畢業(yè)設(shè)計--基于uf控制的跑步機變頻電路的設(shè)計

1、<p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 課題的提出及意義</p><p>　　跑步是目前國際流行并被醫(yī)學界和體育界給予高度評價的有氧健身運動，是保持一個人身心健康最有效，最科學的健身方式，也越來越受到大家喜愛。</p><p>　　戶外長跑曾經(jīng)是大眾最喜聞樂見的運動形式，沿著林蔭道呼吸著早晨清新的空氣，聽著

2、指頭的鳥鳴，既能愉悅身心，又可鍛煉身體。只是隨著都市的大氣變得污濁，生活節(jié)奏變得緊張，戶外長跑變得不那么流行了，而跑步機則成為了時下健身最熱門的健身器械。跑步機不僅可以讓我們免受汽車尾氣之苦，也是我們可以選擇自己方便的時間隨時鍛煉。</p><p>　　電動跑步機，是多年來國際流行的大眾健身器材，通過電機帶動跑帶使人以不同的速度被動的跑步或走動。由于電動跑步機上的電子輔助裝備功能非常多，鍛煉者可體驗不同的跑步環(huán)境

3、，如平地跑，上坡跑，丘陵跑，變速跑等，個人可以根據(jù)自己的鍛煉目的進行鍛煉。跑步機在健身者運動是能顯示出跑步時的速度，時間，心率，熱量，節(jié)拍，距離等指標，使健身者能夠隨時根據(jù)自身的身體狀況調(diào)節(jié)訓(xùn)練強度。</p><p>　　他是目前健身器材中的主流產(chǎn)品，它是通過電機帶動跑步帶使人以不同的速度被動地跑或走，在人體用力方面，比在地面上跑、走省去了一個蹬伸動作，可是人比在地面運動消耗更多能量。但由于其功能比較單一，缺乏娛

4、樂性和交互性，長時間鍛煉會使人感動枯燥乏味。在全社會崇尚健身就是生活質(zhì)量的今天，傳統(tǒng)電動跑步機這種單調(diào)重復(fù)運動已難以滿足人們對健身品質(zhì)的要求，而具有虛擬現(xiàn)實功能的智能跑步機，以計算機虛擬的模擬環(huán)境代替現(xiàn)實世界的真實環(huán)境，給人身臨其境的沉浸感，增加了健身的樂趣，已成為目前的研究熱點。</p><p>　　變頻器作為電動跑步機的主要變速執(zhí)行和控制器件，在跑步機上也得到越來越廣泛的應(yīng)用。跑步機專用變頻器，是研發(fā)人員根據(jù)

5、跑步機的實際需要，為跑步機量身定制的一款新型變頻器。</p><p>　　1.2 變頻器研究現(xiàn)狀</p><p>　　自從逆變器二十世紀六十年代問世，從主電路結(jié)構(gòu)區(qū)分，可分為兩類：交交變頻的AC-DC-AC變頻器。在主電路，直流中間環(huán)節(jié)的AC-DC-AC轉(zhuǎn)換器AC-AC變頻器。如果逆變器主電路的工作模式，變頻器可分為兩種電壓和電流。交交變頻一般用于低頻率，大容量的電機驅(qū)動，可以實現(xiàn)的AC

6、-DC-AC變頻器能量回饋電網(wǎng)和四象限操作，主要用于中小容量電機驅(qū)動。</p><p>　　在20世紀80年代以后，供給電子技術(shù)迅速發(fā)展動力，與可控硅整流器和門非?？赡荜P(guān)閉可控硅整流器，等等和姐這兒來的絕緣柵的雙極類型晶體管，對高壓絕緣材料門雙極性可控硅整流器的抵抗的出現(xiàn)并且做容量變頻器是越來越大和越來越小容量。近年來和一個新的聯(lián)合功率設(shè)備模塊，它的誕生將IGBT激勵電路芯片和它的周圍，保護電路隊在模塊集成的整體

7、的甚而隔離裝置。開關(guān)的力量模塊加速，小的激勵電流，能告訴偵察有流程的短路。有自衛(wèi)的強的能力。簡而言之，強有力IPM的模塊，易使用，進一步簡化了變頻器的硬件結(jié)構(gòu)，改變變頻器綜合化的表現(xiàn)。</p><p>　　將告訴從控制模式，從一開始變頻器的開環(huán)恒壓頻比控制方法，開發(fā)目前三個主要控制方式：U/F控制模式、矢量控制方式和直接轉(zhuǎn)矩控制模式下，除了和模糊控制、自適應(yīng)控制、新類型的控制模式。三個主要的應(yīng)用程序控制模式各有優(yōu)

8、勢，在選擇控制模式，需要根據(jù)不同的控制對象，具體的環(huán)境中工作，和需求來選擇，從而達到最優(yōu)的控制性能，同時盡可能使成本最低的電路。</p><p>　　變頻器特定凸顯了六個發(fā)展特點：1.主要電路電源開關(guān)關(guān)閉組件、模塊、集成、情報和開關(guān)頻率的不斷提高。為了進一步減少開關(guān)損耗。2.主要電路變頻器的拓補結(jié)構(gòu)：變頻器實現(xiàn)可再生能源電網(wǎng)的反饋和節(jié)約能源，網(wǎng)側(cè)變換器應(yīng)該是可逆的轉(zhuǎn)換器，同時，電力可以雙向流在雙PWM整流器，對網(wǎng)

9、側(cè)變換器適當控制能使輸入電流接近減少污染的正弦波電網(wǎng)。3.脈沖寬度調(diào)制變量壓力傳感器控制方法可以使用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制，消除指定數(shù)量的諧波電流跟蹤控制PWM控制和電壓空間矢量控制（磁鏈跟蹤控制）。4.交流電動機頻率調(diào)整控制方法主要體現(xiàn)為進步【1】。</p><p>　　在當前市場上許多變頻器，從市場需要和變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢看，變頻器一般發(fā)展趨勢為：大容量和小型化。有生產(chǎn)力的力量的更加進一步的發(fā)展，往不

10、可避免的方向的大容量的變頻器。同時，變頻器的大規(guī)模集成系統(tǒng)設(shè)計，改進冷卻的技術(shù)的改善是小型化變頻器的重要因素。力量和控制組分高級綜合化，聰明的力量模塊，高性能控制芯片作未來交換器對小型化方向。高性能專業(yè)。由于傳病媒介控制和扭矩控制，可靠性變頻器，控制精度的介紹得到偉大改善，并且高扭矩，高性能，低泛音等等也是追求的變頻器表現(xiàn)對一個。變頻器加強通信作用的，能提供各種各樣適合通信接口，支持各種各樣另外通信協(xié)議，能由計算機操作頻率交換器箱子控制

11、。為了改善喜劇變頻器到獨特的物產(chǎn)和更好遇見的特別需求，變換器的發(fā)展越來越引起人們的注意。現(xiàn)代控制方式參考能適應(yīng)的技術(shù)，最優(yōu)控制技術(shù)，模糊控制等等的理論的融合意在表現(xiàn)的通信在很大的增加的速度。使他們的變頻器，可靠性，更加簡單用途的上升、綠化。近年來，人們越來越注意環(huán)境保護，用途電磁式污染生產(chǎn)的變頻器，噪聲問題例如人認真逐漸采取得更大。與控制方式的發(fā)展一起，載波頻率的改善，供給電子技術(shù)開發(fā)動力，這些問題在不久的將來逐步將解決</p&g

