基于80C196MC单片机的正弦脉冲宽度调制变频调速系统

宽度调制变频调速系统

张建辉，

许莹莹

（华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌３３００１３）

摘

要：设计了一种以８０Ｃ１９６ＭＣ单片机为控制器，以智能功率模块ＩＰＭ为开关器件的变频调速系统。８０Ｃ１９６ＭＣ

单片机作为整个变频调速系统的核心，通过软件编程，产生正弦脉冲宽度调制波形来控制绝缘栅双极晶体管的导通和关断，从而达到控制异步电动机转速的目的。实验结果表明，该系统稳定度高，调速范围宽，谐波含量小，具有较强的实用价值。

关键词：８０Ｃ１９６ＭＣ单片机；正弦脉冲宽度调制；变频器；异步电动机中图分类号：ＴＰ２７３

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７２－０６７９（２００６）０４－００６７－０４

随着电力电子技术和微电子技术的发展以及计算机控制技术的应用，交流电机变频调速技术日益成熟，交流调速正逐步取代原有的直流调速［１］。在变频调速系统中，正弦脉冲宽度调制（ＳｉｎｕｓｏｉｄａｌＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈ

Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＳＰＷＭ）信号的生成方法及实现技术至关重要。就一般单片机而言，ＳＰＷＭ信号的输出占用了很多的ＣＰＵ时间，当加减速时间很短时，不利于信号脉宽计算。８０Ｃ１９６ＭＣ单片机是Ｉｎｔｅｌ公司专为三相电机变频调速设计的，其中，波形发生器ＷＧ使用硬件生成三相ＳＰＷＭ波形，直接控制驱动变频器的６个开关管，不仅编程简单，而且ＣＰＵ可腾出大量时间进行各种运算，从而提高系统的调速性能。

笔者设计了一种以８０Ｃ１９６ＭＣ单片机为控制硬件核心、以智能功率模块ＩＰＭ为开关器件的变频调速系统，该系统能方便地产生三相ＳＰＷＭ波形输出，实现对异步电动机转速的调节，具有较高的实用性。

１系统硬件组成及工作原理

该变频调速控制系统由主电路、控制电路和驱动隔

离电路组成。８０Ｃ１９６ＭＣ单片机是控制系统的核心，它接受来自外部的控制信息，按预定算法实时计算三相

ＳＰＷＭ波形数据，并产生３相６路ＳＰＷＭ信号，然后再经驱动电路去驱动逆变功率开关器件，完成三相ＳＰＷＭ逆变。系统硬件的原理框图如图１所示。１．１逆变器设计

图１系统硬件原理框图

为了提高工作可靠性，减小装置体积，尤其为了适应高速逆变时对开关频率的要求，主电路使用了智能功率模块ＩＰＭ。本系统采用ＰＭ５０ＲＨＢｌ２０智能功率模块ＩＰＭ，其内部有７只绝缘栅双极晶体管（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ

ＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ，ＩＧＢＴ），其中６只用于三相桥臂，１只用于制动，它以一个模块的形式就可构成三相逆变器。ＩＰＭ中每个ＩＧＢＴ元件都设置有各自的驱动电路和多种保护，能够实现过流、过压、欠压及过热保

护等功能，确保整个系统的稳定性。

１．２控制电路设计

整个控制电路以８０Ｃ１９６ＭＣ为硬件核心，再配以只读存储器ＲＯＭ、输入输出控制接口和相应的外围电

———————————————————

［收稿日期］２００６－０９－０２

［作者简介］张建辉（１９７９－），男，河南郾城人，讲师。

６８

路组成（见图２）。

苏州科技学院学报（工程技术版）２００６年波形发生器ＷＦＧ是８０Ｃ１９６ＭＣ独具的特点［２］。此设置简化了用于产生脉宽调制ＰＷＭ波形的控制软件和外部硬件，特别适用于三相交流感应电机。ＷＦＧ可产生的３相无信号时间和操作方６路ＰＷＭ波，它们有共同的载波频率、式。

运算、传送和控制８０Ｃ１９６ＭＣ单片机完成信息的读取、

功能。ＥＰＲＯＭ２７２５６作为程序存储器，用以存放监控程序和运算数据表。

系统中变频器的给定信号由电位器设定后，经

８０Ｃ１９６ＭＣ的片内Ａ／Ｄ转换器转换成数字信号，用以控制

波形发生器的载波频率，从而实现对输出逆变频率的控制和调节。

图２控制电路原理图１．３光电隔离及驱动电路

ＩＰＭ门极驱动隔离电路如图３所示，该电路实现了８０Ｃ１９６ＭＣ的ＳＰＷＭ信号与ＩＰＭ的光电隔离，并实现驱动和电平转换功能。光耦采用６Ｎ１３７（高速光隔）；三极管选用高频开关管，供电电压为１５Ｖ，该三极管将来自光耦的ＴＴＬ电平转换为ＩＰＭ的门极驱动信号。

