单片机的电机变频调速系统设计论文

基于单片机的变频调速系统设计I基于单片机的变频调速系统设计基于单片机的变频调速系统设计基于单片机的变频调速系统设计基于单片机的变频调速系统设计摘要摘要摘要摘要本文介绍了一种利用专用集成电路SA4828设计电机变频调速的方法。系统主要包括主电路与控制电路，主电路采用IPM智能功率模块作为电机的控制。控制电路由MCS51系列的8051单片机最小系统和SA4828三相SPWM产生器及少量的扩展外围芯片构成，充分发挥其控制电路简单、控制方式灵活、输出波形优点多的特点，结合相应的软件，实现电机的调速要求。其中主要内容包括SA4828的特性介绍及变频系统的主电路、驱动电路、保护电路、速度检测、调速系统及软件编程设计方法。所设计的系统实现了变频调速的全数字化控制，实时性好，可靠性高。关键词关键词关键词关键词单片机SA4828变频调速SPWM电动机THEDESIGNOFMOTORVVVFSYSTEMBASEDONMCU基于单片机的变频调速系统设计IIABSTRACTTHISARTICLEDESCRIBESAUSEOFSA4828ASICAPPLICATIONSPECIFICINTEGRATEDCIRCUITDESIGNMOTORVVVFSYSTEMTHESYSTEMINCLUDESTHEMAINCIRCUITANDCONTROLCIRCUIT,MAINCIRCUITUSEDASTHEINTELLIGENTPOWERMODULEIPMMOTORCONTROLTHECONTROLCIRCUITISCONSTITUTEDBYTHEMCS51SERIESOF8051SYSTEMS、THREEPHASESPWMGENERATORSA4828ANDTHEEXPANSIONOFASMALLNUMBEROFPERIPHERALCHIPSGIVEFULLPLAYTOITSCONTROLCIRCUITISSIMPLE,FLEXIBLECONTROL,THEADVANTAGESOFMULTIOUTPUTWAVEFORMCHARACTERISTICS,COMBINEDWITHAPPROPRIATESOFTWARE,TOACHIEVETHESPEEDREQUIREMENTSOFMOTORCONTROLTHESYSTEMHASALLDIGITALVVVFCONTROL,REALTIME,ANDHIGHRELIABILITYKEYWORDSMCUSA4828VVVFSPWMMOTORCONTROL目录目录目录目录引言引言引言引言0第第第第11章章章章概述概述概述概述111电动机调速系统的发展电动机调速系统的发展电动机调速系统的发展电动机调速系统的发展112交流调速系统交流调速系统交流调速系统交流调速系统113单片机控制的变频调速单片机控制的变频调速单片机控制的变频调速单片机控制的变频调速2第二章第二章第二章第二章电机变频调速系统电机变频调速系统电机变频调速系统电机变频调速系统3目录III21系统调速原理系统调速原理系统调速原理系统调速原理322单片机控制的变频调速系统单片机控制的变频调速系统单片机控制的变频调速系统单片机控制的变频调速系统4221系统框图系统框图系统框图系统框图4222硬件系统原理图硬件系统原理图硬件系统原理图硬件系统原理图4第三章第三章第三章第三章系统主要模块简介与设计系统主要模块简介与设计系统主要模块简介与设计系统主要模块简介与设计631IPM模块模块模块模块6图31IPM内部结构图311IPM311IPM的基本工作特性的基本工作特性的基本工作特性的基本工作特性6312IPM驱动电路的设计驱动电路的设计驱动电路的设计驱动电路的设计7313IPM的选用的选用的选用的选用9313IPM相关参数相关参数相关参数相关参数103289C51主控制模块主控制模块主控制模块主控制模块11321主要特性主要特性主要特性主要特性11322管脚说明管脚说明管脚说明管脚说明11323振荡器特性振荡器特性振荡器特性振荡器特性13324芯片擦除芯片擦除芯片擦除芯片擦除1333SPWM波发生模块波发生模块波发生模块波发生模块13331SA4828的引脚功能的引脚功能的引脚功能的引脚功能13332SA4828内部结构内部结构内部结构内部结构14333SA4828初始化编程初始化编程初始化编程初始化编程1734其他模块简介其他模块简介其他模块简介其他模块简介19341串口通信串口通信串口通信串口通信19342驱动模块驱动模块驱动模块驱动模块20343保护电路保护电路保护电路保护电路21344速度反馈速度反馈速度反馈速度反馈23335A/D模数转换模块模数转换模块模数转换模块模数转换模块22第四章第四章第四章第四章系统软件设计系统软件设计系统软件设计系统软件设计24结论结论结论结论27致谢语致谢语致谢语致谢语28参考参考参考参考文献文献文献文献29引言0引言引言引言引言对于可调速的电力拖动系统，工程上往往根据电动机电流形式分为直流调速系统和交流调速系统两类。它们最大的不同之处主要在于交流电力拖动免除了改变直流电机电流流向变化的机械向器整流子。20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。