单片机控制变频器的闭环调速系统.docx

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单片机控制变频器的闭环调速系统

摘要

随着电力电子技术、微机控制技术的发展，由变频器组成的异步电动机变频调速系统被广泛应用。

但在一些技术要求较高的场所，对于由变频器组成的开环控制变频调速系统，其技术性能总是难以满足工程要求，达不到满意的效果。

单片机因其功能全、价格低深受欢迎，因此，开发用单片机控制的变频器来实现闭环调速系统的控制将具有重要意义。

本文介绍了一种单片机控制的变频器的闭环交流调速系统，叙述了系统的硬件和软件设计方案，由80C196KB对变频调速系统进行控制，变频调速系统主要通过变频器来实现，采用PWM脉宽调制控制方式，控制系统主要控制变频器逆变电路晶闸管的导通角，实现调速。

速度传感器和80C196KB控制系统形成闭环调速系统。

80C196KB通过速度传感器检测电动机转速的变化量，控制变频器的闭环调速系统，使电动机稳定运行，闭环控制方式能克服开环控制方式抗扰性能差的弱点。

软件部分设计了系统的主程序、定时中断程序及键盘显示程序，并探讨了PID的控制算法及实现过程。

该系统具有较高的响应速度和良好的控制效果。

由于应用了单片机，使系统具有结构简单、操作方便和运行可靠的特点。

关键词：

80C196KB单片机；变频器；闭环调速系统；PID控制算法

Abstract

Alongwiththeelectricpowerelectronictechnologyandthemicrocomputercontroltechnologydevelopment,thefrequencyconversiontimingsystemwhichiscomposedbytheinvertercanwidelyapply.Butinsomespecifichighplaces,regardingastheopen-loopspeedadjustingsystemwhichiscomposedbytheinverterisalwaysverydifficultywiththeprojectrequestion,single-chipmicrocomputerispopularwiththefunctionentireandthepricelow.Therefore,itwillbeveryimportant,theclosed-loopspeedadjustingsystemthatinverteriscontrolledbysinglechipmicrocomputer.

Thepaperdescribesaclosed-loopspeedadjustingsystemofinvertercontrolledbysingle-chipmicrocomputerandintroducesthesystemhardwareconstitutionandsoftwaredesignproject,thefrequencyconversiontimingsystemiscontrolledby80C196KB,speedadjustingsystemmainlyrealizesthroughtheinverter,withthemodeofthePWMpulsewidthmodulation,thecontrolsystemprimarilycontrolstheelectriccircuitthyristorbreakoverangleoftheinverter,therealizationofthespeedadjusting.Thevelocitygeneratorandthecontrolsystemofthe80C196KBformtheclosed-loopspeedadjustingsystem.80C196KBcontrolstheinverteroftheclosed-loopspeedadjustingsystemthroughthevelocitygeneratorexaminationelectricmotorrotational.Whichenablestheelectricmotorstablemovement,theclosed-loopsystemisbetterwiththeopened-loopininterferencerejectionenergy.Thesoftwareparthasdesignedthesystemmasterroutineandthefixedtimeinterruptroutineandthekeyboarddemonstrated,andhasdiscussedthePIDcontrolalgorithmandtherealizationprocess.

Thesystemgetshighresponsespeedandgoodcontroleffect.Withsinglechipmicrocomputer,thesystemhasthefeaturesofsimplestructure,convenientformanipulationandrunningreliability.

Keywords:

80C196KBsingle-chipmicrocomputer;inverter;aclosed-loopspeedadjustingsystem;PIDcontrolalgorithm

第1章绪论

单片机的产生和发展

为适应社会发展的需要，微型计算机不断的更新换代，新产品层出不穷。

在微型计算机的大家族中，近年来单片微型计算机异军突起，发展极为迅速。

单片微型计算机简称单片机。

它是在一块芯片上集成中央处理器、随机存取存储器、只读存储器、定时/计数器I/O接口电路等部件，构成一个完整的微型计算机。

它的特点是：

高性能，高速度，体积小，价格低廉，稳定可靠，应用广泛。

单片机的发展历史并不长，它的产生和发展及计算机的产生和发展大体上同

步，也经历了四个阶段。

第一阶段（1970年—1974年）：

为4位单片机阶段。

这种单片机的特点是：

价格便宜，控制功能强，片内含有多种I/O接口，有的根据不同用途还配有许多专用接口，有些甚至还包括A/D转换、D/A转换、声音合成等电路。

丰富的I/O功能大大增加了4位单片机的控制能力，从而使外部设备接口电路极为简单。

4位单片机主要应用于录音机、摄像机、电视机、电冰箱、洗衣机、录像机和电子玩具等产品中。

第二阶段（1974年—1978年）：

为低中档8位单片机阶段。

它是8位单片机的早期产品，以Intel公司的MSC-48系列单片机为代表，这个系列的单片机在片内集成8位CPU、并行I/O口、8位定时/计数器、RAM和ROM等，无串行接口，中断处理较简单，片内RAM和ROM容量小，且寻址范围不大于4KB。

