0 引言

本文介紹一種基于C2051 的全數(shù)字變頻控制器，它可以根據(jù)外界環(huán)境的變化(如壓力、溫度、輸入電壓和人為地設(shè)定等)，自適應(yīng)地改變輸出電源頻率，達(dá)到自適應(yīng)對電機(jī)調(diào)速的目的。在控制算法中，采用模糊理論，設(shè)定隸屬函數(shù)，求出控制輸入的隸屬度，并進(jìn)行模糊規(guī)則判斷，得出模糊的控制輸出。然后進(jìn)行模糊量的計(jì)算，得出精確的控制輸出，達(dá)到控制運(yùn)行頻率的目的。經(jīng)過試運(yùn)行表明，自適應(yīng)能力強(qiáng)，電路簡單，特別適合于低壓帶負(fù)荷啟動(dòng)困難的邊遠(yuǎn)地區(qū)用戶。

1 變頻控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

下面，以1.5 kW輸出功率的變頻控制器為例進(jìn)行介紹，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。逆變器采用三菱IPM模塊PM20CTM060，本身具有控制電源欠壓鎖定、過熱保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)，一旦保護(hù)動(dòng)作，送出一個(gè)故障信號(F0)。運(yùn)算控制單元采用ATMEL 公司的89C2051 高性能價(jià)格比單片機(jī) [1]，該單片機(jī)采用80C31內(nèi)核指令系統(tǒng)，內(nèi)含2KB Flash

用戶存儲(chǔ)器，編程較為方便。AT89C2051引腳如圖2所示。

該系統(tǒng)的工作原理如下：外部模擬量(溫度、電壓、界面設(shè)定等)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入89C2051，經(jīng)運(yùn)算處理后，求得運(yùn)行頻率，然后轉(zhuǎn)換成預(yù)置分頻器的倍數(shù)，控制尋址計(jì)數(shù)器IC4 輸入脈沖的頻率fc，從而控制27512已存波形數(shù)據(jù)的輸出速度，達(dá)到變頻的目的。27512的低11位地址(A0耀A10)由計(jì)數(shù)器尋址，控制具有一定調(diào)制度M 的SPWM 波形輸出。高5 位地址(A11 耀A15)由89C2051直接尋址?？刂凭哂胁煌琈的SPWM波形。

因此可選擇32種不同調(diào)制度的波形。系統(tǒng)的工作狀態(tài)及環(huán)境參數(shù)均可由顯示單元分類顯示。整個(gè)顯示部分由89C2051的RXD、TXD控制。

由于PM20CTM060 功率模塊內(nèi)含驅(qū)動(dòng)單元，故只須光耦隔離，就可以用數(shù)字電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

2 控制器電路設(shè)計(jì)

如圖3所示，其中SPWM波形存于27512中。圖中211個(gè)8 位字節(jié)存儲(chǔ)一個(gè)具有固定調(diào)制度的SP原WM波形。由于SPWM 的對稱性，211位只存一個(gè)周期的1/2，具體分配方法是每個(gè)字節(jié)的0、1、2 三位存放三相SPWM 的0耀仔中的數(shù)值。3、4、5 三位存放仔耀2仔中的數(shù)值。對應(yīng)的尋址方法是IC4由0開始計(jì)數(shù)，IC17相應(yīng)的1Y1、1Y2、1Y3輸出0耀仔波形。當(dāng)211

位計(jì)滿后，半個(gè)周期輸出完畢，再計(jì)一次數(shù)時(shí)，IC4的Q12輸出為1，經(jīng)反向器驅(qū)動(dòng)IC17的2Y1，2Y2，2Y3輸出。這時(shí)，存于27512各字節(jié)中檔的第3，4，5位的數(shù)據(jù)開始輸出，從而產(chǎn)生SPWM的后半周期。這樣反復(fù)循環(huán)，就可輸出一個(gè)具有固定頻率、固定調(diào)制度的波形。一個(gè)完整的SPWM波形共由4 096個(gè)脈沖組成。[!--empirenews.page--]

變頻的原理是改變IC14的分頻基數(shù)fb。就可改變計(jì)數(shù)脈沖頻率，從而改變讀完4 096 個(gè)脈沖的時(shí)間，達(dá)到了變頻的目的，其關(guān)系是