12、t;<p>　　總之，未來變頻器的產(chǎn)品將朝著高性能，多功能，數(shù)字化，高可靠，易使用，綠色化和智能化的方向發(fā)展。</p><p><b>　　1.3 研究內(nèi)容</b></p><p>　　在學習單片機和交流電機原理的基礎(chǔ)上，能夠達到運用的程度，設(shè)計一個跑步機變頻電路，控制對象為750W，220VAC的小功率交流電機，要求實現(xiàn)電機的平滑調(diào)速，有良好的人機接

13、口，操作簡單，使用方便，具有安全開關(guān)、速度/頻率表等功能。本課題的主要設(shè)計內(nèi)容包括：</p><p>　　1.系統(tǒng)主電路設(shè)計，主要是強電部分，交-直-交變換部分的設(shè)計。</p><p>　　2.控制電路的設(shè)計，控制電路時系統(tǒng)的弱電部分，主要產(chǎn)生各種控制信號，驅(qū)動信號以及保護信號。</p><p>　　3.軟件的設(shè)計，在控制電路的基礎(chǔ)上，利用單片機實現(xiàn)各種控制功能。

14、</p><p>　　2 系統(tǒng)方案設(shè)計及工作原理</p><p>　　因為直流電擊器有各種問題在應(yīng)用程序，例如維護困難、生命短暫，使用困難的極端條件較低，隨著電力技術(shù)的發(fā)展，交流電機調(diào)速的應(yīng)用越來越廣泛。實現(xiàn)了對變頻器的交流電機器的調(diào)速控制，它通過控制電力半導(dǎo)體器件的打火方式電壓、頻率某些交流電轉(zhuǎn)換為電壓，頻率可調(diào)的交流電。</p><p>　　2.1 變頻器的

15、基本調(diào)速原理</p><p>　　異步電動機定子磁場的轉(zhuǎn)速即為異步電動機的同步轉(zhuǎn)速。而異步電動機的轉(zhuǎn)速總是小于其同步轉(zhuǎn)速。異步電動機的同步轉(zhuǎn)速大小是由其磁極個數(shù)以及電源的頻率來決定的。如果用ns表示電機的同步轉(zhuǎn)速(r/min)，則有:</p><p><b>　　ns=120f/P</b></p><p>　　其中，p為磁極個數(shù)，f為電源頻率(

16、Hz)。</p><p>　　而異步電機的轉(zhuǎn)差率定義為:</p><p>　　s=(ns-n)/ns</p><p>　　其中n為電動機的轉(zhuǎn)速(r/min)，s為轉(zhuǎn)差率。則電機的實際轉(zhuǎn)速可表示為:</p><p>　　n=12Of(1-s)/P</p><p>　　可知，調(diào)節(jié)參數(shù)f、s、p中的任意一個，即可以調(diào)節(jié)電動機

17、的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對異步電動機調(diào)速控制。根據(jù)不同的控制對象，有不同的控制方法和調(diào)速方式實現(xiàn)異步電機的控制【2】。</p><p>　　2.2 變頻器的基本控制方式</p><p>　　雖然只要通過改變電源頻率即可以實現(xiàn)異步電動機的調(diào)速控制，但在實際的交流調(diào)速系統(tǒng)中，只簡單的改變電源頻率并不能得到理想的電機控制效果。按照不同的工作原理，變頻器的基本控制方式可以分為U/F控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控

18、制等幾類。</p><p>　　2.2.1 U/F控制方式</p><p>　　當電機的電源頻率改變時，電機的內(nèi)阻也隨之改變，使電機的勵磁電流發(fā)生變化，從而對電機的輸出轉(zhuǎn)矩造成影響，調(diào)速系統(tǒng)的性能也隨之受到影響。U/F控制方式的目的就是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩一速度特性。為了使勵磁電流不發(fā)生變化，只需要磁通在調(diào)速過程中保持不變，為了實現(xiàn)這一目的，就要在改變電源頻率f的同時改變感應(yīng)電動勢E，使頻

19、率和電壓的比值為一個常數(shù)。又由于因電動機定子阻抗而消耗的壓降遠小于定子上的電壓，所以感應(yīng)電動勢可以用電源電壓來代替。</p><p>　　U/F控制方式的主要特點是:控制電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，機械特性較好，可以滿足一般調(diào)速系統(tǒng)的平滑調(diào)速要求。但是U/F控制方式為開環(huán)控制，精度和動態(tài)特性不是十分理想，難以得到較大的調(diào)速范圍。于是在U/F控制的基礎(chǔ)上，又提出了轉(zhuǎn)差頻率控制【3】。</p><p&

20、gt;　　轉(zhuǎn)差頻率就是加在電動機的交流電源頻率與電動機速度所對應(yīng)頻率的差值。當轉(zhuǎn)差頻率較小時，若U/F為常數(shù)，則電動機轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率基本成正比。根據(jù)這個特性，在進行U/F控制的基礎(chǔ)上，只要再對轉(zhuǎn)差頻率進行控制，就可以達到控制電動機輸出轉(zhuǎn)矩的目的。這種控制方式需要檢測出電動機的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)控制，特點是控制的穩(wěn)定性好，對負載及速度變化有良好的動態(tài)響應(yīng)特性。但是采用這種控制方式需要在異步電機上安裝速度傳感器、編碼器等，并且需要根據(jù)異步電

21、動機的特性調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率，控制成本較大，電路較為復(fù)雜。</p><p>　　2.2.2 矢量控制</p><p>　　矢量控制的實質(zhì)是將異步電動機等效為直流電動機，認為異步電機與直流電機一樣具有相同的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機理:即電動機的轉(zhuǎn)矩為磁場和與其相垂直的電流的乘積，而異步電動機的定子電流可以分為產(chǎn)生磁場的電流分量(磁場電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)。通過控制電動機定子電流的大小和相位(即定

22、子電流矢量)，即可以分別對電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而實現(xiàn)控制電機轉(zhuǎn)矩的目的。矢量控制方式主要有:基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制、有速度傳感器的矢量控制和無速度傳感器的矢量控制。</p><p>　　采用矢量控制的變頻電源，調(diào)速范圍大，控制精度高，靜態(tài)響應(yīng)良好，而且現(xiàn)在很多新型的矢量控制系統(tǒng)中都帶有異步電機參數(shù)自動檢測、自動辨別以及自動適應(yīng)的功能，可以更有效地控制異步電動機。但是矢量控制需要對定子電流進行解藕

23、，而且要進行大量的矢量計算，控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜。</p><p>　　2.2.3 直接轉(zhuǎn)矩控制</p><p>　　直接轉(zhuǎn)矩控制是使用空間矢量，定子矢量分析方法，基于異步電機定子框架的數(shù)學模型，借助即使空間矢量理論計算和控制電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號，直接控制逆變器，并獲得高扭矩輸出的動態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制為了衡量電機電流和獲得作為輸入直流電壓、高速度為生產(chǎn)高精度扭矩和通量的實際價

24、值計算是用來在調(diào)整逆變電路開關(guān)狀態(tài)來調(diào)整異步電機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，實現(xiàn)精確控制。</p><p>　　直接轉(zhuǎn)矩控制的控制效果取決于實際情況的扭矩，節(jié)省通常脈沖寬度控制信號發(fā)生器，控制結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)的扭矩響應(yīng)迅速，無超調(diào)、動態(tài)速度控制精度和靜態(tài)速度控制精度高，是一種高靜音，高性能的控制方法【4】。</p><p>　　2.3 變頻器的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)主