第三阶段（1978年—1983年）：

为高档8位单片机阶段。

这类单片机是在低、中档基础上发展起来的，其性能有明显提高。

以Intel公司的MSC-51系列单片机为代表，在片内增加了串行接口，有多极中断处理系统，16位定时/计数器，片内RAM和ROM容量增大，寻址范围可达64KB，有的片内带有A/D转换接口。

这类单片机功能强，应用领域广，是目前各类单片机中应用最多的一种。

第四阶段（1983年—现在）：

为8位单片机巩固发展阶段及16位单片机、32位单片机推出阶段。

此阶段主要特征是：

一方面不断完善高档8位单片机，改善其结构，以满足不同用户的需要；另一方面发展16位单片机、32位单片机及专用型单片机。

16位单片机初了CPU为16位外，片内RAM为232B，ROM为8KB，片内带有高速输入输出部件，多通道10位A/D转换部件，中断处理为8级其实时处理能力更强。

近年来，各个计算机生产厂家已进入更高性能的32位单片机研制、生产阶段，32位单片机除了具有更高的集成度外，主振频率已达20MHZ，这使32位单片机的数据处理速度比16位单片机快很多，性能比8位、16位单片机更加优越。

需要提到的是，单片机的发展阶段虽然经历了4位、8位、16位各阶段，但4位、8位、16位单片机仍各有其应用领域，如4位单片机在一些简单家用电器、高档玩具中仍有应用，8位单片机在中、小规模应用场合仍占主流地位，16位单片机在比较复杂的控制系统中才有应用，32位单片机因控制领域对它的需求并不十分迫切，所以32位单片机在我国的应用并不多。

正是由于单片机具有上述显著的特点，使单片机的应用范围日益扩大。

单片机的应用，打破了人们的传统设计思想，原来很多用模拟电路、脉冲数字电路和逻辑部件来实现的功能，现在均可以使用单片机，通过软件来完成。

使用单片机具有体积小、可靠性高、性能价格比高和容易产品化的优点。

80C196KB的用途

80C196KB是一种可以独立使用的高性能单片微机、它的高速数学处理能力和高速I/O脚，使它成为复杂的电机和轴控系统的理想控制器件。

由于它兼有模拟I/O和数字I/O通道，所以又是数据采集和闭环模拟控制的优选器件，从高档消费到尖端航天技术，它的应用范围十分广泛。

80C196KB的优点

80C196KB是一种片内不带ROM的16位单片机，它特适用于各类自动控制系统，如工业过程控制系统、侍服系统、变频调速电机控制系统等。

还适用一般的信号处理和高级智能仪器，以及高性能的计算机外部设备控制器和办公自动化设备控制器等。

这些系统均要求实时控制、实时处理。

80C196KB单片机和MSC-51系列单片机相比，至少在以下方面提高了系统的实时性。

1）CPU算术逻辑单元不再采用常规的累加器结构，而改用寄存器到寄存器结构，CPU的操作直接面向256字节的寄存器，消除了一般CPU结构中存在的累加器的“瓶颈”效应，提高了其操作速度和数据吞吐能力.

2）256字节寄存器中，24字节是专用寄存器，其余232字节均为通用寄存器。

其通用寄存器的数量远比一般CPU的寄存器数量多，这样就有可能为中断服务程序中的局部变量指定专门的寄存器，免除了中断服务过程中保护寄存器现场和恢复寄存器现场所支付的软件开销，并大大方便了程序设计。

