變頻控制系統(tǒng)單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)探討

概述：?jiǎn)纹瑱C(jī)加上適當(dāng)?shù)耐鈬骷蛻?yīng)用程序，構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)成為最小系統(tǒng)。文章對(duì)變頻控制系統(tǒng)單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

　　本次設(shè)計(jì)采用選擇PHILIPS半導(dǎo)體公司帶手動(dòng)復(fù)位功能的產(chǎn)品MAX708。MAX708還可以監(jiān)視第二個(gè)電源信號(hào)，為處理器提供電壓跌落的預(yù)警功能，利用此功能，系統(tǒng)可在電源跌落時(shí)到復(fù)位前執(zhí)行某些安全操作，保存參數(shù)，發(fā)送警報(bào)信號(hào)或切換后備電池等。

　　另外，系統(tǒng)還擴(kuò)展了可編程外圍芯片PSD303。由于系統(tǒng)的 I/O口數(shù)量與實(shí)際所需數(shù)量還有很大的差距，故系統(tǒng)又?jǐn)U展了兩片8255A，一片用于接鍵盤(pán)和顯示電路，一片用于接觸發(fā)信號(hào)、緊急停車信號(hào)等。

　　一、鍵盤(pán)與顯示電路

　　在本次設(shè)計(jì)中，設(shè)置了一個(gè)9按鍵的操作電路，以代替實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的操作按鈕。6位的LED顯示電路用于顯示轉(zhuǎn)速、電流、以及調(diào)試時(shí)的相關(guān)項(xiàng)的顯示。

　　另外，為了便于現(xiàn)場(chǎng)工作之便，設(shè)置了5×4的矩陣式鍵盤(pán)，用于當(dāng)系統(tǒng)軟件等出現(xiàn)錯(cuò)誤，而又不便直接對(duì)程序進(jìn)行修改時(shí)的調(diào)試之用。

　　二、變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)代變頻技術(shù)中主要有兩種變頻技術(shù)：交-直-交變頻技術(shù)和交-交變頻技術(shù)。交-直-交變頻技術(shù)為交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)提供變頻電源。交-直-交變頻的組成電路有整流電路和逆變電路兩部分，整流電路將工頻交流電整流成直流電，逆變電路再將直流電逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電。根據(jù)變頻電源的性質(zhì)可分為電壓型和電流型變頻。

　　本次設(shè)計(jì)用交-交變頻電路是不通過(guò)中間直流環(huán)節(jié)，而把電網(wǎng)固定頻率的交流電直接變換成不同頻率的交流電的變頻電路。這種變頻電路廣泛應(yīng)用于大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)際使用的主要是三相輸出交-交變頻電路。這種電路的特點(diǎn)：（1）因?yàn)槭侵苯幼儞Q，沒(méi)有中間環(huán)節(jié)，所以比一般的變頻器效率要高；（2）有與其交流輸出電壓是直接由交流輸入電壓波的某些部分包絡(luò)所構(gòu)成，因而其輸出頻率比輸入交流電源的頻率低，輸出波形也好；（3）因受電網(wǎng)頻率限制，通常輸出電壓的頻率較低，為電網(wǎng)頻率的三分之一左右；（4）功率因數(shù)較低，特別是在低速運(yùn)行時(shí)更低，需要適當(dāng)補(bǔ)償。

　　三相變頻電路就較單相復(fù)雜，其電路接線方式主要有公共交流母線進(jìn)線方式和輸出型聯(lián)結(jié)方式。具體說(shuō)來(lái)，其主電路型式有：3脈波零式電路、6脈波分離負(fù)載橋式電路、6脈波非分離負(fù)載橋式電路、12脈波橋式電路、3脈波帶中點(diǎn)三角形負(fù)載電路、3脈波環(huán)形電路。

　　本次設(shè)計(jì)選用較為簡(jiǎn)單的一種—3脈波零式電路。

　　三、同步電路設(shè)計(jì)