许多传统的由直流电机调速系统拖动的工业设备改由交流变额调速系统拖动，从而提高了系统的可靠性，减少了系统的维护费用。随着变频调速应用的日益广泛，相关技术的日益成熟，人们不仅对变频调速系统的精度要求越来越高，而且对控制的功能要求越来越多，对系统的智能化要求越来越高，对系统的抗扰能力要求越来越高，以满足生产的需求并适应不同的工作环境。在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。交流变频调速的优异特性调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好；调速范围较大，精度高；起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显；变频器体积小，便于安装、调试、维修简便，易于实现过程自动化；在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。交流电动机因其结构简单，运行可靠，价格低廉，维修方便，故而应用面很广，几乎所有的调速传动都采用交流电动机。尽管从1930年开始，人们就致力于交流调速系统的研究，然而主要局限于利用开关设备来切换主回路达到控制电动机启动，制动和有级调速的目的。变极对调速，电抗或自藕降压启动以及绕线式异步电动机转子回路串电阻的有级调速都还处于开发的阶段。交流调速缓慢的主要原因是决定电动机转速调节主要因素的交流电源频率的改变和电动机的转距控制都是非常困难的，使交流调速的稳定性，可靠性，经济性以及效率均不能满足生产要求。后来发展起来的调压，调频控制只控制了电动机的气隙磁通，而不能调节转距。本文主要内容是研究采用单片机89C51与SA4828芯片组成SPWM波发生电路，并结合智能功率模块IPM，通过软件编程控制电动机变频调第1章概述1第第第第11章章章章概述概述概述概述11电动机调速系统的发展电动机调速系统的发展电动机调速系统的发展电动机调速系统的发展随着电力电子技术，计算机技术的不断发展和电力电子器件的更新换代，变频调速技术得到了飞速的发展。据资料显示，现在有90以上的动力来源来自电动机。我国生产的电能60用于电动机，电动机与人们的生活息息相关，密不可分，所以要对电动机的调速有足够的重视。我们都知道，动力和运动是可以相互转化的，从这个意义上说电动机也是最常见的运动源，对运动控制的最有效方式是对运动源的控制。因此，常常通过对电动机的控制来实现运动控制。对电动机的控制可以分为简单控制和复杂控制两大类。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可以通过继电器，可编程器件和开关元件来实现。复杂控制是指对电动机的转速，转角，转距，电压，电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。以前，对电动机的简单控制的应用较多，但是，随着现代化步伐的前进，人们对自动化的需求也越来越高，使电动机的复杂控制逐渐成为主流，其应用领域极为广泛。在军事和雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳的控制等。工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，绕线机，泵和压缩机，轧机主传动等设备的控制。计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，绘图仪，打印机，复印机等的控制；音像设备和家用电器中的录音机，数码相机，洗衣机，冰箱空调，电扇等的控制，我们统统称其为电动机的控制。功率半导体器件的不断进步，尤其是新型可关断器件，如BJT（双极型晶体管）、MOSFET（金属氧化硅场效应管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的实用化，使得开关高频化的PWM技术成为可能。目前功率半导体器件正向高压、大功率、高频化、集成化和智能化方向发展。脉宽调制技术PWM（PULSEWIDTHMODULATION）就是利用功率半导体器件的高频开通和关断，把直流电压变成按一定宽度规律变化的电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效地控制和消除谐波。PWM技术可分为三大类正弦PWM、优化PWM及随机PWM。随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，这使得全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。目前适于交流传动系统的微处理器有单片机、数字信号处理器（DIGITALSIGNALPROCESSORDSP）、专用集成电路（APPLICATIONSPECIFICINTEGRATEDCIRCUITASIC）等。其中，高性能的计算机结构形式采用超高速缓冲储存器、多总线结构、流水线结构和多处理器结构等。