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上海交通大学
摘要：基于单片机控制的交流异步电动机变频调速系统，实际上通过利用单片机的控制，来实现电动机的变频调速，是一种廉价的控制方式。重点介绍了该设计给出的系统的总体规划，控制策略和硬件，软件，数据计算，该产品类型选择的原则和程序代码实现。并简要介绍了一些相关理论基础，同时指出了调速系统有待于进一步完善发展的方向。
关键词：单片机；电动机；变频调速；C8051
1引言：
电动机作为主要的动力设备被广泛的应用于工农业生产、国防、科技、日常生活等各个方面，成为用电量最多的电气设备。根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类，其中交流电动机形式多样、用途各异、拥有量最多，交流电动机又分为同步电动机和异步（感应）电动机两大类。根据统计，交流电动机用电量占电机总用电量的85%左右，可见交流电动机应用的广泛性及其在国民经济中的重要地位。
2 C8051单片机对电动机控制的支持
为了使用单片机对电动机进行控制，对现代单片机的要求是：具有足够快的速度；有PWM口，用于自动产生PWM波；有捕捉功能，用于测频；有A/D转换器，用来对电动机的输出转速，输出电压和电流的模拟量进行A/D转换；有各种同步串行接口，足够的内部ROM和RAM，以减少控制系统物理尺寸；有看门狗和电源管理功能等。
2.1 C8051单片机用于控制电动机时的输入/输出端口设置
C8051的I/O引脚有2种用途：作为标准的I/O引脚和作为第二功能引脚。与其他单片机不同，C8051并不指定固定的引脚作为第二功能引脚，而是通过交叉开关由用户设定。
1 交叉开关的使用
在I/O口P0，P1，P2与内部资源之间是使用交叉开关进行连接的。当需要将某些内部资源与I/O引脚相连接时，必须通过交叉开关控制寄存器XBR0，XBR1，XBR2进行设置。设置交叉开关控制寄存器XBR0，XBR1，XBR2的作用是：确定被选择的资源。
2 I/O口初始化
首先，通过交叉开关控制寄存器XBR0，XBR1，XBR2将所需的资源分配给端口引脚，并在XBR2中将交叉开关设置为允许。
所有的I/O端口都耐5V电压输入。
I/O引脚的输出驱动器特性是用端口配置寄存器PRT0CF，PRT1CF，PRT2CF和PRT3CF定义的。它们分别相应的控制P0口，P1口，P2口和P3口的输出方式设置。每个端口输出器都可以通过端口配置寄存器被设置为漏极开路方式或推挽方式，即使对于已在交叉开关XBRn寄存器中分配了的引脚也需要定义，而不是自动定义的。当PRTnCF寄存器中相应的引脚位设置为0时，这些引脚的输出驱动为漏极开路方式；设置为1时，则为推挽方式。只有SMBus的SDA和SCL以及UART在方式0时的RX所分配的引脚与PRTnCF的设置无关。
为了将一个通用I/O引脚配置为输入，与这一引脚相关的PRTnCF端口配置寄存器位必须被清0.另外，与该引脚相关的端口位必须置1，这样使该引脚处于高组态；获将XBR2中的WEAKUPD位清0，若上拉为高电平，这是端口引脚的复位配置。
当XBR2中的WEAKUPD位设置为0时，被设置为漏极开路输出方式的所有端口I/O都被允许为弱上拉。WEAKUPD位不影响推挽输出方式的端口I/O。另外，输出经常为0的漏极开路引脚的弱上拉应该关闭，以免造成不必要的功耗。
2.2电动机控制中A/D转换在C8051中的实现
在电动机的控制过程中，常需要将一些过程信号送回单片机进行处理，如输出转速信号，输出电压信号，输出电流信号等。因为单片机只能处理数字信号，如果电动机的这些过程信号是模拟量，必须先进过A/D转换，再将转换所得到的数字信号送入单片机处理。所以A/D转换在电动机控制中常常是不可缺少的。
3 单片机控制交流异步电动机变频调速应用
由SA4828构成的变频调速系统如下图3.1所示。首先由键盘输入给定的转速nO（rpm），单片机把它换算成变频器将要输出的频率和电压的控制字，写入到SA4828的控制寄存器，启动SA4828。从RTBB的6个引脚输出相应频率和电压的SPWM控制信号，经驱动电路隔离后，分别控制智能功率模块IPM的6个IGBT的导通与截止，最后在三个输出端上产生对称的三相SPWM电压，以驱动交流电动机运转。利用转速编码器可以构成闭环调速系统，提高转速控制的精度。IPM的故障检测信号接到SA4828的SET TRIP端，一旦IPM发生过流、过热、短路和欠压等情况，将立即切断SA4828的6路输出信号，使IPM得以保护。
