单片机设计变频器

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1、目录一. 弓I 言2二. 芯片特性简介22.1AT89S52单片机功能介绍22.2 芯片 SPMC75F2413A 特性4三. 系统总体方案介绍53.1这个系统的功能：63.2 系统工作流程：6四. 系统硬件设计6五. 变频器系统软件设计75.1该系统核心驱动部分的结构如图5-1。75.2子程序的流程如图5-2。85.3系统主流程图95.4变频器运行过程中参数调整模块设计95.5变频器采样及故障检测模块设计105.6定时器中断模块设计11五. 总结13六. 参考文献13一. 引言变频器是从上世纪中叶发展起来的一种交流调速设备。它是为了解决传统的 交流电机调速困难、传统的交变速设备不但结构复杂且

2、效率和可靠性均不尽人 意的缺点而出现的。由于其使交流电机的调速范围和调速性能均大为提升，因此 交流电机逐渐代替 直流电机出现在各种应用领域，即便是以往只可能是直流电 机出现的伺服控制领域。随着电力半导体长足发展，变频器也随之不断进步。今变频器已深入我们的日常生活，随处可见其为我们服务的身影。本文主要介绍设计一种较为通用的变频器，控制器采用AT89S52单片机，对 变频的控制算法进行分析设计，利用恒压频比方式控制变频器工作，得出程序算 法的流程图和硬件电路设计图，本文所设计的系统具备以下功能：括电机驱动、 异常事件处理、运行参数的设置、信息状态管理、通信链路接口、人机交互接口等几部分。二. 芯片

3、特性简介控制电路的设计是变频器设计的关键，传统的变频器采用模拟器件实现， 因模拟器件受温度的影响而严重影响其性能，所以系统设计采用AT89S52单片机SPWM专用集成芯片配合来实现逆变控制器6个IGBT的通断。2.1 AT89S52单片机功能介绍AT89S52单片机为40引脚芯片如图所示，具有PDIP，PLCC和TQFP3钟封 装形式。入各引脚的功能如下： P0 口8位、开漏极、双向I/O 口。当用做 通用I/O 口时，每个引脚可驱动8个TTL负载；当用做输入时，每个端口首先 置1。P0 口也可用做访问片外数据存储器和程序存储器时的低8位地址/数据总 线的复用口。这种情况下，P0 口内含上拉电

4、阻。A在Flash编程时，P0 口输入代 码数据；在Flash校验时，P0 口输出代码数据。在进行编程校验时，需外接10KQ 的上拉电阻。Ae P1 口8位、双向I/O 口，内含上拉电阻。AP1 口为用户使 用的通用I/O 口，每个引脚可驱动4个TTL负载。当用做输入时，每个端口首 先置1。AP1.0和P1.1引脚也用做定时器2的外部计数输入(P1.0/T2)和触发器输 A(P1.1/T2DX)O A在编程和校验期间，P1 口可输入低字节地址。 P2 口8 位、双向I/O 口，内部具有上拉电阻。AP2 口可用做通用I/O,可以驱动4个TTL 负载。对P2 口各位写入1，可作为输入。每个引脚由外

5、部负载拉为低电平时， 经由内部上拉电阻向外输出电流。A191829303112345678XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6RSTP0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10PSENP2.3/A11ALEP2.4/A12EAP2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P1.0/T2P3.0/RXDP1.1/T2EXP3.1/TXDP1.2P3.2/INT0P1.3P3.3/INT1P1.4P3.4/T0P1.5P3.5/T1P1.6P3.6/WRP1.7P3.7/RDU1AT8

6、9C52393837363534333221 F 23 24 25 26 27 281011121314151617在访问16位地址的外部程序存储器和数据存储器时，P2 口提供高8位地址。 用MOVX DPTR类指令访问外部数据存储器时,P2 口为高8位地址（即PCH）； 用MOVX R0和MOVX R1类指令访问外部数据存储器时，P2 口上的内容是 SFR P2的内容。A在编程和校验时，P2 口接收地址线的高位和一些控制信号。 AP3 口8位、双向I/O 口，内部含有上拉电阻。A P3 口可用做通用I/O 口， 可驱动4个TTL负载。当用做输入熟，要先将P3 口各位置如外部负载将P3 口 拉

7、低，则经过上拉电阻向外输出电流。A在编程和校验时，P3 口接收某些控制信 号。A地址锁存允许/编程脉冲输入。A外部程序存储器读选通， 低电平有效。A 一一片外程序存储器访问允许。A XTAL1和 XTAL2 XTAL1是片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端，XTAL2是 片内振荡器反相放大器的输出端。2.2 芯片 SPMC75F2413A 特性基于智能功率模组芯片和SPMC75F2413A实现的通用变频器方案，下面介绍 SPMC75F2413A 的特性。SPMC75F2413A是p nSP系列产品的一个新成员，是凌阳科技新推出的一 个16位结构的微控制器。与其它p nSP产品不同的是，SP

