基于單片機(jī)的變頻調(diào)速電機(jī)設(shè)計思路研究

摘 要：單片機(jī)也稱為微控制器， 它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。文章研發(fā)出了基于單片機(jī)上的變頻調(diào)速電機(jī)，對此系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)敘述。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；變頻調(diào)速電機(jī)

中圖分類號：TN380.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）8-0096-02

1 本系統(tǒng)的基本簡介

1.1 單片機(jī)的簡介

單片機(jī)也稱為微控制器，它常用英文縮寫MCU來表示。單片機(jī)不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上，最早設(shè)計者是想把CPU和其他外圍設(shè)備集成在一個芯片里達(dá)到計算機(jī)系統(tǒng)更小、更容易集成的目的，INTEL的Z90是最早設(shè)計出來的單片機(jī)。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)了解計算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。

單片機(jī)的歷史：第一代，20世紀(jì)70年代后期，4位邏輯控制器件發(fā)展到8位。使用NMOS工藝（速度低，功耗大、集成度低）。代表產(chǎn)品：MC6800、Intel8048。第二代，20世紀(jì)80年代初，采用CMOS工藝，并逐漸被高速低功耗的HMOS工藝代替。代表產(chǎn)品：MC146805、Intel 8051。第三代，近10年來，MCU的發(fā)展出現(xiàn)了許多新特點：①在技術(shù)上，由可擴(kuò)展總線型向純單片型發(fā)展，即只能工作在單片方式。②MCU 的擴(kuò)展方式從并行總線型發(fā)展出各種串行總線。③將多個 CPU集成到一個MCU 中。④在降低功耗，提高可靠性方面，MCU工作電壓已降至3.3 V。第四代，F(xiàn)LASH的使用使MCU技術(shù)進(jìn)入了第四代。

本次實驗我們使用的是Microchip公司的PIC微控制器。PIC微控制器（PIC microcontroller），是一種使用哈佛結(jié)構(gòu)的精簡指令集微控制器，由Microchip公司研發(fā)而成。

PIC微控制器的架構(gòu)是很明顯的最低限度，它有以下特點：

①分離式的程式碼和資料空間（哈佛結(jié)構(gòu)）。

②少量的固定長度指令。

③指令是單周期執(zhí)行（4時鐘周期），僅流程轉(zhuǎn)移指令（call， goto， return，成立時的條件跳躍）需兩個指令周期。

④所有RAM位置均可當(dāng)作作為算數(shù)或其他運(yùn)算的源寄存器或目的寄存器使用

一個硬件堆棧用于存放副程式呼叫的返回地址。

⑤較小的資料尋址空間，但使用多個bank的方式（每個bank通常為128字節(jié)），來存取較大的RAM。

⑥暫存器、周邊輸入輸出埠等均映射在資料空間中。

⑦程序計數(shù)器也是映射到資料空間和寫入（這是用來執(zhí)行間接跳躍）。

我們此次選擇的是PIC18（8-bit里的高階）系列（16-bit 指令碼）

PIC18：PIC18C，PIC18Fxxx，少數(shù)早期的PIC18Fxxxx

PIC18 Extended：目前絕大多數(shù)的PIC18 Fxxxx，PIC18 F-

xxJxx，PIC18FxxKxx

1.2 變頻調(diào)速電機(jī)的簡介

變頻調(diào)速電機(jī)簡稱變頻電機(jī)，是變頻器驅(qū)動的電動機(jī)的統(tǒng)稱。實際上為變頻器設(shè)計的電機(jī)為變頻專用電機(jī)，電機(jī)可以在變頻器的驅(qū)動下實現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速與扭矩，以適應(yīng)負(fù)載的需求變化。變頻電動機(jī)由傳統(tǒng)的鼠籠式電動機(jī)發(fā)展而來，把傳統(tǒng)的電機(jī)風(fēng)機(jī)改為獨立出來的風(fēng)機(jī)，并且提高了電機(jī)繞組的絕緣性能。在要求不高的場合如小功率和頻率在額定工作頻率工作情況下，可以用普通鼠籠電動機(jī)代替。

