基于STC单片机的电机变频控制器设计.docx

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基于STC单片机的电机变频控制器设计

摘要

电机变频控制器，是一种无机械运动的频率调控装置。

它把电力配电网50Hz恒定频率的交流电，变成可调频率的交流电，供普通的交流异步电动机使用。

对电机具有高效的驱动性能及良好的控制特性。

现在变频器在过程控制、提升控制、家电等中得到广泛的应用，而本设计主要是讨论其在家电中的使用。

在设计中采用STC12C5410AD作为主控制单片机实现电机变频控制器，使用智能功率模块（SPM）FPAL15SH60对电机进行驱动。

控制器能实现20--250Hz信号的输出，可通过手动或自动的方法调节频率，并能显示实时频率。

具有输入欠压保护、输出过压过流保护功能和过温监测等功能。

工作原理是由单片机产生初始的SPWM控制信号，把取样电压和设定的参考电压相比较得到输出电压与参考电压的误差值，电压误差值反馈到单片机内部进行数据处理，再由单片机对SPWM信号进行修正后输出，从而达到对电机控制。

本设计以高性能单片机为电机的控制中心，通过智能功率模块达到对电机的驱动，最终实现对电机的控制。

使其在实际使用中达到低功耗，高效率的效果。

关键字：

变频器；STC单片机；智能功率模块（SPM）；SPWM

BasedonSTC-MCUInverterControllerDesign

Student：

CHENXiao-lanTeacher:

LUEr-qing

Abstract:

Motorinvertercontrollerisamotion-controldevicethatnon-mechanicalfrequency.ItselectricitydistributionnetworktoaconstantfrequencyAC50HZintoACadjustablefrequencyfortheuseofordinaryACasynchronousmotor.It’sdrivewithefficientperformanceandgoodcontrolcharacteristicsformotor.Inverterhasbeenwidelyusedintheprocesscontrol,enhancecontrol,andhomeelectricalappliances,butmainlytodiscussthedesignofitsuseinhouseholdappliances.

InthedesignusedSTC12C5410ADsingle-chipasthemaincontrolvariablefrequencymotorcontroller,anduseofsmartPowerModule（SPM）FPAL15SH60ofthemotordrive.Controllertoachieve30-150Hzoutputsignal,itcanbemanuallyorautomaticallyadjustthefrequencyofthemethod,anddisplayingfrequencyvalueinrealtime.IncludingIncludinginputunder-voltageprotection,outputovervoltageandovercurrentprotectionfeaturessuchasover-temperaturemonitoring.Theworkingprincipleisgeneratedfromtheinitialsingle-chipSPWMcontrolsignals,thesamplingvoltageandsetthereferencevoltagetobecomparedwiththereferencevoltageoutputvoltageoftheerror,voltageerrorfeedbacktotheinternalsingle-chipdataprocessing,andthenSPWMsignalfromthemicrototherevisedoutputofmotorcontroltoachieve.

Thedesignforhigh-performancesingle-chipmotorcontrolcenter,throughthesmartpowermoduleformotordrivetoachieve,andultimatelythecontrolofmotor.Toachieveinpracticetheuseoflow-power,high-efficiencyresults.

Keyword:

Inverters;single-chipinverter;SmartPowerModule（SPM）；SinePulse-WidthModulation（SPWM）