核心控制算法的实时完成、功率器件驱动信号的产生以及系统的监控、保护功能都可以通过微处理器实现，为交流传动系统的控制提供很大的灵活性，且控制器的硬件电路标准化程度高，成本低，使得微处理器组成全数字化控制系统达到了较高的性能价格比。12交流调速系统交流调速系统交流调速系统交流调速系统20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、第1章概述2高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。交流调速控制作为对电动机控制的一种手段。作用相当明显，就交流调速系统目前的发展水平而言，可概括的如下（1）已从中容量等级发展到了大容量、特大容量等级。并解决了交流调速的性能指标问题，填补了直流调速系统在特大容量调速的空白。（2）可以使交流调速系统具有高的可靠性和长期的连续运行能力，从而满足有些场合不停机检修的要求或对可靠性的特殊要求。（3）可以使交流调速系统实现高性能、高精度的转速控制。除了控制部分可以得到和直流调速控制同样良好的性能外，异步电动机本身固有的优点，又使整个系统得到更好的动态性能。采用数字锁相控制的异步电动机变频调速系统，调速精度可以达到0002。在交流调速技术中，交流电动机的调速方法有三种变极调速、改变转差率调速和变频调速。其中变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。交流变频调速的优异特性1调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。2调速范围较大，精度高。3起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。4变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。5易于实现过程自动化。6必须有专用的变频电源，目前造价较高。7在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。13单片机控制的变频调速单片机控制的变频调速单片机控制的变频调速单片机控制的变频调速微处理器（单片机）取代模拟电路作为电动机的控制器，具有如下特点（1）使电路更简单。模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路更复杂，采用微处理器后，绝大多数控制逻辑可通过软件来实现。（2）可以实现较为复杂的控制。微处理器具有更强的逻辑功能，运算速度快，精度高，有大容量的存储单元。因此，有能力实现复杂的控制。（3）灵活性和适应性。微处理器的控制方式是有软件来实现的，如果需要修改控制规律，一般不必改变系统的硬件电路，只须修改程序即可，在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便。（4）无零点漂移，控制精度高数字控制不会出现模拟电路中经常遇见的零点漂移问题，无论被控量是大还是小，都可以保证足够的控制精度。（5）可以提供人机界面，多机连网工作。用工业控制计算机可谓功能强大，它有极高的速度，很强的运算能力和接口功能，方便的软件功能，但是由于成本高，体积过大，所以只用于大型的控制系统。可编程控制器则恰好相反，它只能完成逻辑判断、定时、记数和简单的运算，由于功能太弱，所以它只能用于简单的电动机控制。在民用生产中，通常用介于工控机和可编程控制器之间的单片机作为微处理器。本次设计就是用单片机作为电动机的控制器。第2章电机变频调速系统3第第第第22章章章章电机变频调速系统电机变频调速系统电机变频调速系统电机变频调速系统21变频调速原理变频调速原理变频调速原理变频调速原理变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频可以调速这个概念，可以说是交流电动机“与生俱来”的。同步电动机不消说，即使是异步电动机，其转速也是取决于同步转速即旋转磁场的转速的10SNN（211）式中N电动机的转速，M/MIN0N电动机的同步转速，R/MINS电动机的转差率而同步转速则主要取决于频率PFN600（212）式中F输入频率，HZP电动机的磁极对数由式（211）与式（212）可知变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系PSFN160（213）由上式可知，在电动机磁极对数不变的情况下，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。如果磁通太弱，即电机出现欠励磁，将会影响电机的输出转矩，由22COSIKTMTM（214）（式中MT电磁转矩，M主磁通，2I转子电流，2COS转子回路功率因素，TK比例系数，可知，电机磁通的减小，势必造成电机电磁转矩的减小。第2章电机变频调速系统4由于电动机设计时，电动机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电动机铁心出现饱和，从而导致电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电动机。因此，在改变电动机频率时，应对电动机的电压进行协调控制，以维持电动机磁通的恒定。