图3.1 7单元
3.1智能功率模块——IPM
目前已有许多厂商把该电路与整流电路、控制电路、驱动电路、保护电路及传感电路等集成为一个模块，称为智能功率模块——IPM（Intelligent Power Module）这样使主电路结构紧凑，避免了分布参数的影响。
（1）IPM的特点
① 内含驱动电路，设定最佳IGBT驱动条件；
② 内含过流、过热、欠压、短路保护电路，出现异常时给出报警信号，以控制逆变器停止工作；
③ 内含制动电路，可直接外接制动电阻RB；
（2）IPM的选用
IPM的参数由电动机的额定功率PO及峰值电流I P来确定。例如，当电动机的线电压为U = 220V，输出功率PO=2.2kW，功率因数Cosφ=0.75，效率η=0.8时，峰值电压UP=√2 U =310V，峰值电流I P=√2PO /（√3 UCosφη）= 13.8A，可选用东芝、三菱、富士的产品，规格为600V/30A，7单元IPM。
3.2 驱动电路
SA4828输出的6路控制信号是TTL电平的，它们不能直接驱动IPM中的6个IGBT。原因有两个：①IGBT需要的开关信号幅值约为±10V，TTL电平不能胜任；②逆变桥中三个下桥臂是共地的，而三個上桥臂是悬浮的，SA4828输出的6路信号均是共地的，必须加以隔离。因此驱动电路的任务有两个：电平转换和隔离。
IGBT一般用集成电路芯片来驱动，常用电路有富士公司的EXB840、841、850、851系列；三菱公司的M5796系列，以上各电路在很多书籍中都有介绍，不再赘述。这里介绍一种东芝公司的产品TLP250，电路非常简单。
TLP250采用8脚的DIP封装，引脚如图3.3。输入端光耦的隔离电压达到3000V，输入电流为5～10mA，可以驱动100A/600V的IGBT。它采用单电源供电，使用时须外接一个电阻和一个10V的稳压管，把25V的隔离电源变为+15V的导通电压和-10V的关断电压。
图3.3 TLP250驱动
3.3 隔离电源
如前所述，为了驱动主电路逆变桥的三个上桥臂的IGBT，必须给每一路提供一个隔离的25V电源而三个下桥臂可以共用一个电源。此外，SA4828及单片机系统还需要+5V电源以及异步通讯所需的±12V电源，一共需要7路电源，如图3.4所示。
摘要：基于单片机控制的交流异步电动机变频调速系统，实际上通过利用单片机的控制，来实现电动机的变频调速，是一种廉价的控制方式。重点介绍了该设计给出的系统的总体规划，控制策略和硬件，软件，数据计算，该产品类型选择的原则和程序代码实现。并简要介绍了一些相关理论基础，同时指出了调速系统有待于进一步完善发展的方向。
关键词：单片机；电动机；变频调速；C8051
1引言：
电动机作为主要的动力设备被广泛的应用于工农业生产、国防、科技、日常生活等各个方面，成为用电量最多的电气设备。根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类，其中交流电动机形式多样、用途各异、拥有量最多，交流电动机又分为同步电动机和异步（感应）电动机两大类。根据统计，交流电动机用电量占电机总用电量的85%左右，可见交流电动机应用的广泛性及其在国民经济中的重要地位。
2 C8051单片机对电动机控制的支持
为了使用单片机对电动机进行控制，对现代单片机的要求是：具有足够快的速度；有PWM口，用于自动产生PWM波；有捕捉功能，用于测频；有A/D转换器，用来对电动机的输出转速，输出电压和电流的模拟量进行A/D转换；有各种同步串行接口，足够的内部ROM和RAM，以减少控制系统物理尺寸；有看门狗和电源管理功能等。
2.1 C8051单片机用于控制电动机时的输入/输出端口设置
C8051的I/O引脚有2种用途：作为标准的I/O引脚和作为第二功能引脚。与其他单片机不同，C8051并不指定固定的引脚作为第二功能引脚，而是通过交叉开关由用户设定。
1 交叉开关的使用
在I/O口P0，P1，P2与内部资源之间是使用交叉开关进行连接的。当需要将某些内部资源与I/O引脚相连接时，必须通过交叉开关控制寄存器XBR0，XBR1，XBR2进行设置。设置交叉开关控制寄存器XBR0，XBR1，XBR2的作用是：确定被选择的资源。
2 I/O口初始化
首先，通过交叉开关控制寄存器XBR0，XBR1，XBR2将所需的资源分配给端口引脚，并在XBR2中将交叉开关设置为允许。
所有的I/O端口都耐5V电压输入。
