單片機設計變頻器

1、目錄1 .引言22 .芯片特性簡介23.1 AT89S52單片機功能介紹23.2 芯片SPMC75F2413A性43 .系統(tǒng)總體方案介紹5這個系統(tǒng)的功能：6系統(tǒng)工作流程：64 .系統(tǒng)硬件設計65 .變頻器系統(tǒng)軟件設計7該系統(tǒng)核心驅動部分的結構如圖5-1。7子程序的流程如圖5-208系統(tǒng)主流程圖9變頻器運行過程中參數(shù)調整模塊設計9變頻器采樣及故障檢測模塊設計10定時器中斷模塊設計116 .總結137 .參考文獻13一.引言變頻器是從上世紀中葉發(fā)展起來的一種交流調速設備。它是為了解決傳統(tǒng)的交流電機調速困難、傳統(tǒng)的交變速設備不但結構復雜且效率和可靠性均不盡人意的缺點而出現(xiàn)的。由于其使交流電機的調速范

2、圍和調速性能均大為提升，因此交流電機逐漸代替直流電機出現(xiàn)在各種應用領域，即便是以往只可能是直流電機出現(xiàn)的伺服控制領域。隨著電力半導體長足發(fā)展，變頻器也隨之不斷進步。今變頻器已深入我們的日常生活，隨處可見其為我們服務的身影。本文主要介紹設計一種較為通用的變頻器，控制器采用AT89S52單片機，對變頻的控制算法進行分析設計，利用恒壓頻比方式控制變頻器工作，得出程序算法的流程圖和硬件電路設計圖，本文所設計的系統(tǒng)具備以下功能:括電機驅動、異常事件處理、運行參數(shù)的設置、信息狀態(tài)管理、通信鏈路接口、人機交互接口等幾部分。二.芯片特性簡介控制電路的設計是變頻器設計的關鍵，傳統(tǒng)的變頻器采用模擬器件實現(xiàn)，因模擬

3、器件受溫度的影響而嚴重影響其性能，所以系統(tǒng)設計采用AT89S52單片機SPW時用集成芯片配合來實現(xiàn)逆變控制器6個IGBT的通斷。2.1AT89S52單片機功能介紹AT89S52單片機為40引腳芯片如圖所示，具有PDIP,PLCC和TQFP3鐘封裝形式。各引腳的功能如下：P0口一一8位、開漏極、雙向I/O口。當用做通用I/O口時，每個引腳可驅動8個TTL負載；當用做輸入時，每個端口首先置1。P0口也可用做訪問片外數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器時的低8位地址/數(shù)據(jù)總線的復用口。這種情況下，P0口內含上拉電阻。在Flash編程時，P0口輸入代碼數(shù)據(jù)；在Flash校驗時，P0口輸出代碼數(shù)據(jù)。在進行編程校驗時，

4、需外接10KQ的上拉電阻。P1口8位、雙向I/O口，內含上拉電阻。口為用戶使用的通用I/O口，每個引腳可驅動4個TTL負載。當用做輸入時，每個端口首先置1。和P1.1引腳也用做定時器2的外部計數(shù)輸入(P1.0/T2刖觸發(fā)器輸入(P1.1/T2DX)。在編程和校驗期間，P1口可輸入低字節(jié)地址。,P2口8位、雙向I/O口，內部具有上拉電阻。口可用做通用I/O,可以驅動4個TTL負載。對P2口各位寫入1,可作為輸入。每個引腳由外部負載拉為低電平時，經(jīng)由內部上拉電阻向外輸出電流。U119182930312_34_56_7_工XTAL1XTAL2RSTPSENALEEaP1.0/T2P1.1/T2EXP

5、1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT?P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD393837363534333221222324252627281011121314151617AT89C52在訪問16位地址的外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器時，P2口提供高8位地址

6、。用MOVXDPTR類指令訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時,P2口為高8位地址（即PCH）;用MOVXR0和MOVXR1類指令訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口上的內容是SFRP2的內容。在編程和校驗時，P2口接收地址線的高位和一些控制信號?？?位、雙向I/O口，內部含有上拉電阻。P3q可用彳物！用I/O口，可驅動4個TTL負載。當用做輸入熟，要先將P3口各位置如外部負載將P3口拉低，則經(jīng)過上拉電阻向外輸出電流。在編程和校驗時，P3口接收某些控制信號。一一地址鎖存允許/編程脈沖輸入。一一外部程序存儲器讀選通，低電平有效。一一片外程序存儲器訪問允許。XTAL1和XTAL2XTAL1是片內振蕩器反相放大器和時鐘發(fā)生

7、器的輸入端，XTAL2是片內振蕩器反相放大器的輸出端。2.2芯片SPMC75F2413A性基于智能功率模組芯片和SPMC75F2413A現(xiàn)的通用變頻器方案,下面介紹SPMC75F2413A特性。SPMC75F2413Al仙nSP系列產品的一個新成員，是凌陽科技新推出的一個16位結構的微控制器。與其它廠nSP產品不同的是，SPMC75F2413A:要應用在工控或是家電的變頻驅動領域。由于其擁有出色性能定時器PWM9號發(fā)生器組。因此，SPMC75F2413A以方便的實現(xiàn)各種電機驅動方案。SPMC75F2413A4.5V5.5V工作電壓范圍內的工作速度范圍為024MHz擁有2K字SRA防D32K字閃