22单片机控制的变频调速系统单片机控制的变频调速系统单片机控制的变频调速系统单片机控制的变频调速系统221系统框图系统框图系统框图系统框图222硬件系统原理图硬件系统原理图硬件系统原理图硬件系统原理图外围设备（如串口、键盘、显示等）AT89C51SA4828电动机回路检测电路A/D保护电路图21电动机变频调速系统框图第2章电机变频调速系统5该硬件系统主要包括主电路与控制电路两个部分，其中主电路包括交直交变频电路（本设计采用IPM集成模块）与电动机；控制电路包括89C51主控制模块、SA4825产生SPWM波模块、驱动模块以及外围设备模块（如键盘输入、液晶显示、A/D模数转换以及串口等）。以CPU为核心，配以键盘、显示、通讯等设备，完成对交流电动机的速度控制。这里选用了ATMEL公司的89C51单片机，它与INTEL51系列单片机完全兼容。其内部配置了8KB的FLASHMEMORY，无须扩展外部存贮器。同时这种8位单片机的总线结构与SA4828完全兼容，可以直接相连。给定转速NO可以用三种方式设定键盘、电位器和上位机。用8位LED分别显示给定转速NO和实际转速N，一目了然。系统对电动机运行状态的数据监测、调速效果、动态响应的跟踪情况都可以传送到上位机，以表格或曲线的形式输出，以便于观察分析。22单片机与SA4828控制的变频系统原理图第3章系统主要模块设计6第第第第33章章章章系统主要模块设计系统主要模块设计系统主要模块设计系统主要模块设计31IPM模块模块模块模块IPM（INTELLIGENTPOWERMODULE），即智能功率模块，不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起。而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM自身不受损坏。IPM一般使用IGBT作为功率开关元件，内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。IPM以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源，是变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服驱动、变频家电的一种非常理想的电力电子器件。其内部结构如图31。311IPM的基本工作特性的基本工作特性的基本工作特性的基本工作特性11IPM的结构IPM由高速、低功率的IGBT芯片和优选的门级驱动及保护电路构成，其中，IGBT是GTR和MOSFET的复合，由MOSFET驱动GTR，因而IGBT具有两者的优点。IPM根据内部功率电路配置的不同可分为四类H型内部封装一个IGBT、D型内部封装两个IGBT、C型内部封装六个IGBT和R型内部封装七个IGBT。小功率的IPM使用多层环氧绝缘系统，中大功率的IPM使用陶瓷绝缘。图31IPM内部结构图第3章系统主要模块设计712IPM内部功能机制IPM内置的驱动和保护电路使系统硬件电路简单、可靠，缩短了系统开发时间，也提高了故障下的自保护能力。与普通的IGBT模块相比，PM在系统性能及可靠性方面都有进一步的提高。保护电路可以实现控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护。各种保护功能具体如下1控制电压欠压保护UVPM使用单一的15V供电，若供电电压低于125V，且时间超过TOFF10MS，发生欠压保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。2过温保护OT在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当IPM温度传感器测出其基板的温度超过温度值时，发生过温保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。3过流保护OC若流过IGBT的电流值超过过流动作电流，且时间超过TOFF，则发生过流保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。为避免发生过大的DI/DT，大多数IPM采用两级关断模式。其中，VG为内部门极驱动电压，ISC为短路电流值，IOC为过流电流值，IC为集电极电流，IFO为故障输出电流。4短路保护SC若负载发生短路或控制系统故障导致短路，流过IGBT的电流值超过短路动作电流，则立刻发生短路保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。跟过流保护一样，为避免发生过大的DI/DT，大多数IPM采用两级关断模式。为缩短过流保护的电流检测和故障动作间的响应时间，IPM内部使用实时电流控制电路RTC，使响应时间小于100NS，从而有效抑制了电流和功率峰值，提高了保护效果。当IPM发生UV、OC、OT、SC中任一故障时，其故障输出信号持续时间FO为18MSSC持续时间会长一些，此时间内IPM会封锁门极驱动，关断IPM故障输出信号持续时间结束后，IPM内部自动复位，门极驱动通道开放。