（南阳理工学院 河南 南阳 473004 ）
摘要：本文设计了适合于实验教学的数字变频调速实验系统，由于系统中采用了全数字化控制器及优化的脉宽调制技术，使变频实验实现了快速运算和高精度控制。测试结果表明，性能稳定，使用方便，维修简单。在设计上完全实现了数字控制，可实时观察实验参数值并绘制V/F实验曲线，提高了实验教学效果。
关键词：微控制器 变频调速 数字化控制
本文以大中专院校交流变频调速实验教学实际需求为依据，研究在运用面向对象的高级编程语言的基础上，结合现代电子电路设计知识，详细分析了交流变频调速原理，并且设计出了具体的电子电路，并与软件结合，从软件角度阐述了实现变频调速的具体流程与实现细节，以保证本产品始终适合教学实验的需要。
1. 关键技术介绍
1.1 正弦波脉宽（SPWM）控制技术
脉宽调制(PWM,Pulse Width Modulation)变频技术就是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲，控制电压脉冲的宽度或（和）周期，以实现变压和变频以及控制和消除谐波为目的的一门技术。采用PWM方式构成的逆变器，其输入为恒定的直流电压，通过PWM技术在同一逆变器中既实现调压又实现变频。这种逆变器只用一个可控的功率级，简化了主回路和控制回路的结构，体积小，重量轻，可靠性高，同时由于这种逆变器集调压、调频于一身，所以调速系统的调节速度快、动态相应好。此外，采用PWM技术不仅提供了较好的逆变器输出电压和电流波形，而且提高了交流电网的功率因数，因而，脉宽调制型的变频调速装置在近代交流调速系统中得到了广泛的应用。以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得高度相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列，这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse Width Modulation，简称SPWM） 。
1.2 SPWM波发生器电路SA4828简介
SA4828是MITEL公司推出的一种专用于三相SPWM信号发生和控制的集成芯片。它既可以单独使用，也可以与大多数型号的单片机接口。该芯片的主要特点为：全数字控制；兼载波频率最高可达24KHZ；内部ROM固化了3种可选波形；可选最小脉宽和延迟时间（死区）；可单独调整各相输出以适应不平衡负载；看门狗定时器。
现将SA4828特殊的原理解释如下：
①三种不同波形的选择主要是通过传输给初始化寄存器和控制寄存器的命令，来设置三相波形ROM。它分别为正弦、增强、高效三种波形，使之能应用于各种特殊的场合。
②“看门狗”电路SA4828在接收单片机发出的命令时，一旦出现问题，总线控制会发出复位“看门狗”信号，使“看门狗”延时关断输出驱动信号。
③八个寄存器单元为了提高频率精度，以及能独立控制三相波形幅值，SA4828增设了八个寄存器单元。
在传输初始化命令时，其中写入R4、R5寄存器，为“看门狗”的延时控制字。当传输控制命令时，写入R0、R1为十六位频率控制字，写入R3、R4、R5分别为三相输出波形幅值控制字。上述设置和调整，均通过地址/数据总线、寄存器单元，存入初始化寄存器和控制寄存器来完成。
2 系统设计
2.1 硬件电路设计
系统硬件电路是由主电路、控制电路、光电隔离电路、驱动保护电路、键盘电路、显示电路等电路组成。整个系统的组成用下面的框图表示。
图1 系统组成图
三相主控单元采用三相高精度PWM波产生器SA4828与微处理器为主，构成控制电路。SA4828是MITEL公司继SA828、SA838PWM波产生器系列之后，推出的新一代性能更优、功能更强的大规模集成电路。它与微处理器连接，完成了所有外围的检测、控制等功能，使系统智能化。
大规模专用集成电路的使用，使得脉宽调制变频控制更加简单，控制精度更高，使单片机节约大量机时用于其它事务处理。控制电路的功能是：通过SA4828的调制波频率输出反馈，对SA4828进行精确控制，并将当前状态送显示；对电路进行监测，处理各种故障；通过键盘对单片机进行功能设定、频率电压设定。
2.2软件部分设计
通过对中央控制单元AT89C51编程，来控制SPWM波形生成模块SA4828芯片的控制寄存器，向控制寄存器R0~R5输入并暂存控制数据，向R15虚拟寄存器写操作时，将数据送入控制寄存器R0~R5,来达到调制波频率选择、调制波幅值选择、正反转选择等控制。
图2 主程序流程图
SA4828的6个输出引脚RPHT、、YPHT、BPHT、RPHB、YPHB、BPHB分别产生2-5KHz的开关信号,通过各自的驱动电路，来驱动逆变桥的6只开关管,从而根据系统需要控制IGBT的导通和截止，调节它的占空比, 从而改变电压和频率，并可得到非常逼真的可调的正弦波形。
图2为主程序流程图，主程序中主要完成对核心微处理器Atmel89C51的初始化，以及对SPWM波形产生芯片SA4828的初始化，完成对它的缺省设定。由键盘输入给定的转速 (r／min)，单片机把它换算成变频器将要输出的频率和电压的控制字,写入到SA4828的控制寄存器，启动SA4828。从RT～BB的6个引脚输出响应频率和电压的SPWM控制信号，经驱动电路隔离后，分别控制6个IGBT的导通与截止，最后在3个输出端上产生对称的三相SPWM电压，以驱动交流电动机运转。
