基于单片机生成SPWM信号控制电机实现变频调速的设计

1、    基于单片机生成spwm信号控制电机实现变频调速的设计    吕娣摘要：该文针对常见设备的电机调速问题，提出采用微处理器结合驱动电路，在不改变电动机输出扭力的同时使其转速连续可调的方法。并由51单片机产生spwm信号，结合fga25n120antd 管功率输出器件，采用采用较为成熟的东芝光电隔离驱动芯片 tlp-250作为驱动电路，对电机实现变频调速。该设计控制简单，灵活性强，稳定可靠。关键词：spwm信号；51单片机；fga25n120antd 管；光电隔离驱动芯片：tp202 ：a ：1009-3044（2014）34-8320-02目前市场上

2、常见设备的电机，多使用调整皮带在不同直径的皮带槽运转来实现调速，而这种方法存在需要停机、费时费力、不可连续调速等诸多缺点。为改善对上述缺点，多采用可连续调速的cvt变速装置，但是cvt变速装置同样存在不易于加工、造价高等缺点。针对如上问题，采用微处理器结合驱动电路，在不改变电动机输出扭力的同时使其转速连续可调，成为了一种切实可行的调速方法。1 方案论证目前实现对交流电机的调速一般有晶闸管移相调速与全控桥变频调速。移相调速虽然结构简单容易实现，但是却会影响波形的连续性，电机低速运转时力矩明显减小。另外就是采用脉宽等效方法spwm调制输出正弦交流信号，再改变正弦信号的频率实现对电机的变频调速。脉宽

3、调制技术通过一定的规律控制开关元件的通断，来获得一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形，用以近似正弦电压波形。脉宽调制技术在逆变器中的应用对现代电力电子技术。现代调速系统的发展起到极大的促进作用。近几年来，由于场控自关断器件的不断涌现，相应的高频spwm（正弦脉宽调制）技术在电机调速中得到了广泛应用。sa8281是mitel公司推出的一种用于三相spwm波发生和控制的集成电路，它与微处理器接口方便，内置波形rom及相应的控制逻辑，设置完成后可以独立产生三相pwm波形，只有当输出频率或幅值等需要改变时才需微处理器的干预，微处理器只用很少的时间控制它，因而有能力进行整个系统的检测。保护和控制等。经过对两种

4、方案认真的比较最终采用由单片机产生spwm信号控制的三相桥，对电机进行变频调速。2 spwm介绍pwm的全称是pulse width modulation（脉冲宽度调制），它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。广泛地用于电动机调速和阀门控制，比如电动车电机调速就是使用这种方式。所谓spwm，就是在pwm的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛地用于直流交流逆变器等，比如高级一些的ups就是一个例子。三相spwm是使用spwm模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛的采用。3 基于单片机生成spwm信号控制电机实

5、现变频调速的设计3.1主处理器选型涉及到spwm运算等高速处理，因此主处理器的选择至关重要，目前市面上流行的单片机主要有51单片机、pic单片机、avr单片机，以及cortex-m3芯片。51单片机应用的早，影响很大，已成为世界上的工业标准。随着技术的不断发展，51因其拥有广泛的市场认知度，所以得到了更多厂商的重视，新技术层出不穷，带pwm、带ad、带时钟、带usb等等，处理速度也不断增强。pic单片机是microchip公司的产品，它也是一种精简指令型的单片机，指令数量比较少，中档的pic系列仅仅有35条指令而已，低档的仅有33条指令。但是如果使用汇编语言编写pic单片机的程序有一个致命的弱

6、点就是pic中低档单片机里有一个翻页的概念，编写程序比较麻烦。avr单片机属于使用精简指令集的高速8位单片机。avr的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。avr单片机易于入手、便于升级、费用低廉。cortex-m3是一个32位的核，在传统的单片机领域中，有一些不同于通用32位cpu应用的要求。在实际应用中，因为用户要求具有更快的中断速度，所以cortex-m3采用了tail-chaining中断技术，完全基于硬件进行中断处理，最多可减少12个时钟周期数，在实际应用中可减少70%中断。并且处理速度明显高于普通8位单片机。但价格略高。对本项目而