可以看出，器件自身产生的故障信号是非保持性的，如果FO结束后故障源仍旧没有排除，IPM就会重复自动保护的过程，反复动作。过流、短路、过热保护动作都是非常恶劣的运行状况，应避免其反复动作，因此仅靠IPM内部保护电路还不能完全实现器件的自我保护。要使系统真正安全、可靠运行，需要辅助的外围保护电路。312IPM驱动电路的设计驱动电路的设计驱动电路的设计驱动电路的设计驱动电路是IPM主电路和控制电路之间的接口，良好的驱动电路设计对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。21IGBT的分立驱动电路的设计IGBT的驱动设计问题亦即MOSFET的驱动设计问题，设计时应注意以下几点IGBT栅极耐压一般在20V左右，因此驱动电路输出端要给栅极加电压保护，通常的做法是在栅极并联稳压二极管或者电阻。前者的缺陷是将增加等效输入电容CIN，从而影响开关速度，后者的缺陷是将减小输入阻抗，增大驱动电流，使用时应根据需要取舍。第3章系统主要模块设计8尽管IGBT所需驱动功率很小，但由于MOSFET存在输入电容CIN，开关过程中需要对电容充放电，因此驱动电路的输出电流应足够大。假定开通驱动时，在上升时间TR内线性地对MOSFET输入电容CIN充电，则驱动电流为IGTCINUGS/TR，其中可取TR22RCIN，R为输入回路电阻。为可靠关闭IGBT，防止擎住现象，要给栅极加一负偏压，因此最好采用双电源供电。22IGBT集成式驱动电路IGBT的分立式驱动电路中分立元件多，结构复杂，保护功能比较完善的分立电路就更加复杂，可靠性和性能都比较差，因此实际应用中大多数采用集成式驱动电路。日本富士公司的EXB系列集成电路、法国汤姆森公司的UA4002集成电路等应用都很广泛。23IPM驱动电路设计现以PM100DSA120为例进行介绍。PM100DSA120是一种D型的IPM，内部封装了两个IGBT，工作在1200V/100A以下，功率器件的开关频率最大为20KHZ。由于IPM内置了驱动电路，与IGBT驱动电路设计相比，外围驱动电路的设计比较方便，只要能提供15V直流电压即可。图32所示的是一种典型的高可靠性IPM外部驱动电路方案。来自控制电路的PWM信号经R1限流再经高速光耦隔离并放大后接IPM内部驱动电路并控制开关管工作，FO信号也经过光耦隔离输出。其中每个开关管的控制电源端采用独立隔离的稳压。15V电源，且接1只10F的退耦电容器图中未画出以滤去共模噪声。RL根据控制电路的输出电流选取如用MCU产生PWM，则R1的阻值可为330。R2根据IPM驱动电流选值，一方面应尽可能小以避免高阻抗IPM拾取噪声，另一方面又要足够可靠地控制IPM。可在2K68K内选取。C1为2端与地间的O1F滤波电容器，PWM隔离光耦可选用HCPIA503型、HCPIA504型、PS204L型NEC等高速光耦，且在光耦输入端接1只O1F的退耦电容器图中未画出。FO输出光耦可用低速光耦如PC81732IPM外部驱动电路第3章系统主要模块设计9313IPM的选用的选用的选用的选用IPM在选用时，首先是根据变频装置的容量与供电电源容量，确定其额定值和最大值，然后选择具体型号。选型时，根据IPM的过流动作数值以确定峰值电流及适当的热设计以保证结温峰值永远小于最大结温额定值，使基板的温度永远低于过热动作数值。峰值电流依电机的功率额定值而定。下表是根据OC动作数值和电机峰值电流而给出的交流220V电机推荐使用的IPM类型。电机峰值电流是基于变频器和电机工作的效率、功率因数、最大负载和电流脉动而设定的。电机电流最大峰值可由下式计算ACFLCVPOI32311式中P电机功率W；OL变频器最大过载系数；电流脉动因数；变频器的效率；F功率因数；VAC交流线电压V。例如电源VAC220V交流，电机P37KW，OL150，120，09，F076，则IC峰值361A。第3章系统主要模块设计10313IPM相关参数相关参数相关参数相关参数PS21564P、PS21564SP智能IPM功率模块控制端口定义1VUFS（U组驱动电源地）2NC（不接）3VUFB（U组驱动电源正极）4VP1（控制电源正极）5NC（不接）6UP（U组信号输入）7VVFS（V组驱动电源地）8NC（不接）9VVFB（V组驱动电源正极）10VP1（控制电源正极）11NC不接12VP（V组信号输入）13VWFS（V组驱动电源地）14NC（不接）15VWFBW组驱动电源正极16VP1（控制电源正极）17NC（不接）18WP（W组信号输入）19NC（不接）20VNO（过流取样时间设置）21UN（U组下桥信号输入）22VN（V组下桥信号输入）23WN（W组下桥信号输入）24FO（故障输出低有效）25CFO（故障延时设置）26CIN（过流取样时间设置）27VNC（与直流母线,光耦副边共地）图33三菱PS21564PIPM管脚图第3章系统主要模块设计1128VN1（控制电源正极）29NC（不接）30NC（不接）31P（直流母线正极）32U（U组输出）33V（V组输出）34W（W组输出）35N（与直流母线地之间串取样电阻）3289C51主控制模块主控制模块主控制模块主控制模块89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFALSHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。