1.2.1 變頻調(diào)速電機(jī)的技術(shù)特點

①效率高：達(dá)到歐洲CEMEP-EU效率等級電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)二級值，符合中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 18613-2002中小型三相異步電動機(jī)能效限定值。

②雙頻寬電壓：電壓范圍220～690 V，適用50 Hz和60 Hz電源。

噪聲低：通過優(yōu)化電磁設(shè)計、通風(fēng)狀況、結(jié)構(gòu)尺寸等技術(shù)，M2JA系列電動機(jī)的噪聲較低。

③軸承負(fù)載能力高：電動機(jī)選用深溝球軸承，壽命長，80～132中心高電動機(jī)為永久型潤滑，160～355設(shè)有加油裝置。

④可靠性好：電動機(jī)為全封閉風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，防護(hù)等級IP55，材料及工藝符合環(huán)境要求。電動機(jī)機(jī)械強(qiáng)度高，堅固耐用，防銹防腐性強(qiáng)。繞組可靠性好，采用F級絕緣結(jié)構(gòu)，B級考核。并可根據(jù)用戶需要增加PTC熱敏電阻或熱敏開關(guān)。

1.2.2 技術(shù)特點

①效率高：達(dá)到歐洲CEMEP-EU效率等級電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)二級值，符合中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 18613-2002中小型三相異步電動機(jī)能效限定值。

②雙頻寬電壓：電壓范圍220～690 V，適用50 Hz和60 Hz電源。

③噪聲低：通過優(yōu)化電磁設(shè)計、通風(fēng)狀況、結(jié)構(gòu)尺寸等技術(shù)，M2JA系列電動機(jī)的噪聲較低。

④軸承負(fù)載能力高：電動機(jī)選用深溝球軸承，壽命長，80～132中心高電動機(jī)為永久型潤滑，160～355設(shè)有加油裝置。

⑤可靠性好：電動機(jī)為全封閉風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，防護(hù)等級IP55，材料及工藝符合環(huán)境要求。電動機(jī)機(jī)械強(qiáng)度高，堅固耐用，防銹防腐性強(qiáng)。繞組可靠性好，采用F級絕緣結(jié)構(gòu)，B級考核。并可根據(jù)用戶需要增加PTC熱敏電阻或熱敏開關(guān)。

1.2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，主要也是考慮非正弦電源特性對變頻電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)、振動、噪聲冷卻方式等方面的影響，一般注意以下問題：

①絕緣等級，一般為F級或更高，加強(qiáng)對地絕緣和線匝絕緣強(qiáng)度，特別要考慮絕緣耐沖擊電壓的能力。

②對電機(jī)的振動、噪聲問題，要充分考慮電動機(jī)構(gòu)件及整體的剛性，盡力提高其固有頻率，以避開與各次力波產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

③冷卻方式：一般采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，即主電機(jī)散熱風(fēng)扇采用獨立的電機(jī)驅(qū)動。

④防止軸電流措施，對容量超過160 kW電動機(jī)應(yīng)采用軸承絕緣措施。主要是易產(chǎn)生磁路不對稱，也會產(chǎn)生軸電流，當(dāng)其他高頻分量所產(chǎn)生的電流結(jié)合一起作用時，軸電流將大為增加，從而導(dǎo)致軸承損壞，所以一般要采取絕緣措施。

⑤對恒功率變頻電動機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過3 000轉(zhuǎn)/min時，應(yīng)采用耐高溫的特殊潤滑脂，以補(bǔ)償軸承的溫度升高。

1.2.4 變頻電動機(jī)的優(yōu)點

變頻電動機(jī)在電氣控制上比較簡單，運(yùn)行故障率低，可靠性高，機(jī)械損耗小并且節(jié)能。

2 設(shè)計思路

2.1 本實驗的總體設(shè)計機(jī)構(gòu)

