基于C504单片机的变频调速系统

变频调速在控制中的应用愈来愈广泛，传统的变频调速控制是用普通的单片机系统来实现，电路复杂、编程麻烦，本系统采用C504专用控制单片机来实现变频调速。 1.C504功能简述 C504是西门子公司的8-Bit专用微控制器，它兼容51系列单片机，其显著特点是：具有一个专用于产生PWM信号的16位捕捉/比较单元(Capture/Compare Unit，简称CCU)，4个8-Bit通用输入/输出口，其中P1口既可作为4路模拟输入，也可作为6路PWM输出，这就给变频调速控制提供了PWM波驱动信号，无需外加PWM波产生电路，或使用复杂的软件编程方式。 C504的PWM波产生原理是：通过向CCU中的周期寄存器、控制寄存器、方式选择寄存器和初始化寄存器写入命令字，把晶振时钟信号经预分频单元，变为一定周期的脉冲，再经捕捉定时器，把时钟脉冲转化为一定周期的三角波或锯齿波，再经比较器进行比较，将输入信号调制成不同脉宽的方波脉冲，经接口控制单元向外输出六路方波脉冲，当改变三个比较器和周期寄存器的赋值时，就改变了PWM波的脉宽和周期，从而实现调频和调脉宽的控制。 2.硬件系统 硬件系统如图1所示，C504是该系统的核心，实现系统的控制和6路PWM波的产生。27256EPROM作为程序存储器，74AS573作为地址锁存器，8255可编程并行接口芯片、ULN2803及74LS245，组成键盘与显示电路。通过键盘进行转速和转向的设置，显示器显示工作状态和频率。IPM是一个智能功率模块，具有过压、欠压、过流自动保护功能，并输出故障指示信号，内设有驱动电路和光电隔离电路，直接由C504的P1.2~P1.7输出的六路PWM波驱动，具有抗干扰性能强的特点。它是一个自关断三相全控逆变桥，直接用来控制需调速的三相电动机。 整个系统外围元件少，宜于编程和开发，体积小，推广使用非常方便，具有非常高的性能/价格比。 3.软件系统 本系统利用C504微控制器芯片内的CCU单元，可以较为简便的产生三相SPWM波，去驱动IPM直接来控制三相感应式电动机。在设计软件时，基于时间优化的原则，所有的控制任务使用高效的算法，只需很短的CPU计算时间。 整个软件系统采用模块化结构，包括主程序、用户设置子程序、键盘检测子程序、状态及故障监控子程序和CCU中断服务程序。考虑到开发周期和控制效率两方面的问题，在开发中使用C51和汇编语言混合编程 主程序完成系统初始化和控制任务。系统初始化包括：在RAM中建立完整的正弦表，CCU初始化、中断系统初始化和8255初始化（包括键盘、显示电路）。具体流程如图2所示。用户设置子程序设有密码保护，主要接收用户通过键盘输入的“旋转方向”和“转速”，并将设定值存入RAM中，流程如图3。状态与故障监控子程序可将当前电动机的“转向”和“转速”，以及IPM的故障代码，遇到严重故障可以自动停机。键盘检测和显示子程序比较简单，在此不再赘述。 CCU中断服务程序是软件系统的关键部分，使用汇编语言编程。通过比较定时器1的溢出中断，系统每50μs调用一次中断服务程序，周期性的更新CCU比较寄存器中的赋值。该任务耗时15μs左右，约占用30%的CPU运算时间，程序简练，执行效率很高。如果转速增加或减小时也可以按一定的速率改变转速，同时为了避免当转速低于1Hz时向电动机输出DC电流，会自动关闭CCU输出。这时，该任务耗时30μs左右，约占用60%的CPU运算时间，为实现闭环控制提供了时间。流程如图4所示。 参考文献 [1]Siemens C504 8-Bit CMOS MicrocontrollerUser’s Manual, Siemens AG, 1997.11. [2]Siemens Starter Kits for theC500 Microcontroller Family, Semiconductor Group, 1998.10. [3]谢丽萍、陈林康，一种采用智能模块(IPM)的变频调速系统，电力电子技术，1998.3 [4]薛钧义、张彦斌，单片微型计算机及其应用，西安交通大学出版社，1990.6. [5]张洪润、蓝清华，单片机应用技术教程，清华大学出版社，1997.11. [6]张毅刚等，单片机应用设计，哈尔滨工业大学出版社，1997.12.