25、電路結(jié)構(gòu)形式的不同，變頻器可以分為交一交變頻器和交一直一交變頻器。小功率的變頻器通常為交一直一交型的電路結(jié)構(gòu)。變頻器的結(jié)構(gòu)基本上由三部分構(gòu)成:主電路，控制電路，鍵盤/顯示及外部接口電路。</p><p>　　2.3.1 變頻器的主電路</p><p>　　變頻器的主電路由整流電路、中間直流電路和逆變電路三部分以及相關(guān)的輔助電路構(gòu)成。</p><p>　　圖2.1

26、 電壓型PWM變頻器主電路原理圖</p><p>　　2.3.1.1 整流電路</p><p>　　整流電路的主要作用是對輸入的工頻電源進行整流，再經(jīng)濾波平滑后提供給后端的逆變電路以及控制電路作為直流電源。按控制方式分，整流電路可以作為后端的直流電壓源或者是直流電流源。</p><p>　　整流電路主要有二極管整流電路、晶閘管整流電路、帶斬波器的二極管整流電路以及

27、晶體管和IGBT整流電路等幾種形式。這些整流電路各有優(yōu)缺點，根據(jù)具體的應(yīng)用場合以及控制要求來選擇合適的整流方式。</p><p>　　2.3.1.2 中間直流電路</p><p>　　直流中間電路又稱平滑電路，由整流電路得到的直流電流或直流電壓中含有高于電源頻率的紋波，同時由于逆變電路的輸出和載頻等原因也會產(chǎn)生紋波電壓和電流，這些都將影響直流電壓或電流的質(zhì)量。為了保證逆變電路和控制電路可

28、以得到較好的直流電源，就需要對直流電源進行濾波平滑，這就是直流中間電路的作用。</p><p>　　根據(jù)整流電路在變頻器中的作用不同，直流電路的結(jié)構(gòu)也不相同。若整流電路的輸出為直流電壓，直流中間電路要由大容量的電容來構(gòu)成，如果輸出的是直流電流，那么直流電路由大容量的電感來構(gòu)成。</p><p>　　2.3.1.3 逆變電路</p><p>　　在控制電路的控制下，

29、直流中間電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換成為一定頻率的交流電源，實現(xiàn)異步電動機的調(diào)速。逆變電路就是實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換的電路載體，它是變頻器的核心部分之一，逆變電路的輸出即為變頻器的輸出。</p><p>　　逆變電路因使用的換流器件的種類和開關(guān)方式的不同，主要方式有電壓型PWM方式、電壓型PWM方式、電壓型方式和電流型方式等形式的電路【5】。</p><p>　　2.3.2 變頻器的控制電路</p

30、><p>　　控制電路的主要作用是為主電路提供所需要的驅(qū)動信號，它根據(jù)事先確定的變頻系統(tǒng)的控制方式，產(chǎn)生控制時所需要的各種門極驅(qū)動信號或者基極驅(qū)動信號?？刂齐娐分饕芍骺刂齐娐?、主電路驅(qū)動電路、信號檢測電路和保護電路等構(gòu)成。控制電路的基本結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 控制電路的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.3.2.1 主控制電路</p

31、><p>　　主控制電路是由一個高性能的微處理器以及其它必要的外圍電路如外部寄存器等組成的。主控制電路通過A/D或D/A接口電路接收檢測電路以及其他的外部接口電路送過來的各種信號值以及設(shè)定的參數(shù)值，利用事先編好的軟件進行相應(yīng)的處理，然后為變頻器其他部分電路提供各種控制信號。</p><p>　　主電路的主要作用有:輸入信號處理，加減速速率調(diào)節(jié)，運算處理等。變頻器的輸入信號有指令信號和操作信號等

32、。指令信號的輸入有兩種方式:模擬信號輸入和數(shù)字信號輸入。若輸入的信號為模擬信號，則信號需要放大后經(jīng)過A/D變換為數(shù)字信號后送入處理器;若信號為數(shù)字信號則可以直接送至處理器。外部的速度指令(即頻率指令)通常為階躍型信號，為了使加速過程平滑、抑制變頻器電流的突變，需要將這種指令信號變成變化較小的信號，經(jīng)一段時間加速后達到所要求的速度。不論采用何種控制方式，變頻器都需要各種的控制信號如頻率信號、電壓信號、保護信號等，這些控制信號都是由運算電路

33、得到的。</p><p>　　2.3.2.2 主電路驅(qū)動電路</p><p>　　主電路驅(qū)動電路的基礎(chǔ)主要是指以逆變電路或門非常驅(qū)動電路，當涉及到的大量的反饋與權(quán)力逆變器，其主電路驅(qū)動電路還包括整流電路控制電路。當變頻器為當前設(shè)備的逆變電路對晶體管的電路為基礎(chǔ)驅(qū)動電路，電路的電流裝置IGBT或晶閘管或GTO、電路作為門非常驅(qū)動電路。不管什么養(yǎng)的驅(qū)動電路，并對其主要作用是為當前設(shè)備提供逆變

34、電路驅(qū)動信號，整流器控制電路包括驅(qū)動電路，除了逆變電路驅(qū)動信號外，還負責對驅(qū)動電路的反饋控制，當加在能量整流電路降功率反饋給電網(wǎng)。</p><p>　　2.3.2.3 信號檢測電路</p><p>　　將變頻器和電機工作狀態(tài)信息反饋給微處理器電路信號檢測電路。檢測電路包括電壓測量電路，電流檢測電路，輸出電壓檢測電路，溫度檢測電路等等。在一個速度傳感器系統(tǒng)的變頻器和速度檢測電路和磁檢測電路

35、等。</p><p>　　2.3.2.4 保護電路</p><p>　　變頻器的保護功能分為對自身的保護、對被控對象的保護和對變頻系統(tǒng)的保護三個方面。保護電路的作用是完成瞬時過電流保護、對地短路保護、過電壓保護、欠電壓保護、過熱保護、電流保護、控制電路異常等異常現(xiàn)象的變頻器自身的保護工作。對被控電機的保護和對變頻系統(tǒng)的保護需要根據(jù)具體的負載以及周圍環(huán)境來設(shè)置必要的條件實現(xiàn)保護【6】。&l

36、t;/p><p>　　2.3.3 鍵盤/顯示及外部接口電路</p><p>　　從變頻器控制電路的組成角度講，鍵盤/顯示及外部接口電路屬于控制電路的一部分。鍵盤/顯示電路又稱為數(shù)字操作盒，它與外部接口電路一起使變頻器系統(tǒng)成為一個可視可操作的系統(tǒng)。</p><p>　　數(shù)字操作盒即鍵盤/顯示電路的主要作用是給用戶提供一個良好的人機接口界面，使變頻器控制系統(tǒng)的使用簡單方便

37、。操作盒由鍵盤和顯示電路組成，變頻器由鍵盤讀入用戶給定的各種信息:運行、停止、設(shè)定參數(shù)、頻率加/減等。顯示電路通常有液晶顯示和數(shù)碼管顯示兩種方式，可以顯示變頻系統(tǒng)的各項參數(shù):運行狀態(tài)、頻率速度、故障內(nèi)容等等。</p><p>　　隨著變頻器功能的加強，外部接口電路的功能越來越豐富，主要作用是通過外部接口電路實現(xiàn)對變頻器的各種操作。電路通常包括各種指令的輸入輸出電路和變頻器與外部信號的接口電路。除了變頻器自帶的外部

