基于8098單片機(jī)的SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)研究

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為開關(guān)器件的變頻調(diào)速系統(tǒng)。通過軟件編程，產(chǎn)生正弦脈沖寬度調(diào)制波形來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)的研究和開發(fā)引起各國學(xué)者的高度重視，并得到越來越深入的研究。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)通過軟件生成。如何計(jì)算SPWM的開關(guān)點(diǎn)，是SPWM信號生成的一個(gè)難點(diǎn)，也是當(dāng)前人們研究的一個(gè)熱門課題。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)生器和比較器來實(shí)現(xiàn)；改成數(shù)字控制后，開始時(shí)只是把同樣的方法數(shù)字化，稱作“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)用的是簡化后的“規(guī)則采樣法”。文中采用8098單片機(jī)通過“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)動電路采用高速型EXB850驅(qū)動模塊?？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／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信號的產(chǎn)生
    SPWM控制信號的作用是當(dāng)一對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HSO．0、HSO．1、HSO．2分別寫入兩條命令并送入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)過基極驅(qū)動控制IPM的6個(gè)開關(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測速、轉(zhuǎn)差及頻率運(yùn)算、鍵盤顯示等子程序。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，其他程序框圖請讀者查閱相關(guān)的參考書籍。

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5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    由8098單片機(jī)產(chǎn)生的SPWM波形可以通過實(shí)驗(yàn)由示波器測出。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)動電路、檢測電路、鍵盤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為測得的實(shí)驗(yàn)波形。在電機(jī)輸出頻率為50 Hz時(shí)，測得的U相電壓波形如圖(a)所示，在頻率為100 Hz和150 Hz時(shí)測得的負(fù)載電流波形如圖(b)、(c)所示。由圖5可見，通過對三相異步電動機(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)頻率的過程中，負(fù)載電流諧波、電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲均很少，系統(tǒng)工作較穩(wěn)定。

6 結(jié)束語
    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機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)相似的靜、動態(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，直流拖動是不可能的，采用晶閘管交流調(diào)速振動和噪聲大，故障多，無法保證正常生產(chǎn)。采用文中系統(tǒng)拖動轉(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)。