8、存ROM64個可編程的多功能I/O端口；5個通用16位定時器/計數(shù)器，且每個定時器均有PWM：生的事件捕獲功能；2個專用于定時可編程周期定時器；可編程看門狗；低電壓復位/監(jiān)測功能；8通道10位模-數(shù)轉換。SPMC75F2413A電機控制領域有相當優(yōu)秀的表現(xiàn)。特性包括：凌陽16位nSP處理器(ISA1.2);工作電壓：內核：4.5V5.5V;最高運行速度：24MHz工作溫度：-40C85C；芯片內存儲器：32KW(32KX16)Flash2KW(2KX16)SRAM基于時鐘發(fā)生模塊的鎖相環(huán)電路；看門狗定時器10位模/數(shù)轉換器8通道輸入10us(100kHz)轉換時間；串行通訊接口通用異步用彳亍通

9、訊接口(UART)標準外圍接口(SPI);總計64個通用輸入輸出管腳；電源管理2種低功耗模式：Wait/Standby每個外設都可以獨立的供電；兩個比較匹配定時器；5個16位通用定時器；2個用于脈寬調制，2個用于速度捕獲，1個用于速度反饋環(huán)；MCP定時器3支持TIO3ATIO3F,MCP定時器4支持TIO4ATIO4F;脈寬調制定時器支持遞增/遞減計數(shù)；PDC定時器0/1均支持3通道的TIO0ATIO0C輸入捕獲；TPM定時器2支持捕獲/脈寬調制；12個16位脈寬調制輸出；2通道的電機驅動脈寬調制輸出(互補的3相6路脈寬調制輸出)；TIO3ATIO3F利用MCP定時器3工作，TIO4ATIO4

10、F利用MC癥時器4工作；中心(center)或邊沿(edge)脈寬調制輸出；通過外部錯誤保護管腳進行脈寬調制輸出保護；可編程的死區(qū)控制(Deadtimecontrol)；脈寬調制服務和錯誤中斷發(fā)生；具備驅動交流感應電機和直流無刷電機的能力；內嵌在線仿真功能；三.系統(tǒng)總體方案介紹本通用變頻器系統(tǒng)主要由凌陽十六位單片機SPMC75F2413A三凌的IPM功率模組芯片PS21865A且成，系統(tǒng)框圖如圖3-1。電流傳感電源供應圖3-1系統(tǒng)電圖這個系統(tǒng)的功能:系統(tǒng)運行參數(shù)可調化，以適應不同應用的需要；擁有實時的信息和狀態(tài)顯示，主要用于當前系統(tǒng)的狀態(tài)信息顯示和人機接口的一部分；帶有系統(tǒng)參數(shù)設置和控制用的鍵

11、盤；擁有8個數(shù)字控制端口，以方便用戶的遠程操控，端口的具體功能可通過設置來更改；具備模擬控制接口；完備的系統(tǒng)保護功能，在系統(tǒng)異常時保護系統(tǒng)不受損壞。系統(tǒng)工作流程：主控MCU接收根據(jù)設置來自鍵盤和數(shù)字或是模擬接口的控制信息合成驅動電機驅動所用的驅動信號，信號經(jīng)IPM功率變換后驅動電機。同時主控MCUfe隨時監(jiān)視系統(tǒng)的運行，一旦出現(xiàn)異常便會立即保護，同時報警，以提醒用戶進行處理。四.系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)驅動部分的電路原理圖如圖4-1。其中PS21865A內部是一個三相的功率橋相應驅動電路，用于實現(xiàn)SPWMW號到驅動電機的功率變換功能。SPMC75F2413Al片機的主要作用：.產生驅動電機所需的SPW

12、M1號。.完成人機交互，方便用戶對系統(tǒng)的控制。.處理相關的異常信息，確保系統(tǒng)的安全可靠。SPMC75F2413庶生的三相互補的PWMW號經(jīng)由芯片的IOB05輸出，控制PS21865Al勺三相全橋電路，信號經(jīng)功率合成放大后從OUT_UOUT_VOUT_W3個端子輸出并控制電機。同時，U相和W目的信號還會通過皿流互感器，為系統(tǒng)控制提供電流傳感信號。SPMC75F2413A勺IOB6是錯誤偵測輸入端，通過對其傳回信號的檢測，一旦PS21865AB現(xiàn)工作異常(如過壓、欠壓、過流、過熱)，驅動硬件會立即禁止PS21865Ax作，同時申請中斷，請求CPUt理。圖4-1中的電阻是上拉電阻，因PS21865A

