摘 要 ：本文介绍了一种由8098单片机为主控制器的交流变频调速系统，它采用交－直－交变频技术，具有成本低廉，可靠性高，组配灵活等特点，适用于各种工业现场的中小型交流电动机;文章详细论述了系统的硬件结构及软件设计，并给出了主要程序的流程图。
关键词： 单片机   交流变频调速   交-直-交变频技术

1  引言

     在传统的可调速电气传动系统中，直流电动机调速系统占绝对优势。但是直流电动机结构复杂，价格高，又有换向器和电刷，在运行中常出故障。与此相反，鼠笼式异步电动机具有结构简单，运行可靠，价格便宜等优点。但是交流电动机调速困难。自从上世纪80年代初交流变频技术出现以来，使用变频调速器和调节器来进行交流电动机无级调速成为可能。它具有调速范围宽，稳速精度高，动态响应快，运行可靠等技术性能，已逐步取代直流电动机调速系统。然而目前的变频器大部分都是线路复杂，价格昂贵，常用于大、中功率的电动机。对于国内占有率极大的中、小型电动机采用这类变频器无疑是难以普及的。鉴于这种情况，我们设计了此种由 8098单片机为主控制器的，具有高度灵活性和可靠性的低价格交流电动机变频调速系统。在本设计中以INTEL公司的8098单片机作主控制器，并且采用了功率晶体管作输出，具有完善的电流、电压、转速的检测和显示，以及过压，过流保护。另又增加了串行通讯口，采用两线制RS-485通讯结构。可靠通讯距离为1.2km，并且可加上中继来加长距离。该系统可方便的组网控制或组成分布式集散控制系统，也可单独作为直接控制器来使用。电路中还采用了美国达拉斯公司最新生产的时钟芯片DS-12887，内含128字节的不挥发RAM，可以记录下电动机过流过压保护时的时间和电流电压数据，供查询使用。

2   变频调速系统的硬件组成

     8098单片机变频调速系统框图如图1所示。

图1      8098单片机变频调速系统框图
    

     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、ＰＷＭ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。

(1) 变频器主电路
     变频器主电路为交－直－交电压型变频器电路。整流器由6个晶闸管组成三相可控桥式整流电路，将三相交流电整流后再由电容滤波，为变频调速主回路提供直流电源，且经由这6个晶闸管控制的导通与截止来实现电源的软开关。逆变器功率元件由GTR1至GTR6 6支功率晶体管组成。D13至D18 6支二极管组成功率晶体管的保护部分。

(2) 晶闸管及功率晶体管驱动电路
     晶闸管驱动电路采用型号为MOC3021的6支光电耦合器件组成，该器件是双向晶闸管输出型的光电耦合器，作用是隔离单片机主控系统和触发外部的晶闸管。
功率晶体管基级驱动电路采用MPD1203厚膜集成电路，以简化系统结构，提高系统可靠性。MPD1203集成电路集光电隔离与驱动电路于一身，为GTR提供正或负的基级电流，控制GTR的导通或关断。

(3) PWM脉冲形成电路
     正弦PWM脉冲信号采用大规模集成电路HEF4752产生，它是专门设计用来产生正弦脉宽调制信号的大规模集成电路。
HEF4752 集成电路输出3对互补的脉宽调制驱动波形，由它们去驱动三相逆变桥功率元件产生对称的三相输出。当控制端Ｉ为低电平时，输出波形适宜驱动晶体管逆变器，当控制输入端I为高电平时，适宜于驱动晶体管逆变器。输入端CＷ用于控制相序。当CW为高电平时，相序为RYB,当CW为低电平时，相序为RBY，用于控制电机的旋转方向。当输入端Ｌ为低电平时，封锁所有的脉宽调制驱动输出，它的作用除了起停电机外，还可方便地用于过流保护。

