基于單片機(jī)的變頻調(diào)速控制策略

1、基于 AVR 單片機(jī)的 SPWM 變頻調(diào)速段策略中南大學(xué)機(jī)電（410083）摘要：重點(diǎn)討論了一種新型單片機(jī)AVR 高速單片機(jī)在交流變頻調(diào)速中的應(yīng)用，并給出了軟硬件設(shè)計(jì)方法，同時(shí)利用等效面積法生成 SPWM 脈沖序列，較好的解決了精度和實(shí)時(shí)的要求，理論分析和實(shí)驗(yàn)證明該方法可行。關(guān)鍵字：AVR 單片機(jī)，SPWM 波，等效面積法，變頻調(diào)速0 引言近年來(lái)，隨著自關(guān)斷器件的不斷發(fā)展，采用以正弦波作為參考電壓的 SPWM（正弦脈寬調(diào)制）的 VVVF 變頻調(diào)速,已成為交流異步電機(jī)調(diào)速的主流。作為新一代電力電子器件，綜合了 MOSFET 和 GTR 的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)關(guān)頻率高、驅(qū)動(dòng)功率小，的功率交換器輸出電壓紋波小，

2、線路簡(jiǎn)單，是最具有應(yīng)用前景的功率器件。早期使用模擬電路元件生成 SPWM 波形，所需硬件較多，算法不夠靈活，改變參數(shù)和調(diào)試比較麻煩。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到以 MCU、DSP 為主的數(shù)字方案1。本文介紹一種由 AVR 高速單片機(jī)輸出的 SPWM 脈沖序列變頻調(diào)速的方法。1 SPWM 波形生成策略1.1 常用算法比較1.2 等效面積法把一個(gè)正弦半波分為 N 等分，每一等分微機(jī)的 SPWM 算法有多種，常用的的正弦曲線與橫軸所包圍的面積一個(gè)有自然取樣法和規(guī)則取樣法。自然取樣法（圖 1a）采用計(jì)算的方法尋找三角載波 U與參考正弦波 UR 的交點(diǎn)作為開(kāi)關(guān)值以確定S

3、PWM 的脈沖寬度，這種方法誤差小、精度高，與此面積相同的等高矩形脈沖代替，矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)重合，這樣，由 N 個(gè)等幅而不等寬的矩形脈沖所的波形就與正弦半波等效，顯然這一系列脈沖波形的寬的和開(kāi)關(guān)時(shí)刻可以嚴(yán)格地用數(shù)學(xué)方法計(jì)算得到34。如圖 2 所示，在區(qū)間t,t+t，正弦波面積為 S1 ,則有：但是計(jì)算量以做到實(shí)時(shí)，用查表法將占用大量?jī)?nèi)存，調(diào)速范圍有限，一般不采用。規(guī)則取樣法（圖 1b）采用近似求 U和 UR 交點(diǎn)的方法，通過(guò)兩個(gè)三角波峰之間中線與UR 的交點(diǎn)作水平線與兩個(gè)三角波分別t + DtsinwtdtS1 = M ´US òt交于 A 和 B 點(diǎn)，

4、由交點(diǎn)確定 SPWM 的脈寬， 這種方法計(jì)算量相對(duì)自然取樣法小的多，但存在一定誤差2。本文采用等效面積法。(1)M=´US coswt - cosw (t + Dt)w式中 M 為調(diào)制深度， US 為直流電源電壓。US2S 2 = d ´對(duì)應(yīng)圖中脈沖面積(2)將正弦信號(hào)的正半周 N 等分，則每份為/N 弧度，由圖知脈沖高度為US / 2 ,設(shè)脈沖寬度為 dK ，則第 K 份正弦波面積與對(duì)應(yīng)的第 K 個(gè) SPWM 脈沖面積相等，：dK = 2M cos( K -1)p - cos( K )p wNN(3)= M cos( K -1)p - cos( K )p pfNN如圖 2

5、 所示算：開(kāi)啟時(shí)刻：的開(kāi)關(guān)時(shí)間按如下計(jì)達(dá) 256K 的 EEPROM，可用于保存運(yùn)動(dòng)參數(shù)， 便于現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)修改，這使得它用在運(yùn)動(dòng)方面有很大的靈活性。同時(shí) AVR 單片機(jī)還支Ton = 1 (Dt - d ) =(K11持對(duì)器的在系統(tǒng)編程。(4)- dK )2 2 ´ f ´ N2這些特點(diǎn)使得 AT90 系列單片機(jī)成為一種滿足許多需要的、具有高度靈活性和低成關(guān)斷時(shí)刻：器5。本111本的應(yīng)用的高效微(5)Toff =(Dt + dK ) =(+ dK )2 2 ´ f ´ N2文采用 AT90LS8535，8K 可重復(fù)編程FLASH,512 字節(jié)的 SRAM,

