù)載電流波形如圖(b)、(c)所示。由圖5可見(jiàn),通過(guò)對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),本系統(tǒng)可以很好地實(shí)現(xiàn)一定頻率范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),其精度可達(dá)1 r/min。調(diào)頻率的過(guò)程中,負(fù)載電流諧波、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲均很少,系統(tǒng)工作較穩(wěn)定。
6 結(jié)束語(yǔ)
文中采用8098作為主控器設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)差頻率交流調(diào)速控制系統(tǒng)理論上可以獲得與直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)相似的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速性能。此種系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于如鋼鐵冶金、石油化工、供水等行業(yè)的中小容量交流調(diào)速系統(tǒng)中,如有色冶金行業(yè)的轉(zhuǎn)爐旋轉(zhuǎn)控制,要求電動(dòng)機(jī)固定在爐體上,并隨爐體一起傾斜,不同爐期要求有不同的轉(zhuǎn)速,在這種高溫、近火的環(huán)境下,直流拖動(dòng)是不可能的,采用晶閘管交流調(diào)速振動(dòng)和噪聲大,故障多,無(wú)法保證正常生產(chǎn)。采用文中系統(tǒng)拖動(dòng)轉(zhuǎn)爐,實(shí)現(xiàn)了調(diào)速系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)要求,同時(shí),系統(tǒng)具有故障率低,操作方便等特點(diǎn)。