     为了避免逆变桥中同一相上下2支开关元件同时导通引起短路，在它们切换时，插入互锁推迟间隔，以确保有足够的换相时间。在HEF4752集成电路中，由推迟间隔选择端Ｋ和时钟输入OCT一齐决定推迟间隔的长短。当Ｋ为高电平时，推迟间隔时间Ｔb=16/Foct(s); 当Ｋ为低电平时，Ｔb=8/Foct(s)。

     三相PWM输出波形的频率、电压和每周期的脉冲数，分别由3个时钟输入FCT，VCT，OCT决定。它的输入由8098单片机改变计数常数，经可编程计数器8254输出方波信号获得。采用专用PWM芯片HEF 4752,使系统可靠性好，应用方便，编程简单。

(4) 单片机控制系统
     单片机控制系统组成框图如图2所示。

图2    单片机控制系统组成框图

     由图2可知，本系统由8098，EPROM2764，RAM6264和74LS373构成主体部分。外围扩展有键盘和数码显示接口芯片8279、并行输入输出芯片8255、时钟芯片DS12887、定时器计数器接口芯片8254、双四选一模拟开关4052、锁存器74LS373和串行RS-485标准通讯驱动接口芯片75176构成一个完整的变频调速中心控制系统。

    系统内由8279构成了32位数码管显示和四乘五键盘矩阵。32位数码显示分别显示6位时间、4位给定转速、4位实际转速、4位运行频率、2位运行指示和1个3位的运行电压、3个3位的运行电流。键盘矩阵分别有0至9共10个数字键和8个功能键与2个备用键。
    

     并行输入输出接口8255的Ｐc7与Ｐc6两个口作为双四选一开关4052的控制信号。ＰA口作为输入口，用光电耦合器隔离，输入8路状态量。ＰB口作为输出口，经MC1413隔离驱动后，经过继电器输出7路开关量。这一部分主要是作为扩展系统时使用。

     DS12877是一片内带锂电池、晶振的时钟芯片。它可以为系统提供一个时间基准。在电动机电流过大保护时可以记录下时间。并且此芯片内有128字节的不掉电RAM，可以在停电后保持数据不丢失。所以把系统运行中的一些参数储存在这里，如键盘输入的给定转速、最大电流等。

     8254是1个内含3路16位可编程计数器定时器。8098单片机定时对频率给定信号进行采样，根据A/D 转换的结果或键盘的设定，或从上位机通过串行通讯口设定的转速，经软件处理为适合8254可编程计数器的计数常数。8254装入由单片机送出的计数常数后便产生相应频率的方波信号。单片机一旦改变送出的计数常数，就可以改变8254输出的方波信号的频率。这个方波信号作为PWM芯片HEF4752的时钟输入FCT。因此，调节频率给定信号，也就是改变了8254的计数常数，也即改变了HEF4752的时钟输入FCT的频率，从而改变逆变器输出的频率，实现电动机的变频调速。

     双四选一模拟开关4052是作为8098模拟输入的扩展来使用的。因为8098有4路10位的模数转换输入，其中的ACH4与ACH5通过外接可调模拟电压作为频率给定和V/F调节。ACH6与ACH7通过4052扩展为8路模数转换。其中4路接一个电压与3个电流信号，另4路可根据不同需要作不同的用途。8098单片机通过74LS373锁存与74LS274驱动后控制整流晶闸管与HEF4752的５脚、24脚来实现电动机的启停控制与正反转控制。

    75176是RS-485标准的通讯驱动芯片。在2400波特时有效距离为1200m，用于系统中有上位机时，8098单片机与上位机之间的通讯。上位机可通过串行口向单片机下达开关机等命令与各种运行参数，也可随时得到现场的各种数据与电动机运行参数，实现两级控制。

(5) 信号检测电路
     信号检测电路主要完成电动机的电压、电流和电动机的转速信号的采集。这部分工作分别由相应的传感器完成。比较理想的是采用霍尔器件的电流、电压传感器和霍尔转速传感器。
由于这一部分早已成为商品模块，有统一的接口标准，只存在不同应用的选型问题，所以在这里不再一详述。
    

