基于单片机控制的交流异步电动机变频调速装置设计

龚文杨+朱细敏

摘要： 为了使三相交流异步电动机的无极调速达到工作可靠、降低成本的目的，文章以所研究的恒压自动供水系统为例提出了应用MCS-51单片机控制专用集成电路芯片SA4828产生SPWM波的原理，并进行了单片机控制电机变频调速装置实现电机无极调速的硬件设计与软件设计，通过实验与实践，该方案切实可行，为实现单片机控制交流电动机无极调速提供了很好的实施方案。

Abstract： In order to ensure the reliable operation and reduce the cost of stepless speed regulation of three-phase AC induction motor， by taking the automatic constant pressure water supply system as an example， the article presents the principle of generating SPWM wave of IC chip SA4828 controlled by MCS-51 single-chip， and designs the hardware and software of stepless speed regulation of motor frequency control device controlled by single-chip. Through experiment and practice， the program is feasible and provides a good implementation solution for achieving stepless speed regulation of AC motor controlled by single-chip.

关键词： 单片机；SPWM波；变频调速；电动机

Key words： single-chip；SPWM wave；frequency control；motor

中图分类号：TM343 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）25-0032-02

0 引言

三相交流异步电动机在机械、泵类、传送带、空调和鼓风机等设备中应用非常广泛，为了使设备运行稳定，要解决的一个突出问题是进行无极调速，特别是在自动控制系统中，电机调速问题表现得更为突出。因此，研究和解决电动机的无极调速装置技术是电类和自动控制的专业技术人员必须引起高度重视的重要技术课题。计算机的应用特别是单片微型计算机应用技术的推广使用以及高稳定度高可靠性的电力电子器件的发展，电机的调速问题相应得到了很好的解决，在电机调速装置中普遍推广“变频变压法”即“VVVF”法，应用单片机控制专用集成电路芯片和电力电子器件组成的电机变频调速装置实现电机无极调速可以降低成本、提高系统工作稳定性。笔者通过探索与实践，利用MCS-51单片机对三相交流异步电动变频调速装置进行控制可以达到调速要求。

1 单片机在电机变频调速装置中的工作原理

1.1 电机调速的工作原理 根据电机学理论，三相交流异步电机转速可以用下式表示：n=■（1-s），从公式可知，只要改变磁极对数p，电源频率f和转差率s便可以调节转速n。但是p和s在电机结构上做很大改变很不方便，应用范围小，最理想的办法是调节交流电源频率f，这就是所谓的变频调速，通过改变f的大小，调节转速n具有高效率、宽范围、高精度的性能，故变频调速是交流异步电动机的一种非常合理又理想的调速方法。但在电机在转动过程中，产生反电动势，因此，若仅仅改变电源频率调节转速将严重影响电机的机械特性，为了保证调节频率达到调节转速的目的，根据电机机械特性可知还必须调节电源电压U，因此，若频率从一个频率f调到另外一个频率fx，则电压U也要调到Ux，而且必须满足：■=■，由此可知，电机调速时，调频的同时必须调压，这就是“变频变压法”。如何实现变频的同时又变压呢？我们首先想到的是PWM脉冲波，其波形如图1所示。

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图1 PWM脉冲波

图中t1为脉宽，t2为脉冲之间间隔时间，T2为脉冲周期，若调节脉冲占空比a=■则可调节输出的平均电压，若调节脉冲周期T2则可调节频率，可在变频的同时实现变压。

但是这种脉冲波中含有很多谐波成份，不是正弦波，不能作为电机的交流电源进行调速。因此我们必须把这些脉冲矩形波变成渐变的脉冲波，其变化符合正弦变化规律，称这种脉冲波为正弦脉宽调制波即SPWM波。

1.2 产生SPWM波的过程 由上述分析可知，如果要实现电机变频调速，首先必须产生SPWM波。根据电子技术理论，产生SPWM波的方法是：用一组等腰三角形与一个正弦波进行比较，由两波交点的时刻所形成的波可以得到SPWM波，波形形成过程如图2所示。SPWM调制波是等幅而不等宽的脉冲列，其调制的基本特点是在正弦波半个周期内，两边的脉冲窄，两边的脉冲宽，各个脉冲之间等距。

