AC89C2051在全數字變頻控制器中的設計與應用

1．前言

在家電或工業控制中，經常需要根據環境條件的改變而改變供電頻率，以便取得最佳的啟動力矩、最佳的轉速、最佳的風量或制冷/熱量。本文介紹一種全數字的變頻控制器，它可以根據外界環境的變化(如壓力、溫度、輸入電壓和人為地設定等)，自適應地改變輸出電源頻率，達到對電機調速的目的。在控制算法中，采用模糊理論，設定隸屬函數，求出控制輸入的隸屬度，并進行模糊規則判斷，得出模糊的控制輸出。然后進行模糊量的計算，得出精確的控制輸出，達到控制運行頻率的目的。經過試運行表明：自適應能力強，控制精度高，特別是解決了一般低壓帶負荷啟動的困難。

2．變頻控制器系統結構原理

下面，以1.5kW輸出功率的變頻控制器為例進行介紹，該系統結構如圖1所示：逆變器采用三菱智能模塊PM20CTM060六合一封裝，本身具有控制電源欠壓鎖定、過熱保護、過流保護、短路保護。一旦出現保護，送出一個故障信號（F0）。該模塊通態損耗、開關損耗均較低，因而散熱器尺寸較小。運算控制單元采用ATMEL公司的89C2051高性能價格比單片機[1]，該單片機采用80C31內核指令系統，與MCS-51完全兼容，內含2K Flash用戶存儲器，編程極為方便。反復編程次數可達1000次以上，數據可保存10年。AT89C2051引腳如圖2所示。

該系統的工作原理如下：外部模擬量（溫度、電壓、界面設定等）經A/D轉換后送入89C2051，經運算處理后，求得運行頻率，然后轉換成預置分頻器的倍數，從而控制尋址計數器IC4輸入脈沖的頻率，從而控制27512已存波形數據的輸出速度，達到變頻的目的。27512的低11位地址（A0～A10）由計數器尋址，控制具有一定調制度M的SPWM 波形輸出。高5位地址（A11～A15）由89C2051直接尋址。控制具有不同M的SPWM波形。因此可選擇32種不同調制度的波形。系統的工作狀態及環境參數均可由顯示單元分類顯示。整個顯示部分由89C2051的RXD、TXD控制。

由于PM20CTM060功率模塊內含驅動單元，故只需光耦隔離，就可以用數字電路進行驅動。

3．控制器電路設計

如圖3所示，其中SPWM波形存于27512中，格式見圖4。圖中211個8位字節存儲一個具有固定調制度的SPWM波形。由于SPWM的對稱性，211 位只存一個周期的1/2，具體分配方法是：每個字節的0、1、2三位存放三相SPWM的0 ～ p 中的數值，3、4、5三位存放p ～2 p 中的數值，對應的尋址方法是：IC4由0開始計數，IC17相應的1Y1、1Y2、1Y3輸出0 ～ p 波形。當211位計滿后，半個周期輸出完畢，再計一次數時，IC4的Q12輸出為1，經反向器驅動IC17的2Y1，2Y2，2Y3輸出。這時，存于 27512各字節中檔的第3，4，5位的數據開始輸出，從而產生SPWM的后半周期。這樣反復循環，就可輸出一個具有固定頻率、固定調制度的波形。一個完整的SPWM波形共由4096個脈沖組成。

變頻的原理是改變IC14的分頻基數 。就可改變計數脈沖頻率，從而改變讀完4096個脈沖的時間，達到了變頻的目的，

… …
50Hz 1DH
49Hz 1EH
48Hz 1FH
… …
表１． 與 對應關系

其中 為系統時鐘頻率，本方案取6M， 為由27512讀出數據的頻率， ， 為變頻器的輸出頻率。顯然，變頻器的輸出頻率越高的值越大，而分頻系數越小。

同理欲輸出35Hz交流電時，可求得 ，總之根據變頻的范圍，可以按公式列出如下表格（見表１．其中 ）。

為了提高系統的分辨率，可提高系統的振蕩頻率，一般可使 的頻率分辨率達到0.5Hz以下。

調制度M的控制方法是：將27512共分成25共32個區域，每個區域包含211個字節，存儲一個具有一定調制度的全周期SPWM波形。存儲區一共存儲 32個不同M的SPWM波，并將其按M的大小排列，由IC1的P1.3～P1.7尋址，輸出頻率及調制度的選擇由控制算法決定。

控制算法原理如圖５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行推理，并對狀態的走勢進行預測，從而選擇恰當的及M，通過計算機尋址及分頻，輸出一組合適的波形進入下一狀態的運行。由于IC1內的Flash存儲區只有2k，推理方法主要采用相關法，參數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控制的需要。