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8098单片机控制的PWM变频调速系统研究

来源：99网

第23卷　第3期1999年6月

武汉交通科技大学学报

JournalofWuhanTransportationUniversity

Vol.23　No.3June1999

8098单片机控制的PWM变频调速系统研究

陈三宝1)　熊红松2)

(武汉交通科技大学自动控制工程系1)　武汉　430063)(武汉自来水公司2)　武汉　430063)

摘要:介绍用大规模集成电路HEF4725和INTEL8098单片机控制的PWM变频调速系统,阐述了绝缘门极双极性晶体管IGBT模块的应用,PWM的实现,单片机系统硬、软件的设计和系统智能化控制,并对调速系统的应用作了节能分析.关键词:脉宽调制;单片机;变频调速;节能中图法分类号:TM30112

0　概　　述

交流变频调速因具有调速范围广、稳定性好、

效率高等特点,应用日益广泛.系统主电路采用交—直—交电压型大功率全控型电力电子器件绝缘门极双极性晶体管(IGBT)桥式逆变电路.控制电路采用脉宽调制(PWM)技术和单片微机控制技术.大规模集成电路HEF4752芯片内由硬件产生按正弦分布的PWM脉冲,改变输入脉冲的频率即可有效控制逆变器输出交流电压的频率和有效值.HEF4752集成度高,功能全、可靠性高,其性能优于使用计算机查表法或实时计算法.采用的8098单片机为准16位机,由于采用8位总线结

构,对外围电路要求低.该片有232个可做累加器的片内寄存器,硬件乘法器和除法器,4路带采样保持的10位A󰃗D通道和1路D󰃗A通道,2个16位的硬件定时器和4个16位的软件定时器,可编程的8级优先权中断系统,8位高速输入󰃗输出(I󰃗16位和32位内O)口和全双工串行口及8位、容丰富的指令系统.由于片内集中了一般控制所需基本电路,在相同功能要求下,可使外围电路减少.该片的16位运算指令既加快了运算速度,又提高了运算的精度.其8级优先权中断结构以及丰富的指令使软件编程较为容易.因而单片机8098适用于变频调速的实时控制系统.整个系统的结构框图如图1所示.

图1　系统框图

收稿日期:19981211

　　　　陈三宝:男,53岁,副教授

第3期陈三宝等:8098单片机控制的PWM变频调速系统研究・275・

动维持不变,满足异步动机变频调速恒压频比控制

1　变频调速系统

111　主电路

要求.

频率基准时钟RCT主要用于控制逆变器功率器件的最高开关频率f

s(max)

,其关系为f

RCT

系统主电路中三相交流电源经全波整流280fs(max).只要确定fRCT,就可以控制fs(max),同时(UR)、滤波,为逆变器(UI)提供一个稳定、可靠的由内部电路确定fs(max)=0.6fs(max).为获取良好的大容量直流电源,然后由IGBT按脉宽调制方式,输出波形,减少电机损耗,内部器件自动将

PWM

将直流电逆变成可变频率和电压的交流电,供电机

信号的开关频率设置为输出频率的整数倍,即fs

变速用.由于IGBT集功率GTR和MOSFET的

=N・fout,N为分频数.输出延迟时钟的OCT用

优点为一体,故可用电平信号直接驱动控制,并具

于防止逆变器上下两功率元件同时导通,控制互锁

有输入阻抗高;开关速度快、损耗小、极限工作温度

推迟间隔时间∃t,∃t=8󰃗fOCT(s)或16󰃗fOCT(s),选

高,电流容量大,耐压等级高,工作稳定性强、噪声

择取决K的逻辑电平.通常为简化电路,取fOCT=

低等特点,正日益广泛应用于变频电源、斩波器及交、直流调速系统中[1].IGBT模块主要参数选择fRCT.要求如下.