I/O引脚的输出驱动器特性是用端口配置寄存器PRT0CF，PRT1CF，PRT2CF和PRT3CF定义的。它们分别相应的控制P0口，P1口，P2口和P3口的输出方式设置。每个端口输出器都可以通过端口配置寄存器被设置为漏极开路方式或推挽方式，即使对于已在交叉开关XBRn寄存器中分配了的引脚也需要定义，而不是自动定义的。当PRTnCF寄存器中相应的引脚位设置为0时，这些引脚的输出驱动为漏极开路方式；设置为1时，则为推挽方式。只有SMBus的SDA和SCL以及UART在方式0时的RX所分配的引脚与PRTnCF的设置无关。
为了将一个通用I/O引脚配置为输入，与这一引脚相关的PRTnCF端口配置寄存器位必须被清0.另外，与该引脚相关的端口位必须置1，这样使该引脚处于高组态；获将XBR2中的WEAKUPD位清0，若上拉为高电平，这是端口引脚的复位配置。
当XBR2中的WEAKUPD位设置为0时，被设置为漏极开路输出方式的所有端口I/O都被允许为弱上拉。WEAKUPD位不影响推挽输出方式的端口I/O。另外，输出经常为0的漏极开路引脚的弱上拉应该关闭，以免造成不必要的功耗。
2.2电动机控制中A/D转换在C8051中的实现
在电动机的控制过程中，常需要将一些过程信号送回单片机进行处理，如输出转速信号，输出电压信号，输出电流信号等。因为单片机只能处理数字信号，如果电动机的这些过程信号是模拟量，必须先进过A/D转换，再将转换所得到的数字信号送入单片机处理。所以A/D转换在电动机控制中常常是不可缺少的。
3 单片机控制交流异步电动机变频调速应用
由SA4828构成的变频调速系统如下图3.1所示。首先由键盘输入给定的转速nO（rpm），单片机把它换算成变频器将要输出的频率和电压的控制字，写入到SA4828的控制寄存器，启动SA4828。从RTBB的6个引脚输出相应频率和电压的SPWM控制信号，经驱动电路隔离后，分别控制智能功率模块IPM的6个IGBT的导通与截止，最后在三个输出端上产生对称的三相SPWM电压，以驱动交流电动机运转。利用转速编码器可以构成闭环调速系统，提高转速控制的精度。IPM的故障检测信号接到SA4828的SET TRIP端，一旦IPM发生过流、过热、短路和欠压等情况，将立即切断SA4828的6路输出信号，使IPM得以保护。
图3.1 7单元
3.1智能功率模块——IPM
目前已有许多厂商把该电路与整流电路、控制电路、驱动电路、保护电路及传感电路等集成为一个模块，称为智能功率模块——IPM（Intelligent Power Module）这样使主电路结构紧凑，避免了分布参数的影响。
（1）IPM的特点
① 内含驱动电路，设定最佳IGBT驱动条件；
② 内含过流、过热、欠压、短路保护电路，出现异常时给出报警信号，以控制逆变器停止工作；
③ 内含制动电路，可直接外接制动电阻RB；
（2）IPM的选用
IPM的参数由电动机的额定功率PO及峰值电流I P来确定。例如，当电动机的线电压为U = 220V，输出功率PO=2.2kW，功率因数Cosφ=0.75，效率η=0.8时，峰值电压UP=√2 U =310V，峰值电流I P=√2PO /（√3 UCosφη）= 13.8A，可选用东芝、三菱、富士的产品，规格为600V/30A，7单元IPM。
3.2 驱动电路
SA4828输出的6路控制信号是TTL电平的，它们不能直接驱动IPM中的6个IGBT。原因有两个：①IGBT需要的开关信号幅值约为±10V，TTL电平不能胜任；②逆变桥中三个下桥臂是共地的，而三個上桥臂是悬浮的，SA4828输出的6路信号均是共地的，必须加以隔离。因此驱动电路的任务有两个：电平转换和隔离。
IGBT一般用集成电路芯片来驱动，常用电路有富士公司的EXB840、841、850、851系列；三菱公司的M5796系列，以上各电路在很多书籍中都有介绍，不再赘述。这里介绍一种东芝公司的产品TLP250，电路非常简单。
TLP250采用8脚的DIP封装，引脚如图3.3。输入端光耦的隔离电压达到3000V，输入电流为5～10mA，可以驱动100A/600V的IGBT。它采用单电源供电，使用时须外接一个电阻和一个10V的稳压管，把25V的隔离电源变为+15V的导通电压和-10V的关断电压。
图3.3 TLP250驱动
3.3 隔离电源
如前所述，为了驱动主电路逆变桥的三个上桥臂的IGBT，必须给每一路提供一个隔离的25V电源而三个下桥臂可以共用一个电源。此外，SA4828及单片机系统还需要+5V电源以及异步通讯所需的±12V电源，一共需要7路电源，如图3.4所示。