顯然，變頻器的輸出頻率越高的值越大，而分頻系數(shù)越小。例如，當(dāng)需要輸出fo=50 Hz交流電時(shí)，則先求得

為了提高系統(tǒng)的分辨率，可提高系統(tǒng)的振蕩頻率，一般可使fo的頻率分辨率達(dá)到0.5 Hz以下。

調(diào)制度M的控制方法是：將27512 共分成25共32個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域包含211個(gè)字節(jié)，存儲(chǔ)一個(gè)具有一定調(diào)制度的全周期SPWM波形。存儲(chǔ)區(qū)一共存儲(chǔ)32個(gè)不同M 的SPWM波，并將其按M的大小排列，由IC1的P1.3耀P1.7尋址，輸出頻率及調(diào)制度的選擇由控制算法決定。

控制算法原理如圖4所示[2]，控制量R 和反饋量Y 之差e，以及誤差變化率一同輸入到模糊控制器進(jìn)行推理，并對狀態(tài)的走勢進(jìn)行預(yù)測，從而選擇恰當(dāng)?shù)膄 及M，通過計(jì)算機(jī)尋址及分頻，輸出一組合適的波形進(jìn)入下一狀態(tài)的運(yùn)行。由于IC1內(nèi)的Flash存儲(chǔ)區(qū)只有2 kB，推理方法主要采用相關(guān)法，參數(shù)子集和其變化率子集分別選用4 維和3維，完全滿足一般家電及工業(yè)控制的需要。

3 波形存儲(chǔ)的幾點(diǎn)考慮

3.1 載波頻率的確定

設(shè)定最高輸出交流頻率為60 Hz，可求得輸出周期TO=16.67 ms，則存儲(chǔ)器中每單元的分辨率為駐T=16.67/4 096=4.096 滋s，也就是說，每個(gè)存儲(chǔ)單元所代表的脈寬為4 滋s。

設(shè)定載波頻率fPWM=20 kHz，TPWM=1/20 000=50 滋s，則當(dāng)調(diào)制度最大時(shí)存儲(chǔ)的載波波形如圖5所示。圖5中TPWM =50 滋s，所占的存儲(chǔ)單元數(shù)為N=TPWM / 駐T=12，同樣可求得Td占一個(gè)存儲(chǔ)單元，TON占11 個(gè)存儲(chǔ)單元。

3.2 存儲(chǔ)波形的形成

以fo=50 Hz為例，見圖6。由于載波脈沖周期TPWM =50 滋s，而20 ms對應(yīng)360°，所以每個(gè)載波周期對應(yīng)的角度為琢PWM=360°×50 滋s/20 ms=0.9°。

而對于消除3、5、7、9、11 次5 個(gè)諧波的最佳波形的P1 耀P5點(diǎn)位置經(jīng)計(jì)算為[3]：18.167毅、26.633毅、36.867毅、52.9毅、56.683毅，顯然不是園.9毅的整數(shù)倍。因此，量化誤

差將影響Pi 位置的精確度，使整個(gè)系統(tǒng)對諧波的消除不能達(dá)到最佳。試驗(yàn)證明，這種影響可以忽略。

3.3 輸出交流電源的控制

根據(jù)U/f =常數(shù)，當(dāng)頻率變低時(shí)，相應(yīng)輸出電壓須下降。因此，在35耀60 Hz范圍內(nèi)，設(shè)置了32 種針對不同電壓的波形，并用計(jì)算機(jī)的P1.3耀P1.7直接尋址。另外，考慮到負(fù)載的變化和頻率的變化而影響輸出電壓的波動(dòng)，軟件設(shè)置上允許同一頻率下可根據(jù)需要選擇不同M 的波形，從而使電壓在一定范圍內(nèi)可以調(diào)整，用來對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償，這些工作都由模糊推理來完成。

4 結(jié)語

該變頻控制系統(tǒng)配用三菱IPM模塊PM20CHA060構(gòu)成1.5 kW 微型全數(shù)字三相變頻控制器，并對油泵電機(jī)進(jìn)行拖載實(shí)驗(yàn)，滿足應(yīng)用要求。

1)該系統(tǒng)由于變頻構(gòu)思巧妙，并利用IPM 功率塊，使電路結(jié)構(gòu)緊湊，控制簡單，適應(yīng)性寬，易于批量生產(chǎn)，可用于家庭、工業(yè)控制。

2)由于配有LED 顯示器(4 位)可對環(huán)境條件、設(shè)置條件、運(yùn)行情況分類進(jìn)行顯示。

3)為了進(jìn)一步提高控制精度，簡化硬件電路，可將C2051改換為富士通公司的MB89130A(48腳)8位單片機(jī)[4]。由于該片內(nèi)部ROM為32 KB，4 通道8位A/D 轉(zhuǎn)換，5 個(gè)內(nèi)部中斷和3 個(gè)外部中斷，從而增加變量空間，可降低成本，提高可靠性。