1)额定电压Vce　在感性负载下,器件高速通di,该电压可达dt

数倍的额定值,会造成电压击穿损坏.因而在大电

113　门极驱动电路

断时将在电路中产生尖峰电压L

驱动电路性能不良会直接造成IGBT的损坏.为抑制由输入电容耦合产生的噪声信号的影响,进一步提高IGBT的关断性能,可采用正负电极驱动[3].

门极驱动电路参数的变化会引起IGBT各种特性的变化.门极正偏压的变化对IGBT的开通特

感负载下,不宜使器件开关速度过快,且应配吸收电路.通常在选用额定值时要有数倍安全裕量,一

般取2～3倍.

性、负载短路能力和dVCE󰃗dt电流有较大影响;而

2)额定电流Ic　器件标定的额定电流是在模

门极负偏压则对关断特性影响较小.驱动电路选择

块壳温Tc为25℃,结温Tj为150℃时的设定值.

时应注意误触发问题,同时为提高门极抗干扰能力

在实际环境温度升高时,允许通过模块的直流电流

采用光电耦合器件使信号电路与驱动电路隔离.

ID=kT・Ic,kT为温度变化修正系数,可查参数曲

门极驱动正偏VCE高使开通速度快、损耗小,

线求得.同时模块应配散热器,以保持壳温的稳定.

但VGF高,负载短路时流过器件的电流IO也大,同

3)散热器的热阻Rs　功率器件是一种受热限

制器件,必须安装在散热器上工作.散热器设计依时门极驱动电流IG也增大.实际应用时要折中考据是,在一定环温下,耗散功率使模块结温Tj小于虑,不能超过20V.门极所加反向负偏压VGR有利其允许值Tjm.散热器热阻Rs=RJA-(RJC+RCS),于快速关断,但反向电压不能超过门极最大耐压通常,对一确定器件而言,壳内热阻RJC、壳到散热(击穿电压),一般取-2V至-10V为宜.器的热阻Rcs是固定的,因而对于给定的结温升,可求得热阻Rs,作为选择散热器的依据.112　脉宽调制电路

114　保护电路

1)过压保护　主电路中存在着电感,当IGBT

在高速开关状态工作时,将在电路中产生过电压,

现代交流调频调速系统中,已广泛采用脉宽调危及元件的安全.为此,主电路中应尽量减少杂散制(PWM)技术[2].HEF4725为专用SPWM大规电感,同时在主电路应设置吸收电路来抑制过电压模集成电路芯片,该芯片有7个控制输入端,4个的产生.采用R,C,VD集中在直流侧的吸收电路

.时钟输出端(FCT,VCT,RCT及OCT)、12个逆如图1所示

变输出端和3个控制输出端.2)过流保护　IGBT的误开通,主电路短路、频率控制时钟FCT控制逆变器的输出频率电动机过载均会产生过电流,甚至引起IGBT损fout,从而控制电动机转速,其关系为fFCT=3360坏.为有效快速切除过电流,要求电流检测信号快速传递到驱动单元,立即切断IGBT.电路设置直

电压控制时钟VCT控制逆变器的输出电压流侧电流采样,模拟信号经A󰃗D转换后,送至的大小.对于给定的输出频率,输出电压Vout由HEF4752芯片L端,使系统停止工作,从而切除过

.当频率比fFCT󰃗fVCT决定fVCT≤015时,u1󰃗f1将自电流.