1引言

随着人们生活水平的不断提高，家电在生活中的普及率越来越高，与此同时，人们对家电的要求也越来越高。

冰箱不能只是冷冻，洗衣机不能只是洗衣，而空调也绝不能仅仅满足于制冷、制热，还要节能，讲究效率。

为了满足人们对家电的高要求，高标准，众多生产厂家无不绞尽脑汁，变着花样迎合消费者。

但真正能打动消费者，令其掏腰包的，恐怕并不多，变频家电就是这为数不多中的一种。

所谓变频调速，就是通过改变供电电源的频率来改变电动机的转速，以实现节能和提高效率。

以空调为例，所谓变频空调是与传统的恒频空调相比较而言的。

众所周知，我国的市电电压为220V/50Hz，在这种条件下工作的空调称之为恒频空调。

由于供电频率不能改变，传统的恒频空调的压缩机转速基本不变，依靠其温控开关不断地开、停压缩机来调整室内温度，其一开一停之间容易造成室温忽冷忽热，并消耗较多电能。

而变频空调通过变频器改变压缩机供电频率，调节压缩机转速。

供电频率高，压缩机转速快，空调器制冷（热）量就大；而当供电频率较低时，空调器制冷（热）量就小。

依靠压缩机转速的快慢达到控制室温的目的，室温波动小、电能消耗少，其舒适度大大提高。

另外，变频空调可根据环境温度自动选择制热、制冷和除湿运转方式，使居室在短时间内迅速达到所需要的温度。

并在低转速、低能耗状态下以较小的温差波动，实现了快速、节能和舒适控温效果。

变频空调的核心是变频器，变频器是20世纪80年代问世的一种高新技术，通过它实现了电动机运转频率的自动调节，把50Hz的固定电网频率变换为30～130Hz的变化频率，使空调完成了一次新的革命。

同时，还使电源电压范围达到142～270V，彻底解决了由于电网电压的不稳定而造成空调器不能正常工作的难题。

变频空调每次开始使用时，通常是让空调以最大功率、最大风量进行制热或制冷，迅速接近所设定的温度。

由于变频空调通过提高压缩机工作频率的方式，增大了在低温时的制热能力，最大制热量可达到同品牌、同级别空调器的1．5倍，低温下仍能保持良好的制热效果。

此外，一般的分体机只有4档风速可供调节，而变频空调器的室内风机自动运行时，转速会随压缩机的工作频率在12档风速范围内变化，由于风机的转速与空调器的能力配合较为合理，实现了低噪音的宁静运行。

当空调高功率运转，迅速接近所设定的温度后，压缩机便在低转速、低能耗状态运转，以维持设定的温度。

这样不但温度稳定，避免了压缩机因频繁启动对机身寿命的影响，而且使耗电量大大下降，实现了高效节能。

1.1变频器发展与主要成果

要谈变频器得从谈变频器的控制方式开始，对变频器U/F控制系统的改造主要经历了三个阶段，

第一阶段：

 八十年代初日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量（或称磁通轨迹法）。

该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成二相调制波形。

这种方法被称为电压空间矢量控制。

典型机种如1989年前后进入中国市场的FUJI（富士）FRN5OOOG5/P5、SANKEN（三垦）MF系列等。

第二阶段：

矢量控制。

也称磁场定向控制。

它是七十年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流电动机和交流电动机比较的方法分析阐述了这一原理，由此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河。

它使人们看到交流电动机尽管控制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质。

矢量控制的基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。

但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的不足。

此外，它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统中需要配留转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。

仅管如此，矢量控制技术仍然在努力融入通用型变频器中，1992年开始，德国西门子开发了6SE70通用型系列，通过FC、VC、SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制。

1994年将该系列扩展至315KW以上。

目前，6SE70系列除了200KW以下价格较高，在200KW以上有很高的性价比。

第三阶段：

转矩控制理论。

转矩控制的优越性在于：

转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息；控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好；所引入的定子磁键观测器能很容易估算出同步速度信息。

因而能方便地实现无速度传感器化。

这种控制方法被应用于通用变频器的设计之中，是很自然的事，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。

然而，这种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别（IdentificationID）,通过ID运行自动确立电机实际的定子阻抗互感、饱和因素、电动机惯量等重要参数，然后根据精确的电动机模型估算出电动机的实际转矩、定子碰链和转子速度，并由磁链和转矩的Band－Band控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行控制。

这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度。

1995年ABB公司首先推出的ACS600直接转矩控制系列，已达到<2ms的转矩响应速度在带PG时的静态速度精度达土0.01%，在不带PG的情况下即使受到输入电压的变化或负载突变的影响，向样可以达到正负0.1％的速度控制精度。

其他公司也以直接转矩控制为努力目标，如安川VS－676H5高性能无速度传感器矢量控制系列，虽与直接转矩控制还有差别，但它也已做到了100ms的转矩响应和正负0.2%（无PG）,正负0.01％（带PG）的速度控制精度，转矩控制精度在正负3％左右。

