83C251SB单片机在交流异步电机变频调速控制器中的应用

Vol.18　No.3July,2005

83C251SB单片机在交流异步

电机变频调速控制器中的应用

唐红雨,郑文彬

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(1.镇江市高等专科学校电子与信息系,江苏镇江　212003;2.江苏科技大学,江苏镇江　212003)

摘　要:本设计方案采用83C251SB型号单片机和SPWM波信号发生器SA4828组成一种结构简单、成本低、功能较好的变频控制器。关键词:单片机;SPWM;变频调速;SA4828

中图分类号:TP368.1　　　文献标识码:C　　　文章编号:100828148(2005)03200282040　引言

交流异步电动机因为结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、维护方便的特点,在生产和生活中得到广泛的应用。然而,长期以来,交流异步电动机的调速始终是一个不好解决的难题。直到20世纪70年代,由于计算机的产生,以及近20年来新型快速的电力电子元件的出现,才使得交流异步电动机的调速成为可能,并得到迅速的普及。目前,交流异步电动机的调速系统已广泛应用于风机、泵类、传送带、空调器等设备,并起到节约电能、提高设备自动化、提高产品产量和质量的良好效果。其中最常用的交流异步电动机调速控制技术就是变频变压法(VVVF)。1　变频变压控制原理根据电机学理论,由电机的转速公式n=60f(12s)/p知道,改变电源频率来实现交流异步电动机调速的方法与其他方法相比效果最好。同时,交流异步电动机的定子每相感应电动势的有效值为:ES=4.44fsNsKNsФm,在忽略定子阻抗压降时,认为定子相电压US≈ES,则磁通可以表示为:ФUs/Fs=const,这就是恒压频m=K・比(U/F)控制方式,即所谓的变频变压控制方式。

目前,多采用电压型PWM(脉宽调制)变频器同时实现变压变频控制的目的。通常电压型PWM变频器先将电源提供的交流电通过整流器变成直流,再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流电。其中常用的装置是PWM可控整流、PWM逆变器调压调频的交—直—交变压变频装置,如图1所示。

这样,虽然实现了变频与变压,但逆变电路输出的电压波形仍然是一组矩形波,而不是正弦波,仍然存在图1　交—直—交变压变频装置结构图高次谐波的成分,因此还要进行改进。其中一种方法

是将等宽的脉冲波变成宽度渐变的脉冲波,其宽度变化规律应符合正弦的变化规律,即SPWM波(正弦脉宽调制波),该波的产生的方法是:用一组等腰三角形与一个正弦波进行比较,其相等的时刻(即交点)作为开关管“开”或“关”的时刻。将这组等腰三角形波称为载波,而正弦波则称为调制波。正弦波的频率和幅值是

收稿日期:2004-09-02

作者简介:唐红雨(1975-),男,江苏句容人,讲师,主要从事自动控制等方面研究。

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可以控制的,改变正弦波的频率,就可以改变输出电源的频率,从而改变电动机的转速,改变正弦波的幅值,也就改变了正弦波与载波的交点,是输出脉冲系列的宽度发生变化,从而改变了输出电压。

通常,现在在大功率电机PWM控制中的逆变器大多采用第三代绝缘栅双晶体管IBGT;而对于小功率电机,为了减少成本,还可以采用有高速运算能力的单片机与集成芯片组合来完成此功能。在PWM控制中,逆变开关管的开关时间要有载波与调制波的交点来决定,在调制波的频率、幅值和载波的频率这3项参数中,不论哪一项发生变化,都使得载波与调制波的交点发生变化。因此,在每一次调整时,都要重新计算交点的坐标。显然,单片机的计算能力和速度可以完成这项任务。过去通常的做法是:对计算做一些简化,并事先计算出交点坐标,将其制成表格,放在ROM存储器里,使用时进行查表调用。但即使这样,单片机的负担也很重。为了提高单片机工作的效率,我们可以使用大规模集成电路芯片SA4828来产生SPWM波控制信号。2　控制器硬件设计2.1　硬件结构图