out

・276・武汉交通科技大学学报1999年　第23卷

总线的低两位A1A0用于芯片选择和通道寻址.控

2　单片机控制系统

————

制线WR与RD用于决定缓冲器中信息传送方向,

.RESET用于8255的复位

211　系统硬件设计

8255在接受来自8098单片机控制信号后,将

MCS-8098单片机是INTEL公司推出的高其转换成各种命令送到A组或B组控制电路,从性能准16位单片机,整个系统硬件主要包括8098

而进行相应的内部操作.由控制电路决定8255工

单片机、2732程序存贮器、74LS373锁存器、8255

作方式,8255有三种工作方式,本系统中8255A被

可编程I󰃗显示器接口等O接口,8279键盘󰃗设定为方式O,即端口A,B,C均为输出方式.实际

)12732程序存贮器　8098单片机内部没有

上该接口电路由PA口、PB口提供与HEF4752频

程序存贮器,必须扩展芯片适应系统对程序存贮的

率给定信号相对应的一组二进制码,PC口提供与

要求.EPROM2732含有4K字节满足单片机需

.HEF4752电压给定信号相对应的一组二进制码

要.8098单片机的P3、4口向片外2732PEPROM

根据存贮空间地址分配,PA口地址为0084

提供地址总线,P3为一口分时两用,因而在单片机

H,PB口地址为0085H,PC口地址为0086H,控制

与存贮器配以地址锁存器74LS373.

口地址为0087H.

8098单片机的CPU只能以读的形式访问

显示器接口　8279是通用键3)可编程键盘󰃗——

2732,读信号RD有效,且ALE端由低转为高电平盘󰃗显示器接口芯片,其主要功能是接收来自键盘时,74LS373便有存锁地址的可能,当ALE又变为的输入数据,并作预处理以及数据显示的管理和数

——

低电平时,地址被锁存.RD为0期间,2732中的程据显示器的控制.

——

序以二进制数据的形式出现在数据总线上,RD由0→1时,数据被CPU读入.

根据存贮器地址分配,当AB=1时,2732被选中,存贮空间地址在2000H～3FFF间变化.

2)8255可编程I󰃗O口　因8098单片机的I󰃗O难以满足控制系统要求,采用8255可编程并行.8255内部I󰃗O扩展3个8位I󰃗O口,如图2所示

8098的ALE在正常工作时,以固定的振荡频

率被触发,因而被用作8279的外部时钟信号.8279

的中断请求信号IRQ与8098的EXTINIT相连,当有键按下时,可将该键的送入8279FIFORAM

ϖ(A0)中,同时向8098提出中断申请.8279的C󰃗D

—

端用于区别DB0～DB7所传数据性质,片选信号CS

—

的数据总数缓冲器为8位、双向、三态,用于8098

与8255A间交换信息,读󰃗写控制逻辑电路通过6

——

与三八译码器的Y0相连.因此,单片机向8279传送命令的口地址为0081H,传递数据的口地址为

0080H.

根控制线接受8098单片机的控制,其中CS与地址

图2　8255和8098接口电路

输入到HEF4752输入时钟FCT,从而控制逆变器

21211　系统的控制功能的主频率.

1)调频:通过8279键盘输入的键值代码经2)调压:在调频过程中,为保持磁通<恒定,8098对其进行相应的数据处理,其结果由8255Au󰃗f应保持常数,即fVCT保持不变,但考虑到低频212　系统的软件设计

第3期陈三宝等:8098单片机控制的PWM变频调速系统研究・277・

时电动机内阻压降占输入电压比例较大,需适当增入相应的子程序.加输出电压来补偿这个压降.实际电路中,当fout参数的检测采用中断方式,连续不断地将检测≥10Hz时保持u󰃗f为恒值;当fout<10Hz时适当到的参数送入对应单位,再在主程序中进行故障判降低fout,输出的交流电压与频率间的关系可由u󰃗断和显示.

.为使单片机运行简化,可将曲线表示f曲线描述

的函数关系制成表格预存于存贮器内,再利用单片3　应用和结论

机特有的地址运算方法逐一调出所需的电压控制数据.在系统用于水处理装置的多液位控制水泵中,

2)运行控制:电动机正、反转,转速调节和停根据水处理的工艺要求,随时改变液位高度,因而机均有键盘控制.键盘发出控制指令通过CPU运要求系统具有较宽的调速范围和较高的控制精度.算的批发指令送到HEF4752的L和CW端,实现正、反转或停机;转速细调则需通过8255调节

.HEF472的输放时钟来实现

21212　系统的速度控制参数　系统逆变频率范围设定为015～50Hz,根据FCT时钟输入特性fout=fFCT󰃗3360,所以fFCT=3360fout(max)=168

水泵电动机主要参数为Pn=22kW,Un=280V,In

=42.7A,nn=1440r󰃗=0.87,min,Γ=91◊,cosΥ

逆变器的功率元件IGBT选用BSM100GB123D型产品.