其他公司如日本富士电机推出的FRN5000G9／P9以及最新的FRN5000Gll／P11系列出采取了类似无速度传感器控制的设计，性能有了进一步提高，然而变频器的价格并不比以前的机型昂贵多少。

控制技术的发展完全得益于微处理机技术的发展，自从1991年INTEL公司推出8X196MC系列以来，专门用于电动机控制的芯片在品种、速度、功能、性价比等方面都有很大的发展。

如日本三菱电机开发用于电动机控制的M37705、M7906单片机和美国德州仪器的TMS320C240DSP等都是颇具代表性的产品。

1.2变频器的现状与发展方向

现在，变频技术在发达国家己经成熟，随着新的电力电子器件的不断出现，新的变频技术层出不穷，使其得到了更广泛的推广应用。

变频技术的迅速发展是建立在电力电子技术的创新、电力电子器件及材料的开发及器件制造工艺水平提高基础之上的，尤其是高压大容量绝缘栅双极晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管工IGCT器件的成功开发，使大功率变频技术得以迅速发展，性能日益完善。

由于变频器在空调、电梯、冶金、机械等行业的广泛应用，变频调速电机和与之配套的变频器发展迅速。

据机械信息研究院的统计，2000年，中国变频器市场容量接近30亿元。

其中日本，欧美品牌占据主导地位，国内生产商经过近几年的高速发展，业已占领了很大一部分低端市场。

目前变频器的国内电机配比率仍低于1%，潜在市场巨大，国内变频器市场在未来的5~10年内仍将保持高速发展。

变频器主要发展方向：

（1）实现高水平的控制。

基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直接传矩控制和机械扭振补偿等；基于现代理论的控制策略，有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器，在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。

（2）开发清洁电能的变流器。

所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为1，网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。

对中小容量变流器，提高开关频率的PWM控制是有效的。

对大容量变流器，在常规的开关频率下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。

（3）缩小装置的尺寸。

紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源，以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。

功率器件冷却方式的改变（如水冷、蒸发冷却和热管）对缩小装置的尺寸也很有效。

（4）高速度的数字控制。

以32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法，Windows操作系统的引入使得可自由设计，图形编程的控制技术也有很大的发展。

（5）模拟与计算机辅助设计（CAD）技术。

电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。

1.3设计的意义与主要内容

在现代工业生产中，变频器广泛的应用于电力、冶金、石油、化工、市政、中央空调、水处理等行业中，因此现在变频器在我们生活中是不可缺少的东西了。

它主要具有以下优点：

1）能改善机械性能，提高自动化水平。

2）调速并且节能。

3）电机可实现软启动、软停车，大大降低电源容量。

4）可进行恶劣环境下的电机速度控制。

5）可进行高速运行（运行频率大于工频电网50Hz，最大达3000Hz）。

6）可实现电制动、直流制动、能耗电阻制动、能量回馈单元制动等。

7）可进行非机械碰撞实现频繁的电机正/反转切换。

8）可实现平滑无级调速，其低频特性优秀、且输出转矩动态响应快 。

9）变频调速大大减少设备体积，去除减速箱 。

10）一台变频器可以对多台电机进行速度控制。

变频器不仅具有高效率的特点，同时也十分的节能，将它应用于家电中既能提高产品的可控性与可操作性，更重要的是还可以减少能量的消耗和污染。

在今后家电生产中，特别是冰箱和家用空调器的压缩机控制中，变频器的使用肯定是必不可少的。

因此，本项目的研究设计具有较高的实用性和可发展性。

在本设计中，主要采用了STC系列单片机作为控制主机，通过其中的PWM接口和软件的配合实现SPWM控制信号的产生来实现电机变频控制器，使用智能功率模块（SPM）FPAL15SH60对电机进行驱动。

控制器能实现20--250Hz信号的输出，可通过手动键入或自动的方法调节频率，并通过显示器显示实时频率。

具有输入欠压保护、输出过压过流保护功能和过热保护等功能。

设计中由STC系列单片机产生SPWM波形，通过编程的方法控制其脉冲宽度，从而达到对频率控制的目的，还能根据对输出电压的检测结果调整SPWM信号的幅度，从而控制输出的电压。