38、接口之外，還有很多作為選件的各種接口電路板，可以根據(jù)不同的使用需要來選擇添加需要的功能。</p><p>　　2.4 方案的比較和選擇</p><p>　　本課題設(shè)計的變頻系統(tǒng)針對的是簡易型家用跑步機。系統(tǒng)的控制性能要求不高，電路要求簡單，為此我們選擇U/F控制方式。在控制方式選定以后，需要對系統(tǒng)中用到的器件進行選型，下面主要從微處理器的選擇、逆變電路開關(guān)器件的選擇兩個方面來論述。<

39、;/p><p>　　2.4.1 微處理器的選擇</p><p>　　微處理器就是控制電路核心器件，一般要完成SPWM波形調(diào)制處理、信號處理等功能。在變頻系統(tǒng)設(shè)計中，微控制器有三種選擇:單片機控制，DSP芯片控制，專用集成電路控制。</p><p>　　在本設(shè)計系統(tǒng)中，作為一款小功率專用變頻器，要求變頻器的操作簡單明了，參數(shù)設(shè)置方便，顯示直觀，有一定的通用性，無需速度反

40、饋，同時對于自適應(yīng)、自動參數(shù)設(shè)定等沒有太大要求。比較上述微處理器的功能以及成本，結(jié)合本系統(tǒng)的實際要求，選擇使用單片機作為本變頻系統(tǒng)的微處理器。</p><p>　　能作為電機調(diào)速的單片機有很多，從數(shù)據(jù)總線寬度上來分主要有8位機、16位機、32位機。在本系統(tǒng)中，變頻控制系統(tǒng)設(shè)計時使用單片機與智能功率模塊來做變頻器的核心部分，所以單片機具體承擔的工作不是非常復(fù)雜，所以不考慮使用成本較高且使用復(fù)雜的32位機。隨著微電子

41、技術(shù)的發(fā)展，單片機的生產(chǎn)廠家越來越多，比較著名的有:INTEL、PHlllPS、MOTOROLA、ATMEL等半導(dǎo)體企業(yè)。這些企業(yè)，在變頻器控制系統(tǒng)中使用較多的有ATMEL公司的ATMEL系列單片機、INTEL公司的8XC196電機系列以及MOTOROLA公司的MC68HC08系列芯片。ATMEL公司的51系列單片機屬于8位機，以ATmega128為例，它是ATMEL公司的8位系列單片機的最高配置的一款單片機，應(yīng)用極其廣泛。它是高性能，

42、低功耗的AVR8位微處理器。具有先進的RISC結(jié)構(gòu)具有兩個獨立的預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù)器。是比較適合本系統(tǒng)的一款單片機【8】。</p><p>　　2.4.2 逆變電路開關(guān)器件的選擇</p><p>　　逆變電路的好壞對變頻器性能的好壞有很大的影響，而對逆變電路的性能有較大影響的是逆變器主開關(guān)器件。最常使用的主開關(guān)器件主要有:GTO、BJT、IGBT和IPM。其中GTO是

43、不具有自關(guān)斷能力的即它需要門極信號控制來切斷基極電流，而余下的三種都具有自關(guān)斷能力。由于IPM的開關(guān)速度快，工作頻率高，可以實現(xiàn)變頻器靜音的要求而且電路的設(shè)計簡單，我們選擇IPM為變頻器逆變電路的主開關(guān)器件。</p><p>　　2.5 系統(tǒng)方案的確定</p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計的基本要求是實現(xiàn)交流電動機的平滑調(diào)速，電機運行可靠，作為一種家用電器的配件，功率比較小，要求變頻器的各種保

44、護功能齊全，并且電機在運行過程中靜音效果要好，顯示界面簡潔，操作簡單。系統(tǒng)選擇單片機作為變頻系統(tǒng)的控制電路的核心控制器件，智能功率模塊為逆變電路的開關(guān)器件。</p><p>　　本系統(tǒng)選用U/F控制方式;使用ATmega128單片機為控制電路核心；選擇智</p><p>　　能功率模塊IPM為逆變電路的主開關(guān)元件；使用電流檢測電路實時檢測電流的變化實現(xiàn)過流、短路的保護；使用電壓檢測電路實時

45、檢測電壓的變化，實現(xiàn)欠壓、過壓保護；再加上整流電路、鍵盤/顯示電路等就構(gòu)成了變頻系統(tǒng)的框架。</p><p><b>　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計</b></p><p>　　變頻系統(tǒng)主要由主電路和控制電路來構(gòu)成。上一章中我們己經(jīng)選擇了主電路逆變器的開關(guān)器件和控制系統(tǒng)的控制單片機，本章就電路的具體設(shè)計進行介紹。</p><p>　　3.1 硬件總體

46、設(shè)計</p><p>　　變頻器的硬件電路主要由主電路、控制電路、保護電路、接口電路、電源電路和數(shù)字操作盒即鍵盤/顯示電路等幾部分構(gòu)成。如圖3.1所示，變頻器控制系統(tǒng)以CPU為核心，主要分為以下幾個部分:主回路部分即整流電路、濾波電路、制動電路和逆變電路等;控制電路部分即檢測電路、外部存儲器擴展電路，保護電路部分;數(shù)字操作盒即顯示電路和鍵盤電路部分。</p><p>　　圖3.1 系統(tǒng)硬

47、件總體設(shè)計框圖</p><p>　　3.2 主回路設(shè)計</p><p>　　交流變頻系統(tǒng)中的上電路是直接執(zhí)行單元，其可靠性和穩(wěn)定性是整個變頻系統(tǒng)能夠正常運行的保證。目前小容量變頻器主回路的通用設(shè)計一般為交-直-交結(jié)構(gòu)，在本系統(tǒng)中采用A-D-A電壓型變頻結(jié)構(gòu)。</p><p>　　3.2.1 整流、濾波電路，制動電路及逆變電路</p><p&g

48、t;　　圖3.2 主電路電路圖</p><p>　　3.2.1.1 整流與濾波</p><p>　　整流電路的功能是把交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源，三相線電壓為380V時，整流后峰值為電壓537V，平均電壓為515V，最高不能超過760V，整流器件一般采用整流二極管或模塊。</p><p>　　整流橋與濾波電容之間，有Rs為充電(限流)電阻，當變頻器剛拉入電源的瞬間，

49、將有一個很大的沖擊電流經(jīng)整流橋流向濾波電容，使整流橋可能因此而受到損壞。如果電容量很大，不會使電源電壓瞬間下降而形成對電網(wǎng)的干擾；Ks為短路開關(guān)或晶閘管組成的并聯(lián)電路，充電電阻如長期接在電路內(nèi)，會影響直流母線電壓Kd和變頻器輸出電壓的大小。所以，當Ud增大到一定程度時，Ks接通把Rs切出電路。Ks有用晶閘管也有用繼電器觸點構(gòu)成。</p><p>　　C1和C2應(yīng)是串聯(lián)的電容器組，由于C1和C2的電容量不能完全相等