图３光电隔离及驱动电路２

２．１

软件设计

ＳＰＷＭ信号的产生方法

本系统采用图４所示的直接等效面积法［３］来产生三相ＳＰＷＭ信号。

π３π（２ｋ－１）π２ｎ２ｎ２ｎ设由整流器提供的直流恒值电压为Ｕｓ，并设电机绕组

图４直接等效面积法中点与直流电压中点相连，则ＳＰＷＭ脉冲序列波的幅值为

Ｕｓ／２。令第ｉ个矩形脉冲的宽度为δｉ，其中心点相位角为θｉ，则根据面积相等的等效原则，可写成

Ｕｓ＝Ｕ・δｉｍ

２!πθｉ＋２ｎθｉ－

２ｎππｓｉｎωｔｄωｔ＝Ｕｍｃｏｓθ－ｃｏｓθｉ－ｉ＋１１π２ｎ２ｎ%\"#\"＝２Ｕｓｉｎπｓｉｎθ$&２ｎｍ

ｉ

（１）

当ｎ的数值较大时，近似地认为ｓｉｎπ≈π，于是

２ｎ２ｎδｉ≈

２．２

正弦函数表及Ｖ／Ｆ调制表

２πＵｍ

ｓｉｎθｉ

ｎＵｓ

（２）

在该系统中，采用８０Ｃ１９６ＭＣ的三相波形发生器ＷＦＧ来产生ＳＰＷＭ信号。等腰三角形载波是由ＷＦＧ的载波发生器产生的，其周期的计算公式［４］为

Ｔｃ＝４ＷＧ＿ＲＥＬＯＡＤ（μｓ）

ＦＯＳＣ

（３）

其中ＦＯＳＣ为晶振频率；ＷＧ＿ＲＥＬＯＡＤ为重装寄存器的值。在一个三角波周期内，将比较电平值与等腰三角波变化的电平值进行比较，就可以得到有一定占空比控制脉冲。本文设定了正弦函数调制系数表，通过查表可以快速计算出正弦变化的比较电平值。

在考虑输出正弦调制脉冲的同时，还要考虑频率变化时的Ｖ／Ｆ曲线。根据给定频率的不同，系统中设定

第４期张建辉等：基于８０Ｃ１９６ＭＣ单片机的正弦脉冲宽度调制变频调速系统

６９

了一个电压频率调制系数表，使得输出电压随频率的变化按照Ｖ／Ｆ曲线设定的规律来进行。因此，最后得到的一相比较电平值的计算公式为

（ｍ×ＣＯＭＰ＝ＺＥＲＯ±ＳＩＮＥ）／２１６

到的数据。在ＷＦＧ中心对称模式“下，有０”

（４）

其中ＺＥＲＯ为占空比为５０％时的比较电平值；ｍ为Ｖ／Ｆ调制表中查到的调制系数，ＳＩＮＥ为正弦函数表中查

１／（２×ｆｃ）＝ＦＯＳＣ

ＺＥＲＯ＝１ＷＧ＿ＲＥＬＯＡＤ＝１×２２２／ＦＯＳＣ８×ｆｃ

为确保得到正确的波形，应做到

（５）

［（ｍ×ＳＩＮＥ）／２１６］ｍａｘ≤ＺＥＲＯ

后根据异步电机的控制特性建立的正弦函数表和Ｖ／Ｆ调制表如表２所示。表１、

（６）

同时要确保数据取整时不引入较大的圆整误差，通常每个数据表中的最大数据应为总数据项的若干倍。最

２．３系统三相输出

该变频调速系统中，对逆变器要求同时输出三相对称电压。

在ＷＦＧ中，三相共用一个电压频率调制表和载波频率，唯一不同的是相位相差１２０°。在正弦函数表中，如果单片机查到了Ａ相的，就得到了Ｂ相正弦调制数数据，那么，将其查表指针后移２４０°

据；同理，后移１２０°，就得到了Ｃ相正弦数据。这样，在一个载波周期中，可以同时输出三路对称ＳＰＷＭ波。

若要改变电机的转向，只要将Ｂ相正弦调制数据和Ｃ相正弦调制数据交换即可实现。

２．４输出频率及电机转速调节

依据所设置的正弦函数表，能方便地调节逆变频率。在一个

调制周期中，载波个数是一定的，在每个载波中断内，对查表指针施加一个后移量。若后移量偏小，则查完整个正弦数据表所用的时间较长，相应的调制周期就长；反之亦然。因此，在载波中断程序中改变每次指针的后移量，就可以改变系统的输出频率，从而实现对电机转速的调节。