321主要特性主要特性主要特性主要特性与MCS51兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命1000写/擦循环数据保留时间10年全静态工作0HZ24HZ三级程序存储器锁定1288位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路322管脚说明管脚说明管脚说明管脚说明VCC供电电压。GND接地。P0口P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程图3589C51仿真芯片图图34三菱PS21564芯片图第3章系统主要模块设计12时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P089C51管脚图外部必须被拉高。P1口P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示P30RXD（串行输入口）P31TXD（串行输出口）P32/INT0（外部中断0）P33/INT1（外部中断1）P34T0（记时器0外部输入）P35T1（记时器1外部输入）P36/WR（外部数据存储器写选通）P37/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA第3章系统主要模块设计13将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2来自反向振荡器的输出。323振荡器特性振荡器特性振荡器特性振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。324芯片擦除芯片擦除芯片擦除芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10MS来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。33SPWM波发生模块波发生模块波发生模块波发生模块SA4828是英国MITEL公司研制出的一种专门用于三相SPWM信号发生和控制的集成电路芯片。它采用28引脚，分DIP和SOIC两种封装。它可以和大部分的单片机连接，也可以单独使用。芯片的主要特性是全数字控制；兼容INTEL和MOTOROLA系列的单片机；载波频率最高可达24KHZ；输出调制波频率范围为04KHZ；16位调速分辨率；8位调压分辨率；内部ROM固化3种可选波形；可设定死区时间和删除最小脉宽；可实现正反转控制；可以单独设定各相的输出电压幅值以适应不平衡负载；有看门狗定时器。331SA4828的引脚功能的引脚功能的引脚功能的引脚功能第3章系统主要模块设计14它有14个输入端、3个控制端、9个输出端、2个电源端，其主要端子的功能和接法如下（1）输入类引脚说明AD0AD7地址或数据通道，其功能是将单片机输出指令或数据送入SA4828。SETTRIP通过该引脚，可以快速关断全部SPWM信号输出，当其有效时，TRIP端输出高电平，指示灯亮。RST为硬件复位引脚，低电平有效，复位后，寄存器的INH、CR、WTE和RST各位为0。CLK时钟输入端，SA4828既可以单独外接时钟，也可以与单片机共用时钟；MUX用于总线选择。MUX用于总线选择。当MUX高电平时，使用地址与数据共用的总线，这时，地址/数据引脚RS不用；当MUX低电平时，使用地址与数据分开的总线，这时，地址锁存引脚ALE接低电平，RS引脚要与一条地址线相连，来区分输入的字节是地址（低电平），还是数据（高电平），通常先地址后数据。CS片选引脚，与微机系统的输出端相连。WR、RD、ALE用于“RD/WR”模式，分别接受写、读、地址锁存指令。（2）输出类引脚说明RPHB、YPHB、BPHB这些引脚通过驱动电路控制逆变桥的R、Y、B相的下臂开关管；RPHT、YPHT、BPHT这些引脚通过驱动电路控制逆变桥的R、Y、B相的上臂开关管；它们都是标准的TTL输出，每一个输出都有12MA的驱动能力，可直接驱动6个EXB840快速型IGBT专用驱动模块。TRIP该引脚输出一个锁存状态，当SETTRIP有效时，TRIP为低电平，表示输出已被封锁。它有12MA的驱动能力，可直接驱动一个LED指示灯；ZPPR该引脚输出调制波频率；WSS该引脚输出采样波形。332SA4828内部结构内部结构内部结构内部结构图36SA4828管脚图37SA4828芯片图第3章系统主要模块设计15SA4828内部结构图由图38所示。来自单片机的数据通过总线控制和译码进入初始化寄存器或控制器。他们对相控逻辑电路进行控制。外部时钟输入经分频器分成设定的频率，并生成三角形载波，三角载波与所选定的片内ROM中的调制波形进行比较，自动生成SPWM输出脉冲。通过脉冲删除电路，删去比较载的脉冲（如图39所示），因为这样的脉冲不起任何作用，只会增加开关管的损耗。