2主要器件和开发环境

在本设计中，主要采用的控制主机件是宏晶科技的STC系列单片机，该系列单片机具有速度快、低功耗、超强的抗干扰能力等特点。

而开发环境又分为硬件开发环境和软件开发环境。

其中硬件开发环境为ProtelDXP用于设计硬件电路，而软件开发环境主要有汇编语言和C语言的编写、编译、仿真调试和写入等功能。

2.1主要器件介绍

主要介绍了主控单片机和智能功率模块。

2.1.1STC单片机

综合整个系统的功能和各种控制之间的关系。

本设计选择了宏晶科技的STC系列的12C5410AD单片机，该型号单片机为8051单片机的改进增强型，为1时钟/机器周期的8051单片机，其最快速度是普通8051的12倍，并且其内部集成了高精度的8路高速10位ADC转换器和4路8位的PWM，内部集成MAX810专用复位电路，有速度快、低功耗、超强的抗干扰能力等特点，其指令代码完全兼容传统的8051指令系统。

STC12C5410AD单片机主要特性如下：

1）高速：

1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快8~12倍；

2）宽电压：

5.5~3.8V工作电压；

3）低功耗设计：

空闲模式，掉电模式（可由外部中断唤醒）；

4）工作频率：

0~35MHz，相当于普通8051：

0~420MHz;

5）时钟：

外部晶体或内部RC振荡可选，在ISP下载编程用户程序时设置；

6）10KB片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上；

7）512B片内RAM数据存储器；

8）ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程，无需编程器/仿真器；

9）8通道10位ADC，4路PWM还可以当4路D/A使用；

10）4通道（PWM/PCA/CCU）；

11）两个硬件16位定时器，兼容普通8051的定时器；

12）硬件看门狗（WDT）；

13）高速SPI通信端口；

14）全双工异步串行口（UART）；

15）23个通用I/O口。

选择STC12C5410AD单片机的主要理由是：

1）加密性强，无法解密；

2）超强抗干扰、超低功耗；

3）单个时钟/机器周期，系统速度高；

4）8路高速10位ADC转换器；

5）4路8位的PWM发生器；

6）在系统可编程，无需编程器。

而在本设计中，采用此系列单片机的主要原因是其内部集成了多路高精度的ADC和PWM发生器，在产生SPWM波形时可直接采用软件编程的方法来实现，这给设计带来了极大的方便。

