變頻控制系統(tǒng)單片機外圍電路設(shè)計探討

概述：單片機加上適當?shù)耐鈬骷蛻?yīng)用程序，構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)成為最小系統(tǒng)。文章對變頻控制系統(tǒng)單片機外圍電路的設(shè)計進行了探討。

　　本次設(shè)計采用選擇PHILIPS半導(dǎo)體公司帶手動復(fù)位功能的產(chǎn)品MAX708。MAX708還可以監(jiān)視第二個電源信號，為處理器提供電壓跌落的預(yù)警功能，利用此功能，系統(tǒng)可在電源跌落時到復(fù)位前執(zhí)行某些安全操作，保存參數(shù)，發(fā)送警報信號或切換后備電池等。

　　另外，系統(tǒng)還擴展了可編程外圍芯片PSD303。由于系統(tǒng)的 I/O口數(shù)量與實際所需數(shù)量還有很大的差距，故系統(tǒng)又擴展了兩片8255A，一片用于接鍵盤和顯示電路，一片用于接觸發(fā)信號、緊急停車信號等。

　　一、鍵盤與顯示電路

　　在本次設(shè)計中，設(shè)置了一個9按鍵的操作電路，以代替實際現(xiàn)場的操作按鈕。6位的LED顯示電路用于顯示轉(zhuǎn)速、電流、以及調(diào)試時的相關(guān)項的顯示。

　　另外，為了便于現(xiàn)場工作之便，設(shè)置了5×4的矩陣式鍵盤，用于當系統(tǒng)軟件等出現(xiàn)錯誤，而又不便直接對程序進行修改時的調(diào)試之用。

　　二、變頻系統(tǒng)設(shè)計

　　現(xiàn)代變頻技術(shù)中主要有兩種變頻技術(shù)：交-直-交變頻技術(shù)和交-交變頻技術(shù)。交-直-交變頻技術(shù)為交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)提供變頻電源。交-直-交變頻的組成電路有整流電路和逆變電路兩部分，整流電路將工頻交流電整流成直流電，逆變電路再將直流電逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電。根據(jù)變頻電源的性質(zhì)可分為電壓型和電流型變頻。

　　本次設(shè)計用交-交變頻電路是不通過中間直流環(huán)節(jié)，而把電網(wǎng)固定頻率的交流電直接變換成不同頻率的交流電的變頻電路。這種變頻電路廣泛應(yīng)用于大功率交流電動機調(diào)速傳動系統(tǒng)，實際使用的主要是三相輸出交-交變頻電路。這種電路的特點：（1）因為是直接變換，沒有中間環(huán)節(jié)，所以比一般的變頻器效率要高；（2）有與其交流輸出電壓是直接由交流輸入電壓波的某些部分包絡(luò)所構(gòu)成，因而其輸出頻率比輸入交流電源的頻率低，輸出波形也好；（3）因受電網(wǎng)頻率限制，通常輸出電壓的頻率較低，為電網(wǎng)頻率的三分之一左右；（4）功率因數(shù)較低，特別是在低速運行時更低，需要適當補償。

　　三相變頻電路就較單相復(fù)雜，其電路接線方式主要有公共交流母線進線方式和輸出型聯(lián)結(jié)方式。具體說來，其主電路型式有：3脈波零式電路、6脈波分離負載橋式電路、6脈波非分離負載橋式電路、12脈波橋式電路、3脈波帶中點三角形負載電路、3脈波環(huán)形電路。

　　本次設(shè)計選用較為簡單的一種—3脈波零式電路。

　　三、同步電路設(shè)計

　　同步電路的功能是，在對應(yīng)的晶閘管承受正向陽極電壓的初始點（即控制角α的起算點）發(fā)出一個CPU能識別是哪一相同步信號的中斷脈沖Utpi和要求的α角進行延時控制，輸出相應(yīng)的觸發(fā)脈沖。三相同步電壓信號經(jīng)同步變壓器、濾波、穩(wěn)壓、放大和光電隔離后分別接至單片機的P2.5、P2.6和P2.7管腳。另外，由于此處直流電源和觸發(fā)電路中所用的電源不能共用，且光電耦合器輸入輸出端的地端亦不能共用，為了以示區(qū)別，它們的符號均有不同。

　　Ua、Ub、Uc 與可控硅組件的三相交流電壓同相位。Ua、Ub、Uc經(jīng)R3，C3濾波電路波形變換光耦隔離整形電路后輸出三相方波電壓，記為 KA、KB、KC，三相方波分別送給 80C196單片機的P2口的 P2.5、P2.6、P2.7端。CPU根據(jù)KA、KB、KC的值判斷三相交流電源的相位。

　　四、觸發(fā)電路

　　在設(shè)計中，三相電路中每相均有正反兩組晶閘管，每組均采用三相半波式接法，即每組用三個管子，所以一共有18個晶閘管，這樣，觸發(fā)脈沖也應(yīng)有18路。三極管V為輸出級功率放大晶體管；電容C為加速電容，與R構(gòu)成微分電路，可提高脈沖前沿的陡度；為兼顧抗干擾能力和脈沖前沿陡度，一般取C為0.1μF。為保護脈沖變壓器，在脈沖變壓器兩端并聯(lián)電阻R和二極管D的串聯(lián)電路，一般R阻值取為1K。電阻R為假性電阻負載。另外，為了隔離輸入輸出信號，加入了光電耦合器，考慮到應(yīng)有足夠的脈沖強度使晶閘管導(dǎo)通，輸出極電壓設(shè)為15V。在出發(fā)電路中，為了得到足夠的脈沖寬度，而且使脈沖前沿盡量陡，后沿下降快，故采用了脈沖變壓器T～T。另外，為了達到電氣隔離作用，亦加入了光電偶合器。再者，為便于單片機對觸發(fā)電路的控制，在同步變壓器1~18的輸入端，分別引入了緊急封鎖信號（由HSO.0 引入）和 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器信號，而多諧振蕩器的控制信號則由單片機的HSO.1 控制。這樣，當電機輸入緊急停車信號時，單片機通過其 HSO.0 輸出高電平，這樣就使得觸發(fā)電路輸入端口的或非門被封鎖，也即封鎖了變頻裝置的觸發(fā)脈沖，使電機快速停車。

　　五、保護電路設(shè)計

　　為了提高控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，在交流電力系統(tǒng)的設(shè)計和運行中，都必須考慮到有發(fā)生故障和不正常工作情況的可能性。在三相交流電力系統(tǒng)中，最常見和最危險的故障是各種形式的短路，其中包括三相短路、兩相短路、一相接地短路以及電機和變壓器一相繞組上的匝間短路，當然也有其它形式的保護措施。具體保護形式有：電流型保護，電壓型保護等。為簡單起見，這里僅采用電流型保護中的短路保護和過電流保護，并在每個電機的定子輸入端均接入了正反向交流接觸器。另外，為防止意外情況的發(fā)生，引入了緊急停車信號，當按下緊急停車按鍵時單片機通過中間繼電器關(guān)斷接觸器 KM2-KM8。

　　六、反饋環(huán)節(jié)設(shè)計

　　本系統(tǒng)中引入了電流反饋。電流反饋采用三相交流互感器，經(jīng)三相橋式整流電路及濾波電路，最后經(jīng)限流、濾波及限幅電路反饋回單片機的 P0.1口。