２．５主程序流程

主程序根据启动速率、Ｖ／Ｆ曲线，并通过对模拟量的采

集来制定控制策略，根据不同的载波比实时计算开关频率和三相脉宽值。Ａ／Ｄ转换采用查询方式实现，以避免中断嵌套引起ＳＰＷＭ波的偏移。由于采用了有完善保护功能的新型控制芯片８０Ｃ１９６ＭＣ，只要在ＷＧ－ＰＲＯＴＥＣＴ命令寄存器中写入相应的控制命令字，系统就能在发生故障时立即封锁脉冲，大大提高了系统运行的可靠性。主程序流程图见图５。

３结果分析

在载波频率为１５ｋＨｚ、输出基频为１５０Ｈｚ的条件下，对

系统输出波形进行了测量。其中电流波形如图６所示。由图

６可见，在载波频率很高时，较高幅值的高频谐波分量大部分

被具有低通特性的电机绕组所滤掉。而低次谐波分量很小，故电流波形接近于正弦波。

图５

主程序流程图

７０苏州科技学院学报（工程技术版）２００６年在系统调速实验中，对四极三相异步电动机进行负载实验。在保持三相输入电压不变的情况下，测量电电流值。在基频以下调速时，外加恒转矩负机基频以上及基频以下变频调速时的电机转速，以及输出电压、载；在基频以上调速时，外加恒功率负载。表３记录了相关的实验数据。

实验数据表明，通过变频变压调速，可以很好地实现基频以下和基频以上一定频率范围内的转速调节，其精度可达１ｒ／ｍｉｎ，且输出频率和转速都较稳定。

４结语

单片机８０Ｃ１９６ＭＣ能方便可靠地实现双极性ＳＰＷＭ调制，特别适用于高频逆变场合。而智能功率模块

驱动电路和保护逻辑电路集成于一体，并具有智能化保护功能，特别适合于电机控制和ＩＰＭ则将功率器件、

无源逆变器。实验结果表明，整个系统运行良好，稳定度高，调速范围宽，具有较强的实用价值。参考文献：

［１］陈伯时．交流调速系统［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９９．

［２］孙涵芳．Ｉｎｔｅｌ１６位单片机［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，１９９９．［３］陈坚．电力电子学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００２．

［４］ＭｕｈａｍｍａｄＨＲａｓｈｉｄ．ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ［Ｍ］．ＰｅａｓｒｏｎＰｒｅｎｔｉｃｅＨａｌｌ，２００３．

ＴｈｅＳｉｎｕｓｏｉｄａｌＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＶａｒｉａｂｌｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙＳｐｅｅｄ－ｒｅｇｕｌａｔｅｄＳｙｓｔｅｍ

Ｂａｓｅｄｏｎ８０Ｃ１９６ＭＣＭｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ

ＺＨＡＮＧＪｉａｎ－ｈｕｉ，ＸＵＹｉｎｇ－ｙｉｎｇ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＥａｓｔＣｈｉｎａＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ３３００１３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｓａｎｅｗｖａｒｉａｂｌｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｐｅｅｄ－ｒｅｇｕｌａｔｅｄｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎ８０Ｃ１９６ＭＣｍｉｃｒｏｃｏｎ－ｔｒｏｌｌｅｒａｎｄＩＰＭｐｏｗｅｒｍｏｄｕｌｅ．８０Ｃ１９６ＭＣｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓｔｈｅｃｏｒｅｏｆｔｈｅｖａｒｉａｂｌｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｐｅｅｄ－ｒｅｇｕｌａｔｅｄｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｓｉｎｕｓｏｉｄａｌｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｗａｖｅ－ｆｏｒｍｉｓｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｓｏｆｔｗａｒｅｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ，ｗｈｉｃｈｃｏｎｔｒｏｌｓＩＧＢＴ＇ｓｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇａｎｄｓｈｕｔｔｉｎｇｏｆｆ，ａｎｄｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ＇ｓｓｐｅｅｄｉｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｐｒｏｖｅｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｈｉｇｈｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ，ｗｉｄｅｒａｎｇｅｉｎａｄｊｕｓｔｉｎｇｓｐｅｅｄａｎｄｓｍａｌｌｃｏｎｔｅｎｔｏｆｔｈｅｗａｖｅｉｎｈａｒｍｏｎｙ，ｓｏｉｔｈａｓａｃｅｒｔａｉｎｐｒａｃｔｉｃａｌｖａｌｕｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：８０Ｃ１９６ＭＣｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒbｓｉｎｕｓｏｉｄａｌｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎbｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｖｅｒｔｅｒbａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