在单片机的选型上,我们采用Intel公司8位单片机MCS251系列中的83C251SB型号,这是MCS51系列的换代产品。该型号和51系列完全兼容,还吸收了16位单片机的许多特点和功能,其运行速度高于51系列5～15倍,其外接晶体可达16MHz;并且它还可以做16位、32位运算;另外,它还有16KB的内部ROM、1KB的内部RAM(均可位寻址)、128KB的外部RAM空间和KB的外部堆栈空间等。

83C251SB属于地址与数据复用类的单片机,因此,SA4828芯片的总线选择信号MUX引脚接高电平或者悬空不接。通过83C251SB的P0口与SA4828的AD口相连,提供8位数据和低8位地址,SA4828芯片中的地址锁存器可以锁存来自83C251SB的低8位地址,从而将AD口输入的地址与数据分开,SA4828的地址锁存器由83C251SB的ALE信号控制。SA4828的片选信号CS用83C251SB的P2.7引脚来控制,这样SA4828的寄存器R0～R5的地址地址为:0000H～0005H,虚拟寄存器R14,R15的地址:000EH、000FH。

SA4828的快速关断信号SETTRIP引脚接83C251SB的P1.0,使单片机能够在异常情况下封锁SA4828的输出。调制波频率信号ZPPR引脚接83C251SB的P3.2(INT0),测量调制波的频率,用于显示。SA4828的封锁状态信号TRIP引脚接一只发光二极管,当SA4828的输出时,发光二极管亮,用来指示封锁状态。SA4828的6个输出引脚RPHT、YPHT、BPHT、RPHB、YPHB、BPHB分别通过各自的驱动电路,来驱动逆变桥的6只开关管。控制器硬件结构框

图如图2所示2.2　外围电路

信号处理包括信号检测、信号调理和A/D,电压信号经检测采集后,必须经过信号调理,变为单片机所能接受的信号,再经A/D转换才能由CPU进行运算处理,在A/D通道输入端,可采用二极管进行过载保护,

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RC滤波器对尖峰类噪声进行抑制。EPROM在系统中的作用主要是为存储系统设定控制参数、故障信息、断电再启动的现场保护信息等。时钟信号与外部晶体振荡器和外部电容的连接方法如图2所示。外接的电容值要求并不十分严格,20pF对于工作在1MHz以上的质量较好的晶体振荡器都能获得良好的效果。

在电机数字控制系统中,对变频器的设定操作非常复杂,如设定电机的运行频率、电机的运转方向、V/F类型设定、加减速时间等,每个键号对应一个功能。因此,必须为用户提供一个友好的人机交互界面。为了减少主控芯片的计算负担,可采用单片机方案,即在键盘显示部分采用一块87C51单片机作为控制芯片,键

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图2　控制器硬件结构框图

盘显示与主控板之间利用串行口进行显示,显示部分由4位数码管显示和双行中文液晶显示。

CPU在给电期间,电源电压处于上升过程中,且CPU的逻辑状态也不确定,三总线电平也处于未知状态,因此系统上电过程应维持在复位状态;CPU掉电时,电压下降过程中,当电压低到一定程度,CPU也处于未知状态,系统在掉电时也应维持在复位状态。维持复位状态的目的是防止CPU执行操作码时发生错误,这对于断电数据在外RAM中存储具有十分重要的意义,因而,必须有电源监控。同时,它可以对电源故障

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进行报警或为掉电准备,必要时将数据存入EPROM中。3　控制器软件设计3.1　主程序设计主程序的基本思想是:开机初始化参数以后,就向上位机查询电机状态、故障状态和运行参数,并进行相应的处理,其中键盘扫描用来判断有无键按下。同时,为了显示调制波频率,我们可以利用单片机的定时器T1和INT0来测量ZPPR输出脉冲的两次下降沿时间间隔,其倒数就是频率。其中,看门狗的作用是:在单片机失去控制时,看门狗会立即封锁输出,即关断SPWM波的输出。主程序流程图如图3所示。3.2　子程序设计3.2.1　键盘扫描子程序设计

其基本思想是:程序运行后,对键盘进行初始化扫描,判断是否有键按下,若有键按下,判断该键键号(功能),由此键调相应的工作子程序。子程序运行完后,跳回监控状态,然后继续对键盘进行扫描,等待操作人员下一次按键。3.2.2调速子程序设计