6、三路 PWM 通道，8路 10 位 A/D。2.2規(guī)律在高頻段（f50Hz）和低頻段（f10Hz）采用恒功率中頻段采用恒轉(zhuǎn)矩，可加大調(diào)速范圍，。為使輸出波形對(duì)稱(chēng)性好、諧波分量小，系統(tǒng)采用分段同步調(diào)制， 以保證整個(gè)變頻范圍內(nèi)的開(kāi)關(guān)頻率變化不 是很大。每個(gè)頻段載波比 N 為恒定值，不同頻段的 N 不同，為了計(jì)算快速，余弦采用查表方式，余弦三角函數(shù)表在 0°360°范圍內(nèi)，每隔 0.1 度存一個(gè)余弦值，每個(gè)余弦值2 AVR 單片機(jī)系統(tǒng)由 16 位二進(jìn)制，其中最為符號(hào)位，2.1 AVR 單片機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：AT90 系列單片機(jī)為 ATMEL 公司生產(chǎn)的新一代基于 AVR 增強(qiáng)功能、RI

7、SC 結(jié)構(gòu)的、低功耗 CMOS 技術(shù)的微處理器。后 15 位表示數(shù)值位。整個(gè)余弦函數(shù)表預(yù)先存在 EPROM 中，占用了近 8K 字節(jié)的寄存器。為保證三相互差 120°，N 應(yīng)設(shè)為 3 的整數(shù)倍。2.3 硬件結(jié)構(gòu)：1) 哈佛雙總線結(jié)構(gòu)，使程序器和數(shù)據(jù)器。使用 RISC 指令集，指令系統(tǒng)框圖如圖 3 所示的驅(qū)動(dòng)模塊周期絕大部分為單周期指令。有相當(dāng)高的執(zhí)行速度，8MHz 頻率下工作的 AVR 相當(dāng)于224MHz 頻率下工作的普通 MCS51。2) AVR 核為 32 個(gè)通用工作寄存器與豐富指令集的組合，32 個(gè)寄存器全部直接地與運(yùn)算邏輯單元連接，這種組合機(jī)構(gòu)具備的代碼效率比完成同樣處理能力

8、的常規(guī) CICS 微處理器要快 10 倍以上，從而解決了 MCS51 的累加器 A 的瓶頸問(wèn)題3) 內(nèi)置晶振的可編程看門(mén)狗定時(shí)器、片內(nèi)模擬比較器、SPI 串口和 UART 串口，有采用富士電機(jī)公司的 EXB841 驅(qū)動(dòng)器，AT90LS8535 輸出的三相脈寬調(diào)制 SPWM 波經(jīng)分相與開(kāi)通延時(shí)電路分為六路輸出，分別控制 EXB841 的光耦，以驅(qū)動(dòng) 6 個(gè)件；40 腳的 PA0 作為 A/D 采樣輸功率器，采樣電位器給定頻率；16 腳的 INT0 外部中斷作為電路故障信號(hào)（ 由于 AT90LS8535態(tài)是“高”，因此、過(guò)壓等）的輸入腳； 復(fù)位時(shí)端口的初始狀信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)均設(shè)為“低”電平為無(wú)效狀態(tài)

9、；PWM 的載波周期由片內(nèi)定時(shí)器 T0 完成；定義 T/C1寄存幾種有 810 位的 AD 轉(zhuǎn)換器。有帶器 TCCR1A 和 T/C2寄存器 TCCR2，使比較和捕獲模式的定時(shí)計(jì)數(shù)器，且具有PWM 功能，PWM 可以在雙 8 值、9 位或 10 位下自運(yùn)行、抗誤、節(jié)拍修正操作。同時(shí)還有一路輸入捕獲口，可以捕獲引腳 ICP 上的上升和下降沿。4) AVR 單片機(jī)內(nèi)置可重復(fù)編程的 FLASHT/C1、T/C2 工作在8 位PWM 模式。PD4（OC1B）、PD5(OC1A)、PD7（OC2）作為三相 PWM 輸出口；擴(kuò)展 8279 鍵盤(pán)顯示接口，可自動(dòng)完成鍵盤(pán)的掃描輸入和 LED 的掃描顯示輸出，

