基于8031单片机的变频调速系统设计

摘 要

近年来随着电力电子技术、计算机技术、自动控制理论三者的迅速发展，变频调速己得到了越来越广泛的应用。进入21世纪后，这三者相结合的趋势更为明显。特别是单片机技术的应用使电机调速技术又进入了一个新领域。该设计介绍了一种单片机控制变频器的闭环交流调速系统，叙述了系统的硬件结构和软件设计方案，探讨了实现PID参数自整定的方法。实验运行表明，该系统具有较高的响应速度和良好的控制效果。单片机的应用，使系统具有结构简单、操作方便和运行可靠的特点。

【关键词】单片微型机 变频器 交流调速 变频调速

前言

随着社会经济的飞速发展，科学技术领域也日益发生着翻天覆地的巨大变化，在这种环境下，变频调速技术的应用也越来越广泛，几乎渗透到了各个学科的领域中去。当今社会，新型的电力电子元件和高性能的微处理器在各领域也得到更新和普及推广，从外观来看，变频器体积也在逐步缩小，与此同时其性价比越来越高。原因在于，厂商不仅致力于提升其安全性，实际上更倾向于方便日常工作，使其愈加轻便的同时，使用性能和本身功能不断增加。总体而言，变频器日益趋向于内部驱动的交流化，在此基础上，逐步实现功率变换器的高频化以及控制的数字化、智能化和网络化。以上种种皆可以证实一点，在全球一体化形势下，国内变频调速技术在不断进步，这无形中迫使相关技术人员必须注重与国际接轨，全面把握国际变频调速技术的发展历程。

尽管那些由变频器所组成的异步电动机变频调速系统在科学技术迅速发展的大潮中得以广泛普及，但并不是一劳永逸的。因为在相当一部分对电子技术方面要求较高的地方，其在开环控制的系统运行中存在一定的缺陷，不仅达不到工程的要求，大大拖延了时间，甚至给整个工程造成巨大的损失。这时，为了弥补由变频器组成的变频控制系统的不足，单片机的出现便因其齐全的功能、低廉的成本在工程建设中备受青睐。因此，开发用单片机控制变频器来实现闭环交流调速系统的控制将具有重要意义。在本文中，着重展示了这项关于单片机控制变颇器的交流调速系统，进而探讨该系统的硬件结构设计的思想。

1 方案论证

方案（一）一般调速系统

一般调速系统的主回路是由三部分构成的，分别是三相整流电路、大电容滤波电路和SPWM逆变电路。SPWM逆变电路有很大的优越性，可以说分享了mosfet 和GTR二者的优点，使用由绝缘栅型双极晶体管形成的全控开关器件，具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好，同时具有很强的耐压性，容量大，驱动电路简单，因此在电机拖动场合的逆变器电路上得到广泛应用。

控制电路DSP（信号数字处理）芯片、驱动电路和键盘显示等电路构成DSP芯片处理由键盘输入的控制信号，一方面输出到显示部分显示电机的运行信息，另一方面输出SPWM信号到驱动电路，从而控制逆变电路中的6个IGBT的通断，达到控制电机转速的目的。

由硬件电路生成SPWM波的方法往往电路复杂，控制精度难以保证。随着微型计算机技术的发展和普及，特别是其高集成度和优异的计算机功能，可以方便地对变频器进行直接数字控制，从而获得调节灵活，稳定可靠，性能优越的控制效果，目前已经得到普遍应用。

方案（二）单片机调速系统

单片机调速系统的工作原理是，通过微电子器件、电力电子器件和控制技术，将供给电机定子的工频交流电源经过二极管整流成直流，再由GTR、IGBT、IGCT等逆变为频率可调的交流电源，此电源再拖动电机和负载。

交流电机变频调速在频率范围、动态响应、调速精度、低频转矩、输出性能、功率因数、工作效率、节电降耗、使用方便等方面是以往的交流调速方式无法比拟的。它以体积小、重量轻、通用性强、工艺先进、保护功能完善、设计思想丰富、可靠性高、操作简便等优点深受电力、冶金、矿山、石油、化工、自来水等行业的欢迎，交流变频调速装置是企业技术改造和节能降低的理想设备。

综上所比较，利用单片机调速系统更加简便，方便稳定。故在该设计中选择方案（二）。

2 单片机变频调速的硬件结构

单片机通用变频调速系统控制器与变频电源及电机的连接图1

主板：51系列单片机模型，分别用8K存储器，数据和程序存储。此外，为了促进连贯顺畅，配备了A/D/8 8通道数字转换器和1 / D / 8位DAC程序。

键盘显示板：可以达到8位LED数字显示，用户可以选择显示满足不同工况的要求，显示监控流量，压力，温度，速度，板上设有19个数字键和控制键，也有地方呆在硬件电路，它允许用户在原有电路增加功能控制键。此外，配置开放式模块化的软件，以方便用户现场修正的参数，如PID参数和状态参数的调整。

键盘显示板：模拟输入信号，电路使用高阻抗输入电路。在不同的工业环境的变频调速系统，除了电机转速的检测，通常遇到的流量，压力，温度检测，这些参数后，相应的传感器和变送器转换成0 ～ 5V电压信号或4 ～ 20mA电流信号。为了满足不同的需求，设计选择跳线0 ～ 5V电压信号和4 ～ 20mA电流信号，为方便用户选择满足不同传感器输出信号的传感器和变送器的特点。一个模拟输出信号可以直接耦合到一个给定的终端电压的变频电源的外部端子或通过V/I发射机给终端的电流的频率，改变输出变频器控制电机的转速。

开关量输入输出板：电路有4个报警指示灯，用户可以方便地通过软件设置定义具体的有限的意义，除了硬件也留有余地以允许用户添加报警指示。14输出继电器接触器功能板的设计，并设有10个继电接触器，用户可以方便地直接到外部的输出端连接到逆变器的控制终端，自动选择和控制，实现自动控制，电机换向速度8。自动控制具有开放的软件允许用户选择和设置。除了功能板设计开关量输入和6个光电隔离，用于接收位置开关。开关量检测信号。

在对变频调速系统的速度进行检测的过程中，测速发电机作为最受欢迎的一种方式为人们提供了诸多便利的同时，最大限度地发挥出了它的优势。在具体检测过程中，信号是借助模拟量的运行进入到主板中的，将PI调节到合适强度，启动输入/输出按钮，进而实现输出控制。除了测速发电机之外，光码盘也是最常被选用的检测方式。选用光码盘检测主要是在开关量的输入/输出板上设计了计量检测电路。这种检测方式的优势在于，用户可以选择适合自己的形式进行测速。

由系统框图所示，交流变频调速系统的硬件是由变频调速主回路、可控硅及功率晶体管驱动电路、SPWM脉冲形成电路、单片机控制系统、信号检测电路、辅助输入输出电路和电源电路等七大部分组成。

3 结束语

本设计中，是以变频调速设计为总目标，以8031单片机最小应用系统为总控制中心，力求从另一个角度来探讨变频调速的控制系统。由于水平有限，时间紧迫，设计中难免有一些疏忽和不足，敬请同行改正和批评！

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作者单位

湖北对外服务有限公司 湖北省武汉市 430051