一种实用数字变频控制器的设计

　　0 引言
　　本文介绍一种基于C2051 的全数字变频控制器，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，达到自适应对电机调速的目的。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，电路简单，特别适合于低压带负荷启动困难的边远地区用户。
　　1 变频控制器系统结构原理
　　下面，以1.5 kW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IPM模块PM20CTM060，本身具有控制电源欠压锁定、过热保护、过流保护、短路保护，一旦保护动作，送出一个故障信号(F0)。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，内含2KB Flash

　　用户存储器，编程较为方便。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，控制寻址计数器IC4 输入脉冲的频率fc，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耀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 耀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，故只须光耦隔离，就可以用数字电路进行驱动。
　　2 控制器电路设计
　　如图3所示，其中SPWM波形存于27512中。图中211个8 位字节存储一个具有固定调制度的SP原WM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耀仔中的数值。3、4、5 三位存放仔耀2仔中的数值。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耀仔波形。当211
　　位计满后，半个周期输出完毕，再计数时，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4 096个脉冲组成。
　　变频的原理是改变IC14的分频基数fb。就可改变计数脉冲频率，从而改变读完4 096 个脉冲的时间，达到了变频的目的，其关系是

　　显然，变频器的输出频率越高的值越大，而分频系数越小。例如，当需要输出fo=50 Hz交流电时，则先求得

　　为了提高系统的分辨率，可提高系统的振荡频率，一般可使fo的频率分辨率达到0.5 Hz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耀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4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f 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2 kB，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。

　　3 波形存储的几点考虑
　　3.1 载波频率的确定
　　设定输出交流频率为60 Hz，可求得输出周期TO=16.67 ms，则存储器中每单元的分辨率为驻T=16.67/4 096=4.096 滋s，也就是说，每个存储单元所代表的脉宽为4 滋s。
　　设定载波频率fPWM=20 kHz，TPWM=1/20 000=50 滋s，则当调制度时存储的载波波形如图5所示。图5中TPWM =50 滋s，所占的存储单元数为N=TPWM / 驻T=12，同样可求得Td占一个存储单元，TON占11 个存储单元。

　　3.2 存储波形的形成
　　以fo=50 Hz为例，见图6。由于载波脉冲周期TPWM =50 滋s，而20 ms对应360°，所以每个载波周期对应的角度为琢PWM=360°×50 滋s/20 ms=0.9°。
　　而对于消除3、5、7、9、11 次5 个谐波的波形的P1 耀P5点位置经计算为[3]：18.167毅、26.633毅、36.867毅、52.9毅、56.683毅，显然不是园.9毅的整数倍。因此，量化误
　　差将影响Pi 位置的度，使整个系统对谐波的消除不能达到。试验证明，这种影响可以忽略。

　　3.3 输出交流电源的控制
　　根据U/f =常数，当频率变低时，相应输出电压须下降。因此，在35耀60 Hz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耀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。
　　4 结语
　　该变频控制系统配用三菱IPM模块PM20CHA060构成1.5 kW 微型全数字三相变频控制器，并对油泵电机进行拖载实验，满足应用要求。
　　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，适应性宽，易于批量生产，可用于家庭、工业控制。
　　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)为了进一步提高控制，简化硬件电路，可将C2051改换为富士通公司的MB89130A(48脚)8位单片机[4]。由于该片内部ROM为32 KB，4 通道8位A/D 转换，5 个内部中断和3 个外部中断，从而增加变量空间，可降低成本，提高可靠性。