基于8098单片机的变频调速系统设计

史 今

（新疆职业大学机械电子工程学院，乌鲁木齐830013）

基于8098单片机的变频调速系统设计

史 今

（新疆职业大学机械电子工程学院，乌鲁木齐830013）

变频调速系统以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的适用范围及其它许多优点，已成为高性能交流调速领域中备受关注和重点发展的技术之一。在分析了交流调速系统研究背景的基础上，设计了一种由8098单片机为主控制器，配合集成芯片产生PWM波形控制逆变开关通断的低价格交流电动机变频调速系统。介绍了系统的结构和工作原理以及软件构成，系统具有易于改变控制算法、程序易于移植、控制精度高、可靠性高等优点。

单片机；脉宽调制；信号检测；变频器；调速；节能

1 引 言

在传统的可调速电气传动系统中，直流电动机调速系统占绝对优势。但是直流电动机结构复杂，价格高，又有换向器和电刷，在运行中常出故障。与此相反，鼠笼式异步电动机具有结构简单，运行可靠，价格便宜等优点，但是交流电动机调速困难。交流变频技术出现以来，使用变频调速器和调节器来进行交流电动机无级调速成为可能。它具有调速范围宽，稳速精度高，动态响应快，运行可靠等技术性能，已逐步取代直流电动机调速系统。然而目前的变频器大部分都线路复杂，价格昂贵，常用于大、中功率的电动机。对于国内占有率极大的中、小型电动机采用这类变频器无疑是难以普及的。

鉴于以上情况，设计了一种由8098单片机为主控制器的，具有高度灵活性和可靠性的低价格交流电动机变频调速系统。以INTEL公司的8098单片机作主控制器，并且采用了功率晶体管作输出，具有完善的电流、电压、转速的检测和显示，以及过压，过流保护，另又增加了串行通讯口，采用两线制RS－485通讯结构，可靠通讯距离为1．2km，并且可加中继来延长距离。该系统可方便的组网控制或组成分布式集散控制系统，也可单独作为直接控制器来使用。电路中还采用了美国达拉斯公司最新生产的时钟芯片DS－12887，内含128字节的不挥发RAM，可以记录下电动机过流过压保护时的时间和电流电压数据，供查询使用。

2 系统结构及其工作原理

系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

该硬件系统主要包括主电路与控制电路两个部分，其中主电路包括交－直－交变频电路（本设计采用IPM集成模块）与电动机；控制电路包括89C51主控制模块、SA4825产生SPWM波模块、驱动模块以及外围设备模块（如键盘输入、液晶显示、A／D模数转换以及串口等）。以CPU为核心，配以键盘、显示、通讯等设备，完成对交流电动机的速度控制。这里选用了ATMEL公司的89C51单片机，它与Intel 51系列单片机完全兼容。其内部配置了8kb的Flash Memory，无须扩展外部存贮器。同时这种8位单片机的总线结构与SA4828完全兼容，可以直接相连。给定转速n0可以用三种方式设定：键盘、电位器和上位机。用8位LED分别显示给定转速n0和实际转速n，一目了然［1］。

2．1 晶闸管及功率晶体管驱动电路

晶闸管驱动电路采用型号为MOC3021的6支光电耦合器件组成，该器件是双向晶闸管输出型的光电耦合器，作用是隔离单片机主控系统和触发外部晶闸管。功率晶体管基级驱动电路采用MPD1203厚膜集成电路，以简化系统结构，提高系统可靠性。MPD1203集成电路集光电隔离与驱动电路于一身，为GTR提供正或负的基级电流，控制GTR的导通或关断［2］。它与软件结合形成所谓软开关。

2．2 PWM脉冲形成电路

正弦PWM脉冲信号采用大规模集成电路HEF4752产生，它是专门设计用来产生正弦脉宽调制信号的大规模集成电路。HEF4752集成电路输出3对互补的脉宽调制驱动波形，由它们去驱动三相逆变桥功率元件产生对称的三相输出。当控制端I为低电平时，输出波形适宜驱动晶体管逆变器；当控制输入端I为高电平时，适宜于驱动晶体管逆变器。输入端CW用于控制相序。当CW为高电平时，相序为RYB；当CW为低电平时，相序为RBY，用于控制电机的旋转方向。当输入端L为低电平时，封锁所有的脉宽调制驱动输出，它的作用除了起停电机外，还可方便地用于过流保护。