我們的變頻系統(tǒng)是根據(jù)電路的AC/DC/AC電壓的變換方式達(dá)到變換速度的目的的。我們還運(yùn)用了IGBT的逆變結(jié)構(gòu)，其中IGBT部分是要求采用大功率、高性能的。我們還采用了HCPL4504的光電阻，信號被光電阻隔絕后經(jīng)由IR2233放大來啟動IGBT。整個電路我們由我們的PIC18系列單片機(jī)來控制，單片機(jī)通過電流互感器、電壓互感器等檢測電路狀態(tài)，并且和自己期望的值進(jìn)行比對，實驗者根據(jù)單片機(jī)反應(yīng)的值來調(diào)節(jié)驅(qū)動信號來達(dá)到控制頻率進(jìn)而實現(xiàn)電動機(jī)變速的目的，如圖1所示。

實驗的特點有：①可以變動的頻率范圍比較廣，這樣今兒變化的速度可控范圍也比較廣了，一般變頻的范圍在1～5 Hz之間。②采用V/F模式時，可以有多條V/F控制曲線，是的控制的性能提高了。③PIC18系列的單片機(jī)有PWM檢錯功能，當(dāng)發(fā)生錯誤時能使得保護(hù)單片機(jī)的各個部分，進(jìn)而保護(hù)PWM的電源，又IR2233有專屬的緊急停止功能，使得該實驗的安全系數(shù)變高了，有利于保護(hù)實驗所用的單片機(jī)。

2.2 該系統(tǒng)的硬件設(shè)計思路

本實驗是基于PIC18系列的單片機(jī)的，其性能的提高主要依靠PIC18系列單片機(jī)、高速光耦HCPL4504以及IR2233組成，此外還具有信號檢測和實時鬧鐘等功能。該系統(tǒng)主要部件和功能說明：

①在電機(jī)控制器和功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，PICl8系列單片機(jī)有插入可編程死區(qū)時間的14位功率控制PWM模塊（PCPWM），簡化了PWM輸出的過程，除了能使用方便的PWM模塊。PICl8系列單片機(jī)還具有更適合電機(jī)控制用的運(yùn)動反饋模塊。運(yùn)動反饋模塊的引入減少了測量控制反饋量所需要的外圍電路，精簡了電路設(shè)計，增加了系統(tǒng)的可靠性。此外，還有高速的10位A/D轉(zhuǎn)換器。在很多情況下，這些功能使得PICl8系列單片機(jī)在諸如電能轉(zhuǎn)換、電機(jī)控制的應(yīng)用場合使用時，可以減少相對應(yīng)的成本開支。

②本系統(tǒng)中的IR2233是專為高壓、高速功率MOSFET和IGBT門極驅(qū)動而設(shè)計的功率驅(qū)動器件，是輸出高壓柵極智能驅(qū)動模塊。該驅(qū)動芯片內(nèi)部集成了3個獨立的相對高邊和低邊輸出通道可分別用于三相應(yīng)用。其邏輯輸入與5V-CMOS或LSTTI輸出電平兼容。

經(jīng)過光電隔離的PWM信號直接輸入到IR2233中，并由它來驅(qū)動高電壓、高速度的功率元件。在電路中，HCPL4504是高速光耦。由于六路隔離電路完全一樣，所以在此僅顯示了一路隔離電路。該光耦是光電隔離接口芯片，與TTL兼容，因此可以直接驅(qū)動。其內(nèi)部集成高靈敏度光傳感器，極短的寄生延時為IPM應(yīng)用中的高速開關(guān)的死區(qū)時問確保了安全。

3 結(jié) 語

本系統(tǒng)運(yùn)用了性能比較好的PICl8系列單片機(jī)及其專用的芯片，使得該變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)緊密、穩(wěn)定可靠性高、靈活度高以及制作成本也有很大的減少。

鑒于篇幅有限，否則我們還可以設(shè)計軟件模擬和測試實驗結(jié)果使得我們可以大大的節(jié)約測試的時間，并且可以通過軟件升級進(jìn)一步優(yōu)化性能并且實現(xiàn)多重控制的方式。并且我們可以利用單片機(jī)豐富的其他接口去擴(kuò)展我們?nèi)诵曰目刂颇Ｊ剑踔廖覀兛梢园丫W(wǎng)絡(luò)接入單片機(jī)實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。所以，本系統(tǒng)不僅僅到此為止，以后還可以通過技術(shù)人員的研發(fā)不斷完善市場的需要。

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