3）有一套效率更高、执行速度更快的指令系统。

可以对带符号数和不带符号数进行操作。

16乘16位指令的执行时间为1.4～6.25us，32位除16位指令的执行时间为2.4～6.25us，还有符号扩展、数据规格化等指令。

　　除了上述几点外，80C196KB单片机还集成了更为丰富的外设装置，可用于提高系统抗干扰能力的监视定时器（WATCHDOG），可用于记载引脚上输入事件（信号电平的跳变）发生时刻的高速输入/输出器（HIS.0），可用于直接驱动电机类的执行元件，或滤波后获得直流输出的脉宽调制输出（PWM）等。

　　另外，80C196KB单片机外部总线宽度可以在运行中动态地改变，配置成标准的16位分时切换的地址/数据总线，或配置成8098型的16位地址/8位数据总线。

这样就给曾经使用过8098的用户带来很大的方便，用户只需将系统总线配置成16位地址/8位数据总线形式即可及原有的8098系统兼容，无须改变其外围电路。

本文的主要内容

本课题研究的是单片机控制变频器的闭环调速系统，采用Intel公司生产的80C196KB单片机对变频器进行控制，因为80C196KB内部无ROM，所以还要进行程序存储器扩展。

为了实现对变频器VRC端电压的控制，需要进行D／A转换。

DAC0832是8位分辨率的D/A转换集成芯片，DAC0832含有8位数据输入寄存器，可锁存CPU输出的二进制数字量。

寄存器选择信号

及数据传送信号

都及地址选择线相连，两级寄存器的写信号都由80C196KB的

端控制。

当地址线选择好DAC0832后，只要输出

控制信号，DAC0832就能一步完成数字量的输入锁存和D/A转换输出。

DAC0832为电流输出型D/A转换器，要获得模拟电压输出时，需要外加转换电路，其输出端及变频器的输入端相连。

通过控制变频器逆变电路晶闸管的导通角来实现调速，闭环部分采用双闭环控制，一个是速度反馈环节，由于测速发电机输出电压波动较大，若机械安装偏心，输出电压会出现低频交流分量。

因此在有源滤波前还须加上RC滤波电路，以保证反馈电压的平稳。

另一个是电流反馈环节，用来检测电动机起动和运行过程中是否过载。

第2章系统设计方案

控制系统的概述

自动控制技术在工业生产中已获得了广泛的应用。

工业生产中的自动控制系统随控制对象、控制规律和所采用的控制器结构不同而有很大的差别。

一般的自动控制系统中，为了获取控制信号，要将被控制量y及给定值w相比较，以构成误差信号e＝w-y。

直接利用误差e进行控制，使系统趋向减小误差，以至使误差为零，从而达到使被控制量y趋于给定位w的控制目的。

这种控制，由于被控制量是控制系统的输出，被控制量的变动着的值又反馈到控制系统的输入端，及作为系统输入量的给定值相减，所以称为闭环负反馈系统，如图2.1所示。

图2.1闭环控制系统框图

从图2.1可知，该系统通过测量元件对被控对象的被控参数进行测量，由变换发送单元将被测参数变换成一定形式的电信号，反馈给控制器，控制器将反馈回来的信号及给定信号进行比较，如有误差，控制器就产生控制信号驱动执行机构工作，使被控参数的值及给定值保持一致。

这种负反馈控制，是自动控制的基本形式。

图2.2是开环控制系统。

它及闭环控制系统不同的是不需要被控对象的反馈

图2.2开环控制系统框图

信号，它的控制器直接根据给定信号去控制被控对象工作。

这种系统不能自动消除被控参数偏离给定值带来的误差。

控制系统中产生的误差全部反映在被控参数上。

它及闭环控制系统相比，控制性能要差。

由图2.1可以看出，自动控制系统的基本功能是信号的传递、加工和比较。

这些功能是由检测变送装置、控制器和执行装置来完成的。

控制器是控制系统中最重要的部分，它从质和量的方面决定了控制系统的性能和应用范围。

如果把图2.1中的控制器用单片机来代替，这样就可以构成单片机控制系统，其基本框图见图2.3。

图2.3单片机控制系统基本框图

控制系统中引进单片机，就可以充分运用单片机强大的计算、逻辑判断和记忆等信息加工能力。

只要运用单片机的各种指令，就能编出符合某种控制规律的程序。

单片机执行这样的程序就能实现对被控参数的控制。

而在一般的控制系统中，系统的控制规律是由硬件电路产生的，改变控制规律就要改变硬件电路。

而在单片机控制系统中，控制规律的改变只要改变程序就可以了。

在单片机控制系统中，计算机的输入和输出信号都是数字信号，因此在这样的控制系统中，需要有将模拟信号转换为数字信号的A/D转换器以及将数字控制信号转换为模拟控制信号的D/A转换器。