8、MC75F2413A主要应 用在工 控或是家电的变频驱动领域。由于其拥有出色性能定时器PWM信号发生 器组。因此，SPMC75F2413A可以方便的实现各种电机驱动方案。SPMC75F2413A在4.5V5.5V工作电压范围内的工作速度范围为024MHz，拥 有2K字SRAM和32K字闪存ROM； 64个可编程的 多功能I/O端口； 5个通用16位 定时器/计数器，且每个定时器均有PWM发生的事件捕获功能；2个专用于定时可 编程周期定时器；可编程看门狗；低电压复 位/监测功能；8通道10位模-数转换。 SPMC75F2413A在电机控制领域有相当优秀的表现。特性包括：凌阳16位p nSP处理器

9、(ISA 1.2)； 工作电压： 内核：4.5V5.5V；最高运行速度：24MHz；工作温度：-40 C85 C；芯片内存储器：32KW (32KX16) Flash 2KW (2KX16) SRAM；基于时钟发生模块的锁相环电路； 看门狗定时器 10位模/数转换器8通道输入10us (100kHz)转换时间；串行通讯接口通用异步串行通讯接口(UART)标准外围接口(SPI)；总计64个通用输入输出管脚；电源管理2种低功耗模式：Wait/Standby每个外设都可以独立的供电；两个比较匹配定时器； 5个16位通用定时器； 2个用于脉宽调制，2个用于速度捕获，1个用于速度反馈环； MCP定时器3

10、支持TIO3ATIO3F, MCP定时器4支持TIO4ATIO4F；脉宽调制定时器支持递增/递减计数； PDC定时器0/1均支持3通道的TIO0ATIO0C输入捕获； TPM定时器2支持捕获/脉宽调制； 12个16位脉宽调制输出； 2通道的电机驱动脉宽调制输出(互补的3相6路脉宽调制输出)； TIO3ATIO3F利用MCP定时器3工作，TIO4ATIO4F利用MCP定时器4 工作；中心(center)或边沿(edge)脉宽调制输出；通过外部错误保护管脚进行脉宽调制输出保护； 可编程的死区控制(Dead time control)；脉宽调制服务和错误中断发生；具备驱动交流感应电机和直流无刷电机的

11、能力；内嵌在线仿真功能；三. 系统总体方案介绍本通用变频器系统主要由凌阳十六位单片机SPMC75F2413A、三凌的IPM功 率模组芯片PS21865A组成，系统框图如图3-1。图3-1系统框图3.1这个系统的功能：系统运行参数可调化，以适应不同应用的需要;拥有实时的信息和状态显示， 主要用于当前系统的状态信息显示和人机接口的一部分；带有系统参数设置和控 制用的键盘；拥有8个数字控制端口，以方便用户的远程操控，端口的具体功能 可通过设置来更改；具备模拟控制接口；完备的系统保护功能，在系统异常时保 护系统不受损坏。3.2 系统工作流程：主控MCU接收根据设置来自键盘和数字或是模拟接口的控制信息合

12、成驱动 电机驱动所用的驱动信号，信号经IPM功率变换后驱动电机。同时主控MCU会随 时监视系统的运行，一旦出现异常便会立即保护，同时报警，以提醒用户进行处 理。四. 系统硬件设计系统驱动部分的电路原理图如图4-1。其中PS21865A内部是一个三相的功 率桥相应驱动电路，用于实现SPWM信号到驱动电机的功率变换功能。 SPMC75F2413A单片机的主要作用：（1）.产生驱动电机所需的SPWM信号。（2）.完成人机交互，方便用户对系统的控制。（3）.处理相关的异常信息，确保系统的安全可靠。SPMC75F2413A产生的三相互补的PWM信号经由芯片的IOB05输出，控制 PS21865A的三相全

13、桥电路，信号经功率合成放大后从OUT_U、OUT_V、OUT_W三 个端子输出并控制电机。同时，U相和W相的信号还会通过电流互感器，为系统 控制提供电流传感信号。SPMC75F2413A的IOB6是错误侦测输入端，通过对其 传回信号的检测，一旦PS21865A出现工作异常（如过压、欠压、过流、过热）， 驱动硬 件会立即禁止PS21865A工作，同时申请中断，请求CPU处理。图4-1中的电阻是上拉电阻，因PS21865A的故障输出信号是集电极开路输 出的，同时这个信号是低有效的。KVDD 310VOUT VHGNDOUTOUT图4-1系统电路原理图五变频器系统软件设计整个系统软件分为三部分：（1