通过脉冲延迟电路生成死区，保证任何桥臂上的两个开关管不会在状态转换期间短路。看门狗定时器用来防止程序跑飞，当时间条件满足时快速封锁输出。片内ROM寸有3种可供选择的波形，它们是纯正弦波形、增强型波形和高效型图38SA4828内部结构图图310片内ROM存储的波形图39脉冲序列中的窄脉冲第3章系统主要模块设计16波形（如图310所示）。每种波形各有1536个采样值。增强型波形又称三次谐波，它可以使输出功率提高20，三相谐波互相抵消，防止电动机发热。高效型波形又称带死区的三次谐波，它是进一步优化的三次谐波，可以减小逆变开关管的损耗，提高功率利用率。寄存器列阵包含8个8位寄存器R0R5和R14、R15。其中R0R5用来暂存来自单片机的数据，这些可能是初始化数据或者控制数据；而R14、R15是两个虚拟的寄存器，物理上不存在。当R14写操作时，实际是将R0R5中存放的48位数据送入初始化寄存器；而向R15写操作时，是将R0R5中存放的48位数据送入控制寄存器。各寄存器地址如表31所列。第3章系统主要模块设计17表31SA4828中各寄存器地址寄存器AD3AD2AD1AD0地址R0000000HR1000101HR2001002HR3001103HR4010004HR5010105HR1411100EHR1511110FH333SA4828初始化编程初始化编程初始化编程初始化编程初始化编程包括载波频率设定、调制波频率范围设定、脉冲延迟时间设定、最小删除脉宽设定、调制波形选择、幅值控制、看门狗时间常数设定。表32初始化寄存器及其功能寄存器D7D6D5D4D3D2D1D0功能R0FRS2FRS1FRS0CFS2CFS1CFS0选择输出频率和载波频率R1PDT6PDT5PDT4PDT3PDT2PDT1PDT0选择脉冲取消时间R2PDY5PDY4PDY3PDY2PDY1PDY0选择死区时间R3AC00WS1WS0选择三相幅值控制R4WD15WD14WD13WD12WD11WD10WD9WD816位看门狗计数器R5WD7WD6WD5WD4WD3WD2WD1WD016位看门狗计数器1初始化寄存器（1）载波频率设定载波频率（即三角波频率）越高越好，但频率过高损耗会越大，另外，还受开关管最高频率限制，因此要合理设定。设定字由CFS0CFS2这3位组成。载波频率CARRF通过下式12512NCLKCARRFF（312）求出。式中CLKF为时钟频率，N值的二进制数即为载波频率设定字。（2）调制波频率范围设定设定调制波频率范围的目的是在此范围进行16位分辨率的细分，这样可以提高控制精度。调制波频率范围设定字是由CFS0CFS2三位组成。第3章系统主要模块设计183842MCARRYRANGEFF（313）式中M值的二进制数即为调制波频率范围设定字。（3）死区时间的设定该设定字是由PDY0PDY5六位组成。CARRYPDYFPDYT51263（314）式中PDY值的二进制数即是死区时间设定字。（4）脉冲取消时间设定该设定字是由PDT0PDT6七位组成。CARRYPDTFPDTT512127（315）式中PDT值的二进制数即是脉冲取消时间设定字。（5）波形选择字波形选择字由WS0和WS1两位组成。00为纯正弦型，01为三次谐波增强型，10为带死区增强型。（6）幅值控制位AC是幅值控制位。当AC0时，控制寄存器中的R相幅值控制字控制所有三相的幅值。当ACI时，控制寄存器中的R、Y、B相幅值控制字分别控制各自的幅值。2控制寄存器表33控制寄存器及其功能寄存器D7D6D5D4D3D2D1D0功能R0PFS7PFS6PFS5PFS4PFS3PFS2PFS1PFS0运行频率选择字低八位R1PFS15PFS14PFS13PFS12PFS11PFS10PFS9PFS8运行频率选择字低八位WTECRINHF/RR2RST复位看门狗寄存器禁止正/反清零输出转R3RAMP7RAMP6RAMP5RAMP4RAMP3RAMP2RAMP1RAMP0三相幅值控制字R4BAMP7BAMP6BAMP5BAMP4BAMP3BAMP2BAMP1BAMP0三相幅值控制字R5YAMP7YAMP6YAMP5YAMP4YAMP3YAMP2YAMP1YAMP0三相幅值控制字第3章系统主要模块设计191调制波频率选择调制波频率选择字由PFS0PFS15十六位组成。PFSFFRANGEPOWER65536（316）式中PFS值的二进制数即是调制波频率选择字。2调制波幅值选择通过改变调制波幅值来改变输出电压有效值，是借助于改变八位幅值选择字RAMP、YAMP、RAMP来实现的。100255AAPOWER（317）式中A值的二进制数即为幅值选择字。初始化寄存器的AC位决定了R相幅值是否代表另二相幅值。（3）正反转选择正反转选择位FR控制三相PWM输出的相序。，R0时正转，相序是RYB；FRI时反转。（4）输出禁止位当输出禁止位O时，关断所有PWM输出。（5）计数器复位当计数器复位位0时，使内部的各寄存器清零。（6）看门狗选择当看门狗选择位WTE1时，使用看门狗功能。（7）软复位控制RST是软复位位，与硬复位丽有相同的功能。高电平有效。34其他模块简介其他模块简介其他模块简介其他模块简介通过单片机与外围设备的连接与通信，使得电动机变频控制系统更加完善。