311　变频调速的性能

逆变器输出的电流波形如图4所示.在10Hz

.为实现高精度无级调速,系统采用BCD码比时波形较好,在5Hz,1Hz时,波形接近正弦.输出kHz

例乘法器MC14527构成软硬结合的分频器,控制交流电压为0～380V,输出的交流电压频率为015

.HEF4752的FCT和VCT,从而精确控制fout和～50Hz

Vout.

速度反馈信号采用1024脉冲󰃗r的光电码盘来实现,当交流电机转速为1500r󰃗min时,对应一

1个脉冲的时间Σ==39.1×10-6s

1500󰃗60×1024

=39.1Λs.

21213　系统的控制程序　系统的控制程序主要包括有主要程序,中断服务子程序,正转运行子程序,反转运行子程序,频率加、减子程序等.

图4　逆变输出的电流波形

312　变频调速的节能

水泵的特性可以用流量q,压力p,效率Γ和功耗P间的关系来表示,测得水泵的q󰃗p,q󰃗Γ曲线

如图5所示.

图3　主程序框图

图5　水泵特性曲线主程序如图3所示,主程序主要是完成初始化,显

示及故障判断.键的操作执行中断方式,键盘中任水泵采用阀门控制时,由曲线可知,当流量q一键被按下时,都自动进入中断服务程序,然后进下降到80◊时,压力p增加到额定值的114◊左

・278・武汉交通科技大学学报1999年　第23卷

右.效率Γ下降约5◊.流量q为80◊时功率P80=由于启动电流小,控制简单也可作为异步电机“软(P100×0.8×1.14)󰃗0.95=0.96Θ启动”装置.同时,当系统用于要求较大范围调速的100,由此可见,采用阀门调节能量仅下降4◊.负载中时,将获得明显的节能效果.

水泵采用变频调速控制时,当电机转速Γ=85◊nnom时,相当于流量为80◊,压力为81◊时的

一个工作点.此时,泵的效率Γ下降不足1◊,考虑

参考文献

到变速控制器的效率为94◊,此时,P80=(P100×

(0.99×0.94)=0.7P100,计算结果表1　施涛昌.功率IGBT的驱动保护技术及其应用实例.电0.8×0.81)󰃗

气开关,1996(5):15明,能量下降约30◊,这同采用阀门调节相比大约

2　StarrBG,J.C.F.Van.Loon.用于逆变器—交流电动节能26◊.当流量下降时,节能更为显著[4].

机调速系统的PWM大规模集成电路.丁学文译,国外电力电子技术,1986(3):37～38

4　结　　论

3　汤友庆.交流电动机IGBT-PWM调速系统设计.机械

单片机控制的变频调速系统操作简单、功能齐4　BarrowA.在泵上使用变速控制以节省能量.侯　俊,

全,可广泛应用于有一定指标要求的变速传动中.甘振新译.AutomationJan.󰃗～20Feb.1980.18

与电子,1994,(3):32～33

PWMVariableFrequencyDriveSystemControlledby

Single2ChipMicroprocessorINTEL8098

ChenSanbao　XongHongsong

(WuhanTransportationUnivessity,Wuhan4300631))(WuhanTapWaterCompany,Wuhan4300342))

)

Abstract

ThispaperintroducesPWMvariablefrequencydrivesystemcontrolledbyHEF4752ICchipandsingle2chipmicroproceessorINTEL8098,setsforthIGBTapplication,PWMimplement,thedesignof.Ital2hardwareandsoftwareforcontrolsystemwithsigle2chipmicroprocessorandintellectualcontrolsoanalysesenergyconservationperformanceforthedrivesystem.

Keywords:PWM;single2chipmicroprocessor;variablefrequencydrive;energyconservationperfor2

mance

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