AC89C2051在全数字变频控制器中的设计与应用
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1.前言
在家电或工业控制中,经常需要根据环境条件的改变而改变供电频率,以便取得最佳的启动力矩、最佳的转速、最佳的风量或制冷/热量。本文介绍一种全数字的变频控制器,它可以根据外界环境的变化(如压力、温度、输入电压和人为地设定等),自适应地改变输出电源频率,达到对电机调速的目的。在控制算法中,采用模糊理论,设定隶属函数,求出控制输入的隶属度,并进行模糊规则判断,得出模糊的控制输出。然后进行模糊量的计算,得出精确的控制输出,达到控制运行频率的目的。经过试运行表明:自适应能力强,控制精度高,特别是解决了一般低压带负荷启动的困难。
2.变频控制器系统结构原理
下面,以1.5kW输出功率的变频控制器为例进行介绍,该系统结构如图1所示:逆变器采用三菱智能模块PM20CTM060六合一封装,本身具有控制电源欠压锁定、过热保护、过流保护、短路保护。一旦出现保护,送出一个故障信号(F0)。该模块通态损耗、开关损耗均较低,因而散热器尺寸较小。运算控制单元采用ATMEL公司的89C2051高性能价格比单片机[1],该单片机采用80C31内核指令系统,与MCS-51完全兼容,内含2K Flash用户存储器,编程极为方便。反复编程次数可达1000次以上,数据可保存10年。AT89C2051引脚如图2所示。
该系统的工作原理如下:外部模拟量(温度、电压、界面设定等)经A/D转换后送入89C2051,经运算处理后,求得运行频率,然后转换成预置分频器的倍数,从而控制寻址计数器IC4输入脉冲的频率,从而控制27512已存波形数据的输出速度,达到变频的目的。27512的低11位地址(A0~A10)由计数器寻址,控制具有一定调制度M的SPWM 波形输出。高5位地址(A11~A15)由89C2051直接寻址。控制具有不同M的SPWM波形。因此可选择32种不同调制度的波形。系统的工作状态及环境参数均可由显示单元分类显示。整个显示部分由89C2051的RXD、TXD控制。
由于PM20CTM060功率模块内含驱动单元,故只需光耦隔离,就可以用数字电路进行驱动。
3.控制器电路设计
如图3所示,其中SPWM波形存于27512中,格式见图4。图中211个8位字节存储一个具有固定调制度的SPWM波形。由于SPWM的对称性,211 位只存一个周期的1/2,具体分配方法是:每个字节的0、1、2三位存放三相SPWM的0 ~ p 中的数值,3、4、5三位存放p ~2 p 中的数值,对应的寻址方法是:IC4由0开始计数,IC17相应的1Y1、1Y2、1Y3输出0 ~ p 波形。当211位计满后,半个周期输出完毕,再计一次数时,IC4的Q12输出为1,经反向器驱动IC17的2Y1,2Y2,2Y3输出。这时,存于 27512各字节中档的第3,4,5位的数据开始输出,从而产生SPWM的后半周期。这样反复循环,就可输出一个具有固定频率、固定调制度的波形。一个完整的SPWM波形共由4096个脉冲组成。
变频的原理是改变IC14的分频基数 。就可改变计数脉冲频率,从而改变读完4096个脉冲的时间,达到了变频的目的,
… …
50Hz 1DH
49Hz 1EH
48Hz 1FH
… …
表1. 与 对应关系
其中 为系统时钟频率,本方案取6M, 为由27512读出数据的频率, , 为变频器的输出频率。显然,变频器的输出频率越高的值越大,而分频系数越小。
同理欲输出35Hz交流电时,可求得 ,总之根据变频的范围,可以按公式列出如下表格(见表1.其中 )。
为了提高系统的分辨率,可提高系统的振荡频率,一般可使 的频率分辨率达到0.5Hz以下。
调制度M的控制方法是:将27512共分成25共32个区域,每个区域包含211个字节,存储一个具有一定调制度的全周期SPWM波形。存储区一共存储 32个不同M的SPWM波,并将其按M的大小排列,由IC1的P1.3~P1.7寻址,输出频率及调制度的选择由控制算法决定。
控制算法原理如图5所示[2],控制量R和反馈量Y之差e,以及误差变化率一同输入到模糊控制器进行推理,并对状态的走势进行预测,从而选择恰当的及M,通过计算机寻址及分频,输出一组合适的波形进入下一状态的运行。由于IC1内的Flash存储区只有2k,推理方法主要采用相关法,参数子集和其变化率子集分别选用4维和3维,完全满足一般家电及工业控制的需要。
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4.波形存储的几点考虑
4.1载波频率的确定
设定最高输出交流频率为60Hz,可求得输出周期 ,则存储器中每单元的分辨率为 ,也就是说,每个存储单元所代表的脉宽为 。
设定载波频率 , ,则当调制度最大时存储的载波波形如图6示。图6中 ,所占的存储单元数为 ,同样可求得 占一个存储单元, 占11个存储单元。
4.2存储波形的形成(以 为例)
由于载波脉冲周期 ,而 对应360°,所以每个载波周期对应的角度为 。而对于消除3、5、7、9、11次5个谐波的最佳波形的P1 ~ P5点位置经计算为[3]:18.167°、26.633°、36.867°、52.9°、56.683°,显然不是0.9°的整数倍。因此,量化误差将影响Pi位置的精确度,使整个系统对谐波的消除不能达到最佳。试验证明,这种影响可以忽略。
4.3输出交流电源的控制
根据V/f =常数,当频率变低时,相应输出电压需下降。因此,在35~60Hz范围内,设置了32种针对不同电压的波形,并用计算机的P1.3~P1.7直接寻址。另外,考虑到负载的变化和频率的变化而影响输出电压的波动,软件设置上允许同一频率下可根据需要选择不同M的波形,从而使电压在一定范围内可以调整,用来对转矩进行补偿,这些工作都由模糊推理来完成。
5.结论
该变频控制系统配用三菱公司的智能功率模块PM20CHA060构成,1.5KW微型全数字三相变频控制器,并对油泵电机进行拖载实验,其结论如下:
1) 该系统由于变频构思巧妙,并利用IPM功率块,使电路结构紧凑,控制简单,易于批量生产,可用于家电、工业控制系统,作为嵌入式/外置式均可。
2)由于配有LED显示器(4位)可对环境条件、设置条件、运行情况分类进行显示。
3)该系统在交流输入端配有可控硅调压单元(相位数控)及交流过、欠压保护。高电压适应范围可达300VAC,再加上低压低频启动功能,使可工作的交流电压范围为165~300VAC。