其中外围设备包括串口（与PC机等进行通信）、键盘输入以及液晶显示等。341串口通信串口通信串口通信串口通信单片机与PC机的通信能够让控制系统实现实时监测并进行相应的控制，使控制系统更加智能化、自动化。目前，大部分计算机的串口都采用RS232C通信接口的DB9连接器，如右图所示。RS232C规定的逻辑电平与一般微处理器、单片机的逻辑电平是不同的。RS232的逻辑“1”是以315V来表示的，而单片机的逻辑“1”是以5V来表示的，两者完全不同。因此，单片机系统要和电脑的RS232接口进行通信，就必须把单片机的信号电平（TTL电平）转换成计算机的RS232C电平，或者把计算机的RS232C电平转换成单片机的TTL电平。实现这种转换的方法可以使用分立元件，也可以使用专用RS232电平转换芯片。目前较为广泛地使用专用电平转换芯片，如MC1488、MC1489、MAX232等电平转换芯片来实现EIA到TTL电平的转换。下面介绍的是MAXIM公司的单电源电平转换芯片MAX232及接口电路。第3章系统主要模块设计20如图311所示，MAX232是单电源双RS232发送/接收芯片，采用单一5V电源供电，外接只需4个电容，便可以构成标准的RS232通信接口，硬件接口简单，所以被广泛采用，其主要特性如下A、符合所有的RS232C技术规范B、只要单一5V电源供电片载电荷泵，具有升压、电压极性反转能力，能够产生10V和10V电压V、VC、低功耗，典型供电电流5MAD、内部集成2个RS232C驱动器E、内部集成2个RS232C接收器342驱动模块驱动模块驱动模块驱动模块SA4828输出的6路控制信号是TTL电平的，它们不能直接驱动IPM中的6个IGBT。原因有两个IGBT需要的开关信号幅值约为10V，TTL电平不能胜任；逆变桥中三个下桥臂是共地的，而三个上桥臂是悬浮的，SA4828输出的6路信号均是共地的，必须加以隔离。因此驱动电路的任务有两个电平转换和隔离。1电平转换IGBT一般用集成电路芯片来驱动，常用电路有富士公司的EXB840、841、850、851系列、三菱公司的M5796系列等。这里介绍一种东芝公司的产品TLP250，电路非常简单。TLP250采用8脚的DIP封装，引脚如图4。输入端光耦的隔离电压达到3000V，输入电流为510MA，可以驱动100A/600V的IGBT。它采用单电源供电，使用时须外接一个电阻和一个10V的稳压管，把25V的隔离电源变为15V的导通电压和10V的关断电压。图313TLP250驱动电路图312MAX232管脚图图311MAX232串口电平转换电路第3章系统主要模块设计212隔离电源为了驱动主电路逆变桥的三个上桥臂的IGBT，必须给每一路提供一个隔离的25V电源而三个下桥臂可以共用一个电源。此外，SA4828及单片机系统还需要5V电源以及异步通讯所需的12V电源，一共需要7路电源，如图5所示。该电源可以采用线性电源，也可采用开关电源。前者体积大，笨重，但电路简单，各路电源完全独立，调试容易。后者则轻便、小巧，电路相对较复杂。采用单片开关电源芯片可大大简化电路。343保护电路保护电路保护电路保护电路逆变器中的IGBT模块是变频器的主要部件，也是最昂贵的部件。由于它工作在高频、高压、大电流的状态，所以也是最容易损坏的部件。因此IGBT模块的保护工作显得十分重要。为此应做到以下几点（1）选用智能型IGBT模块。IPM中一般都有过流、过热、短路、欠压保护电路，当任一情况发生时它能迅速给出报警信号。把该信号接到SA4828的SETTRIP端，可立即切断SA4828的6路控制信号，关闭所有的IGBT。（2）对SA4828编程时，设置合理的“死区”时间和欲删除的“窄脉冲”的宽度，前者可有效防止同一桥臂上、下开关元件的共态导通；后者可降低开关损耗，减少发热。（3）在单片机的调速过程中始终监视变频器输出端的电压和电流，一旦超限将停止SA4828的工作并发出报警指示。在IPM应用中，由于高频开关过程和功率回路寄生电感等叠加产生的DIDT、DVDT和瞬时功耗会对器件产生较大的冲击，易损坏器件因此需设置缓冲电路即吸收电路，目的是改变器件的开关轨迹，控制各种瞬态过压，降低器件开关损耗保护器件安全运行。图314隔离电源第3章系统主要模块设计22344A/D模数转换模块模数转换模块模数转换模块模数转换模块该模块主要是将对主电路进行的实时检测的模拟信号转换为数字信号，而后传送给单片机控制系统，实现系统的实时监测。常见的A/D转换器有计数式A/D转换器，双积分式A/D转换器，逐次逼近式A/D转换器，并行直接比较式A/D转换器，V/F式A/D转换器等。本系统需处理多路模拟信号，故采用ADC0809A/D转换模块，它采用逐次逼近的方法完成A/D转换；其片内带有锁存功能的8路模拟开关，可对8路05V的输入模拟电压信号进行转换,完成一次转换约需100S。其输出具有TTL三态锁存缓冲器,可直接与单片机通信。图315AD0809内部结构图316AD0809管脚图ADC0809管脚说明ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图316所示，各引脚功能如下IN0IN78路模拟量