为了避免逆变桥中同一相上下2支开关元件同时导通引起短路，在它们切换时，插入互锁推迟间隔，以确保有足够的换相时间。在HEF4752集成电路中，由推迟间隔选择端K和时钟输入OCT一齐决定推迟间隔的长短。当K为高电平时，推迟间隔时间Tb＝16／Foct（s）；当K为低电平时，Tb＝8／Foct（s）［3］。

三相PWM输出波形的频率、电压和每周期的脉冲数，分别由3个时钟输入FCT，VCT，OCT决定。它的输入由8098单片机改变计数常数，经可编程计数器8254输出方波信号获得。采用专用PWM芯片HEF 4752，使系统可靠性好，应用方便，编程简单。在大规模集成电路HEF4752控制电路中采用载频信号Uc与参考信号Ur相比较的方法产生基极驱动信号。这里采用单极性等腰三角形；Ur采用可变的直流电压。在Ur与Uc波形的交点处发生调制信号，部分脉冲调制波形如下图2所示［3］。

图2 PWM脉冲形成过程

2．3 单片机控制系统

单片机控制系统组成框图如图3所示。

图3 单片机控制系统组成框图

从图3可知，系统由8098，EPROM2764，RAM6264和74LS373构成主体部分。外围扩展有键盘和数码显示接口芯片8279、并行输入输出芯片8255、时钟芯片DS12887、定时器计数器接口芯片8254、双四选一模拟开关4052、锁存器74LS373和串行RS－485标准通讯驱动接口芯片75176构成一个完整的变频调速中心控制系统［4］。

系统内由8279构成了32位数码管显示和四乘五键盘矩阵。32位数码显示分别显示6位时间、4位给定转速、4位实际转速、4位运行频率、2位运行指示和1个3位的运行电压、3个3位的运行电流。键盘矩阵分别有0至9共10个数字键和8个功能键与2个备用键［5］。

并行输入输出接口8255的PC7与PC6两个口作为双四选一开关4052的控制信号。PA口作为输入口，用光电耦合器隔离，输入8路状态量。PB口作为输出口，经MC1413隔离驱动后，经过继电器输出7路开关量。这一部分主要是作为扩展系统时使用。

DS12877是一片内带锂电池、晶振的时钟芯片。它可以为系统提供一个时间基准。在电动机电流过大保护时可以记录下时间。并且此芯片内有128字节的不掉电RAM，可以在停电后保持数据不丢失。所以把系统运行中的一些参数储存在这里，如键盘输入的给定转速、最大电流等。

8254 是一个内含3路16位可编程计数器定时器［6］。8098单片机定时对频率给定信号进行采样，根据A／D转换结果或键盘的设定，或从上位机通过串行通讯口设定的转速，经软件处理为适合8254可编程计数器的计数常数。8254装入由单片机送出的计数常数后便产生相应频率的方波信号。单片机一旦改变送出的计数常数，就可以改变8254输出的方波信号频率。这个方波信号作为PWM芯片HEF4752的时钟输入FCT。因此，调节频率给定信号，也就是改变了8254的计数常数，也即改变了HEF4752的时钟输入FCT的频率，从而改变逆变器输出的频率，实现电动机的变频调速。

双四选一模拟开关4052是作为8098模拟输入的扩展来使用的。因为8098有4路10位的模数转换输入，其中的ACH4与ACH5通过外接可调模拟电压作为频率给定和V／F调节。ACH6与ACH7通过4052扩展为8路模数转换。其中4路接一个电压与3个电流信号，另4路可根据不同需要作不同的用途。8098单片机通过74LS373锁存与74LS274驱动后控制整流晶闸管与HEF4752的5脚、24脚来实现电动机的启停控制与正反转控制。

