2 0 0 7 年第 3 期 总第 1 41 期 单片机变频调速控制技术的探讨与研究 27 单片机变频调速控制技术的探讨与研究 韩桂利 ( 天津电子信息职业技术学院, 300132) [ 摘要] 变频调速是近年来国内外用于节电和调速的重要技术, 介绍了 SPWM 变频调速的原理及用单片机实现 SPWM 变频调速的方法。 关键词 单片机 变频调速 波形 频率 探讨 1 引言 在工业生产过程中, 为了获得最高的生产率和保 证产品的加工质量, 常要求生产机械在不同的转速下 进行工作。如果采用变频调速, 就可大大简化机械变 速机构。另一方面交流变频控制系统倍受关注的原因 是交流异步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、价 格低、坚固耐用、维护方便等突出优点。然而交流电动 机的调速需要一个特殊的交流变频电源- - 变频器。在 变频调速技术中, 最成熟的一种是 SPWM 的方法, 即 用一个低频的正弦波去调制一个高频的三角波, 得到 一串等幅不等宽的脉冲波, 并以此作为控制信号去控 制逆变器中的开关元件, 以驱动电动机的转动。常用 的生成 SPWM 的方法有正弦波和三角波交点法、软件 生成法及专用集成电路法。显然软件生成法具有需要 硬 件 资 源 少 、控 制 灵 活 的 特 点, 但 它 须 占 用 大 量 CPU 内存。为了解决这一矛盾就需要研究一种简捷有效的 计算方法, 下面就这一方法加以论述。 2 SPWM 变频调速的原理 利用 PWM 波产生正弦波的方法是将正弦波的一 个周期在时间上划分成 N 等分, N 必须取偶数。因此, 每一等分脉宽都是 2 π/N。用脉冲 幅 度 都 等 于 U△m 的一个矩形电压脉冲, 使脉冲宽度与其对应的正弦波 所 包 含 的 面 积 相 等 或 成 比 例 来 代 替 相 应 的 正 弦 波 部 分, 这样由 N 个宽度不等的脉冲就组成了一个与正弦 波等效的脉宽调制波形。显然, 当 N 取足够大, 这样一 串等效的矩形脉冲序列将非常接近于正弦波的波形。 为 了 保 证 变 频 调 速 无 偶 次 谐 波 , PWM 波 必 须 以 90°为对称性。由于我们需要形成三相正弦波, 为使三 相输出波形对称, 并有效地抑制较低的奇次谐波, 正 弦波的周期与脉冲等分之比 N 必须为 3 的倍数, 这样 才 能 保 证 输 出 波 形 的 正 、负 半 波 始 终 保 持 对 称 , 并 严 格保证三相输出波形之间具有互差 120°的对称关系。 以频率比为 6 的脉宽调制方法, 结果如图 l 所示, 图 1 中 形 成 的 是 A 相 , 如 对 A 相 分 别 位 移 120°和 240°, 就得到 B 相和 C 相。由于正半周和负半周是分 开形成, 因此, 总共形成 6 组 PWM 波, 称为 SPWM 波。 图 1 以频率比为 6 的脉宽调制方法 3 单片机变频调速的组成原理 由单片机组成的变频调速系统如图 2 所示。给定 的转速 n0 由两种方式设定: 键盘、电位器( A/D) , 单 片 机把它核算成 6 个控制字, 分别由 6 个 I/O 口输出, 得 到相应的频率和电压的三相 SPWM 波形, 经光电隔离 电路产生相应的 6 个控制信号来控制逆变电路中的 6 个快速 IGBT 管 Q1～Q6, 以使逆变器输出对称的三相 SPWM 电压, 来驱动交流电机转动。利用转速编码器 可以构成闭环调速系统, 提高转速控制精度。 图 2 单片机变频调速的组成原理 4 单片机变频调速的软件实现原理 采用单片机形成 SPWM 变频调速系统, 可以得到 较大的调速范围、较好的调速平滑性和足够硬度的机 www.tjyj.com tjyj@tjyj.com ———" 研究与应用 #——— www.tjyjqk.com tjyjzz@tjyj.com 

