摘 要:变频调速以其广泛的应用范围、优异的调速性能和节能高效等优点被广泛应用。本文基于80C196MC单片机,构建了变频调速系统,住要进行了变频调速系统的硬件设计。
关键词:80C196MC单片机电动机变频调速硬件设计
中图分类号:TP27文献标识码:A文章编号:1674-098x(2011)02(b)-0024-01
随着智能功率模块以及新型电力电子器件的研发,以及计算机技术的应用和现代控制理论的发展,在交流调速技术领域也出现了不少新的控制策略,交流调速已经开始全面取代直流调速。在这其中,变频调速以其广泛的应用范围、优异的调速性能和节能高效等优点被广泛应用。本文拟基于80C196MC单片机,实现对异步电机的变频调速系统的硬件设计。
1 变频调速系统介绍
本文所设计的单片机控制的变频调速系统主要组成部分为由滤波环节、整流器、逆变器、控制回路及检测环节等。其主要特点为:
1)系统采用典型交-直-交电压源型变频器结构作为其主电路,为限制过大的充电电流,设置串联限流电阻R1。否则,在不用限流电阻的情况下,会有相当大的充电电流在系统合闸时出现,可能会导致滤波大电容和整流模块烧毁。只在电容刚开始充电时,限流电阻才进行限流,继电器K当电容两端的电压充到一定值时会有吸合动作,目的是短路限流电阻R1。
电路中电阻R4、二极管VD、和电容C2构成一个典型的吸收缓冲电路。用电阻R2和R3分压进行电容电压的检测,分别控制过压保护电路和继电器K。采用三菱公司智能 IGBT 模块作为功率器件。功率器件具有可靠性高、驱动电路简单等优点,内含过流、过压、过热保护。
2)系统控制电路的构成有 80C196MC 的电路板,以及以80C196MC为核心分别扩展的模拟信号处理板和数字信号处理板,完成的功能包括频率给定、低频补偿给定、按键选择调制方式及显示等,在综合处理各种故障信号后,将最终的总的故障信号传输至EXETINT 故障中断入口。
2 系统主电路的设计
在系统主电路的设计中,本文以三相异步电动机为例,对各个部分电路作用原理及元件参数机型详细介绍。三相笼型异步电动机参数为:UN=220V,PN=100W, n=1400r/min,IN=0.48A, 使用Y接法。
2.1 滤波电路的设计
直流电压脉动来自整流电路输出的直流电压、负载变化以及逆变部分产生的脉动电流,因此电容滤波环节的设计是很重要的。单相整流输出平均直流电压在没加滤波环节时,为:
VDC=2*U相/π=0.9*220=198V
单相整流输出平均直流电压在加上滤波电容后,V DC的值约为有效值的1.2～1.25倍,即
VDCP=(1.2～1.25)*220=264～275V
理论上,滤波电容越大越好,考虑到价格和体积,选用两个450V、330μf的电容机型并联,耐压值为450V,总电容量为660μf。
2.2 IPM的选择
选用IPM(智能功率模块)作为逆变电路的功率器件,该模块内含欠压、过流、短路、过热等保护电路以及栅极驱动电路、逻辑控制电路,模块的主电路部分一共包括五个端子,即三相交流电压输出端U、V、W,以及直流电压输入端+、-,模块的控制部分共包括十八个端子,用于故障信号输出及驱动电源,以及PWM信号输入等,4组+15V电源构成驱动电源,通过光耦合器隔离后,输入单片机生成的 PWM 信号。该智能模块的应用,提高了变频系统的可靠性与性能,同时减小了体积。
2.3 保护电路的设计
为了更好的保护IGBT器件及提高系统的可靠性,虽然已经将过流、过热等保护设置在IPM模块中,但防止各种故障,在本文的设计中仍然设置了保护环节,包括系统的过压保护、过流保护和限流启动装置等内容。系统的启动电流当电机启动时会很大,在发生过流故障时,过流保护电路输出一个电信号,送入单片机的EXTINT中断口,单片机将立即停止运行及封锁PWM 输出。
2.4 系统的控制电路
控制回路采用专用变频芯片 80C196MC,内含PWM共为输出,可直接驱动驱动电路的光电耦合器和隔离控制电路。
在异步电动机变频调速系统的设计中,变频芯片80C196MC的资源分配为:
1)P3、P4口:用于构成程序存贮器的16bit地址总线和16bit数据总线。2)WG1～WG3:用于控制构成逆变器的IPM,输出三相PWM波形。3)EXTINT:用于系统的过流保护与过压保护。4)设置输入频率和改变u/f(低频补偿)是通过接于A/D转换器输入端ACH2和ACH1。5)利用P0.4～P0.7和P1.0～P1.3(在P0和P1口),具备外接按钮开关,用于停止、起动、复位、故障、调制模式以及调制方法的选择。
3 结语
本文基于80C196MC单片机,构建了变频调速系统,住要进行了变频调速系统的硬件设计。在电机控制引入高速度的单片机之后,PWM 的实现更加方便、准确。
参考文献
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