基于单片机控制的交流异步电动机调速装置设计

易 群 江西交通职业技术学院 江西南昌 330013

【文章摘要】

为了降低交流异步电动机调速装置的成本和提高其工作的可靠性，本文设计了基于单片机控制的交流异步电动机调速装置。本系统的单片机采用专门为三相电机变频调速系统设计的80C196MC，以单片机控制电路专用集成芯片SM2001 生成SPWM 波， 并对系统的硬件系统和软件系统进行了设计，设计的系统比较稳定，切实可行。

【关键词】

交流异步电动机调速装置； 80C196MC ；SM2001 ；设计

0 引言

传统的交流变频调速系统的变频调速控制是由脉宽调制波实现的，系统采用模拟控制，可靠性和控制精度都较低，本文设计的基于单片机控制的交流异步电动机调速装置，以单片机80C196MC 为核心实现全数字控制，电路简单，便于调整， 提高了系统的控制精度和可靠性，并且形成的波形也十分稳定。

1 装置的工作原理

基于单片机的交流变频调速系统从结构上主要分为执行部分和控制部分两部分。系统执行部分为三相交流异步电动机；控制部分包括单片机、整流模块、通讯接口、IPM 逆变器、时钟电路、转速检测、光电耦合、故障检测等。

基于单片机的交流变频调速系统装置的工作原理为：转速传感器采集到电机转速信号，并将其转换成矩形脉冲信号，然后经光电隔离进入单片机计数器得到电机的实际转速值，然后将此值和设定的转速进行比较，经控制器调节之后，单片机产生的PWM 波经线性光耦进行电气隔离后作用于逆变模块IPM，从而实现电机的闭环变频调速。电压传感器和霍尔电流将检测到的逆变模块输出的三相电压和电流信号，经采样保持进入单片机完成A/D 转换，然后由CPU 进行处理。需要通过整流电路对380V 电源进行全桥整流从而得到逆变模块工作时需要的直流电压信号。

基于80C196MC 的变频调速系统的原理框图如图1 所示。本系统采用专用集成电路芯片SM2001 为控制核心， 逆变电路的功率器件选用智能功率模块PM50RSAl20，主要由主电路（整流电路和滤波电路）、控制电路、光耦驱动电路、逆变电路、过压保护电路、80C196MC 控制电路和人机接口电路组成。

2 单片机实现SPWM 波

系统的单片机选用Intel 公司的单片机80C196MC，它是专门为三相电机变频调速系统设计的。它的晶振频率高达16M，数据和地址总线都是16 位，数据存贮器空间和程序存贮库空间为64K 字节， 16 位定时器2 个，13 路模拟输入通道， 三相波形发生器（WFG）1 个，片内还包含160 字节的特殊功能寄存器组和512 字节的RAM。

2.1 SPWM 波形

SPWM 技术的基本原理就是比较三角波载波和正弦波得到一个脉冲序列，并且该序列的宽度变化根据正弦规律进行，以此驱动逆变器开关管完成开关转换。由于SPWM 参数在计量过程中在的变化较大，变化速度也特别快，所以如果SPWN 波发生器由分立元件构成，电路结构十分复杂，并且调试的难度比较大，效果不理想。单片机技术的计算功能十分强大，而且计算速度较快，但是由于三角波载波和正弦波计算时工作量较大，所以采用单一的单片机产生SPWN 波的速度慢，需要对其进行改进。近年来，随着计算机数字化技术的发展，SPWM 专用集成芯片逐渐受到关注，并且应用越来越广泛，其功能也十分强大，提高了运算的速度。本系统中采用的SPWM 波集成芯片为SM2001。

2.2 SM2001 芯片简介

SM2001 芯片是大规模的集成电路芯片，专为变频电机系统设计的，应用十分广泛，其应用范围包括变频洗衣机、变频空调及变频冰箱、各类不间断的逆变电源（UPS）及各种工业水泵、风机的变频驱动等。SM2001 电路内部集成有三线串行接口、双波形正弦发生器、PWM 波形发生器、死区时间、窄脉冲控制电路幅度因子乘法器、启动电路和保护电路等，其封装采用DIP18 塑封。

芯片SM2001 的PWM 输出端口有6 个，其采样方法基于双边沿规则产生6 路PWM 输出波形，分别驱动V、U、W 三相桥式功率开关，每相的信号输出由2 路TTL 电平兼容的管脚实现。该信号通常是通过外部的光耦等隔离器件实现桥式电路的驱动，2 个信号分别对某相的上半桥臂和下半桥臂进行驱动。在PWM 合成正弦波时，涉及的参数较多，需要对多个参数如三相正弦波的幅度和频率、PWM 波的频率等进行确定。在设置芯片SM2001 的控制程序时，这些参数的实时调节都可以通过一个高速串行口实现。

3 单片机变频调速装置的程序设计

本系统的最小系统控制板采用SM2001 芯片产生SPWM 波，因此程序要对SM2001 芯片进行初始化设计，由于在中断的情况下，芯片也能正常工作，所以我们在设计程序时可以采用中断方式模式。由于周期较长，频率较低，所以中断方式采用定时中断，定时器T0 初值大于十六位，还要用到定时器T0 的溢出中断， 因此本程序要用到两个中断服务程序，程序设计为三个部分。

3.1 主程序

主程序的任务主要是初始化的设计， 即对定时器T0 和SM2001 同时进行有关参数初始化预置。

3.2 中断服务调速子程序

控制模式由闭环控制和开环控制两种，本装置采用的控制模式为闭环控制， 在设计中断调速服务程序时，分为三个子程序来编制：TLV2548A/D 转换器模数转换子程序；控制程序子程序；采样值与标准值对比，并将二者的差值转换成调制频率与电压幅值子程序。程序处理思路：采样值经过TLV2548 模数转换成数字信号存贮在RAM 固定单元，然后用存贮值和RAM 中的标准值进行对比，将得到的差值进行处理，然后将其转换成调制频率值和电压幅值存入RAM 中的某固定单元，通过数据总线AD0-AD7 传送给SM2001 控制寄存器R0-R2。然后输出SPWM 调速波，实现电动机调速的转速的闭环控制。

3.3 通用子程序的设计在系统程序设计中涉及到了乘法和除法子程序，此两种程序可调用通用子程序，然后根据实用调速子程序中的部分参数进行改编。程序设计时要合理分配RAM 中的地址，要注意标准值的预置。

4 结束语

本文中对硬件部分和软件部分进行了简单的设计，需要在使用过程中加强后期维护，一旦发现问题及时进行解决。变频调速技术在机电设备和自动化设备中的应用，将会产生更好的社会和经济效益。

【参考文献】

[1] 蔡振江. 单片机原理及应用[M]. 机械工业出版社,2011,8.

[2] 王水平. 控制与驱动器使用指南及应用电路[M]. 西安电子科技大学出版社,2009,8.

图1 基于80C196MC 的变频调速系统原理方框图