75176是RS－485标准的通讯驱动芯片。在2400波特时有效距离为1200m，用于系统中有上位机时，8098单片机与上位机之间的通讯。上位机可通过串行口向单片机下达开关机等命令及各种运行参数，也可随时得到现场的各种数据与电动机运行参数，实现两级控制［7－9］。8098单片机的辅助输入输出电路是由8255组成的并行输入输出接口和模数转换电路未用完的模拟输入口组成。主要是为了保证系统的灵活性。

2．4 信号检测电路

信号检测电路主要完成电动机的电压、电流和电动机转速信号的采集。这部分工作分别由相应的传感器完成。比较理想的是采用霍尔器件的电流、电压传感器和霍尔转速传感器。

由于这一部分早已成为商品模块，有统一的接口标准，只存在不同应用的选型问题，所以在这里不再详述。

2．5 转速测量电路

转速测量电路与信号检测电路通常在一起，它们都是通过对信号的采集，再经过各级运放完成对信号的PID闭环控制。如下图4所示。

图4 信号检测与转速测量原理方框图

2．6 电源电路

电源是系统极其重要的一部分，是基础的基础。由于电源部分的设计早已成型，故而在本文中没有出现。

3 系统的软件组成

变频调速系统软件主要由主程序、外部中断服务程序、显示子程序、串行通讯子程序、键盘输入子程序和高速输入部件中断子程序等组成。各程序模块功能如下。

3．1 主程序

主程序的作用是首先完成各个部件的初始化工作，设定好各个中断向量，为各个部件以后的工作做好基础。然后就不停的进行模数转换和数据处理，同时等待各中断的到来，转入相应的中断服务子程序。主程序框图如图5所示。

3．2 外部中断服务程序

外部中断服务程序的功能比较简单，只是作为电动机停止的控制。当外部中断发生时，首先通过74LS373使可控整流器关断，然后清除8254中的数据来关断功率晶体管。完成停止电动机的过程。外部中断服务程序框图如图6所示。

图5 主程序框图

图6 外部中断服务程序框图

3．3 串行通讯子程序

串行通讯子程序用在有上位机或数台机器联用时。该子程序框图如图7所示。

图7 串行通讯子程序框图

3．4 高速输入部件中断子程序

高速输入部件中断子程序的作用是管理好4个输入中断。当输入中断发生时，根据不同引脚中断的发生，由不同的处理子程序分别完成转速测量，键盘中断输入，时钟更新等工作。高速输入部件中断子程序框图如图8所示。

整个冗余设计的电路被置于一个核心控制模块中。图中8089单片机1、2、3被假定为冗余的三个单片机，它们的输入总线并联，接收核心控制模块中输入缓冲的输出。输出总线分别接到模块的输出总线仲裁器。核心控制模块包括输入缓冲、输出总线仲裁、电源控制、时钟产生、复位电路和报警控制输出六个部分。

图8 高速输入部件中断子程序框图

4 结束语

系统利用单片微机和集成芯片配合产生PWM波形控制逆变开关的通断，控制算法容易编程实现，实现了全数字化控制，结构简单，与采用模拟器件相比，减少了生产成本，性能良好；具有易于改变控制算法、程序易于移植、控制精度高、可靠性好等优点。采用变频技术后，可以节省大量的能源，有良好的经济价值和环保效果。这种系统在电力电子设备与人们生活日益密切的今天有着广泛的应用。

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Design of Inverter System Based on Single Chip 8098

Shi Jin
（Deparnment of Mechatronic Engineering，Xinjiang Vocational University，Urmqi 830013，China）

The inverter system，in the advantages of excellent speed control and starting－braking，high power factor，good energy－saving result and wide application range，attracts more attention to the development in the field of high capability AC speed control technology．A low prices inverter system for AC motor，based on single chip 8098，producing PWM wave with IC to control inverter switch，is designed．The structure and work principle of system are introduced and the software is described．The system has the excellent features such as convenient change for the control algorithm，simple program portable，high control precision and reliability，etc．

SCM；PWM；Signal detection；Inverter；Speed control；Energy saving

10．3969／j．issn．1002－2279．2015．04．019

TP23

A

1002－2279（2015）04－0073－04

史今（1973－），男，河北省唐山市人，实验师，主研方向：电子技术及自动控制技术。

2015－01－04