基于SOC单片机的FFU风机变频调速控制器

汪义旺，宋 佳，张 波

(苏州市职业大学 电子信息工程学院，江苏 苏州 215104)

风机过滤器单元(fan filter unit，FFU)由风机、过滤器、机壳和电器控制元件等部件组成[1-2].作为FFU风机的关键部件之一的动力电机，采用单相交流电机、三相交流电机和直流电机.三相交流电机额定功率相对FFU应用功率偏大，国内很少在FFU上使用；直流电机由于成本高，也较少采用. 目前，FFU风机大多采用单相交流电机，其调速控制主要为多挡或可控硅无级调速控制，多挡控制速度调节范围有限，可控硅无级调速控制会存在电机工作效率不高、噪音大、电流波形失真严重等问题.为了满足FFU风机控制领域的实际工程需求，本文提出了一种基于SOC单片机的FFU风机变频调速控制器的设计方案，采用SOC型单片机C8051F310作为主控制核心，利用数字化闭环控制技术，实现FFU风机的变频调速控制.

1 控制器工作原理及SOC芯片介绍

1.1 控制器工作原理

对于采用单相交流电机的FFU系统，主要是实现对单相交流电机的速度调节控制，从而改变风机的送风量，达到对FFU的调节控制.单相交流电机常采用电容运转式结构，通过改变输入交流工作电源的频率和幅值，改变转速.控制器的工作原理框图如图1所示.

本设计采用速度闭环的控制策略，将实际反馈的转速与给定的速度进行比较作为控制参考信号，经控制器控制算法后发出控制信号，控制桥式逆变电路的工作，达到改变输出交流频率和幅值，从而实现对风机的变频调速控制.

1.2 SOC控制芯片

片上系统技术 (system on chip，SOC)是一种高度集成化、固件化的系统集成技术[3].本设计采用的C8051F310器件是完全集成的混合信号SOC型MCU芯片，其主要特性包括：采用高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核；全速、非侵入式的在系统调试接口(片内)带模拟多路器、真正10位的单端/差分ADC；硬件实现的SMBus/ I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口；具有5个捕捉/比较模块、看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列(PCA)和29个端口I/O等，可很好地满足FFU风机变频调速控制器的设计要求.

图1 工作原理框图

2 控制器硬件设计

图2 控制器系统结构

基于SOC单片机的FFU风机变频调速控制器，主要包括主电路和控制电路部分，其总体结构如图2所示.主电路部分为单相220 V/50 Hz交流电经不控整流环节后变成稳定直流，直流经单相全桥逆变变成电压和频率可调的交流电，控制FFU风机.控制电路以SOC型单片机C8051F310为控制核心，主要包括输出采样、人机接口、外部时钟、通信电路等部分.

2.1 主电路设计

主电路原理图如图3所示，采用AC/DC-DC/AC的主电路结构，AC/DC为由整流二极管VD1—VD4组成的单相桥式不控整流电路，将交流电整流为直流输出，不控整流选用整流桥模块D10XB80.DC/AC逆变由IGBT功率器件VT1—VT4组成的单相桥式逆变电路，在控制信号的控制下将直流逆变成电压和频率可调的交流输出，给FFU风机供电，逆变器件选用SKP06N60快速IGBT组成.

图3 主申路原理图

2.2 控制电路设计

控制电路以C8051F310芯片为核心，主要包括数据采集处理电路、外部时钟电路、人机接口电路和通信电路等.C8051F310提供增强的定时器功能中的捕捉/比较模块工作于16位PWM方式下，通过CEX0—CEX3输出4路SPWM控制驱动信号，并经光耦隔离和功率驱动电路后驱动控制逆变器的开关器件VT1—VT4.控制器还设置有负载短路、过流和堵转等保护监测电路，输出采样电路检测到输出超过设定值时，程序立即进行故障保护处理，关闭驱动信号，保护开关器件和FFU风机等部件设备.主芯片控制电路原理图如图4所示.单片输出的SPWM信号经光耦6N137信号隔离后输出到驱动芯片IR2103后驱动控制全桥IGBT功率器件，驱动电路如图5所示[4].时钟电路采用PCF8563芯片组成，通过I2C总线与C8051F310进行连接；通信电路采用SP3485芯片组成，与C8051F310的UART接口进行串口数据通信；人机接口电路包括2位数码管显示电路和4个按键输入电路.

3 控制器软件设计

控制器软件利用C语言进行编写开发.整个软件采用模块化的设计方法，主要分为主程序模块、初始化模块、数据采集处理、人机接口处理(读按键/显示数据更新输出)、通信模块、RTC时钟读取、调速控制模块和故障处理模块等，软件模块组成如图6所示.主程序模块是控制器程序的调度执行部分，包括系统初始化、寄存器配置、子模块调用等功能；调速控制模块是主要功能模块，根据速度反馈和输入参考值，采用实时查表法输出SPWM控制信号，完成对FFU电机的变压变频调速；通信模块主要完成与集控计算机的485通信，主要包括数据接收、数据处理、数据发送等；人机接口处理主要包括按键数据的读取和显示信息的更新等.

图6 软件组成结构图

4 测试结果

设计制作了基于SOC单片机的FFU风机变频调速控制器样机，并进行测试试验.试验用FFU风机参数为工作电压AC 220 V/50 Hz，额定功率150 W，额定转速1 300 r/min.对风机在不同设定转速下进行工作运行测试，记录测试转速响应波形如图7所示.可以看出，电机有转速响应时间快、转差小等良好的转速跟踪和转速恒定性能.并通过大量的测试试验表明，控制器控制效果良好，实际的调速控制精度高，达到了设计指标和工程实际的参数要求.从控制器的长期工程试验运行效果看，控制器工作稳定，可控性好，风机运行平稳.

图7 转速响应波形

5 结论

本文提出了一种应用SOC型C8051F310单片机的新型FFU风机变频调速控制器，对控制器的硬件和软件进行了设计开发，最后通过试验进行了验证测试，结果表明，该控制器运行稳定、调速精准可靠，实现了对FFU风机的闭环变频调度控制的目的，达到了预期设计要求，这为高性能的FFU控制系统的开发提供了一种参考和借鉴，适合推广应用.

[1]于齐东. FFU系统在某洁净工程黄光区的应用分析[J]. 建筑热能通风空调，2011，30(4)： 90-92.

[2]覃建军. 浅析FFU在电子洁净室的应用[J]. 印制电路信息，2009 (6)：61-64.

[3]程抒一，施光林.基于SOC单片机C8051F022的直流电机伺服系统[J]. 传感技术学报，2005，18(1)：146-149.

[4]汪义旺. 基于R5F212K4单片机的单相交流FFU控制器的设计[J]. 电机技术，2009(6)：32-34.