马卫民

（安徽职业技术学院， 安徽 合肥230051）

变频器中单片机控制的设计分析

马卫民

（安徽职业技术学院， 安徽 合肥230051）

随着科技的快速发展，单片机得到了更深层次的开发研制，其应用的范围和领域也变得越来越广阔，其中将单片机装入变频器中，利用单片机电子控制系统对变频器进行控制，利用串行通讯接口修改变频器的各种参数，从而使传统的利用接线方式对变频器进行控制的方法得到彻底改变，这样既节约了成本、提高了控制效率，也顺应了时代发展的趋势.本文阐述的变频器设计方法是利用AT89C51单片机作为控制中枢，采用EXB841专用驱动和保护器件对功率模块绝缘栅双极晶体管(IGBT)进行驱动与保护.

变频器设计；单片机控制；变压变频

在应用EXB841时应该注意一些原则性的事项，同时AT89C51单片机采用SPWM的变成方法，产生正弦脉宽调制脉冲，此外，本文还详述了异步电动机在变压变频(VVVF)调速时所具有的近似机械特性以及在变频调速的方式下主要的对策，以及怎样使带有反馈信号的输出控制模式得以实现，并输出由变频调速所控制的一些数据.在对变频器进行设计时，应最大限度的降低材料消耗，创新出新的更科学的管理措施，以最终实现对变频器的单片机控制，从而降低其成本.

1 对主电路的设计

在运行的过程中主电路的设计对整个电路技术设计而言非常关键，一般情况下人们都是采用逆变电路.与电流型的逆变器有所不同的是，这种逆变电路的中间直流环节部分的电压值与负载没有关系.并且这一组合方式能使形式比较清晰，并且还可以根据实际情况进行适当的调试，其另外一个优点是主电路的功率因数比较高.由四个双模块组成了逆变电路，这四个双单元模块能控制一系列的变压变频活动.在使用过程中电容采用3000uF／450V，其在电路中作为储能元件，构成了电压型的逆变器，并来完成其所被指定的功能和任务.IGBT模块信号的改变由单片机AT89C51来控制，以PWM技术的形式，实现变压和变频.主电路图如图1所示.

图1 主电路

2 IGBT的驱动设计

IGBT也就是两个单元模块，属于电压驱动元件，其中有一个容性输入阻抗存在于整体结构中，这样就对IGBT的驱动电路提出了很高的要求.由于驱动的初始内阻值较小，这样就可以相应的增大前后沿的空间范围，这样IGBT的开关所消耗的能量也会随之减少.增加IGBT的通态压降和开关耗损的降低，往往不利于负载短路的保护和安全，于是实际的电压一般定为15V.在关断时，电容应该是在放电的状态，此时在电压上需加上负偏压才行，一般是使电压值能保持在-5V.根据上述的信息，设计中采用的是EXB841厚膜，IGBT高速型的驱动电路.其内部布置如下图所示.

图2 EXB841的内部框图

如上图所示，为了保证正常发射，1连接到IGBT的发射级上，2连接到V直流型的电源上，一般选择+20V的直流电源就可以了.4主要起着保护的功能，外部接到电容上，以防止过流保护误动作，因此一般可不接.5主要保护正常情况下输出的高电平信号.6通过二极管连接到集电极上，然后通过检测UCE的大小，来判断是否出现了短路现象，是否出现集电极的电流过大现象.9为电源点，其余是空端.

EXB841单臂驱动电路图如图3所示.

图3 EXB841单臂驱动电路图

我们在使用EXB841时需更加注意一些重要的关键点.第一，RG电阻是串联的并连接在IGBT栅极与输出端之间，电阻RG的主要作用是抑制电压的尖脉冲以及降低开关噪声，因为IGBT电极在工作中会产生很大的电压尖脉冲和噪音，电阻RG的具体取值主要决定于IGBT额定的电压和电流.第二，综合各方面的因素进行考量，输入电路接线都必须最大程度的远离输出的电路接线，这样可以尽可能地增大绝缘强度从而使之得到有效的保证，还能阻抗一定量的强大噪声.第三，在使用ExB84l的时候，要保证其与IGBT栅射极之间的接线距离小于50厘米，而且最好都要使用双绞线.

3 交流异步电动机的设计分析

交流异步型电动机的变频特性非常复杂，额定频率在50Hz左右，然而此次设计的变频器，在变频调速时，其机械特性频率是不在额定频率范围内的，因此为了安全起见没有使用恒压频.我们采用了恒压升频的变频调速方式，这种变频调速可以加强电动机的转速从而使磁通减小，最后使被允许的输出转矩下降.又由于电动机的允许输出功率很少变化，所以是属于近似的恒功率调速.下图为近似的恒功率机械特性曲线.

图4 近似恒功率机械特性

在特定频率下，变频频率应使用恒压频比进行控制.因为当电动机定子供电的电压被固定时，若是简单利用降低频率以调整变频速度就会相应引起磁通增加，进而引起磁路的饱和电流上升，然后急剧增加铁的消耗，最后使电动机损害增大，导致其功率因数和效率急剧下降.因此，为防止出现这一现象，在现实控制操作的时候就应该注意一方面要降低频率，另一方面也要按照一定的比例降低定子的电压.尽管如此，这种方法也有其不利的方面，如不能使定子保持它的磁通恒定不变，只是进行近似的恒转矩和恒磁通调速而已.下图5为其机械特性的曲线，可以结合图进行进一步的理解.