单片机控制系统从本质上来看，它的控制过程可以归结为以下三个步骤：

1）实时数据采集对被控参数的瞬时值进行检测，并输入。

2）实时决策对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定进一步的控制过程。

3）实时控制根据决策，适时地对控制机构发出控制信号。

工业生产过程是连续进行的，应用于工业控制的系统必定是一个实时控制系统，它应该包括硬件和软件两部分。

单片机控制系统的硬件一般包括：

CPU，内存储器（ROM、RAM），以模／数转换和数／模转换为核心的模拟量输入／输出通道，开关量输入／输出通道，I/O及人机联系设备，运行操作台等几部分。

它们通过单片机系统总线（地址总线、数据总线和控制总线），构成一个完整的系统。

单片机控制变频器的设计思想

单片机已经在交流调速系统中得到了广泛地应用。

由Intel公司1983年开发生产的MCS-96系列是目前性能较高的单片机系列之一，适用于高速、高精度的工业控制。

变频器是从上世纪中叶发展起来的一种交流调速设备。

它是为了解决传统的交流电机调速困难、且效率和可靠性均不尽人意的缺点而出现的，能使交流电机的调速范围和调速性能大为提升，80C196KB是MCS-96系列产品中的CHMOS工艺的器件，其片内集成了A/D转换模块，包括一个8通道的模拟多路开关，一个采样和保持电路以及一个10位的逐次逼近A/D转换器。

充分利用80C196KB的片上A/D转换资源即可以简化硬件，降低成本，又简单容易实现。

国内供货也相对容易，即便是以往只可能是直流电机出现的伺服控制领域。

随着电力半导体长足发展，变频器也随之不断进步，如今变频器已深入我们的日常生活，随处可见其为我们服务的身影。

单片机已经无处不在，及我们生活更加相关并渗透入生活的方方面面。

单片机的特点是体积小，其内部的结构是普通的计算机系统的简化。

在增加一些外围电路之后，就能成为一个完整的系统。

单片机控制变频器的闭环调速系统更能更好的表现出单片机应用系统的广泛性、实用性、先进性。

可以简化整体的设计方案。

由于2.1节已经论述了控制系统的设计，16位单片机80C196KB控制系统设计方面已经有了基本的理解。

因为80C196KB本身不带ROM，所以要扩展外部ROM作为程序存储器。

80C196KB单片机控制系统由CPU80C196KB、程序存储器、数模转换器0832组成。

变频器由整流器、滤波器、逆变器几部分组成。

速度传感器检测出来的速度变化量转换成数字量信号，反馈到由80C196KB构成的控制系统，反馈信号经80C196KB控制系统对变频器进行控制，形成一个闭环调速系统。

80C196KB型单片机使用非常方便，功能强大，有较为丰富的输入输出口，如具有4个模拟量输入通道ACH0、ACH1、ACH2、ACH3；有4路高速输出口，可用来编程输出PWM信号，作为模拟量输出使用。

DAC0832由8位输入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A转换电路组成。

应用系统中通常使用的是电压信号，而DAC0832输入的是电流信号。

这就需要由运算放大器组成的电路实现转换。

由80C196KB系统对变频调速系统进行控制，变频调速系统主要通过变频器来实现。

采取PWM脉宽调制控制方式，控制系统主要控制变频器逆变电路晶闸管的导通角，实现调速。

速度传感器和80C196KB控制系统形成闭环调速系统。

80C196KB通过速度传感器检测电动机转速的变化量控制变频器的闭环调速系统，使电动机稳定运行。

软件程序编制原理通过检测出来的交流电过零点和工频同步发出的触发信号对变频器电路里晶闸管的导通角进行控制。

系统原理框图见图2.4。

图2.4系统原理框图

第3章系统硬件

80C196KB单片机的介绍

80C196KB单片机引脚功能

80C196KB单片机的引脚图（68脚PLCC封装）如图3.1。

图3.180C196KB引脚图

引脚功能介绍：

1）电源引脚

80C196KB共有六条及电源有关的片脚。

它们是VCC、VSS、VPD、VREF、ANGND和VBB。

VCC及VSS分别接5V电源的正极和地。

VPD是RAM的备用电源电压。

VREF和ANGND向A/D变换器提供参考电压。

一般也是5V。

为保证A/D变换的精度和减少干扰，它们应及芯片的供电电源分开。

ANGND同时也是模拟量输入电压的地端，它应及VSS等电位。

VBB是A/D变换器衬底所需的电压，由片内反向偏置发生器从VCC产生。

VBB应及ANGND经0.01uF电容相联，当A/D变换器未用时，不要接上述电容，而要将这条脚浮空。

68脚封装的80C196KB有两条VSS脚，它们在内部是联通的。

2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1振荡器中反相器的转人，也是内部时钟发生器的输入，常接外部晶体。