50、（承受電壓較高一側(cè)電容器組容易損壞），因此并聯(lián)一個阻值相等的均壓電阻R1和R2，使得UD1和UD2電壓相等【10】。</p><p>　　3.2.1.2 制動電路</p><p>　　在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動機的降速和停機，是通過逐漸減小頻率來實現(xiàn)的，在頻率剛減小的瞬間，電動機的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，而由于轉(zhuǎn)子慣性的原因，電動機的轉(zhuǎn)速未變，當同步轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線的方向相反

51、了，轉(zhuǎn)子電流的相位幾乎改變180°，使電動機處于發(fā)電狀態(tài)，也稱為再生制動狀態(tài)。</p><p>　　電動機再生的電能經(jīng)續(xù)流二極管（D1-D6）全波整流后反饋到直流電路中，由于直流電路的電能無法回輸給電網(wǎng)，只能由C1和C2吸收，使直流電壓升高，過高的直流電壓將使變流器件受到損害。因此，直流電壓超過一定值時，就要提供一條放電回路。</p><p>　　能耗電路由制動電阻RR和制動單元

52、VB構(gòu)成，當直流回路電壓UD超過規(guī)定值時，VB導(dǎo)通，使直流電壓通過RR釋放能量，降低直流電壓，而當UD在正常范圍內(nèi)時VB截止，以避免不必要的能量損失。</p><p>　　3.2.1.3 逆變電路</p><p>　　逆變電路同整流電路相反，逆變電路是將直流電壓變換為所要頻率的交流電壓，根據(jù)確定的時間相應(yīng)功率開關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷，從而可以在輸出端U、V、W三相上得到相位互相差120

53、6;的三相交流電壓。</p><p>　　逆變電路由開關(guān)器件V1-V6構(gòu)成，目前大部分使用IGBT管，最新技術(shù)是智能功率模塊IPM。</p><p>　　續(xù)流電路由D1-D6組成，作用是為電動機繞組的無功電流提供返回通道；為再生電能反饋提供通道；為寄生電感在你逆變過程中釋放能量提供通道。</p><p>　　緩沖電路。逆變管在截止和導(dǎo)通的瞬間，其電壓和電流的變化率是

54、很大的，有可能使逆變管受到損傷，因此每個逆變管旁還應(yīng)接入緩沖電路，以減緩電壓和電流的變化率。</p><p>　　3.2.2 智能功率模塊（IPM）</p><p>　　IPM（Intelligent Power Module），即智能功率模塊，不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起。而且還有過電壓，過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送到CPU。它由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門極驅(qū)

55、動電路以及快速保護電路構(gòu)成。即使發(fā)生負載事故或使用不當，也可以保證IPM自身不受損壞。IPM一般使用IGBT作為功率開關(guān)元件，內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動電路的集成結(jié)構(gòu)。IPM以其高可靠性，使用方便贏得越來越大的市場，尤其適合于驅(qū)動電機的變頻器和各種逆變電源，是變頻調(diào)速，冶金機械，電力牽引，伺服驅(qū)動，變頻家電的一種非常理想的電力電子器件。</p><p>　　IPM與以往IGBT模塊及驅(qū)動電路的組件相比具有如下特點：(1

56、)內(nèi)含驅(qū)動電路。設(shè)定了最佳的IGBT驅(qū)動條件，驅(qū)動電路與IGBT間的距離很短，輸出阻抗很低，因此，不需要加反向偏壓。所需電源為下橋臂1組，上橋臂3組，共4組。(2)內(nèi)含過電流保護(OC)、短路保護(SC)。由于是通過檢測各IGBT集電極電流實現(xiàn)保護的，故不管哪個IGBT發(fā)生異常，都能保護，特別是下橋臂短路和對地短路的保護。(3)內(nèi)含驅(qū)動電源欠電壓保護(UV)。每個驅(qū)動電路都具有UV保護功能。當驅(qū)動電源電壓UCC小于規(guī)定值UV時，產(chǎn)生欠電

57、壓保護。(4)內(nèi)含過熱保護(OH)。OH是防止IGBT、FRD(快恢復(fù)二極管)過熱的保護功能。IPM內(nèi)部的絕緣基板上沒有溫度檢測元件，檢測絕緣基板溫度Tcoh(IGBT、FRD芯片異常發(fā)熱后的保護動作時間比較慢)。R—IPM進一步在各IGBT芯片內(nèi)沒有溫度檢測元件，對于芯片的異常發(fā)熱能高速實現(xiàn)OH保護。(5)內(nèi)含報警輸出(ALM)。ALM是向外部輸出故障報警的一種功能，當OH及下橋臂OC、Tjoh、UV保護動作時，通過向控制IPM的微機

58、輸出異常信號，能切實停止系統(tǒng)。(6)內(nèi)含制動電路。和逆變橋</p><p>　　3.3 控制電路設(shè)計</p><p>　　控制電路是變頻器的控制核心，變頻器控制的好壞就由控制電路決定。采用智能模塊后，控制電路的設(shè)計主要包括主控電路、檢測電路、電源電路、外部存儲器擴展、外部接口電路和保護電路。</p><p>　　3.3.1 主控電路</p><

59、;p>　　控制電路的核心選用了ATMEL公司的ATmega128單片機，CPU接收個檢測電路送來的信號進行處理并輸出驅(qū)動、保護電路等需要的各種信號，完成控制電路與數(shù)字和的通信等功能。</p><p>　　3.3.1.1 芯片簡介</p><p>　　ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間，ATmega128

60、 的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。</p><p>　　ATmega128 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元 (ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結(jié) 構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的復(fù)雜指令集微處理器高10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。</p><p>

61、;　　ATmega128 具有如下特點：128K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash( 具有在寫的過程中還可以讀 的能力，即RWW)、4K 字節(jié)的EEPROM、4K 字節(jié)的SRAM、53 個通用I/O 口線、32 個通用工作寄存器、實時時鐘RTC、4 個靈活的具有比較模式和PWM 功能的定時器/ 計 數(shù)器(T/C)、兩個USART、面向字節(jié)的兩線接口TWI、8 通道10 位ADC( 具有可選的可 編程增益)、具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器

62、、SPI 串行端口、與IEEE 1149.1 規(guī) 范兼容的JTAG 測試接口( 此接口同時還可以用于片上調(diào)試)，以及六種可以通過軟件選擇的省電模式。空閑模式時CPU 停止工作，而SRAM、T/C、SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼 續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工 作，寄存器的內(nèi)容則一直保持；省電模式時異步定時器繼續(xù)運行，以允許用戶維持時間基 準，器件的其他部分則處于睡眠狀態(tài)； ADC 噪聲抑制模式時

63、CPU 和所有的I/O 模塊停止 運行，而異步定時器和ADC 繼續(xù)工作，以減少ADC 轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲；Standby 模式時</p><p>　　ATmega128器件是以Atmel的高密度非易失性內(nèi)存技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)ISP Flash 可以通過SPI 接口、通用編程器，或引導(dǎo)程序多次編程。引導(dǎo)程序可以使用任何接口來下載應(yīng)用程序到應(yīng)用 Flash存儲器。在更新應(yīng)用Flash存儲器時引導(dǎo)Flash區(qū)的程序繼續(xù)運行

