變頻控制系統單片機外圍電路設計探討

概述：單片機加上適當的外圍器件和應用程序，構成的應用系統成為最小系統。文章對變頻控制系統單片機外圍電路的設計進行了探討。

　　本次設計采用選擇PHILIPS半導體公司帶手動復位功能的產品MAX708。MAX708還可以監視第二個電源信號，為處理器提供電壓跌落的預警功能，利用此功能，系統可在電源跌落時到復位前執行某些安全操作，保存參數，發送警報信號或切換后備電池等。

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

　　一、鍵盤與顯示電路

　　在本次設計中，設置了一個9按鍵的操作電路，以代替實際現場的操作按鈕。6位的LED顯示電路用于顯示轉速、電流、以及調試時的相關項的顯示。

　　另外，為了便于現場工作之便，設置了5×4的矩陣式鍵盤，用于當系統軟件等出現錯誤，而又不便直接對程序進行修改時的調試之用。

　　二、變頻系統設計

　　現代變頻技術中主要有兩種變頻技術：交-直-交變頻技術和交-交變頻技術。交-直-交變頻技術為交-直-交變頻調速系統提供變頻電源。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為頻率可調的交流電。根據變頻電源的性質可分為電壓型和電流型變頻。

　　本次設計用交-交變頻電路是不通過中間直流環節，而把電網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用于大功率交流電動機調速傳動系統，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，沒有中間環節，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所構成，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）因受電網頻率限制，通常輸出電壓的頻率較低，為電網頻率的三分之一左右；（4）功率因數較低，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結方式。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脈波環形電路。

　　本次設計選用較為簡單的一種—3脈波零式電路。

　　三、同步電路設計

　　同步電路的功能是，在對應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，輸出相應的觸發脈沖。三相同步電壓信號經同步變壓器、濾波、穩壓、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KA、KB、KC的值判斷三相交流電源的相位。

　　四、觸發電路

　　在設計中，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，觸發脈沖也應有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電阻R和二極管D的串聯電路，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，考慮到應有足夠的脈沖強度使晶閘管導通，輸出極電壓設為15V。在出發電路中，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脈沖，使電機快速停車。

　　五、保護電路設計

　　為了提高控制系統的可靠性和安全性，在交流電力系統的設計和運行中，都必須考慮到有發生故障和不正常工作情況的可能性。在三相交流電力系統中，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斷接觸器 KM2-KM8。

　　六、反饋環節設計

　　本系統中引入了電流反饋。電流反饋采用三相交流互感器，經三相橋式整流電路及濾波電路，最后經限流、濾波及限幅電路反饋回單片機的 P0.1口。