(6) 辅助输入输出电路
     辅助输入输出电路是由8255组成的并行输入输出接口和模数转换电路未用完的模拟输入口组成。主要是为了保证系统的灵活性。

(7) 电源电路
     电源是系统极其重要的一部分，是基础的基础。由于关于电源部分的设计早已成型，故而在本文中没有出现。
 
3  变频调速系统的软件组成

     变频调速系统软件主要由主程序、外部中断服务程序、显示子程序、串行通讯子程序、键盘输入子程序和高速输入部件中断子程序等组成。各程序模块功能如下:

(1) 主程序
     主程序的作用是首先完成各个部件的初始化工作，设定好各个中断向量，为各个部件以后的工作做好基础。然后就不停的进行模数转换和数据处理，同时等待各中断的到来，转入相应的中断服务子程序。
主程序框图如图3所示。

图3     主程序框图

(2) 外部中断服务程序
     外部中断服务程序的功能比较简单，只视作为电动机停止的控制。当外部中断发生时，首先通过74LS373使可控整流器关断，然后清除8254中的数据来关断功率晶体管。完成停止电动机的过程。外部中断服务程序框图如图4所示。

(3)串行通讯子程序
     串行通讯子程序用在有上位机或数台机器联用时。该子程序框图如图5所示。

图4     外部中断服务程序框图

(4) 高速输入部件中断子程序
     高速输入部件中断子程序的作用是管理好4个输入中断。当输入中断发生时，根据不同引脚中断的发生，由不同的处理子程序分别完成转速的测量，键盘的中断输入，时钟的更新等工作。高速输入部件中断子程序框图如图6所示。

图5      串行通讯子程序框图

图6     高速输入部件中断子程序框图

4  变频调速恒压供水系统应用

     本文所述的变频调速系统可灵活应用于各种不同场合，下面以自来水恒压供水控制系统为例来说明其应用特点。
自来水供水系统一个重要的指标是供水管网供水压力的稳定度。因为每天的不同时刻用水量不同，供水管网供水压力变化很大。在以往是采取专人值守，人工调节的方法来实现压力的稳定，因此存在很大的缺陷。采用单片机控制的变频调速系统控制可以实现恒压供水。

图7    自来水恒压供水控制系统

     由图7所示的自来水恒压供水控制系统可知，单片机系统输出三路开关量信号经由P40到P45控制相应的电动机DJ1到DJ3。从DJ1到DJ3输入的3路反映开关状态的信号经P31到P33引入单片机系统。母管压力通过压力变送器变为电信号，经P59送入单片机系统，并经模数转换得到母管压力。电动机 DJ4直接由变频调速系统主回路控制。

系统工作过程如下:
     首先通过键盘输入设定的母管压力，存储到DS12887内，母管的实际压力经压力变送器变换为电信号，经P59送入单片机系统。经过A/D转换后，实际的母管压力与设定的母管压力经一定的运算后控制电动机的起停或转速。
当母管压力低时，控制DJ4的转速提高来提高母管压力。如果DJ4的速度已经达到最高而母管压力没有达到设定值，就根据P31到P33送入的开关状态信号来判断DJ1至DJ3的启停状态，通过P40到P45再启动一台电动机来提高母管压力。并再次调节DJ4的转速来使母管压力达到设定值。当母管压力高时，控制过程相同，只是把启动电动机变为停止电动机，如此过程周而复始以达到母管压力的恒定，便可实现无人值守的高可靠性的恒压供水。
另外，还可以通过串行通讯口把母管压力与电动机的状态送入上位机，直接利用上位机丰富的软件资源，方便地完成各种报表与汇总统计，做好历史资料。

5  结束语 

     本文提供的单片机变频调速系统，通过8098单片机与PWM大规模集成电路的结合，使系统具有结构简单，功能完善，组态灵活等特点。在整个调速范围内运行可靠，性能优良，广泛适用于各种工业现场的中小型交流电动机。