13、勺故障輸出信號是集電極開路輸出的，同時這個信號是低有效的。0123456OEOBOBOKOBOBOBIIIIIIISPMC75F2413APS21865A。HVDE_310VO口叫UQ0UT_VOQUT。HGHE圖4-1系統(tǒng)電路原理圖五.變頻器系統(tǒng)軟件設計整個系統(tǒng)軟件分為三部分：.電機的核心驅動程序，這部分主要是產生電機驅動所用的SPWM1號發(fā)生器，和一些相關的驅動服務程序；.系統(tǒng)控制程序；.人機接口界面程序；該系統(tǒng)核心驅動部分的結構如圖5-1。在這里使用直接數(shù)字頻率合成的方法去實現(xiàn)SPW腑號的產生，只不過是用PW吸:生器替代了DAC這部分2構(除PWMie生模塊)將在PWMJ周期中斷中用軟件

14、實現(xiàn)。這里的調制系數(shù)計算和乘法器主要是為實現(xiàn)波形的幅度控制和電源波動補嘗用的波形合成的PWMB期中斷服務。直流干線電壓目標電壓相位累加器正弦查找表調制系數(shù)計菖調制系數(shù)乘法器F夏生模塊圖5-1驅動結構子程序的流程如圖5-2程序首先判斷是否有波形參數(shù)更新，以此實現(xiàn)波形參數(shù)的一次性同步更新，以防止參數(shù)修改不同步對發(fā)生信號的影響。而后程序會根據(jù)圖5-1的結構流程依次執(zhí)行，完成后返回。波形繆數(shù)旻新（中斷返回）圖5-2中斷服務子程序流程圖系統(tǒng)控制部分是整個系統(tǒng)協(xié)調的心臟。整個系統(tǒng)都在其協(xié)調下有條不紊的工作。這部分主要是根據(jù)系統(tǒng)設置和當前系統(tǒng)的狀態(tài)給出相應的控制信息，以確保系統(tǒng)的可靠運行。人機接口界面程序。

15、這部主要是為用戶提供一個簡單易用的交互接口，以方便用戶對變頻器的可靠控制。包括變頻器的起停、各種運行參數(shù)的設置都在這一層面上執(zhí)行。系統(tǒng)主流程圖如圖5-3所示，主程序主要負責各個模塊的運行調度：首先系統(tǒng)運行前，先對系統(tǒng)相關參數(shù)、部件進行初始化；其次，當某模塊需要運行的時間到時，就調用相關模塊運行。總體來說，可以認為本系統(tǒng)采用分時輪轉的系統(tǒng)運作模式。系統(tǒng)主要包括的模塊（任務）有：鍵盤掃描處理模塊、顯示模塊、運行參數(shù)調整模塊、采樣和故障檢測模塊等。變頻器運行過程中參數(shù)調整模塊設計變頻器在運行過程中，會實時的根據(jù)負載的大小來調節(jié)運行狀態(tài)，而此運行狀態(tài)則是通過調節(jié)SPW帔的頻率和幅值來實現(xiàn)的。在變頻器運

16、行過程中分為以下幾個狀態(tài)。力口速態(tài)（ACC）、工作態(tài)（WORK）、減速態(tài)（DEC）、制動態(tài)（BRAKE）和停止態(tài)（STOP）;在設計中還應主要一些保護功能的開啟，比如防跳閘功能，具體情況參見圖5-4所示,fs為設定頻率，fe為基頻，通常為電機的額定頻率。M二f國史fN=f?/fsM-fCfs)N二f?注0隹3圖5-4變頻器運行參數(shù)調整模塊流程圖變頻器采樣及故障檢測模塊設計本系統(tǒng)設計采用ADC0809故為采樣芯片對5個通道采樣，分別為：直流側電壓、2相交流電流、外部模擬電壓輸入、外部模擬電流輸入。采樣到的值被送入各自變量中去，故障檢測模塊對是否過流、過壓、欠壓等故障做出判斷，并設置故障狀態(tài)變量為

17、不同的狀態(tài)值，以便其他模塊獲取系統(tǒng)的故障狀態(tài)。需要提出的是，在欠壓時，流程圖中體現(xiàn)了AVR功能，自動調整了U/f曲線。流程圖見圖55所小Nfn=(SairpleU/Un)Xfn用f重新描繪f(fs)曲線力圖5-5采樣及故障檢測模塊流程圖定時器中斷模塊設計T0的主要任務是：一方面將計算得到的t1,t2,t3這3相脈寬值送給外部的SPWMt生器進而產生頻率和幅值可調的SPW跛；另一方面在系統(tǒng)為制動狀態(tài)下時，保持脈寬不變，給電機輸入直流電。總而言之，T0是實際產生波(交流的、直流的)的程序模塊，如5-6所示。而T1相當于時分系統(tǒng)的心跳，主要負責各個模塊的定時調度。某模塊定時到時，將在主程序中被調用執(zhí)行。匚開始D給電機通直流電保持脈寬及橋的通斷狀態(tài)不變圖5-6定時器T0、T1中斷服務程序流程圖五.總結本次課程設計讓我加深了對課本知識的進一步認識和理解。在得到任務并且通讀了一遍后，完全不知道應該從哪入手但是后來通過查資料和向懂得