用户可以通过键盘设定一个电机转速,通过键处理程序进行转换,变成调制波频率值fpower,并将其存入内部RAM单元40H中。通过查U/F曲线表,可以得到与调制波频率比对应的调压比Apower,也存入内存单元41H中。其他控制参数如:正反转、输出封锁、看门狗、相计数器复位,这些变量也存入相应的存储区,通过指令可以改变它们的值。其中调制波频率控制字和调制波幅值控制字的计算如下:

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2×fpower255×Apower

nPFS=,nA=,其中france代表调制波频率范围

france1003.2.3　计算子程序设计

图3　主程序流程图

以上这些计算就必须用到相应的运算子程序,如双字节无符号数除法子程序、

双字节乘/除法子程序。3.2.4　中断服务子程序设计

在本系统中有两个中断源:T1和INT0。中断的功能是计算ZPPR输出的调制

波频率。由于调制波频率较低,因此用T1溢出中断来记录一个ZPPR周期中T1溢出的次数,这个次数保存到内存单元30H中。T1的TH1,TL1单元中的内容分别送入31H,32H中去。这样,在INT0一个中断间隔里,所用时间(即ZPPR周期)是3个字节数(三个单元)。其中,INT0中断流程图如图4所示。本例单片机使用12MHz

图4　INTO中断流程图6

的时钟频率,所以调制波的频率的计算公式为fpower=10/TZPPR。3.2.5　其他子程序设计

有键盘显示,那么就要有相应的显示子程序。另外,U/F曲线表的数据要事先算好,存入内部ROM中。4　结束语

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本控制器结构简单,和大功率器件变频控制器相比成本低,适用于中小功率电机,控制方便,运用前景广泛。参考文献:

[1]谢筑森.单片机开发与典型应用设计[M].合肥:中国科技大学出版社,1997.[2]王晓明.电动机的单片机控制[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.[3]李永东.交流电机数字控制系统[M].北京:机械工业出版社,2003.

[4]王勇.嵌入式单片机8XC251用户指南[M].北京:北京航空航天大学出版社,1997.

〔责任编辑:卢　蕊〕

Applicationof83C251SBone2chipcomputertoACmotor

variablefrequencyandspeedconversioncontroller

TANGHong2Yu　ZHENGWen2Bin

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(1.Electron&InformationDepartment,ZhenjiangCollege;2.JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang,212003,China)

Abstract:Theplanismadeupof83C251SBone2chipcomputerandSA4828integration2chipofSPWMwavesig2nal,whichisasimple2structure,low2costingandwell2functionedvariablefrequencycontroller.Keywords:One2chipcomputer;SPWM;variablefrequencyandspeedconversion;SA4828(上接第23页)4　结束语

本文利用遗传算法的全局寻优和较高的搜索效率的特点,将其运用到智能组卷的试卷模型结构搜索中,

使产生试卷模型结构的速度得到了明显的提高,且精度较高。由于试卷结构是随机产生,不同难度系数的分值与组卷中的要求不一定吻合,这将给组卷带来一定的难度。参考文献:

[1]尹朝庆.人工智能与专家系统[M].北京:中国水利水电出版社,2001.[2]郭胜康.光学试题库[M].青岛:青岛海洋大学出版社,1993.

[3]黄力明.试题库管理系统的设计与实现[J].江苏广播电视大学学报,1999,10,(4):76-78.

〔责任编辑:卢　蕊〕

Applicationofthegeneticalgorithminintelligenlized

examinationpapermaking

HUANGli2ming

(Electron&InformationDepartment,ZhenJiangcollege,ZhenJiang212003,China)

Abstract:Geneticalgorithmcanbeappliedinintelligenlizedexampapermaking.Wecantakeadvantageofitswighefficienlyandpeculiarabilitytofindtherequiredtestpapermodel.Theresultofcalculationshowsthattheal2gorithmhashighersearchingefficienlyandaccuraly.

Keywords:geneticalgorithm;intelligencelizedexaminationpapermaking,searchingthebestsolutioninallfields.

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