2.3 数据流分析
软件程序的数据流程，可分为三大模块，即数据采集模块，数据处理模块，数据显示模块。
当系统上电后，在完成中央控制单元89C51和三相SPWM波发生器SA4828的初始化后，电机被设定运行于一定的频率，当系统控制前台加速按钮每按下一次时，电机转动频率步进一赫兹，V/F曲线显示就会刷新显示。
以加速键按下为例，进行软件数据流分析。当加速按钮按下时，通过软件外部中断接口设置，使微控制器89C51 P3.2口为低电平，触发外部中断INT0，进入按键识别处理子程序，主程序压栈，保存断点值，进入外部中断0函数，即key()函数。在子程序中，首先把按键数#05赋给寄存器r2,然后对应每一个按键有一个键号值，存入寄存器r0。用switch语句判断是哪个按键按下，例如键2功能为加速，键号值为#0fdh，当键1按下时，对应的键号值#0fdh赋给r0,然后程序调用show()显示子函数,然后对P3.2口进行判断，如果P3.2口为高电平，然后判断3号键是否被按下，如果是转入下一段按键识别程序。把按键号#02存入累加器a。
对累加器a中存的键号值进行判断，确是#02，则程序调用加速处理子程序。将30h中的电机频率值加一，调用H_BCD()数制转换函数把30h中的16进制频率值转化为转换成BCD码，并存放在12h（十位）、13h（个位）中。调用vf()曲线显示函数，通过查表，根据某条V/F曲线中求出30h中的新频率值对应的幅度控制字，也就是调压比 ，放入31h中。
然后调用speed()调速子函数，刷新频率控制字 和幅值选择字 。
把30h中的刷新的16进制频率值在此子函数里进行处理。根据频率控制字的生成公式（4-9） =1074 ，调用乘法子函数mul(),生成一个新的频率控制字后，把积的低8位送入SA4828的寄存器R0,积的次低8位送入SA4828寄存器R1缓存。根据幅值选择字的生成公式（4-11） ，把31h中存放的调压比，放入寄存器B中，把相关寄存器清零，做除法准备，调用除法子函数ndiv()，进行式（4-11）的除法运算，生成的商，就是新的幅值选择字 ,送入SA4828的寄存器R3缓存。然后向R15寄存器写操作，R0~R5中存放的新的数据，送入SA4828控制寄存器。
然后调用show(),进入show()子函数后，再进行一次断点压栈。然后分别把13h和12h中存放的数值转化后的频率的个位和十位，通过查7段显示表，得到频率值对应的显示代码，分别调用串口发送程序送给片外寄存器，也就是显示模块的数码管译码驱动芯片，然后送数码管显示。把33h中的曲线值也通过调用串口程序发送显示。
3 系统实现
该实验系统面板部分构成：面板上总共分为三部分，从上到下依次是： 1）按键、显示和PLC接口部分：
按键和显示部分主要负责设置和显示系统运行时各种参数，如VF曲线选择，加减速控制，正反转控制，起停控制，复位键。调制波频率可在0到60HZ之间自由调整，步进度为1HZ。
采用计算机485接口和PLC接口部分可以通过用计算机或可编程序控制器PLC来实现对整个系统的控制。
2）光电指示和电压、波形测试部分：
面板上有电源指示，故障指示，正反转指示（正转显示红色，反转显示绿色）和起停指示和调制方式指示。此外面板上还留有调制波和V/F曲线观察孔，用来观察调制波频率和实际的频率进行比较，还可以观测绘制出V/F曲线，更直观的加深对变频调速技术的认识。
3）三相变频主电路：
主电路部分主要由整流电路和逆变电路构成，整流电路先把交流电变成直流电，经过电容滤波和抗干扰处理后送给逆变电路，逆变电路主要功能是把直流电变成频率和幅值按三相交流电变化的交流电，通过改变控制电路的调制波频率可以改变逆变电路的输出频率。面板上还主电路电源开关和总电源开关等。系统经半年的试验运行，证明适合于高等院校的教学研究和科研开发。
用一台1．5 kW三相异步电动机进行实验，额定输出电流4A，输出电压380 V，频率分辨0.01 Hz。测得输出频率精度0．01％。当输出额定电流不变时，频率与转速基本呈线性关系。通过实验可以得出：
①SA482S的接口简单，能构成高性价比的交流变频调速实验系统。
②改变系统的性能只须改变参数即可，操作方便，实验效果好，在控制、保护方面具较高的智能功能。
③电机控制专用数字电路SA4828的使用，使得脉宽调制变控制更加简单，控制精度更高，使单片机节约大量机时用于其它事务处理。
4 结束语
由于研究水平和研究时间的限制，本实验系统还有许多地方需要完善和改进。某些方面难免会出现不足之处，不能做到面面俱到。例如实现计算机控制、PLC联网远程控制还有待完善。希望以后能继续完成系统模块的开发以完善本系统，同时可以根据具体实施情况对本总体设计提出修改或改进方案、措施，以使本系统更加切合实际，更加满足实验教学的实施对总体设计的要求和需求。
参考文献
[1] 张燕宾.SPWM变频调速应用技术. 北京: 机械工业出版社, 2002: 20-23
[2] 吴守箴. 电气传动的脉宽调制控制技术. 北京: 机械工业出版社, 2002: 28-31
[3] 张崇德，张兴.PWM整流器及其控制.第一版.机械工业出版社，2004年：226-236
[4] 金彦亮, 刘书明. SPWM在三相电机变频控制中的应用分析. 西安电子科技大学学报, 2001, 4 (2): 249-253
作者简介：
王萍 南阳理工学院教师，硕士， 研究方向: 电子信息科学与技术。
|