7、言，多功能新型51单片机以其低廉的价格，超强的稳定性，而且本身带有强大的pwm功能无疑为最佳选择。3.2 功率器件与驱动器件选型绝缘栅双极型晶体管，是由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件， 具有高输入阻抗和低导通压降两方面的优点。因此本项目选用具备上述优点的fga25n120antd 管作为功率输出器件。驱动电路采用较为成熟的东芝光电隔离驱动芯片 tlp-250。3.3 原理图的绘制因为电路中强电与弱电并存，因此在pcb作图时候必须着重考虑避免强电给弱电带来的干扰，对可能产生谐波、感应电流都因该加入吸收电容，对大功率器件的控制端加入磁珠进行滤波。另外为了增大

8、电路板对电流的承载能力，大电流部分应采用堆锡焊法。4 调试因为电路中涉及到强电，调试具有一定的危险性，为确保安全，应采36v隔离变压器低压调试的方法，待参数确定后再接入高压。电流反馈的采集应使用0.01欧的康铜丝电阻。结合示波器与spwm计算器计算出每个点的脉冲宽度，经过反复比对，最终完成调试。5 结论本项完成后已经成功运用到一些设备中，运行良好，达到了预期的效果。参考文献：1 东栋，何向涛，刘建政.用mcs-51实现ups电源spwm控制的一种方法j.通信电源技术，2007（1）.2 杨旭，王兆安.一种新的准固定频率滞环pwm电流控制方法j.电工技术学报，2003（3）.3 夏凤仙，陈小平.

9、逆变式工频交变电流源研制j.仪器仪表学报，2008（8）.4 胡兴柳，彭小兵，穆新华.spwm逆变电源的单极性控制方式实现j.机电工程，2004（1）.5 刘黎.用单片机产生spwm及制作小功率upsj.中南民族大学学报：自然科学版，2002（1）.endprint摘要：该文针对常见设备的电机调速问题，提出采用微处理器结合驱动电路，在不改变电动机输出扭力的同时使其转速连续可调的方法。并由51单片机产生spwm信号，结合fga25n120antd 管功率输出器件，采用采用较为成熟的东芝光电隔离驱动芯片 tlp-250作为驱动电路，对电机实现变频调速。该设计控制简单，灵活性强，稳定可靠。关键词：s

10、pwm信号；51单片机；fga25n120antd 管；光电隔离驱动芯片：tp202 ：a ：1009-3044（2014）34-8320-02目前市场上常见设备的电机，多使用调整皮带在不同直径的皮带槽运转来实现调速，而这种方法存在需要停机、费时费力、不可连续调速等诸多缺点。为改善对上述缺点，多采用可连续调速的cvt变速装置，但是cvt变速装置同样存在不易于加工、造价高等缺点。针对如上问题，采用微处理器结合驱动电路，在不改变电动机输出扭力的同时使其转速连续可调，成为了一种切实可行的调速方法。1 方案论证目前实现对交流电机的调速一般有晶闸管移相调速与全控桥变频调速。移相调速虽然结构简单容易实现，

11、但是却会影响波形的连续性，电机低速运转时力矩明显减小。另外就是采用脉宽等效方法spwm调制输出正弦交流信号，再改变正弦信号的频率实现对电机的变频调速。脉宽调制技术通过一定的规律控制开关元件的通断，来获得一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形，用以近似正弦电压波形。脉宽调制技术在逆变器中的应用对现代电力电子技术。现代调速系统的发展起到极大的促进作用。近几年来，由于场控自关断器件的不断涌现，相应的高频spwm（正弦脉宽调制）技术在电机调速中得到了广泛应用。sa8281是mitel公司推出的一种用于三相spwm波发生和控制的集成电路，它与微处理器接口方便，内置波形rom及相应的控制逻辑，设置完成后可以独立产