图中等腰三角形为载波，正弦波为调制波，正弦波的幅值和频率可控可调，从而电机的转速可控可调。

1.3 应用单片机产生SPWM波 等腰三角形载波频率、正弦调制波的频率与幅值是决定SPWM波的三个基本参数，电机就是靠这些参数实现调速。由于这些参数的变化计算量很大，变化速度也非常快，以往都是采用分立元件构成SPWM波发生器，这种电路结构复杂，调试困难，无法完成达到预期效果。

单片机技术具有很强的计算功能和速度，但是由于等腰三角波与正弦波比较时表格坐标的制定和计算工作量大，仅有单片机产生SPWM波速度较慢，不够理想。近年来，数字化专用SPWM集成芯片的应用越来越广泛，功能越来越强大，如SA868、SA4828、HEF4752等各种型号的SPWM波形集成发生器芯片。其中，SA4828与单片机连接方便，可产生相位互差120°的SPWM波形，电路结构简单，软件控制也很方便，所以在设计变频调速装置中选择SA4828产生SPWM波是最理想的方案。endprint

1.4 SA4828芯片简介 SA4828芯片是英国MITEL公司生产制造的高精度三相可编程SPWM集成电路芯片，调制波形频率采有16为精度、变频调速、分辨率可以达到0.05转/分。相输出波形的幅值可单独控制，可接三相不平衡负载，实现三相闭环控制。该芯片可以与各种类型的单片机控制器连接，并采用了抑制谐波技术，选择这种芯片作SPWM波形发生器是比较理想的方案。

2 单片机控制电机变频调速装置的方案

单片机控制电机变频调速装置分为开环和闭环控制两种方案。现以恒压自动供水系统为例，其原理框图如图3所示。

■图3 单片机控制电机变频调速原理框图

该系统把工频50HZ的三相电源变为0～400HZ的三相频率可控的交流电源控制水泵电机转速。逆变部分采用IGBT-IBM智能功率模块，该模块具有自动过压过流和短路保护，并自带驱动电路，变频电流检测采用霍尔电流传感器，闭环控制原理是由水压传感器采集水管水压，经ADD7705模数转换器将水压和检测电流转换成数字量输入给单片机系统，由单片机系统控制SA4828与IGBT-IBM调节水泵电机转速，维持水压恒定，实现水压与电机转速的闭环控制。

3 单片机变频调速装置的程序设计

由单片机最小应用系统控制可编程芯片SA4828产生SPWM波，因此程序要对SA4828芯片进行初始化设计，因该芯片可在中断情况下工作，我们在程序设计时采用中断方式的模式。中断方式是采用定时中断，因为频率较低，周期较长，定时器T0初值超过了十六位，还要用到定时器T0的溢出中断，因此本程序要用到两个中断服务程序，程序设计为三个部分。

3.1 主程序 主程序的任务主要是初始化的设计，即对定时器T0和SA4828同时进行有关参数初始化预置，流程图如图4所示。

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图4 主程序设计流程图

3.2 中断服务调速子程序 本变频调速装置是采用闭环控制模式，在设计中断调速服务程序时，分为三个子程序来编制：①AD7705模数转换子程序；②采样值与标准值进行比较，将差值转换成调制频率与电压幅值子程序；③控制程序子程序。程序处理思路：首先将检测采样值经AD7705转换成数字量后存入RAM固定单元，然后用该单元中的值与RAM中固定单元中的标准值进行比较，将得到的差值经处理后转换成调制频率值和电压幅值存入RAM中的某固定单元，通过数据总线AD0-AD7传送给SA4828控制寄存器R0-R2。然后输出SPWM调速波，实现水压与调速的转速的闭环控制。

3.3 通用子程序的设计 在系统程序设计中涉及到了乘法和除法子程序，此两种程序可调用通用子程序，然后根据实用调速子程序中的部分参数进行改编。程序设计时要合理分配RAM中的地址，要注意标准值的预置。

4 结语

电机实行变频调速，可像直流电机那样实行无极调速，这将扩大交流电机的应用范围，降低各类电机应用设备的成产成本，节约能源，像各类电梯原大都是使用昂贵的、体积庞大的直流电机，现改为使用变频调速装置的交流电机，这样比原成本降低了许多，安装维修方便。

基于单片机控制的电机调速装置，提高和扩大了变频调速装置的应用效果和范围。只要我们合理设计硬件控制方案，优化程序，则使单片机控制的变频调速装置得到更普遍更深层次的应用，将变频调速技术更广泛的应用到机电设备和自动化设备中，将会产生更好的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]蔡振江.单片机原理及应用[M].机械工业出版社，2011，8.

