AC89C2051在全数字变频控制器中的设计与应用

1．前言

在家电或工业控制中，经常需要根据环境条件的改变而改变供电频率，以便取得最佳的启动力矩、最佳的转速、最佳的风量或制冷/热量。本文介绍一种全数字的变频控制器，它可以根据外界环境的变化(如压力、温度、输入电压和人为地设定等)，自适应地改变输出电源频率，达到对电机调速的目的。在控制算法中，采用模糊理论，设定隶属函数，求出控制输入的隶属度，并进行模糊规则判断，得出模糊的控制输出。然后进行模糊量的计算，得出精确的控制输出，达到控制运行频率的目的。经过试运行表明：自适应能力强，控制精度高，特别是解决了一般低压带负荷启动的困难。

2．变频控制器系统结构原理

下面，以1.5kW输出功率的变频控制器为例进行介绍，该系统结构如图1所示：逆变器采用三菱智能模块PM20CTM060六合一封装，本身具有控制电源欠压锁定、过热保护、过流保护、短路保护。一旦出现保护，送出一个故障信号（F0）。该模块通态损耗、开关损耗均较低，因而散热器尺寸较小。运算控制单元采用ATMEL公司的89C2051高性能价格比单片机[1]，该单片机采用80C31内核指令系统，与MCS-51完全兼容，内含2K Flash用户存储器，编程极为方便。反复编程次数可达1000次以上，数据可保存10年。AT89C2051引脚如图2所示。

该系统的工作原理如下：外部模拟量（温度、电压、界面设定等）经A/D转换后送入89C2051，经运算处理后，求得运行频率，然后转换成预置分频器的倍数，从而控制寻址计数器IC4输入脉冲的频率，从而控制27512已存波形数据的输出速度，达到变频的目的。27512的低11位地址（A0～A10）由计数器寻址，控制具有一定调制度M的SPWM 波形输出。高5位地址（A11～A15）由89C2051直接寻址。控制具有不同M的SPWM波形。因此可选择32种不同调制度的波形。系统的工作状态及环境参数均可由显示单元分类显示。整个显示部分由89C2051的RXD、TXD控制。

由于PM20CTM060功率模块内含驱动单元，故只需光耦隔离，就可以用数字电路进行驱动。

3．控制器电路设计

如图3所示，其中SPWM波形存于27512中，格式见图4。图中211个8位字节存储一个具有固定调制度的SPWM波形。由于SPWM的对称性，211 位只存一个周期的1/2，具体分配方法是：每个字节的0、1、2三位存放三相SPWM的0 ～ p 中的数值，3、4、5三位存放p ～2 p 中的数值，对应的寻址方法是：IC4由0开始计数，IC17相应的1Y1、1Y2、1Y3输出0 ～ p 波形。当211位计满后，半个周期输出完毕，再计一次数时，IC4的Q12输出为1，经反向器驱动IC17的2Y1，2Y2，2Y3输出。这时，存于 27512各字节中档的第3，4，5位的数据开始输出，从而产生SPWM的后半周期。这样反复循环，就可输出一个具有固定频率、固定调制度的波形。一个完整的SPWM波形共由4096个脉冲组成。

变频的原理是改变IC14的分频基数 。就可改变计数脉冲频率，从而改变读完4096个脉冲的时间，达到了变频的目的，

… …
50Hz 1DH
49Hz 1EH
48Hz 1FH
… …
表１． 与 对应关系

其中 为系统时钟频率，本方案取6M， 为由27512读出数据的频率， ， 为变频器的输出频率。显然，变频器的输出频率越高的值越大，而分频系数越小。

同理欲输出35Hz交流电时，可求得 ，总之根据变频的范围，可以按公式列出如下表格（见表１．其中 ）。

为了提高系统的分辨率，可提高系统的振荡频率，一般可使 的频率分辨率达到0.5Hz以下。

调制度M的控制方法是：将27512共分成25共32个区域，每个区域包含211个字节，存储一个具有一定调制度的全周期SPWM波形。存储区一共存储 32个不同M的SPWM波，并将其按M的大小排列，由IC1的P1.3～P1.7寻址，输出频率及调制度的选择由控制算法决定。

控制算法原理如图５所示[2]，控制量R和反馈量Y之差e，以及误差变化率一同输入到模糊控制器进行推理，并对状态的走势进行预测，从而选择恰当的及M，通过计算机寻址及分频，输出一组合适的波形进入下一状态的运行。由于IC1内的Flash存储区只有2k，推理方法主要采用相关法，参数子集和其变化率子集分别选用4维和3维，完全满足一般家电及工业控制的需要。