28 械特性。 天津冶金 TIANJIN METALLURGY 2 0 0 7 年第 3 期 总第 1 41 期 现 以 频 率 比 为 6 的 SPWM 波 为 例 , 因 SPWM 以 90°为对称的波形, 所以我们只要取 0°～90°范围内的 数 据, 就 可 以 形 成 三 相 正 弦 波 的 全 部 数 据 , 若 把 时 间 间 隔 1/f(Hz)/N 的 长 称 之 为 “段 ”, 则 在 90°范 围 内 我 们 给这三个段分别编号为 1、2、3, 而用- 1、- 2、- 3 表示负 半周波形段, 则 A、B、C 三相对 0°～90°波形资料, 其应 用的相序位置如表 1 所示。 表 1 相序位置表 A 相 1、2、3、3、2、1、- 1、- 2、- 3、- 3、- 2、- 1 B 相 2、1、- 1、- 2、- 3、- 3、- 2、- 1、1、2、3、3 C 相 - 3、- 3、- 2、- 1、1、2、3、3、2、1、- 1、- 2 1、2、3 为段序号; 正 数 和 负 数 分 别 表 示 正半周和负半周 用 PWM 拟合成的正弦波, 其频率为变频调速器 所要的频率 f, 在这一频率下, 在三相交流电某相的一 个周期中, 设发生的脉冲数为 N, 并有 N=2P, P 为频率 比。假设变频频率为 46 Hz, 取 P=6, 即 N=12, 则 PWM 波的段长为 100 ms/46/12=l.812 ms。 在一个段中, 三相波的三个 PWM 脉冲对于中心 频率是对称的。段的宽度与调制的三角波周期相等, 为了减少数据量对图 1 进行规则采样, 如图 3 所示, 过 E( 该段的频率中心) 点做水平线取 A、B 两点, 根据几 何原理有: AE=EB; t 1=t 3; Tt=t 2+2t 1 2 ( 1+M SinωtE) ∴t 2= Tt t 1 =t 3 = 1 2 ( Tt- t 2) ( 3) ( 4) 图 3 规则采样法 设 U～m 为正弦波幅值; U△m 为等效矩形波的幅 值, 根据前述公式, 计算出对应三相交流 电 A、B、C 每 一个 PWM 脉冲的宽度, 如表 2 所列。 可以看出, A、B、C 三相在段中拟合脉冲宽度分别 为 1.049 ms、1.418 ms、1.606 ms。 按 图 3 所 示 , 先 将 1.812 ms、1.049 ms、1.418 ms、1.606 ms 化 为 单 片 机 的 机器周期数(这里 1 个机器周期=2 μs), 则分别有 906、 524、709、803 个机器周期。由于这四个时间(脉冲宽度) 都是中心对称, 经排序和差分以后, 得以下七个数值: 52、47、93、524、93、47、52, 再 用 16 进 制 数 表 示 有 : 34H, 2FH, 5DH, 20CH, 5DH, 2FH, 34H。这七个数, 而且 只要将前四个数据存放于单片机 EPROM 中即够。这 七个数就是 PWM 拟合三相交流电的第一段中各脉冲 www.tjyj.com tjyj@tjyj.com ———" 研究与应用 #——— www.tjyjqk.com tjyjzz@tjyj.com 

2 0 0 7 年第 3 期 总第 1 41 期 沿之间的定时数值。从表 2 可见, 脉冲沿也是有规律 的。这样, 第一段工作过程是: 定时 34H, - C 相上升沿: 定时 2FH, B 相上升沿; 定时 5DH, A 相上升沿: 定时 20CH, A 相下降沿; 定时 5DH, B 相下降沿; 定时 2FH, - C 相下降沿: 定时 34H, 本段运行结束, 进行下个段的 运行。 5 结论 用单片机 I/O 口模拟 SPWM 波形, 克服了由正弦 波 、三 角 波 和 比 较 器 等 电 路 生 成 的 SPWM 波 形, 而 造 成 的 控 制 电 路 比 较 复 杂 , 控 制 精 度 难 以 保 证 , 可 靠 性 不高等缺点。单片机模拟 SPWM 波形还具有成本低、 参数调整方便、容易产品升级换代、维修方便等优点。 但占用单片机存储器资源较大, 对实时性的影响取决 29 于算法的复杂程度。随着单片机功能增强, 由单片机 控制的变频调速系统, 将有广阔应用范围。 ( 收稿 2006- 3- 21 责编 苗龙军) 参考文献 [1] 徐德丰. SPWM 控制方式下死区对变频器性能的影响分析[J].