[2]王水平.控制与驱动器使用指南及应用电路[M].西安电子科技大学出版社，2009，8.

[3]张燕宾.变频器在恒压供水中的应用[J].实用技术，2010，19.endprint

1.4 SA4828芯片简介 SA4828芯片是英国MITEL公司生产制造的高精度三相可编程SPWM集成电路芯片，调制波形频率采有16为精度、变频调速、分辨率可以达到0.05转/分。相输出波形的幅值可单独控制，可接三相不平衡负载，实现三相闭环控制。该芯片可以与各种类型的单片机控制器连接，并采用了抑制谐波技术，选择这种芯片作SPWM波形发生器是比较理想的方案。

2 单片机控制电机变频调速装置的方案

单片机控制电机变频调速装置分为开环和闭环控制两种方案。现以恒压自动供水系统为例，其原理框图如图3所示。

■图3 单片机控制电机变频调速原理框图

该系统把工频50HZ的三相电源变为0～400HZ的三相频率可控的交流电源控制水泵电机转速。逆变部分采用IGBT-IBM智能功率模块，该模块具有自动过压过流和短路保护，并自带驱动电路，变频电流检测采用霍尔电流传感器，闭环控制原理是由水压传感器采集水管水压，经ADD7705模数转换器将水压和检测电流转换成数字量输入给单片机系统，由单片机系统控制SA4828与IGBT-IBM调节水泵电机转速，维持水压恒定，实现水压与电机转速的闭环控制。

3 单片机变频调速装置的程序设计

由单片机最小应用系统控制可编程芯片SA4828产生SPWM波，因此程序要对SA4828芯片进行初始化设计，因该芯片可在中断情况下工作，我们在程序设计时采用中断方式的模式。中断方式是采用定时中断，因为频率较低，周期较长，定时器T0初值超过了十六位，还要用到定时器T0的溢出中断，因此本程序要用到两个中断服务程序，程序设计为三个部分。

3.1 主程序 主程序的任务主要是初始化的设计，即对定时器T0和SA4828同时进行有关参数初始化预置，流程图如图4所示。

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图4 主程序设计流程图

3.2 中断服务调速子程序 本变频调速装置是采用闭环控制模式，在设计中断调速服务程序时，分为三个子程序来编制：①AD7705模数转换子程序；②采样值与标准值进行比较，将差值转换成调制频率与电压幅值子程序；③控制程序子程序。程序处理思路：首先将检测采样值经AD7705转换成数字量后存入RAM固定单元，然后用该单元中的值与RAM中固定单元中的标准值进行比较，将得到的差值经处理后转换成调制频率值和电压幅值存入RAM中的某固定单元，通过数据总线AD0-AD7传送给SA4828控制寄存器R0-R2。然后输出SPWM调速波，实现水压与调速的转速的闭环控制。

3.3 通用子程序的设计 在系统程序设计中涉及到了乘法和除法子程序，此两种程序可调用通用子程序，然后根据实用调速子程序中的部分参数进行改编。程序设计时要合理分配RAM中的地址，要注意标准值的预置。

4 结语

电机实行变频调速，可像直流电机那样实行无极调速，这将扩大交流电机的应用范围，降低各类电机应用设备的成产成本，节约能源，像各类电梯原大都是使用昂贵的、体积庞大的直流电机，现改为使用变频调速装置的交流电机，这样比原成本降低了许多，安装维修方便。

基于单片机控制的电机调速装置，提高和扩大了变频调速装置的应用效果和范围。只要我们合理设计硬件控制方案，优化程序，则使单片机控制的变频调速装置得到更普遍更深层次的应用，将变频调速技术更广泛的应用到机电设备和自动化设备中，将会产生更好的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]蔡振江.单片机原理及应用[M].机械工业出版社，2011，8.