64、，實現(xiàn)RWW操作。通過將8 位RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash 集成在一個芯片內(nèi)，ATmega128 為許 多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的方案。 </p><p>　　圖3.3 ATmega128管腳圖</p><p>　　3.3.1.2 主控制回路</p><p>　　CPU接收的外部信號有電流采樣信號、電壓采樣信號、過壓保護信號、欠壓保

65、護信號和過熱保護信號，其中電壓、電流信號為模擬量，需要經(jīng)過CPU內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換后再進行下一步處理;其他三個信號是由保護電路送過來的邏輯信號。鎖定信號與IPM的故障信號經(jīng)一個與非門一起控制三態(tài)緩沖器74HC244的使能端，當系統(tǒng)發(fā)生過流、過壓、欠壓、過熱故障時，CPU發(fā)出鎖定信號鎖定輸出，保護變頻系統(tǒng)。還有CPU與燈89c4051芯片通信的接口，AT89c4051是鍵盤/顯示部分的控制芯片，該部分電路將在稍后的數(shù)字操作盒電路中

66、介紹。</p><p>　　3.3.2 檢測電路</p><p>　　檢測電路由電流檢測電路和電壓檢測電路兩部分構(gòu)成。</p><p>　　3.3.2.1 電流檢測電路</p><p>　　在變頻系統(tǒng)中，造成短路的原因有:二極管損壞，控制電路或驅(qū)動電路故障，輸出端接錯，電機損壞。為保護系統(tǒng)，電流檢測電路實時檢測電機的系統(tǒng)電流，以便于CPU

67、及時保護電機以及整個電路。</p><p>　　3.3.2.2 電壓檢測電路</p><p>　　電壓的檢測是檢測的直流母線的電壓值，從此近似的確定電路中電壓值。在本系統(tǒng)中，電壓檢測的信號取自主回路濾波電容的兩端，信號經(jīng)過電阻分壓后取得，為了實現(xiàn)強電和弱電隔離的目的，防止高壓信號進入到控制電路，取樣信號經(jīng)跟隨器進入到控制電路中。</p><p>　　3.3.3

68、保護電路</p><p>　　保護電路主要由電壓保護電路、電流保護電路、過熱保護電路和IPM模塊的保護電路來構(gòu)成。</p><p>　　3.3.3.1 IPM模塊保護電路</p><p>　　對于IPM芯片來說，本身帶有過壓、欠壓、過流、短路、過熱等保護功能，并且有故障信號輸出，但在實際工作過程中，IPM模塊在鎖定輸出并輸出故障信號1.8ms后，會再次檢測故障是否

69、存在，如果故障存在，保護會反復(fù)動作，這樣很容易損壞IPM模塊。為了保護IPM模塊，除了運用它本身自帶的保護電路外，還需要外加一定的輔助保護電路。保護可以通過硬件和軟件相結(jié)合的方式來實現(xiàn)。</p><p>　　3.3.3.2 過熱保護電路</p><p>　　變頻器中的每一塊散熱器上都安裝一個熱敏元件，如圖中所示的PTH1-PTH3，有些變頻器的主控板上也安裝一個熱敏元件，如圖中所示的PT

70、H4。4只熱敏元件串聯(lián)后接光耦元件P4。正常狀態(tài)下，熱敏元件為常閉觸點，光耦導(dǎo)通輸出信號為0，當散熱片過熱時熱敏元件斷開，光耦截止，輸出信號為1，該信號經(jīng)RC濾波后去關(guān)閉IGBT的驅(qū)動信號并通知CPU發(fā)出過熱報警信號【13】。</p><p>　　圖3.4 過熱檢測電路</p><p>　　3.4 數(shù)字盒電路設(shè)計</p><p>　　3.4.1 控制芯片簡介&

71、lt;/p><p>　　AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CM0S8位單片機，片內(nèi)含4k bytes存儲器和128 bytes 隨機存取數(shù)據(jù)存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用與各種控制領(lǐng)域。</p><p>　　圖3.5 AT89C51管腳圖<

72、;/p><p>　　AT89C51 提供以下標準功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但

73、振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。</p><p>　　VCC：供電電壓。2.GND：接地。3.P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P0口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須接上拉電阻。4.

74、P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為低八位地址接收。5.P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口

75、的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P</p><p>　　在本系統(tǒng)中AT89C51的主要任務(wù)是實現(xiàn)鍵盤與顯示功能，同時還需要與變頻器主控芯片ATmega128通信，實現(xiàn)變頻器的控制功能。</p><p>　

76、　3.4.2 鍵盤電路</p><p>　　鍵盤電路采用行列掃描方式讀取鍵盤，共有9個鍵，各個鍵的功能見表3.1。鍵盤電路見圖3.6：</p><p>　　圖3.6 鍵盤電路圖</p><p>　　圖中P3.7是蜂鳴器的驅(qū)動端口，當對系統(tǒng)進行操作或有故障發(fā)生時系統(tǒng)自動報警。P3.2口用作保護輸入，正常情況下急停開關(guān)應(yīng)該是閉合的，端口電壓為低電平，當有緊急情況例如

77、使用者身體不適等發(fā)生時，將急停開關(guān)打開，此時P3.2口內(nèi)部上拉為高電平，AT89C51查詢這個口的狀態(tài)可以得到外部的急停信息。</p><p>　　表3.1 鍵盤功能定義</p><p>　　3.4.3 顯示電路</p><p>　　為了節(jié)省資源，系統(tǒng)采用動態(tài)顯示來顯示信息如圖3.7所示。</p><p>　　動態(tài)顯示中用了三個74HC1

78、64驅(qū)動芯片，使用模擬串口通信方式。在變頻器顯示模式下，LED1-LED3顯示頻率信息，LED4-LED6顯示故障信息或者速度信息（在設(shè)置速度時），LED7-LED9顯示運行信息，在跑步機顯示模式下，LED1-LED3顯示運動的距離，LED4-LED6顯示運動的速度，LED7-LED9顯示運行的時間。P1.5、P1.6、P1.7為顯示的位選信號，信號經(jīng)三極管放大后驅(qū)動LED，三個LED共用一個位選。</p><p&g

79、t;　　圖3.7 顯示接線圖</p><p>　　3.4.3.1 74HC164</p><p>　　8 位串入、并出移位寄存器。74HC164是高速硅門 CMOS 器件，與低功耗肖特基型 TTL (LSTTL) 器件的引腳兼容。74HC164是 8 位邊沿觸發(fā)式移位寄存器，串行輸入數(shù)據(jù)，然后并行輸出。數(shù)據(jù)通過兩個輸入端（DSA 或 DSB）之一串行輸入；任一輸入端可以用作高電平使能端

80、，控制另一輸入端的數(shù)據(jù)輸入。兩個輸入端或者連接在一起，或者把不用的輸入端接高電平，一定不要懸空。 時鐘 (CP) 每次由低變高時，數(shù)據(jù)右移一位，輸入到 Q0， Q0 是兩個數(shù)據(jù)輸入端（DSA 和 DSB）的邏輯與，它將上升時鐘沿之前保持一個建立時間的長度。 主復(fù)位 (MR) 輸入端上的一個低電平將使其它所有輸入端都無效，同時非同步地清除寄存器，強制所有的輸出為低電平【15】、。</p><p>　　表3.2 7

81、4HC164引腳說明表</p><p>　　圖3.8 74HC164管腳圖</p><p><b>　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計</b></p><p>　　4.1 軟件總體設(shè)計</p><p>　　總體上講軟件的設(shè)計主要由主程序設(shè)計、中斷程序及部分子程序設(shè)計以及數(shù)字盒的軟件設(shè)計幾部分構(gòu)成。</p><

