80C196MC单片机的交流变频调速系统的硬件设计
摘要：
变频调速是交流调速中的发展方向。变频调速也有多种方法，本文对目前研究领域相当活跃的正弦波脉宽调制技术(SPWM)的变频调速作了一定的研究，并进行了实践。异步电动机的调速原理是研究控制算法的基石，因文首先介绍了异步电动机的调速特性，从而展开介绍SPWM变频调速的理论基础.包括变频调速控制思想的由来，控制方法的可行性。变频调速的控制算法也有许多，本文对目前大部分通用变频器所采用的控制算法——恒压频比控制，给出了完整的硬件电路设计和软件程序流程设计。本文采用了Intel80C196MC十六位单片机作为控制电路的CPU，采用该单片机的控制系统是本设计的硬件核心部分。因此本文先简单的介绍此单片机与该设计相关的特性，继而介绍本系统的硬件设计。
关键词：变频器 恒压频比控制 正弦波脉宽调制 80C196MC单片机
第一章 绪 论
1.1 引言
经过大约30多年的发展，交流调速电气传动已经上升为电气调速传动的主流。在电气调速领域内，可以相信在不久的将来交流调速将会完全取代直流调速传动。
现在要求性能较高的中、小容量的交流调速传动，主要使用电子式电力变换器对交流电动机进行变频调速。除变频以外的另一些简单的调速方案，如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等，它们只有在特定场合有一定的应用[1]。
由于电力电子学和微电子技术的发展，使变频调速技术近年来获得了飞速的发展，各种变频调速控制方式、PWM脉宽调制技术以及MCU微处理器和以大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等均在变频调速中获得了成功应用。
SPWM正弦脉宽调制法这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有开关频率固定，控制和调节性能好，能消除谐波使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，设计简单等一系列优点，是一种比较好的波形改善法。它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。SPWM技术成为目前应用最为广泛的逆变用PWM技术。
根据生成SPWM波形的实现方式可以分为模拟控制和数字控制两种形式。传统的模拟控制在逆变器中应用广泛，技术成熟，控制性能优良，但模拟控制也存在一些缺陷：元件众多，设计周期长，调试复杂，不易管理维护等。随着数字信号处理技术的蓬勃发展，数字控制技术已经成功地应用到电力电子与电力传动控制领域中来，逆变器的数字控制逐渐成为研究热点。
1.2 选题背景与意义
在电力拖动领域，解决好电动机的无级调速问题有着十分重要的意义，电机调速性能的提高可以大大提高工农业生产设备的加工精度、工艺水平以及工作效率，从而提高产品的质量和数量;对于风机、水泵负载，如果采用调速的方法改变其流量，节电效率可达20%-60%[4]。
众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电机调速所垄断，这是和实际中交流电机的广泛使用是一对存在的矛盾，许多应用交流电机的设备为了达到调节被控对象的目的，只能采用物理的方法，例如采用风门，阀门控制流量等，这样浪费能源的问题就很突出，费用就大。而且在采用直流调速的方面由于直流电机固有的缺点—换相器和电刷的存在，使得维修工作量大，事故率高，电机的大容量使用受到限制，在易燃易爆的场合无法使用，因此开发交流调速势在必行[4]。
1.3 研究现状
1.3.1 常用的系统方案
目前较为常用的系统结构主要由主回路、驱动电路、光电隔离电路、HEF4752V大规模集成电路、保护电路、单片机控制回路、INTEL8253定时计数器、INTEL8255可编程接口芯片、INTEL8279通用键盘/显示器、I/O接口芯片、CD4527比例分频器和测速发电机等组成。
单片机控制回路主要用来采样给定、反馈信号，进行PI运算，监视系统工作状态，将运算所得电压、频率指令信号变换成计数时间常数。
INTEL8253定时/计数器用来将频率、电压指令信号变换成HEF4752V频率时钟信号FCT和电压时钟信号VCT。
CD4527比例分频器用来进行小数分频，提高系统的控制精度。
INTEL8255用作CPU与CD4527之间的接口芯片。
可知，这种方案用到的元器件比较多，系统结构比较复杂。
1.3.2 变频调速的发展方向
变频器 ( 主要指通用变频器)从80年代到现在己经开始商品化，应用的领域也在不断的扩大，主要有以下几个方面:
