1.实验目的

（1）了解和熟悉变频器的结构和工作原理。

（2）了解由AT89C51单片机为主控制器的变频调速电路的工作原理，掌握变频器调速电路的安装。

2.实验器材

（1）单片机控制集成触发芯片HEF4752一个。

（2）AT89C51单片机一个。

（3）可编程计数/定时器8253一个。

（4）电感量为50mH，额定电流不小于6.4A的电抗器两个。

（5）2~4μFCZJ系列纸电容（C2）和0.1μF，1000V的电容C1各一个。

（6）RJ系列金属膜电阻两个。

（7）并行输入输出8255芯片和Intel8279专用键盘/显示控制芯片各一个。

（8）锁存器74LS373一个。

（9）7.5kW的小型交流异步电动机一台。

（10）若干个按钮。

（11）MF-500型万用表一个。

（12）电工工具一套。

（13）连接导线若干。

3.实验步骤

（1）系统总体方案设计。

1）设计思路：为了使系统具有较好的动静态性能，满足设计要求，可将整个系统设计为转速单闭环控制系统，采用转差频率调节方式，对转速进行动态调节。

2）考虑到电动机负载为恒转矩负载，在高频段，采用恒比例控制方式来做近似恒磁通控制方式；在低频段，采用恒磁通补偿方法来维持磁通的恒定，实现恒磁通变频调速；当频率高于额定转速时，维持U1=Un，实现恒功率调节。选用集成电路HEF4752产生PWM控制信号，以减轻单片机的负担，使它能够有足够的时间来完成闭环控制、系统检测和保护等任务。

如图7.5所示为交流变频调速系统的总体框图。

图7.5　交流变频调速系统总体框图

3）转差频率控制是一种解决异步电动机电磁转矩控制问题的方法，采用这种调速系统，可以达到直流电动机恒磁通调速系统的性能。如图7.6所示是转差控制系统近似动态结构图。

图7.6　转差频率控制近似动态结构图

（2）系统结构组成。

1）单片机控制系统：单片机控制系统是整个变频调速系统的测控中枢，主要完成对整个变频调速系统的检测、控制和保护等工作。

2）在启动前，单片机对系统进行启动前的检测，在保证电路电压、电流正常，且无电流冲击的情况下才允许启动。正常运行时，单片机控制集成触发芯片HEF4752产生PWM信号的同时，还要完成对转速的检测、PID数字调节运算与处理、监视系统的运行等功能。若系统出现故障，则进行保护处理，并根据检测结果显示相应的故障状态。单片机控制系统还具备了必要的人机交互功能，通过键盘设置或修改系统运行及控制参数。

3）系统主回路：系统主回路是交—直—交电压型变频电路，其结构如图7.7所示。整流采用三相桥式不可控整流器，L1、L2、C0组成滤波电路，R2、C2、VD2三个元件和VD1一起构成尖峰电压吸收电路（又称直流侧阻容吸收电路），用以削弱因逆变器换流而引起的尖峰电压，采用的是GRT三相桥式PWM逆变器。

图7.7　系统主回路电路图

4）器件型号选择：选用MDS型三相整流桥模块，其最大输出电流为40A，最高耐压为1000V。

5）滤波电感主要用来限制电流脉动（PWM变频调速系统不存在电流不连续问题）和短路电流上升率，考虑到电动机和整流变压器存在一定的电感量，取实际的串联电感为100mH。选择2台电感量分别为50mH，额定电流不小于6.4A的电抗器L1、L2串联。

6）C2选择2~4μF-CZJ系列纸电容。C1的耐压值与GRT相同，取C1=0.1μF，1000V的电容。

7）R2的额定功率取为2W，R2选择RJ系列金属膜电阻。R1阻值为100Ω。

8）VD1、VD2选用2CP1G，额定电流0.5A，最高耐压800V。

9）选用晶体管模块QCA50~100A3块，作为大功率开关管。QCA50~100A为两单元组件，c-e极带反向续流二极管，采用绝缘式结构。

（3）逆变器触发电路及接线。

1）逆变器触发电路：逆变器触发单元以AT89C51单片机为核心，由可编程计数/定时器8253、PWM信号发生器HEF4752等组成。采用专用SPWM芯片HEF4752使系统可靠性好，应用方便，编程简单，易于实现。(www.daowen.com)