[2]王水平.控制与驱动器使用指南及应用电路[M].西安电子科技大学出版社，2009，8.

[3]张燕宾.变频器在恒压供水中的应用[J].实用技术，2010，19.endprint

1.4 SA4828芯片简介 SA4828芯片是英国MITEL公司生产制造的高精度三相可编程SPWM集成电路芯片，调制波形频率采有16为精度、变频调速、分辨率可以达到0.05转/分。相输出波形的幅值可单独控制，可接三相不平衡负载，实现三相闭环控制。该芯片可以与各种类型的单片机控制器连接，并采用了抑制谐波技术，选择这种芯片作SPWM波形发生器是比较理想的方案。

2 单片机控制电机变频调速装置的方案

单片机控制电机变频调速装置分为开环和闭环控制两种方案。现以恒压自动供水系统为例，其原理框图如图3所示。

■图3 单片机控制电机变频调速原理框图

该系统把工频50HZ的三相电源变为0～400HZ的三相频率可控的交流电源控制水泵电机转速。逆变部分采用IGBT-IBM智能功率模块，该模块具有自动过压过流和短路保护，并自带驱动电路，变频电流检测采用霍尔电流传感器，闭环控制原理是由水压传感器采集水管水压，经ADD7705模数转换器将水压和检测电流转换成数字量输入给单片机系统，由单片机系统控制SA4828与IGBT-IBM调节水泵电机转速，维持水压恒定，实现水压与电机转速的闭环控制。

3 单片机变频调速装置的程序设计

由单片机最小应用系统控制可编程芯片SA4828产生SPWM波，因此程序要对SA4828芯片进行初始化设计，因该芯片可在中断情况下工作，我们在程序设计时采用中断方式的模式。中断方式是采用定时中断，因为频率较低，周期较长，定时器T0初值超过了十六位，还要用到定时器T0的溢出中断，因此本程序要用到两个中断服务程序，程序设计为三个部分。

3.1 主程序 主程序的任务主要是初始化的设计，即对定时器T0和SA4828同时进行有关参数初始化预置，流程图如图4所示。

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图4 主程序设计流程图

3.2 中断服务调速子程序 本变频调速装置是采用闭环控制模式，在设计中断调速服务程序时，分为三个子程序来编制：①AD7705模数转换子程序；②采样值与标准值进行比较，将差值转换成调制频率与电压幅值子程序；③控制程序子程序。程序处理思路：首先将检测采样值经AD7705转换成数字量后存入RAM固定单元，然后用该单元中的值与RAM中固定单元中的标准值进行比较，将得到的差值经处理后转换成调制频率值和电压幅值存入RAM中的某固定单元，通过数据总线AD0-AD7传送给SA4828控制寄存器R0-R2。然后输出SPWM调速波，实现水压与调速的转速的闭环控制。

3.3 通用子程序的设计 在系统程序设计中涉及到了乘法和除法子程序，此两种程序可调用通用子程序，然后根据实用调速子程序中的部分参数进行改编。程序设计时要合理分配RAM中的地址，要注意标准值的预置。

4 结语

电机实行变频调速，可像直流电机那样实行无极调速，这将扩大交流电机的应用范围，降低各类电机应用设备的成产成本，节约能源，像各类电梯原大都是使用昂贵的、体积庞大的直流电机，现改为使用变频调速装置的交流电机，这样比原成本降低了许多，安装维修方便。

基于单片机控制的电机调速装置，提高和扩大了变频调速装置的应用效果和范围。只要我们合理设计硬件控制方案，优化程序，则使单片机控制的变频调速装置得到更普遍更深层次的应用，将变频调速技术更广泛的应用到机电设备和自动化设备中，将会产生更好的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]蔡振江.单片机原理及应用[M].机械工业出版社，2011，8.

[2]王水平.控制与驱动器使用指南及应用电路[M].西安电子科技大学出版社，2009，8.

[3]张燕宾.变频器在恒压供水中的应用[J].实用技术，2010，19.endprint