82、p>　　4.2 主程序設(shè)計</p><p>　　系統(tǒng)的主程序主要完成系統(tǒng)的初始化、參數(shù)的初始化、系統(tǒng)自檢、控制命令的接收以及執(zhí)行、輸出電機控制所需的各種信號等功能。主程序使用模塊化設(shè)計，主程序流程圖。</p><p>　　變頻器上電之后，在等待系統(tǒng)穩(wěn)定后，程序首先進行初始化設(shè)置，系統(tǒng)的初始化工作主要是單片機內(nèi)各個功能寄存器的設(shè)定即對芯片端口、芯片特殊功能的應(yīng)用等的設(shè)置，死區(qū)時間設(shè)置

83、。參數(shù)的初始化工作主要是完成系統(tǒng)各個狀態(tài)參數(shù)的設(shè)定工作即系統(tǒng)中使用到的各個標志位的初始化。初始化完成后，單片機要檢查各部分的工作是否正常，檢查包括外部存儲器、A/D轉(zhuǎn)換電路、控制系統(tǒng)的主控芯片與數(shù)字操作盒控制芯片的通信電路以及各路的保護信號狀態(tài)。對于外部存儲器的檢查，通過先寫入一些數(shù)據(jù)然后將寫入的數(shù)據(jù)讀出，比較兩種數(shù)據(jù)的方式來檢查存儲器的情況;讀取A/D口上的數(shù)據(jù)，從而檢測其外測電路工作的正確性;通電后數(shù)字盒也要進行自檢，同時向主控芯片

84、發(fā)出通信代碼，若通信成功則表明通信線路正常;最后檢測各個保護信號是否處于初始狀態(tài)。系統(tǒng)的自我檢測完成后，單片機將中斷打開，開始進入主循環(huán)程序。在主程序中的控制命令指的是由數(shù)字操作盒中所讀取到的鍵盤信息，包括有開關(guān)機信息、頻率信息、模式信息、軟件上過流過壓保護值設(shè)置等，變頻器的主控芯片根據(jù)不同信息進行不同的處理。</p><p>　　4.3 中斷及子程序設(shè)計</p><p>　　主程序是變

85、頻系統(tǒng)的完整功能的體現(xiàn)，它是由各部分子程序組成的，采用模塊化設(shè)計，在主程序中按照一定順序調(diào)用這些程序模塊，來實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。這里我們主要介紹一下子程序中的外部中斷程序、SPWM波形產(chǎn)生、保護功能子程序以及軟件上抗干擾措施。</p><p>　　4.3.1 外部中斷程序</p><p>　　在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，系統(tǒng)的實時性要求很高，尤其是對系統(tǒng)保護的反應(yīng)速度要求更為嚴格，如果反應(yīng)過慢，那么將

86、會導(dǎo)致變頻系統(tǒng)硬件的損壞程度加劇。因此我們利用單</p><p>　　圖4.1 主程序流程圖</p><p>　　片機的中斷功能來處理故障信號，快速響應(yīng)保護信號，封鎖IPM功率模塊的驅(qū)動輸出，迅速實現(xiàn)保護。</p><p>　　變頻器由家用電網(wǎng)來供電，變頻系統(tǒng)所接收的干擾除了來自本身控制的交流電機之外，掛在電網(wǎng)上的其他變頻器件如冰箱、空調(diào)、電磁爐等等都會給變頻器造

87、成干擾。而單片機對中斷的響應(yīng)是十分敏感的，為了防止外來干擾對正常的程序運行造成影響，在進入中斷后需要再次確認中斷信息是否是干擾，在此我們采用了延時判斷的方式。</p><p>　　中斷信息確認以后，還需要進一步確定系統(tǒng)故障的原因。由于FO信號是IPM內(nèi)部集成的多種保護電路即過流、欠壓、過熱、短路保護的唯一輸出信號，所以當單片機接收到IPM的報警信號后，需要確認故障產(chǎn)生的具體原因。電機運行過程中，控制系統(tǒng)會實時判斷

88、系統(tǒng)的電流、電壓值是否達到預(yù)先設(shè)定的過流、過壓、欠壓的保護值，由于這些保護值可以由用戶自行設(shè)定，一旦用戶設(shè)定的保護值不合理，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，從電路中讀取的電路參數(shù)未達到用戶設(shè)定的保護值，但是對于IPM智能模塊來說已經(jīng)達到了它的極限值，模塊輸出FO信號，實現(xiàn)自我保護。單片機從中斷讀取到故障信號后，從端口讀入電流、電壓值，與系統(tǒng)中的固定值(這個固定值是系統(tǒng)默認的電壓、電流的保護值，與用戶設(shè)定的值無關(guān))相比較，來確定系統(tǒng)是否發(fā)生過流、過壓或

89、欠壓故障。如果這些故障都被排除掉，那么確定是IPM模塊發(fā)生故障，系統(tǒng)鎖定IMP驅(qū)動信號的輸入并發(fā)出報警信號【16】。</p><p>　　4.3.2 SPWM波形產(chǎn)生</p><p><b>　　SPWM原理介紹</b></p><p>　　SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM法。用脈沖寬度按正弦

90、規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。 </p><p>　　所謂SPWM，就是在PWM的基礎(chǔ)上改變了調(diào)制脈沖方式，脈沖寬度時間占空比按正弦規(guī)律排列，這樣輸出波形經(jīng)過適當?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。它廣泛地用于直流交流逆變器等，比如高級一些的UP

91、S就是一個例子。三相SPWM是使用SPWM模擬市電的三相輸出，在變頻器領(lǐng)域被廣泛的采用。</p><p>　　4.3.3 保護功能子程序</p><p>　　控制系統(tǒng)的保護功能有過流、過壓、欠壓等保護功能，這些信號接在單片機的A/D轉(zhuǎn)換口上，CPU定時讀取轉(zhuǎn)換信息并根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)置做下一步的處理。單片機的這個定時通過內(nèi)部的一個定時器來實現(xiàn)，定時時間后單片機輪流開啟電流、電壓的A/D轉(zhuǎn)換，并

92、且打開A/D中斷，在A/D中斷服務(wù)中讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果后關(guān)閉A/D轉(zhuǎn)換的中斷允許，并且關(guān)閉A/D轉(zhuǎn)換。</p><p>　　圖4.2 外部中斷流程圖</p><p>　　4.3.3 保護功能子程序</p><p>　　控制系統(tǒng)的保護功能有過流、過壓、欠壓等保護功能，這些信號接在單片機的A/D轉(zhuǎn)換口上，CPU定時讀取轉(zhuǎn)換信息并根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)置做下一步的處理。單片機的這個定

93、時通過內(nèi)部的一個定時器來實現(xiàn)，定時時間后單片機輪流開啟電流、電壓的A/D轉(zhuǎn)換，</p><p>　　圖4.3 SPWM的輸出波形</p><p>　　并且打開A/D中斷，在A/D中斷服務(wù)中讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果后關(guān)閉A/D轉(zhuǎn)換的中斷允許，并且關(guān)閉A/D轉(zhuǎn)換。</p><p>　　圖4.4 電壓保護子程序流程圖</p><p>　　不論是過壓保護還是