电 气自动化, 2006, ( 3) : 16～18. [2] 吴 春 华. 基 于 SA866AE 与 AT89C51 单 片 机 设 计 的 通 用 变 频 装 置[J].电气时代 , 2006, ( 6) : 108～110. 作者简介 韩 桂 利, 男, 讲 师, 1983 年 毕 业 于 天 津 理 工 学 院, 现 在 天 津 电 子 信息职业技术学院主要从事于自动化和单片机控制的教学与研究。 ################################################ ( 上接第 19 页) ( 6) 计算元器件参数偏离标称值时电路输出特性的 蒙特卡罗分析和最坏情况分析; ( 7) 温度特性分析; ( 8) 优化设计。 该软件的元件库中设有大量的电器元件, 为满足 计算精度的要求, 用户可以对其各项技术参数进行修 改。它可处理的电路元件有: 电阻、电容、电感、互感、 独立电压(流)源、四种受控源、传输线、二极管、双极型 晶体管、JFET、MOSFET 及 GaAsFET。 它可以处理无源元件的温度系数, 独立电源的波 形 可 定 为 下 述 五 种 形 式 之 一: 指 数 、脉 冲 、分 段 线 性 、 频 率 调 制 波 及 正 弦 波 。受 控 源 的 受 控 方 式 可 以 是 线 性, 也 可 以 是 非 线 性 的 任 意 阶 任 意 维 多 项 式 , 各 种 元 件还可以用各自允许的模式进行定义和描述。其图形 后处理功能就像扫描仪和示波器一样, 测量电路的瞬 态响应, 画出相应的波形。用户在涉及电路硬件之前, 先对电路进行仿真, 再根据仿真结果进行参数修改和 电 路 优 化 设 计, 使 用 十 分 方 便, 其 优 点 是 节 省 时 间 和 设备, 降低成本, 缩短新产品生产周期。 PSpice 是一个优秀的模拟实验平台, 利用它, 可 以完成许多电力电子技术中电路的实验和测试, 而且 其修改和优化设计都很方便、快捷。这一点对于从事 电力电子、信息工程和自动控制工程等领域的设计人 员具有很高的使用价值。 4 结束语 电 力 电 子 技 术 是 现 代 社 会 的 重 要 支 撑 科 技 , 能 源 、环 保 、资 讯 与 通 信 、生 命 科 学 、材 料 和 交 通 每 一 领 域中电力电子技术都扮演者重要的角色, 在国民经济 各个领域中有着广泛的应用和美好的前景。 ( 收稿 2006- 2- 14 责编 赵实鸣) 参考文献 [1] 王廷才. 电力电子技术[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.134. [2] 黄家善. 电 力 电 子 技 术[M]. 北 京: 机 械 工 业 出 版 社, 2005.1 20- 38. 作者简介 姜桦, 天津冶金职业技术学院电气工程系讲师。讲授《电力电子 技术》、《机床电气控制》等课程。 www.tjyj.com tjyj@tjyj.com ———! 研究与应用 "——— www.tjyjqk.com tjyjzz@tjyj.com 

2 0 0 7 年第 3 期 总第 1 41 期 ABSTRACTS TIANJ IN METALLURGY Jun . 2007 No . 3 Total No . 141 

天津冶金 TIANJIN METALLURGY TIANJIN METALLURGY TIANJIN METALLURGY TIANJIN METALLURGY TIANJIN METALLURGY TIANJIN METALLURGY TIANJIN METALLURGY TIANJIN METALLURGY TIANJIN METALLURGY TIANJIN METALLURGY TIANJIN METALLURGY TIANJIN METALLURGY TIANJIN METALLURGY TIANJIN METALLURGY TIANJIN METALLURGY TIANJIN METALLURGY TIANJIN METALLURGY 2 0 0 7 年第 3 期 总第 1 41 期