　　同步電路的功能是，在對(duì)應(yīng)的晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓的初始點(diǎn)（即控制角α的起算點(diǎn)）發(fā)出一個(gè)CPU能識(shí)別是哪一相同步信號(hào)的中斷脈沖Utpi和要求的α角進(jìn)行延時(shí)控制，輸出相應(yīng)的觸發(fā)脈沖。三相同步電壓信號(hào)經(jīng)同步變壓器、濾波、穩(wěn)壓、放大和光電隔離后分別接至單片機(jī)的P2.5、P2.6和P2.7管腳。另外，由于此處直流電源和觸發(fā)電路中所用的電源不能共用，且光電耦合器輸入輸出端的地端亦不能共用，為了以示區(qū)別，它們的符號(hào)均有不同。

　　Ua、Ub、Uc 與可控硅組件的三相交流電壓同相位。Ua、Ub、Uc經(jīng)R3，C3濾波電路波形變換光耦隔離整形電路后輸出三相方波電壓，記為 KA、KB、KC，三相方波分別送給 80C196單片機(jī)的P2口的 P2.5、P2.6、P2.7端。CPU根據(jù)KA、KB、KC的值判斷三相交流電源的相位。

　　四、觸發(fā)電路

　　在設(shè)計(jì)中，三相電路中每相均有正反兩組晶閘管，每組均采用三相半波式接法，即每組用三個(gè)管子，所以一共有18個(gè)晶閘管，這樣，觸發(fā)脈沖也應(yīng)有18路。三極管V為輸出級(jí)功率放大晶體管；電容C為加速電容，與R構(gòu)成微分電路，可提高脈沖前沿的陡度；為兼顧抗干擾能力和脈沖前沿陡度，一般取C為0.1μF。為保護(hù)脈沖變壓器，在脈沖變壓器兩端并聯(lián)電阻R和二極管D的串聯(lián)電路，一般R阻值取為1K。電阻R為假性電阻負(fù)載。另外，為了隔離輸入輸出信號(hào)，加入了光電耦合器，考慮到應(yīng)有足夠的脈沖強(qiáng)度使晶閘管導(dǎo)通，輸出極電壓設(shè)為15V。在出發(fā)電路中，為了得到足夠的脈沖寬度，而且使脈沖前沿盡量陡，后沿下降快，故采用了脈沖變壓器T～T。另外，為了達(dá)到電氣隔離作用，亦加入了光電偶合器。再者，為便于單片機(jī)對(duì)觸發(fā)電路的控制，在同步變壓器1~18的輸入端，分別引入了緊急封鎖信號(hào)（由HSO.0 引入）和 555 定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器信號(hào)，而多諧振蕩器的控制信號(hào)則由單片機(jī)的HSO.1 控制。這樣，當(dāng)電機(jī)輸入緊急停車信號(hào)時(shí)，單片機(jī)通過(guò)其 HSO.0 輸出高電平，這樣就使得觸發(fā)電路輸入端口的或非門(mén)被封鎖，也即封鎖了變頻裝置的觸發(fā)脈沖，使電機(jī)快速停車。

　　五、保護(hù)電路設(shè)計(jì)

　　為了提高控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，在交流電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，都必須考慮到有發(fā)生故障和不正常工作情況的可能性。在三相交流電力系統(tǒng)中，最常見(jiàn)和最危險(xiǎn)的故障是各種形式的短路，其中包括三相短路、兩相短路、一相接地短路以及電機(jī)和變壓器一相繞組上的匝間短路，當(dāng)然也有其它形式的保護(hù)措施。具體保護(hù)形式有：電流型保護(hù)，電壓型保護(hù)等。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，這里僅采用電流型保護(hù)中的短路保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)，并在每個(gè)電機(jī)的定子輸入端均接入了正反向交流接觸器。另外，為防止意外情況的發(fā)生，引入了緊急停車信號(hào)，當(dāng)按下緊急停車按鍵時(shí)單片機(jī)通過(guò)中間繼電器關(guān)斷接觸器 KM2-KM8。

　　六、反饋環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)中引入了電流反饋。電流反饋采用三相交流互感器，經(jīng)三相橋式整流電路及濾波電路，最后經(jīng)限流、濾波及限幅電路反饋回單片機(jī)的 P0.1口。