變頻控制系統單片機外圍電路設計

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。

　　本次設計採用選擇PHILIPS半導體公司帶手動複位功能的產品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複位前執行某些安全操作，保存參數，發送警報信號或切換後備電池等。

　　另外，系統還擴展了可編程外圍晶元PSD303。由於系統的 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，一片用於接鍵盤和顯示電路，一片用於接觸發信號、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顯示電路用於顯示轉速、電流、以及調試時的相關項的顯示。

　　另外，為了便於現場工作之便，設置了5×4的矩陣式鍵盤，用於當系統軟體等出現錯誤，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。

　　三相變頻電路就較單相複雜，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衝Utpi和要求的α角進行延時控制，輸出相應的觸發脈衝。三相同步電壓信號經同步變壓器、濾波、穩壓、放大和光電隔離後分別接至單片機的P2.5、P2.6和P2.7管腳。另外，由於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，每組均採用三相半波式接法，即每組用三個管子，所以一共有18個晶閘管，這樣，觸發脈衝也應有18路。三極體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，可提高脈衝前沿的陡度；為兼顧抗干擾能力和脈衝前沿陡度，一般取C為0.1μF。為保護脈衝變壓器，在脈衝變壓器兩端並聯電阻R和二極體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衝強度使晶閘管導通，輸出極電壓設為15V。在出發電路中，為了得到足夠的脈衝寬度，而且使脈衝前沿盡量陡，后沿下降快，故採用了脈衝變壓器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，為便於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埠的或非門被封鎖，也即封鎖了變頻裝置的觸發脈衝，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，這裡僅採用電流型保護中的短路保護和過電流保護，並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。電流反饋採用三相交流互感器，經三相橋式整流電路及濾波電路，最後經限流、濾波及限幅電路反饋回單片機的 P0.1口。