南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與管理工程系 劉遠(yuǎn)仲

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一種基于單片機(jī)的變頻電壓控制器設(shè)計(jì)

南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與管理工程系 劉遠(yuǎn)仲

【摘要】本文以單片機(jī)AT89C51為核心控制芯片，采用EXB841厚膜IGBT器件作為變頻器的驅(qū)動(dòng)電路，從提高電子產(chǎn)品安全性與性能性方面來闡述了變頻器電壓控制設(shè)計(jì)方法。論文在硬件上詳細(xì)敘述了變頻器主電路設(shè)計(jì)，正弦脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)以及利用單片機(jī)端口如何連接EXB841引腳接口電路設(shè)計(jì)；在軟件上詳細(xì)給出了軟件設(shè)計(jì)思路與更改軟件控制方法介紹。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；IGBT驅(qū)動(dòng)器；變頻電壓控制

引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電子產(chǎn)品的使用頻率越來越高，IT技術(shù)在家用電子產(chǎn)品中的應(yīng)用得到了快速發(fā)展。目前，風(fēng)機(jī)，水泵等一些機(jī)械產(chǎn)品已進(jìn)入了人們的生產(chǎn)和生活中，但它的高耗能給人們帶來了一些不便。目前，市面的上變頻器價(jià)格普片偏高，而且高性能變頻器缺乏，所以設(shè)計(jì)出一款高性能、低耗材變頻器十分必要，本文使用單片機(jī)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，單片機(jī)(MCU)是一種計(jì)算機(jī)微處理器，內(nèi)部集合了CPU、RAM、ROM以及各種I/O接口。通過對(duì)1kw以下的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行檢測證明此設(shè)計(jì)能夠很好的滿足電機(jī)工作要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖2　主電路原理圖

1　主電路設(shè)計(jì)

在本文中，變頻器的主電路采用“交流～直流～交流”設(shè)計(jì)思想來作為設(shè)計(jì)思路，從后面電路原理圖可看出，該電路接線方便，頻率可根據(jù)需要任意設(shè)置且工作效率高。主電路圖結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2　IGBT驅(qū)動(dòng)接口電路設(shè)計(jì)

IGBT內(nèi)部為電壓驅(qū)動(dòng)式電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它的內(nèi)部包含有快速放電電容阻抗，因此要讓IGBT驅(qū)動(dòng)電路更好的配合我們的主電路工作，需滿足如下條件：

圖3　EXB841厚膜IGBT元件結(jié)構(gòu)圖

EXB841與單片機(jī)連接構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖4　EXB841與單片機(jī)連接驅(qū)動(dòng)電路圖

使用EXB841作為驅(qū)動(dòng)電路的幾點(diǎn)注意：

（1）電路輸出端EXB841引腳3與IGBT柵極的連接電阻R20不可省略，因?yàn)樵撾娮杩梢杂行Ы档万?qū)動(dòng)電路開關(guān)引起的雜音并可抑制電路產(chǎn)生的尖脈沖，該電阻阻值不是固定的，與電路工作時(shí)的電壓、電流大小有關(guān)，當(dāng)工作電壓為900v，額定電流6A時(shí)可取R20為150Ω；

（2）在連接電路時(shí)為了保證電路的安全，提高電路性能，應(yīng)使光電耦合器的接線與電壓輸出端保持足夠遠(yuǎn)的距離；

（3）未了避免電路之間的干擾，應(yīng)使用雙絞線將IGBT柵極與射極之間連接起來且柵極與射極之間距離須小于0.6m。

3　變頻器軟件設(shè)計(jì)

通常一款產(chǎn)品的好壞，硬件是基礎(chǔ)，但軟件的高效，簡潔，易懂才是真正的核心，因此選擇一款低成本高性能的芯片對(duì)我們的產(chǎn)品增值是非常重要的，本論文選用目前較通用的AT89C51作為我們的主控芯片，前面已詳細(xì)介紹過單片機(jī)在此不再累述。

3.1軟件設(shè)計(jì)思路

現(xiàn)假設(shè)變頻器出廠時(shí)設(shè)定額定工作頻率為f，則采用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)的調(diào)制脈沖頻率為512f，在控制理論中，根據(jù)采樣沖量相等定理，可以用公式（1）來確定驅(qū)動(dòng)電路的第一個(gè)時(shí)間脈沖間隔寬度：

式中：f為變頻器額定工作頻率，U為橋式電路整流后輸出的電壓平均值，為正弦交流電路輸出的電壓峰值。是單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)初值，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到后，由P1^0輸出低電平來作為驅(qū)動(dòng)電路EXB841 P14腳的驅(qū)動(dòng)。計(jì)數(shù)器T0自身計(jì)數(shù)滿溢出后便立即置位變?yōu)楦唠娖讲?dòng)定時(shí)計(jì)數(shù)器T1工作為下一個(gè)調(diào)制脈沖做好準(zhǔn)備。調(diào)制脈沖可由公式（2）來確定：

由此可推出，只要在相鄰2個(gè)調(diào)制脈沖進(jìn)行調(diào)制，都可以通過公式（3）來推出，所以，我們只要預(yù)先計(jì)算出調(diào)制脈沖時(shí)間并建立一張數(shù)據(jù)表存放在單片機(jī)中就可以運(yùn)用單片機(jī)查表指令來完成驅(qū)動(dòng)電路的快速關(guān)斷。

3.2恒定頻率電壓控制的實(shí)現(xiàn)

要想主電路工作在恒定頻率下，則只需對(duì)調(diào)制脈沖做一些修正，例如常規(guī)的單相異步交流電動(dòng)機(jī)工作電壓大都在220v，電流工作頻率50Hz左右，如果變頻器低于工作頻率時(shí)，可先計(jì)算出低于50Hz的誤差值，然后使用預(yù)先算出的脈沖調(diào)制間隔數(shù)據(jù)乘上誤差值。

4　結(jié)論分析

以上述分析理論為基礎(chǔ)，在1.5P空調(diào)上進(jìn)行實(shí)際控制實(shí)驗(yàn)，當(dāng)機(jī)器接上市政電壓220v時(shí)，在相同環(huán)境下，將普通空調(diào)設(shè)置在26°，將我們可變頻電壓空調(diào)也設(shè)置在26°，運(yùn)行12小時(shí)后，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用變頻器設(shè)計(jì)的空調(diào)耗電量是與與普通直接供電的空調(diào)耗電量的69%,也就是說，節(jié)約了電量大約31%，但此單片機(jī)設(shè)計(jì)成本不足130元，這樣算下來，一年節(jié)約的耗電量的錢遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于成本，隨著年限的使用延長，人們節(jié)約的成本更多。

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劉遠(yuǎn)仲（1985-），男，四川儀隴人，碩士研究生，主要研究方向：電子技術(shù)，信號(hào)與信息處理。

作者簡介：