10、節(jié)省了 CPU 對(duì)鍵盤(pán)/顯示器的操作時(shí)間。內(nèi)部有硬件看門(mén)狗，防止程序跑飛。程序器和 EEPROM 數(shù)據(jù)器，最大可電流檢測(cè)整流濾波M過(guò)壓檢測(cè)逆變器檢測(cè)光電編碼器驅(qū)動(dòng)陣列保護(hù)電路延時(shí)電路脈沖整形INT0 PD6PD4 PD5 PD7計(jì)數(shù)器AVR單片機(jī)PA0PC0| PC7鍵盤(pán)顯示芯片8279功能鍵圖3 SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，包括主程序、T/C0 中斷服務(wù)子程序、外部中斷服務(wù)子程序、鍵盤(pán)顯示子程序等。主程序的主要任務(wù)是對(duì)逆變器的輸出頻率進(jìn)行采樣，計(jì)算調(diào)制深度 M、載波比 N、載波周期定時(shí)常數(shù) T,確定正弦時(shí)標(biāo)。計(jì)算脈主程序流程圖如圖 4 所示。T/C0 中斷

11、服務(wù)程序:定時(shí)時(shí)間到達(dá)載波周期 T 后，CPU 執(zhí)行 T/C0 中斷服務(wù)程序，讀開(kāi)關(guān)點(diǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算各相占空比，在相應(yīng)PWM寄存器中，PWM 使能，向端口驅(qū)動(dòng)信號(hào)。程序流程圖如圖 5 所示。外部中斷服務(wù)程序：當(dāng)上發(fā)生過(guò)沖寬度 dK流時(shí)，EX841 立即向單片機(jī)申請(qǐng)中斷，CPU，根據(jù)(4)、（5）式計(jì)算出三相發(fā)出指令器件。所有輸出，有效地保護(hù)各功率開(kāi)關(guān)點(diǎn)T,T,T,T,T,T，onUonVonWoffUoffVoffW4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論按照上述的設(shè)計(jì)思想，開(kāi)發(fā)了單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件，程序由 ICCAVR 編寫(xiě)，在SL-AVR 實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)機(jī)上調(diào)試通過(guò)，輸出波形經(jīng)地址總線顯示EPROM 2764數(shù)據(jù)總線頻率

12、給定示波器觀察，SPWM 波形線性度較好，當(dāng)給定頻率改變時(shí)，三相線電壓基本保持對(duì)稱(chēng)。采用等效面積法生成的 SPWM 波形精度高，更接近正弦波，且諧波分量小，同時(shí)也對(duì) CPU 的運(yùn)算速度提出更高要求。本文利用高速與AVR 單片機(jī)產(chǎn)生 SPWM 脈沖序列，相比，具有速度快、精度高、算法靈活等特點(diǎn)，同時(shí)由于 AVR 單片機(jī)價(jià)格低廉，編程開(kāi)發(fā)方便，在低成本的變頻調(diào)速系統(tǒng)中有良好的發(fā)展前景。參考文獻(xiàn)12. 現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)M. 機(jī)械工業(yè). PWM 變頻調(diào)速技術(shù)M. 機(jī)械工業(yè). 1999.1999.3 Li Hong. New algorithm for generating SPWM waveformJ

13、. Journal of NorthwesternPolytechnical University. 18,2,May,2000NPU,P264-267.4 鐘，. 面積等效法生成 SPWM 波形的算法及軟件研究J.電氣自動(dòng)化.1999(6),14-18.5 耿等. AVR 高速單片機(jī)原理及應(yīng)用M. 北京航天航空大學(xué). 2001.SPWM Variable Frequency Speed Regulation SystemBasedon AVR Micro-controllerZhang XilinDuan JiAn(College of mechanical and electrical e

14、ngineering, Central South University, ChangSha, 410083)Abstract: This paper main discusses the application of AVR-a new type of high-speed embedded micro-controller in the field of AC variable frequency speed regulation (VFSR) system, the designed method of hardware and software were given. The SPWM signal generated by Area Equivalent Principle solve the demands of control accuracy and real-time control. It was proved by analysis and simulative experiment that the proposed method