12、生三相pwm波形，只有当输出频率或幅值等需要改变时才需微处理器的干预，微处理器只用很少的时间控制它，因而有能力进行整个系统的检测。保护和控制等。经过对两种方案认真的比较最终采用由单片机产生spwm信号控制的三相桥，对电机进行变频调速。2 spwm介绍pwm的全称是pulse width modulation（脉冲宽度调制），它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。广泛地用于电动机调速和阀门控制，比如电动车电机调速就是使用这种方式。所谓spwm，就是在pwm的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛地用于直流交流逆

13、变器等，比如高级一些的ups就是一个例子。三相spwm是使用spwm模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛的采用。3 基于单片机生成spwm信号控制电机实现变频调速的设计3.1主处理器选型涉及到spwm运算等高速处理，因此主处理器的选择至关重要，目前市面上流行的单片机主要有51单片机、pic单片机、avr单片机，以及cortex-m3芯片。51单片机应用的早，影响很大，已成为世界上的工业标准。随着技术的不断发展，51因其拥有广泛的市场认知度，所以得到了更多厂商的重视，新技术层出不穷，带pwm、带ad、带时钟、带usb等等，处理速度也不断增强。pic单片机是microchip公司的产品，它也是一

14、种精简指令型的单片机，指令数量比较少，中档的pic系列仅仅有35条指令而已，低档的仅有33条指令。但是如果使用汇编语言编写pic单片机的程序有一个致命的弱点就是pic中低档单片机里有一个翻页的概念，编写程序比较麻烦。avr单片机属于使用精简指令集的高速8位单片机。avr的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。avr单片机易于入手、便于升级、费用低廉。cortex-m3是一个32位的核，在传统的单片机领域中，有一些不同于通用32位cpu应用的要求。在实际应用中，因为用户要求具有更快的中断速度，所以cortex-m3采用了tail-chainin

15、g中断技术，完全基于硬件进行中断处理，最多可减少12个时钟周期数，在实际应用中可减少70%中断。并且处理速度明显高于普通8位单片机。但价格略高。对本项目而言，多功能新型51单片机以其低廉的价格，超强的稳定性，而且本身带有强大的pwm功能无疑为最佳选择。3.2 功率器件与驱动器件选型绝缘栅双极型晶体管，是由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件， 具有高输入阻抗和低导通压降两方面的优点。因此本项目选用具备上述优点的fga25n120antd 管作为功率输出器件。驱动电路采用较为成熟的东芝光电隔离驱动芯片 tlp-250。3.3 原理图的绘制因为电路中强电与弱电并存

16、，因此在pcb作图时候必须着重考虑避免强电给弱电带来的干扰，对可能产生谐波、感应电流都因该加入吸收电容，对大功率器件的控制端加入磁珠进行滤波。另外为了增大电路板对电流的承载能力，大电流部分应采用堆锡焊法。4 调试因为电路中涉及到强电，调试具有一定的危险性，为确保安全，应采36v隔离变压器低压调试的方法，待参数确定后再接入高压。电流反馈的采集应使用0.01欧的康铜丝电阻。结合示波器与spwm计算器计算出每个点的脉冲宽度，经过反复比对，最终完成调试。5 结论本项完成后已经成功运用到一些设备中，运行良好，达到了预期的效果。参考文献：1 东栋，何向涛，刘建政.用mcs-51实现ups电源spwm控制的

17、一种方法j.通信电源技术，2007（1）.2 杨旭，王兆安.一种新的准固定频率滞环pwm电流控制方法j.电工技术学报，2003（3）.3 夏凤仙，陈小平.逆变式工频交变电流源研制j.仪器仪表学报，2008（8）.4 胡兴柳，彭小兵，穆新华.spwm逆变电源的单极性控制方式实现j.机电工程，2004（1）.5 刘黎.用单片机产生spwm及制作小功率upsj.中南民族大学学报：自然科学版，2002（1）.endprint摘要：该文针对常见设备的电机调速问题，提出采用微处理器结合驱动电路，在不改变电动机输出扭力的同时使其转速连续可调的方法。并由51单片机产生spwm信号，结合fga25n120ant

