AC89C2051在全数字变频控制器中的设计与应用

1．前言

在家电或工业控制中，经常需要根据环境条件的改变而改变供电频率，以便取得最佳的启动力矩、最佳的转速、最佳的风量或制冷/热量。本文介绍一种全数字的变频控制器，它可以根据外界环境的变化(如压力、温度、输入电压和人为地设定等)，自适应地改变输出电源频率，达到对电机调速的目的。在控制算法中，采用模糊理论，设定隶属函数，求出控制输入的隶属度，并进行模糊规则判断，得出模糊的控制输出。然后进行模糊量的计算，得出精确的控制输出，达到控制运行频率的目的。经过试运行表明：自适应能力强，控制精度高，特别是解决了一般低压带负荷启动的困难。 

 

2．变频控制器系统结构原理

下面，以1.5kW输出功率的变频控制器为例进行介绍，该系统结构如图1所示：逆变器采用三菱智能模块PM20CTM060六合一封装，本身具有控制电源欠压锁定、过热保护、过流保护、短路保护。一旦出现保护，送出一个故障信号（F0）。该模块通态损耗、开关损耗均较低，因而散热器尺寸较小。运算控制单元采用ATMEL公司的89C2051高性能价格比单片机[1]，该单片机采用80C31内核指令系统，与MCS-51完全兼容，内含2K Flash用户存储器，编程极为方便。反复编程次数可达1000次以上，数据可保存10年。AT89C2051引脚如图2所示。


该系统的工作原理如下：外部模拟量（温度、电压、界面设定等）经A/D转换后送入89C2051，经运算处理后，求得运行频率，然后转换成预置分频器的倍数，从而控制寻址计数器IC4输入脉冲的频率，从而控制27512已存波形数据的输出速度，达到变频的目的。27512的低11位地址（A0～A10）由计数器寻址，控制具有一定调制度M的SPWM 波形输出。高5位地址（A11～A15）由89C2051直接寻址。控制具有不同M的SPWM波形。因此可选择32种不同调制度的波形。系统的工作状态及环境参数均可由显示单元分类显示。整个显示部分由89C2051的RXD、TXD控制。
由于PM20CTM060功率模块内含驱动单元，故只需光耦隔离，就可以用数字电路进行驱动。

3．控制器电路设计

如图3所示，其中SPWM波形存于27512中，格式见图4。图中211个8位字节存储一个具有固定调制度的SPWM波形。由于SPWM的对称性，211 位只存一个周期的1/2，具体分配方法是：每个字节的0、1、2三位存放三相SPWM的0 ～ p 中的数值，3、4、5三位存放p ～2 p 中的数值，对应的寻址方法是：IC4由0开始计数，IC17相应的1Y1、1Y2、1Y3输出0 ～ p 波形。当211位计满后，半个周期输出完毕，再计一次数时，IC4的Q12输出为1，经反向器驱动IC17的2Y1，2Y2，2Y3输出。这时，存于 27512各字节中档的第3，4，5位的数据开始输出，从而产生SPWM的后半周期。这样反复循环，就可输出一个具有固定频率、固定调制度的波形。一个完整的SPWM波形共由4096个脉冲组成。

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变频的原理是改变IC14的分频基数 。就可改变计数脉冲频率，从而改变读完4096个脉冲的时间，达到了变频的目的，

… …
50Hz 1DH
49Hz 1EH
48Hz 1FH
… …
表１． 与 对应关系
其中 为系统时钟频率，本方案取6M， 为由27512读出数据的频率， ， 为变频器的输出频率。显然，变频器的输出频率越高的值越大，而分频系数越小。
同理欲输出35Hz交流电时，可求得 ，总之根据变频的范围，可以按公式列出如下表格（见表１．其中 ）。

为了提高系统的分辨率，可提高系统的振荡频率，一般可使 的频率分辨率达到0.5Hz以下。
调制度M的控制方法是：将27512共分成25共32个区域，每个区域包含211个字节，存储一个具有一定调制度的全周期SPWM波形。存储区一共存储 32个不同M的SPWM波，并将其按M的大小排列，由IC1的P1.3～P1.7寻址，输出频率及调制度的选择由控制算法决定。



控制算法原理如图５所示[2]，控制量R和反馈量Y之差e，以及误差变化率一同输入到模糊控制器进行推理，并对状态的走势进行预测，从而选择恰当的及M，通过计算机寻址及分频，输出一组合适的波形进入下一状态的运行。由于IC1内的Flash存储区只有2k，推理方法主要采用相关法，参数子集和其变化率子集分别选用4维和3维，完全满足一般家电及工业控制的需要。

4．波形存储的几点考虑

4.1载波频率的确定

设定最高输出交流频率为60Hz，可求得输出周期 ，则存储器中每单元的分辨率为 ，也就是说，每个存储单元所代表的脉宽为 。
设定载波频率 ， ，则当调制度最大时存储的载波波形如图6示。图6中 ，所占的存储单元数为 ，同样可求得 占一个存储单元， 占11个存储单元。

4.2存储波形的形成（以 为例）

由于载波脉冲周期 ，而 对应360°，所以每个载波周期对应的角度为 。而对于消除3、5、7、9、11次5个谐波的最佳波形的P1 ～ P5点位置经计算为[3]：18.167°、26.633°、36.867°、52.9°、56.683°，显然不是０.9°的整数倍。因此，量化误差将影响Pi位置的精确度，使整个系统对谐波的消除不能达到最佳。试验证明，这种影响可以忽略。

4.3输出交流电源的控制

根据V/f =常数，当频率变低时，相应输出电压需下降。因此，在35～60Hz范围内，设置了32种针对不同电压的波形，并用计算机的P1.3～P1.7直接寻址。另外，考虑到负载的变化和频率的变化而影响输出电压的波动，软件设置上允许同一频率下可根据需要选择不同M的波形，从而使电压在一定范围内可以调整，用来对转矩进行补偿，这些工作都由模糊推理来完成。

5．结论

该变频控制系统配用三菱公司的智能功率模块PM20CHA060构成，1.5KW微型全数字三相变频控制器，并对油泵电机进行拖载实验，其结论如下：

1） 该系统由于变频构思巧妙，并利用IPM功率块，使电路结构紧凑，控制简单，易于批量生产，可用于家电、工业控制系统，作为嵌入式/外置式均可。

2）由于配有LED显示器（4位）可对环境条件、设置条件、运行情况分类进行显示。

3）该系统在交流输入端配有可控硅调压单元（相位数控）及交流过、欠压保护。高电压适应范围可达300VAC，再加上低压低频启动功能，使可工作的交流电压范围为165～300VAC。