2.1.2智能功率模块

FPAL15SH60是一种先进的智能功率模块（SPM）。

是由美国仙童公司开发设计的高性能交流电机驱动器。

它主要是针对高速低功耗的变频驱动器应用像在洗衣机和空调中的的应用。

它结合了优化的电路保护和推动符合低损耗的IGBT。

通过使用先进的电流传感IGBT芯片使之非常有效的实现短路电流检测/保护，以便持续监测IGBT的电流。

系统的可靠性通过内置过热和集成欠压锁定保护得到进一步增强。

同时高速内建的HVIC提供光耦合器无IGBT栅极驱动能力，进一步减少的总规模逆变系统的设计。

图1FPAL15SH60等效电路及引脚

主要特点

1）集成的三相逆变器中的低损耗IGBT均带有并联快速恢复二极管，其中每只IGBT的耐压均大于600V,额定工作电流为15A。

2）在三相IGBT逆变器桥路中，含有可对栅极提供驱动和欠压检测与保护的控制。

3）高端的三只IGBT可分别由三片HVIC（U、V和W）来驱动，从而省去了光耦合器。

同时允许IGBT通过单接地来偏置电源驱动。

4）可在低端用单片LVIC来驱动低端三只传感-IGBT，.并可提供短路电流保护功能。

5）利用传感-IGBT发射极外部的串联电阻可以调节电流保护电平。

6）为了进行温度监测，FPAL15SH60器件内部还带有热敏电阻。

7）该器件中的PWM控制开关频率为15KHz,可满足洗衣机等家用电器中驱动系统的高速操作应用需要。

8）采用陶瓷封装，其隔离电压高达2500Vrms以上。

9）满载时的额定输出电流为5A，.逆变器额定功率为750W,适合在100-253V的交流电压下驱动低功率的AC电机。

10）逻辑输入与标准CMOS电平或LSTTL电平输出等兼容。

图2欠压保护相关波形

图3短路电流保护相关波形

图4内置热敏电阻的电阻-温度特性曲线

2.2设计开发环境

设计的开发环境包括硬件开发环境和软件开发环境。

硬件开发环境为ProtelDXP，而软件开发环境汇编语言和C语言。

2.2.1硬件开发环境

硬件开发环境为ProtelDXP开发软件，ProtelDXP是Altium公司开发的第一套完整的板卡级设计系统，比早期的Protel各版本都有根本性的改善，真正实现在单个应用程序中的集成。

设计从一开始的目的就是为了支持整个设计过程，ProtelDXP让你可以选择最适当的设计途径来按你想要的方式工作。

ProtelDXPPCB线路图设计系统完全利用了WindowsXP和Windows2000平台的优势，具有改进的稳定性、增强的图形功能和超强的用户界面。

ProtelDXP是一个单个的应用程序，能够提供从概念到完成板卡设计项目的所有功能要求，其集成程度在PCB设计行业中前所未见。

ProtelDXP采用一种新的方法来进行板卡设计，使你能够享受极大的自由，从而能够使你在设计的不同阶段随意转换，按你正常的设计流量进行工作。

相对于以前版本，ProtelDXP的PCB设计功能更加强大，它采用了改进型SitusTopologicalAutorouting布线规则。

这种改进型的布线规则以及内部算法的优化都大大的提高了布线的成功率和准确率。

这也在某种程度上减轻了工程师们的负担。

Protel2004中的高速电路规则也很实用，它能限制平行走线的长度，并可以实现高速电路中所要求的网络匹配长度的问题，这些都能让您设计高速电路也变的无比的容易。

同时如果您需要进行多层板设计，您只需在层管理器中进行相关的设置即可，Protel2004共可进行74个板层设计。

您还可以在设计规则中制定每个板层的走线规则，包括最短走线，水平，垂直等等。

在使用过程中我发现，只要布局适当，进行完全自动布线一次性成功率很高，而且布线完成后需要修改的地方也比较少，只是有几根走直角的线需要修改（走出直角与您的DRC－设计规则设置有关）。

多次布线也不会发现短路或是网络混乱问题。

在自动布线这点上Protel2004做的可以说是堪称完美了。

2.2.2软件开发环境

单片机的开发语言主要有汇编语言和C语言，很多人认为汇编语言易学易用，因为没有太多的语法。

但是对于一个较大规模的软件系统使用汇编语言开发将遇到很大的困难。

开发周期长、代码可读性差、不易维护，其通用性不强，代码可移植性差。

而C语言就克服了汇编语言的很多缺点，和汇编语言相比具有以下几个显著的优点：

1）C语言是一种结构化的编程语言，可以减轻程序员的负担，让程序员把更多的精力放在功能的实现上；

2）代码的可读性好、容易理解、结构清晰、易于维护；

3）可移植性好，因为C语言不依赖于任何一种硬件系统。

鉴于以上几点，本系统的软件部分全部采用C语言来编写。

并且使用KeilC51编译器可以产生高效、紧凑的代码，执行效率毫不逊色于使用汇编语言编写的程序。

3硬件设计

本章讨论电机变频控制器的总体结构及各模块的工作过程。

3.1变频器的总体结构

图5变频器的总体构造

如图所示，变频器由整流器、平滑电路、逆变器、控制器四大部分组成。

变流器将交流变为直流，平滑电路将此直流平滑后，由逆变器将它变换为频率可调的交流，向电动机提供电压、电流和频率。

3.1.1系统模块的划分

根据系统要求，变频控制器按其各部分功能可分为：

桥式整流模块、智能功率模块和和单片机系统控制模块。

桥式整流模块是利用二极管的单向导通将输入的交流电变为直流电，以达到设计要求。

智能