18、d 管功率输出器件，采用采用较为成熟的东芝光电隔离驱动芯片 tlp-250作为驱动电路，对电机实现变频调速。该设计控制简单，灵活性强，稳定可靠。关键词：spwm信号；51单片机；fga25n120antd 管；光电隔离驱动芯片：tp202 ：a ：1009-3044（2014）34-8320-02目前市场上常见设备的电机，多使用调整皮带在不同直径的皮带槽运转来实现调速，而这种方法存在需要停机、费时费力、不可连续调速等诸多缺点。为改善对上述缺点，多采用可连续调速的cvt变速装置，但是cvt变速装置同样存在不易于加工、造价高等缺点。针对如上问题，采用微处理器结合驱动电路，在不改变电动机输出扭力的同

19、时使其转速连续可调，成为了一种切实可行的调速方法。1 方案论证目前实现对交流电机的调速一般有晶闸管移相调速与全控桥变频调速。移相调速虽然结构简单容易实现，但是却会影响波形的连续性，电机低速运转时力矩明显减小。另外就是采用脉宽等效方法spwm调制输出正弦交流信号，再改变正弦信号的频率实现对电机的变频调速。脉宽调制技术通过一定的规律控制开关元件的通断，来获得一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形，用以近似正弦电压波形。脉宽调制技术在逆变器中的应用对现代电力电子技术。现代调速系统的发展起到极大的促进作用。近几年来，由于场控自关断器件的不断涌现，相应的高频spwm（正弦脉宽调制）技术在电机调速中得到了广泛应用

20、。sa8281是mitel公司推出的一种用于三相spwm波发生和控制的集成电路，它与微处理器接口方便，内置波形rom及相应的控制逻辑，设置完成后可以独立产生三相pwm波形，只有当输出频率或幅值等需要改变时才需微处理器的干预，微处理器只用很少的时间控制它，因而有能力进行整个系统的检测。保护和控制等。经过对两种方案认真的比较最终采用由单片机产生spwm信号控制的三相桥，对电机进行变频调速。2 spwm介绍pwm的全称是pulse width modulation（脉冲宽度调制），它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。广泛地用于电动机调速和阀门控制，比如电动车电机调速就是使用这种方式。所

21、谓spwm，就是在pwm的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛地用于直流交流逆变器等，比如高级一些的ups就是一个例子。三相spwm是使用spwm模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛的采用。3 基于单片机生成spwm信号控制电机实现变频调速的设计3.1主处理器选型涉及到spwm运算等高速处理，因此主处理器的选择至关重要，目前市面上流行的单片机主要有51单片机、pic单片机、avr单片机，以及cortex-m3芯片。51单片机应用的早，影响很大，已成为世界上的工业标准。随着技术的不断发展，51因其拥有广泛的市场认知度，

22、所以得到了更多厂商的重视，新技术层出不穷，带pwm、带ad、带时钟、带usb等等，处理速度也不断增强。pic单片机是microchip公司的产品，它也是一种精简指令型的单片机，指令数量比较少，中档的pic系列仅仅有35条指令而已，低档的仅有33条指令。但是如果使用汇编语言编写pic单片机的程序有一个致命的弱点就是pic中低档单片机里有一个翻页的概念，编写程序比较麻烦。avr单片机属于使用精简指令集的高速8位单片机。avr的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。avr单片机易于入手、便于升级、费用低廉。cortex-m3是一个32位的核，在传统的单片机领域中，有一些不同于通用32位cpu应用的要求。在实际应用中，因为用户要求具有更快的中断速度，所以cortex-m3采用了tail-chaining中断技术，完全基于硬件进行中断处理，最多可减少12个时钟周期数，在实际应用中可减少70%中断。并且处理速度明显高于普通8位单片机。但价格略高。对