( 1 ) 变频器容量不断扩大。变频器的容量主要和它的开关器件的容量有直接影响，70年代中期，功率晶体管开始开发，到80年代采用功率晶体管的SPWM变频器的投产，随着元件容量的提高，变频器的容量不断提高，目前变频器的容量已经达到600KVA,400KVA以下的己经系列化。
( 2 ) 变频器结构的小型化。变频器主电路中功率电路的模块化、控制电路采用大规模集成电路(LSI)和全数字化技术等一系列措施促进了变频电源的小型化。
( 3 ) 变频器的多功能化和高性能化。电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化的方向发展，特别是微处理器的应用，以其精练的硬件结构和丰富的软件功能，为变频器的多功能化和高性能化提供了可靠的保证。日益丰富的软件功能使通用变频器的适应性不断加强
1.4 本文的结构
本文对交流变频调速系统的硬件技术进行了设计。全文共分为六章，各章的主要内容如下：
第一章扼要地介绍了交流变频调速系统的概念、特点与相关研究背景；
第二章确定了系统设计方案，同时给出了恒压频比的控制方案；
第三章对系统的硬件设计进行了研究；
第四章主要芯片介绍；
第五章原理图及PCB图设计
第六章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 选题背景与意义 1
1.3研究现状 2
1.3.1常用的系统方案 2
1.3.2变频调速的发展方向 2
1.4 本文的结构 3
第二章 系统方案设计 4
2.1交流变频调速的基本原理 4
2.2 变频调速及控制方式的选择 4
2.2.1 变频调速方式的选择 4
2.2.2控制方式的选择 7
2.3 系统设计方案的确定 9
2.4系统原理框图 9
第三章 系统硬件设计 11
3.1系统主回路的设计 11
3.1.1 主回路的结构 11
3.1.2 参数计算和元件选择 12
3.2 单片机主控电路的设计 14
3.2.1 PWM控制信号的产生 14
3.2.2 程序存储器扩展 15
3.2.3时钟电路 16
3.2.4 复位电路 17
3.3键盘显示电路的设计 18
3.4 光电隔离及驱动电路的设计 19
第四章 主要芯片介绍 21
4.1 Intel 80C196MC 21
4.2 EPROM 2764 23
4.3 CH451 24
4.4 PM15CZF120 25
4.5 HCPL4540 27
4.6 JS158 29
4.7 ZYS-1A 永磁直流测速发电机 31
第五章 原理图及PCB图的设计 33
5.1 Protel99SE使用与SCH编辑器介绍 33
5.1.1 新建设计数据库文件 33
5.1.2 原理图连线设计 34
5.1.3 产生元件类和网络类 34
5.2 PCB图的设计 35
5.2.1 PCB 电路板设计的流程 35
5.2.2 元器件布局与布线原则 36
第六章 结论 38
6.1 论文总结 38
6.2 设计感想 38
致谢 40
参考文献 41
附录A：硬件设计原理图 42
附录B：系统PCB图 44
参 考 文 献
[1] 王兆安.电力电子技术.北京：机械工业出版社. 2000
[2] 郭永贞.数字电子技术.南京：东南大学出版社，2002
[3] 康华光.模拟电子技术.北京：高等教育出版社，1998
[4] 顾绳谷.电机及拖动基础[M]. 三相异步电动机的调速12.1-12.3.北京：机械工业出版社，1992
[5] 周明德.微机原理与接口技术[M].北京：人民邮电出版社，2002
[6] 李永东.交流电机数字控制系统[M].交流电机数字控制系统硬件基础2.4-3.6.北京：机械工业出版社，2001
[7] 程军.Intel 80C196单片机应用实践与C语言开发[M].8XC196Kx基本结构及硬件外设1.2北京：北京航空航天大学出版社，2000
[8] 张海兵，李敏.Protel电路设计实例与分析.北京：人民邮电出版社. 2003. 5-9
[9] 陈伯时.交流调速系统[M].北京： 机械工业出版社，2001
[10] 李华德.交流调速控制系统[M]. 异步电机变频调速系统2.1-2.6.北京：电子工业出版社，2003
[11] Intel.8X196MC INDUSTRIAL MOTOR CONTROL[P]. Intel,1994
[12] 赵葵银.基于Intel 80C196MC的交流调速控制系统[P].湖南：湖南工程学院，2001
[13] 王福瑞.单片微机测控系统设计大全[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998
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