基于8098单片机的SPWM变频调速系统研究

摘要：数字控制的交流调速系统所选用的微处理器、功率器件及产生PWM波的方法是影响交流调速系统性能好坏的直接因素。在介绍了正弦脉宽调制(SPWM)技术的基础上，设计了一种以8098单片机作为控制器，以智能功率模块IPM为开关器件的变频调速系统。通过软件编程，产生正弦脉冲宽度调制波形来控制绝缘栅双极晶体管的导通和关断，从而达到控制异步电动机转速的目的。实验结果表明，该系统可调频率调电压，稳定度高，调速范围宽，具有较强的实用价值。
关键词：变频调速系统；8098单片机；正弦脉宽调制；IPM

    目前，高性能的交流调速系统的研究和开发引起各国学者的高度重视，并得到越来越深入的研究。而所选用微处理器、功率器件及产生PWM波的方法是影响交流调整系统性能好坏的直接因素。笔者研究了一种以8098单片机为控制器、以智能功率模块IPM为开关器件的变频调速系统，此控制系统硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响：其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，而且更改起来灵活方便。

1 正弦波脉宽调制(SPWM)技术
1．1 SPWM控制技术原理
    由于PWM变换器具有功率因数高、可同时实现变频变压及抵制谐波的特点，因此在交流传动及其他能量变换系统中得到广泛应用。最常用的PWM技术为正弦波脉宽调制技术，即SPWM控制技术。
    SPWM控制技术原理如图1所示。以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的三角波作为载波，并用频率和期望相同的正弦波作为调制波，当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。

    采用SPWM控制技术的显著优点是：由于电动机的绕组具有电感性，因此，尽管电压是由一系列的脉冲构成的，但通入电动机的电流却十分逼近正弦波。
1．2 SPWM波的实现方法
    SPWM波可通过模拟电路、数字电路或专用集成芯片等硬件电路实现，也可用微型计算机通过软件生成。如何计算SPWM的开关点，是SPWM信号生成的一个难点，也是当前人们研究的一个热门课题。生成SPWM波的方法有多种，但其目标只有一个，尽量减少逆变器的输出谐波分量和计算机的工作量，使计算机能更好地完成实时控制任务。在模拟电子电路中，SPWM波的实现方法采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现；改成数字控制后，开始时只是把同样的方法数字化，称作“自然采样法”。自然采样法的运算比较复杂，在工程上更实用的是简化后的“规则采样法”。文中采用8098单片机通过“等面积法”实现SPWM波的生成。
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2 SPWM变频调速系统组成
2．1 系统总体组成框图
    为了使变频调速系统获得较为理想的静、动态特性，同时，系统的组成又不至于太复杂，采用转差频率控制方式，如图2所示。

    系统由主电路和控制电路组成。主电路智能功率模块IPM采用6只绝缘栅双极晶体管IGBT VT1～VT6构成。绝缘栅双极晶体管属于第二代自关断器件，它综合了MOSFET和GTR的优点，由它构成的功率变换器线路简单，控制方便，输出电压纹波小，是当前最有应用前景电力电子器件。驱动电路采用高速型EXB850驱动模块。控制电路用8098单片机实现SPWM波的生成，M／T高精度测速及闭环控制。
2．2 8098控制系统组成
    8098单片机具有丰富的硬件资源，除具备一般单片机具有的中断系统、定时计数器、串行及并行输入／输出接口外，还包含有高速输入／输出口HIS／HSO，软件定时器，片内数据转换A／D及D／A等；具有较强的软件处理能力及较高的运算处理速度，很适合作为高性能交流变频调速系统的SPWM生成与输出、调节器运算和数据处理用的核心器件使用。实现SPWM变频调速的8098控制系统的硬件电路如图3所示。

    控制系统由8098单片机、地址锁存器74LS373、外部8KEPROM2764、用于扩展输入／输出接口芯片8279、键盘和显示器、地址译码器74LS1 38和SPWM波的反相及延时电路等组成。其中8098的最小系统完成SPWM的生成、M／T测速及闭环控制，并在最小系统的基础上利用8279扩展了键盘／显示电路，完成命令／数字键的输入及有关数据的输出显示。
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3 SPWM信号的产生
    SPWM控制信号的作用是当一对桥臂上的某一管处于导通极性时，可使其按正弦规律通断，达到电动机电流接近正弦波的目的。
    根据等面积法知道，所需U相的SPWM波第i个脉冲的脉宽时间：
 
    由于U相的SPWM波的正负半周均由HS0．0得到，为了得到U相的负半波，把对应于ta1、ta2、ta3的命令(低或高电平)取反后输出。由U、V、W三相相位关系可得出V相、W相的SPWM波第i个脉冲的脉宽时间tv2、tw2及间隙时间tv1、tv3、tw1、tw3。其具体实现方法是：可事先将余弦值作表存在程序储存器2764中，每当采样周期Tc时间到，计算θi并根据θi值查表得cosθi，将其与上一次Tc周期的θi-1进行运算即可求出三相脉冲的脉宽时间和间隙时间，对HSO．0、HSO．1、HSO．2分别写入两条命令并送入HSO的CAM中，CAM根据送入的时间值和命令自动定时控制HSO．0～HSO．2的输出，这样在逆变器的输出端得到相位互差120°的SPWM的脉冲序列。此脉冲序列经过基极驱动控制IPM的6个开关管的导通和关断。

4 软件框图设计
    8098微机控制的SPWM变频调速系统的软件程序包括主程序和M／T测速、转差及频率运算、键盘显示等子程序。文中主要设计了主程序和SPWM波生成的中断服务程序框图，如图4所示，其他程序框图请读者查阅相关的参考书籍。

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5 实验结果
    由8098单片机产生的SPWM波形可以通过实验由示波器测出。实验系统由交-直-交变频器主回路及8098微机控制系统、驱动电路、检测电路、键盘控制及显示电路和各种保护电路等控制电路组成，其中主回路中的功率模块IPM采用IGBT，输出电压600 V，工作频率为20 kHz。如图5为测得的实验波形。在电机输出频率为50 Hz时，测得的U相电压波形如图(a)所示，在频率为100 Hz和150 Hz时测得的负载电流波形如图(b)、(c)所示。由图5可见，通过对三相异步电动机进行实验，本系统可以很好地实现一定频率范围内的转速调节，其精度可达1 r／min。调频率的过程中，负载电流谐波、电动机的转矩脉动和噪声均很少，系统工作较稳定。

6 结束语
    文中采用8098作为主控器设计的转差频率交流调速控制系统理论上可以获得与直流电动机闭环调速系统相似的静、动态调速性能。此种系统被广泛地应用于如钢铁冶金、石油化工、供水等行业的中小容量交流调速系统中，如有色冶金行业的转炉旋转控制，要求电动机固定在炉体上，并随炉体一起倾斜，不同炉期要求有不同的转速，在这种高温、近火的环境下，直流拖动是不可能的，采用晶闸管交流调速振动和噪声大，故障多，无法保证正常生产。采用文中系统拖动转炉，实现了调速系统的各项指标要求，同时，系统具有故障率低，操作方便等特点。