14、）.电机的核心驱动程序，这部分主要是产生电机驱动所用的SPWM信号发生器，和一些相关的驱动服务程序；（2）.系统控制程序；（3）.人机接口界面程序；5.1该系统核心驱动部分的结构如图5-1。在这里使用直接数字频率合成的方法去实现SPWM信号的产生，只不过是用 PWM发生器替代了 DAC。这部分结构（除PWM发生模块）将在PWM的周期中断中 用软件实现。这里的调制系数计算和乘法器主要是为实现波形的幅度控制和电源 波动补尝用的波形合成的PWM周期中断服务。直流干戏电压 目标电压UFUN相位累加器120240正弦查找表乘法器调制系数计算VFUVWF图5-1驱动结构5.2子程序的流程如图5-2。程序首

15、先判断是否有波形参数更新，以此实现波形参数的一次性同步更新， 以防止参数修改不同步对发生信号的影响。而后程序会根据图5-1的结构流程 依次执行，完成后返回。图5-2中断服务子程序流程图系统控制部分是整个系统协调的心脏。整个系统都在其协调下有条不紊的工 作。这部分主要是根据系统设置和当前系统的状态给出相应的控制信息，以确保 系统的可靠运行。5.3人机接口界面程序。这部主要是为用户提供一个简单易用的交互接口，以方便用户对变频器的可 靠控制。包括变频器的起停、各种运行参数的设置都在这一层面上执行。5.3系统主流程图图53主程序流程图如图5-3所示，主程序主要负责各个模块的运行调度：首先系统运行前，

16、先对系统相关参数、部件进行初始化；其次，当某模块需要运行的时间到时，就 调用相关模块运行。总体来说，可以认为本系统采用分时轮转的系统运作模式。系统主要包括的模块（任务）有：键盘扫描处理模块、显示模块、运行参数调整 模块、采样和故障检测模块等。5.4变频器运行过程中参数调整模块设计变频器在运行过程中，会实时的根据负载的大小来调节运行状态，而此运行状态则是通过调节SPWM波的频率和幅值来实现的。在变频器运行过程中分为 以下几个状态。加速态（ACC）、工作态（WORK）、减速态（DEC）、制动态（BRAKE） 和停止态（STOP）；在设计中还应主要一些保护功能的开启，比如防跳闸功能， 具体情况参见图

17、54所示,fs为设定频率，fe为基频，通常为电机的额定频率。N=f?/fsM=f (fs)图54变频器运行参数调整模块流程图5.5变频器采样及故障检测模块设计本系统设计采用ADC0809做为采样芯片对5个通道采样，分别为：直流侧 电压、2相交流电流、外部模拟电压输入、外部模拟电流输入。采样到的值被送 入各自变量中去，故障检测模块对是否过流、过压、欠压等故障做出判断，并设 置故障状态变量为不同的状态值，以便其他模块获取系统的故障状态。需要提出 的是，在欠压时，流程图中体现了 AVR功能，自动调整了 U/f曲线。流程图见图 55所示N图55采样及故障检测模块流程图5.6定时器中断模块设计T0的主要

18、任务是：一方面将计算得到的tl, t2, t3这3相脉宽值送给外 部的SPWM发生器进而产生频率和幅值可调的SPWM波；另一方面在系统为制动状 态下时，保持脉宽不变，给电机输入直流电。总而言之，T0是实际产生波（交 流的、直流的）的程序模块，如56所示。而T1相当于时分系统的心跳，主要 负责各个模块的定时调度。某模块定时到时，将在主程序中被调用执行。开始）5开始。送入SFW发生器相应的寄存器件中给电机通直流电 保持脉宽及桥的 通断状态不变图56定时器T0、T1中断服务程序流程图五. 总结本次课程设计让我加深了对课本知识的进一步认识和理解。在得到任务并且 通读了一遍后，完全不知道应该从哪入手但是

19、后来通过查资料和向懂得同学请 教，让我掌握了课程设计的大体流程，也使我深深认识到认真学习的重要性。好些平时课本和课堂上无法学到的知识，这次也大体掌握。最重要的一点是 增强了我的自学能力，养成了一种提出问题，解决问题的思维习惯，这对以后的 实践工作时有很大益处的。虽然这次课设的过程很辛苦，但是能学到一些课本上 没有的知识真的很开心。六. 参考文献1 雷思孝、李伯成、雷向莉等，单片机原理及实用技术一凌阳16位单片机原 理及应用M西安：西安电子科技大学出版社；2 SUNPLUS，SPMC75F2413A 编程指南 V1.1M北京：SUNNORTH；3 Mitsubishi，PS21865A 数据手册M。