XTAL2振荡器中反相器的输出，接外部晶体。

3）复位端

复位输人端。

复位时至少保持4个状态周期的低电平，此后由低变高，使CLKOUT重新同步，且形成一个10个状态周期的序列。

在此期间，PSW被清除，2018H单元的内容装载到芯片配置寄存器CCR，并跳转到2080H单元。

正常运行时，此脚应输人高电平，

引脚具有内部上拉电阻。

4）其他常用引脚

存储器选择输入端。

=1，当访问存储器2000H～3FFFH单元时，访问的是片内ROM／EPROM；

=0，则访问的是片外存储器。

在EPROM编程时，

=+12.5V使编程开始，

具有内部下拉电阻。

故除非从外部将其拉高，否则将处于低电平状态，

的输人状态在复位期间被锁入内部。

ALE／

地址锁存允许（ALE）或地址有效输出（

），由CCR选择，两者都提供了一个锁存信号，以便把地址从地址／数据总线中分离出来。

当选定

功能时，在总线周期结束时，此引脚变高。

可作为外部存储器的片选信号，只有在外部存储器访问期间才会激活ALE／

。

对外部存储器的读信号（输出）。

READYREADY信号及CLKOUT脚的输出信号同步。

HSI高速输入信号端，共有4个输入引脚，记为HSI.0～HSI.3，其中2个（HIS.2和HIS.3）及HSO合用，在EPROM型号中的编程方式下，也用到这些引脚。

HS0高速输出器的输出，共6个引脚，记为HSO.0～HSO.5。

EXTINT／P2.2外部中断申请端，是P2.2的替换功能。

PWM／P2.5脉宽调制输出端，是P2.5的替换功船。

P0口8位高阻输入端口，这些引脚可作数字输入，也可作A/D转换器的模拟输入。

P1口8位准双向I/O口。

P2口8位多功能口，它们除了可用作标准I/O口外，还可用作其它特殊功能。

P3和P4口8位双向I/O口，漏极开路输出。

这些引脚和多路切换的地址／数据总线共用，具有内部强上拉电阻。

时钟

计算机内部的一切活动严格地按照时钟的节拍进行，XTAL1和XTAL2两脚供用户接入6～12MHz的晶体，它及片内反相器构成振荡器。

振荡频率经2分频后，取得A、B、C三相内部时钟信号。

其中A相时钟还经CLKOUT脚输出，提供给用户使用。

图3.2是振荡器的接线图。

图3.2片内振荡器电路

并行I/O口

1）P0口

P0口专做输入口使用，通过控制可以输入数字量或模拟量。

作为数字量输入时，通过P0口的输入缓冲器直接上D总线，作为模拟量输入时则通过A/D命令寄存器有选择地将P0口的任一条接向A/D变换器。

P0口是高阻抗数字量输入口，仅有几个微安的漏电流，其成分主要是流经大约10pF输入电容的容性电流。

用做模拟量输入时，因A/D变换器在变换期间还要向比较器提供电流，所以输入特性在转换期间是变化的。

⑴模拟输入口

在A/D变换器和多路开关之间增加了采样电容C3，约2pF，见图3.3。

图中R1为多路开关的导通电阻，约为5kΩ，IL为片脚漏电流，最大为3uA。

当A/D变换器接到起动变换命令后有一个时态的采样延时，在这一时态时间内逐次逼近寄存器清零，多路开关切换到指令通道上。

随后，采样电容及输入信号接通的4个时态时间，之后采样窗口关闭，在整个A/D变换过程中存储在采样电容上的电荷不再改变，比较器在自动校零后开始变换，上述采样延时和采样窗口时间的不确定性大约都是±50us，及时钟频率无关，完成10位A/D变换的总态数为

图3.3A/D采样电路

88。

12MHZ晶体时为22us。

80C196KB受IOC2.4的控制，该位置1时为快变模式，置0时为慢变模式。

快变