图5 恒压频比控制的机械特性

4 分析单片机的程序设计过程

AT89C51单片机的程序决定着逆变器的主要综合性能，可以对单片机AT89C5l的具体程序进行灵活设计，充分利用AT89C51单片机内部的软件、硬件资源.一般情况下采用的设计方式为，在大于额定的频率时，调频的时候不进行调压，而在小于额定频率的恒压频比时，就需要进行适度调速.下面详细解析一下在对单片机进行程序设计时，如何实现恒压频比以及如何让频率实现自动变化.

4.1 单片机设计时的思路探析

假定变频器的输出频率为f,那么脉宽调制的脉冲频率就会是512f，由冲量的相等原理，就能确定首个输出脉冲的宽度，此脉冲的宽度用△tl表示，其大小是按下面的公式进行计算的：

式中的f为输出电压的频率；U是整流器的输出电压平均值，Um表示预期正弦交流输出的电压峰值.公式中△t1是AT89C51单片机定时器TO的初始值，当开启变频器设计T0后，能使P1.0输出低电平，进而就会驱动EXB 841的P14.定时器T1的启动要根据TO何时溢出，在启动后就应该开始准备输出下一个脉冲.用△t2来表示第2个调制脉冲宽度，计算公式如下：

按上面的计算方法，就可以计算出相邻的调制脉冲之间的时间间隔，当前面的输出脉冲结束了，就可以将提前储存在程序中的数据给予定时器Tl，这样△ti就可以利用上述的计算方法进行计算了，最后再把计算的结果数据储存到程序内以便查询使用.

4.2 如何做到单片机恒压频比

小交流电动机与大交流电动机在额定频率和额定电压方面差异明显，小交流电动机的额定频率一般为50Hz，而其额定的电压一般是在220V左右.如果变频时候的频率不足50Hz的话，就应该首先计算实际频率不足50Hz的百分比是多少，然后通过查找表中的数据，将从表中查到的△ti值乘以其百分比数值，才能实现恒转矩调速.

4.3 如何对单片机频率变化进行设计

对一般的变频器来说，单片机的频率变化范围对其是非常重要的.像日常用的家电，其内部都安装有电动机负载，这些电动机的负载能对家电进行恒温式的控制.所以我们就可以利用温度的传感器来计量外面的环境温度，当温度传感器检测到的外部环境温度达不到设定值温度的时候，其就会输出低频率的电压，相反，当传感器计量到的环境温度比设定的温度高时，其就会输出高频率的电压，最高的频率能达到80-100Hz之间.这种变频器频率的自动变化都是通过设计单片机来实现和完成的.

将我们所设计的基于单片机控制的变频器的实际应用成效与其他变频器进行对照比较，例如可以对两者在空调器上的应用成效进行对照.首先，在耗电量上对它们进行比较，能清楚看到在相同的温度和时间下，使用单片机控制下的变频器进行供

此外，定时器Tl的初值tll的计算公式如下：电的空调，其耗电量只为连接到220V电源上空调的耗电量的一半左右，可见它们之间的耗电量差距还是非常明显的.此外，一般情况下，使用单片机控制的变频器，其成本也很低廉，只需百元左右，并且具有电路结构简单，可靠性高和实时性好等优点，用于单相异步电动机的变频调速将会具有广阔的实用前景.所以可以预见到，在今后成本低廉、节电能力超强的自制变频器的市场发展和推广空间将是非常广阔的.不仅如此，单片机控制变频器的推广与应用也很好的顺应了当今世界节能环保的时代潮流.

5 结语

电子电气行业一直都是我国工业领域的重要产业，是体现我国经济发展水平的基础行业，因此，随着经济的快速发展，需要相应地不断提升我国电子电气行业的仪器和设备等一些基础设施的资源配置水平，不断研发能促进当前工业发展的新的科技产品，从而改善电子电气行业的发展现状.本文主要介绍了基于AT89C51单片机控制的变频器的设计，然后通过在空调器上的实际使用与对比，表明这种单片机控制的自制变频器具有结构简单、可靠性和通用性强、应用灵活和调节方便等诸多的优点，为高性价比和节能环保型的优质产品.该设计成果在空调器、风机调速和水泵调速等方面都有着广泛阔的应用前景.

〔1〕袁力辉,陈寿才.基于单片机控制的变频器的设计[J].电子制作，2012(02).

〔2〕唐中燕.基于单片机的单相SPWM变频器设计[J].电机电器技术,2011(04).

〔3〕徐进.基于单片机MC68HC05的机床电机调速的高性能TPWM变频器的实现[J].组合机床与自动化加工技术,2010(03).

〔4〕李鹏,黄为勇.单片机控制变频器在通风系统中的应用[J].江苏煤炭,2009(03).

〔5〕韩安荣.通用变频器及其应用(第2版)[M]．北京：机械工业出版社,2006．

TN77

A

1673-260X（2014）06-0026-03