94、欠壓保護，都要求單片機讀取到的電壓參數(shù)值在一定時間范圍內(nèi)持續(xù)為過壓或欠壓狀態(tài)，這樣才能確定變頻系統(tǒng)處于過壓/欠壓狀態(tài)。這樣做是為了防止電壓偶爾出現(xiàn)尖峰脈沖，被采到單片機中出現(xiàn)誤動作。電流的保護過程與電壓保護過程相似。</p><p>　　4.4 數(shù)字盒軟件設(shè)計</p><p>　　數(shù)字操作盒作為人機界面，需要完成的操作參數(shù)的輸入，操作控制，控制系統(tǒng)參數(shù)修改和實時顯示系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)，它決定

95、了控制的靈活性，應(yīng)該盡量靈活方便。該逆變器的設(shè)計可以被用來作為一個簡單的使用頻率轉(zhuǎn)換器，但也可以被用來作為一個小變頻器來使用。在不同功能狀態(tài)，數(shù)字操作盒的變頻控制系統(tǒng)中的作用是不同的。當用做一個簡單的使用頻率轉(zhuǎn)換器，數(shù)字控制盒和通用變頻器操作盒相同的功能，通過鍵盤讀取參數(shù)信息和控制命令，顯示運行狀態(tài)，在逆變電路參數(shù)，具體控制的變頻系統(tǒng)的主控制芯片ATmega128.當逆變器作為一個小平板在使用時，數(shù)字操作盒被當作一個外部控制器，它只向變

96、頻系統(tǒng)主控芯片ATmega128發(fā)送開機/關(guān)機命令以及速度指令，不能從鍵盤讀取其他的參數(shù)信息也不能進行參數(shù)修改，而且不能顯示變頻系統(tǒng)的電路參數(shù)信息，跑步機的各種功能由數(shù)字操作盒實現(xiàn)。</p><p>　　4.4.1 顯示程序</p><p>　　在數(shù)字操作顯示部分占了很大比例。為節(jié)省硬件資源，利用動態(tài)顯示模式，這需要顯示在一個特定的時間刷新顯示屏幕。</p><p&g

97、t;<b>　　跑步機面板設(shè)計</b></p><p>　　在處于跑步機顯示狀態(tài)時，顯示程序也分為正常顯示和閃爍顯示兩種狀態(tài)。閃爍顯示是跑步機系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，面板的顯示狀態(tài)，電機停機，在速度顯示窗口顯示故障代碼并閃爍報警。</p><p>　　在處于跑步機面板顯示狀態(tài)時，頻率窗口顯示運動的距離，故障代碼窗口顯示速度值，運行狀態(tài)窗口顯示時間。在用作跑步機時，系統(tǒng)有設(shè)置運

98、動距離或者運動時間的功能，在進行設(shè)置時，被設(shè)置項目閃爍。功能的具體實現(xiàn)將在鍵盤程序的介紹中說明。</p><p>　　4.4.2 鍵盤程序</p><p>　　跑步機顯示面板下的鍵盤</p><p>　　變頻器上電后直接按下MODE切換到跑步機顯示狀態(tài)，此時系統(tǒng)按照跑步機控制器運行，下面就跑步機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計及實現(xiàn)進行一下介紹。由于硬件資源有限，當變頻器被當作跑

99、步機控制器使用時，控制系統(tǒng)只有一般跑步機系統(tǒng)的大部分功能，如實現(xiàn)電機速度的控制、距離累計功能、時間累計功能、有三條固定的運動曲線、可以設(shè)置運動的距離和時間并進行倒計數(shù)運行、有緊急停機開關(guān)等。但是對于心率測試、能量累計等功能在這里沒有涉及。此時數(shù)字操作盒的主要作用是讀取鍵盤信息并做出相應(yīng)的回應(yīng)，實現(xiàn)鍵的功能;讀取外界急停開關(guān)信息并做出相應(yīng)處理還有動態(tài)顯示各項信息的功能。數(shù)字操作盒作為一個外部控制器，給變頻系統(tǒng)主芯片發(fā)送速度指令【17】。&

100、lt;/p><p>　　先介紹一下作為跑步機控制系統(tǒng)時所具有的功能。正常的速度控制是指系統(tǒng)從鍵盤上讀取到速度值，然后控制電機按照所選取的速度運行，此時時間和距離一直處于累積狀態(tài)。固定運動曲線功能:在系統(tǒng)內(nèi)部有三條固定的運動曲線，用戶可以通過鍵盤選取某條曲線運行，系統(tǒng)自動按照曲線所規(guī)定的時間/速度表運行，此時時間處于倒計狀態(tài)，曲線運行完畢后電機自動停機。設(shè)置功能:設(shè)置功能是為了方便用戶想要運動一定的時間或者距離而存在的

101、，用戶自行設(shè)置運動的時間或者距離，開機運行后該設(shè)置項目處于倒計數(shù)狀態(tài)，計數(shù)完成后電機自動停機。緊急停機開關(guān):緊急停機開關(guān)的作用在前面已經(jīng)介紹過了，這里不再多加贅述。系統(tǒng)的功能大體上就是這些，下面就是功能的具體實現(xiàn)。</p><p>　　對于系統(tǒng)主程序來說，上電后AT89C51首先進行初始化，初始化包括為定時器賦初值、打開中斷及各標志的初始化。根據(jù)不同的顯示狀態(tài)，各個標志位的初始值不同。軟件中設(shè)定經(jīng)過一定時間掃描一

102、次鍵盤，這樣有利于節(jié)省軟件資源。使用AT89C51的Tl定時器做2ms的定時，系統(tǒng)的時間定時都是在在這個基礎(chǔ)通過軟件計數(shù)的方式實現(xiàn)的。</p><p>　　主程序一直處于循環(huán)狀態(tài)，它的大部分時間都在等待讀取鍵盤信息。讀到鍵值后，鍵盤子程序通過對鍵盤值的判斷和各個標志位的具體狀態(tài)來決定具體的處理過程?，F(xiàn)在就各功能的具體實現(xiàn)做一下介紹。正常運行功能。按下ON/OFF鍵，電機開始運行，此時加減鍵直接對速度進行操作，速度

103、的范圍根據(jù)事先設(shè)定好的速度/頻率表來確定。此時AT89C51直接將速度值發(fā)送給變頻系統(tǒng)主控芯片ATmega128，由ATmega128實現(xiàn)調(diào)速。再次按下ON/OFF鍵電機停止運行。</p><p>　　設(shè)置功能。在電機未啟動狀態(tài)下，按下SET鍵，系統(tǒng)進入設(shè)置狀態(tài)。第一次按下SET設(shè)置時間，時間窗口閃爍，可以通過加減鍵來修改時間值;再次按下SET鍵，系統(tǒng)切換到距離的設(shè)置，距離窗口閃爍，通過加減鍵修改修改距離值;如果

104、再次按下SET鍵，系統(tǒng)重新回到時間窗口設(shè)置，循環(huán)運行。當設(shè)置完成后，按下CON鍵，程序從設(shè)置模式中</p><p>　　圖4.5 跑步機鍵盤程序流程圖</p><p>　　退出。需要注意的是一次只有一個項目的設(shè)置有效。</p><p>　　固定曲線功能。固定曲線即固定運動曲線，系統(tǒng)中有三條運動曲線，可以通過鍵盤選取。在電機未開機狀態(tài)下，可以通過QX1、QX2、QX