2）逆变器触发电路及接线原理：AT89C51主要完成控制工作，并向8253输送时间常数和控制字；8253的3个计数器用以产生HEF4752所需的4个时钟输入fVCT、fOCT、fFCT、fRCT。HEF4752是用以产生PWM逆变器的驱动信号，要使其正常工作，必须提供4路时钟信号和4个开关信号。将HEF4752的I端接地，使HEF4752工作在晶体管模式，将K端接+5V电源，使每2路互补信号之间有较大的输出延迟，L端、CW端分别接8255C口的PC1、PC0，这样剩下的只有4个控制端了。逆变器触发电路结构如图7.8所示。

图7.8　逆变器触发电路

（4）连接键盘显示电路及接线。

1）键盘显示电路：键盘/显示电路采用了具有显示器自动扫描、闭合键号自动识别功能的Intel8279专用键盘/显示控制芯片。其最大的键盘配置可达64个，最多可接16位显示器，完全满足系统的要求。8279与AT89C51接口也十分方便。这样既简化了电路的设计，又提高了CPU的工作效率。

2）键盘显示电路及接线原理：8279的中断请求信号IRQ经过反向器与AT89C51的INT1相连。ALE作为8279的时钟信号直接连到其CLK端，由8279设置适当的分频数，分频至100kHz。为了能够精确地显示PID参数、电机转速等系统的运行参数，以及能够详尽地描述系统启动、制动等运行状态，本系统采用共阴极LED显示器。LED的位选线由扫描线SL0~SL3经驱动器提供；短选线OUTB0~OUTB3、OUTA0~OUA3经驱动器提供。

（5）转速测量电路。

在本系统中采用M/T法测量电机的转速。

M/T法测速是在对反映转角的光电脉冲发生器输出脉冲个数m1进行计数的同时，对基准高频的个数m2也进行计数。m1反映电机转速，m2反映测速时间，通过程序可算出速度反馈需要的转速n。若频率固定的高频脉冲为fϕ，光码盘每转发出p个脉冲，则电机转速：

该方法在高速和低速都具有较高的精度和线性度。

（6）系统软件。

系统的主程序如图7.9所示。

图7.9　系统主程序框图

1）先进行芯片初始化。

2）然后清理系统工作区（即初始化工作区）。

3）开放AT89C51外部中断。

4）启动软件定时器10ms（采样周期）。

系统初始化完毕后，进入控制循环，即：

1）显示转速。

2）中断服务。

3）可逆切换程序。

4）输出控制量。

5）显示转速。

外部中断服务程序的功能比较简单，只视作为电机转速的显示与控制，当外部中断发生时，首先通过74LS373使8253关断，然后清除其中的数据，封锁HEF4752完成停止电动机的过程。

（7）变频调速控制。

1）单片机定时对频率给定信号进行采样，经单片机AT89C51数字处理为适合8253可编程计数器，由单片机送出计数常数至8253后，便产生相应频率的方波信号。单片机一旦改变送出的计数常数，即可改变8253输出的方波信号频率。这个方波信号可作为PWM芯片HEF4752的时钟输入信号FCT。因此调节频率给定信号，改变8253的计数常数，则改变了HEF4752的时钟输入FCT的频率，从而改变逆变器输出频率，实现电动机的变频调速。

2）FCT端为频率控制端，VCT端为电压控制端，逆变器的输出频率和电压就是通过控制2个端输入的方波信号频率来控制。而电动机转速的调节是通过调频，调压实现的。所以，必须在转差调节器与HEF4752之间正比的方波信号为FCT和VCT时钟信号。

3）HEF4752集成电路输出3对互补的脉宽调制驱动波形，并驱动三相逆变桥功率元件产生对称的三相输出。当控制输入端I为高、低电平时，驱动晶体管逆变器。输入端CW用于控制相序，当CW为高电平时，相序为RYB；为低电平时，相序为RBY，控制电机的旋转方向。而输入端L为低电平时，封锁所有的脉宽调制驱动输出，不但控制电机的启停，还可进行过流保护。

4）三相PWM输出波形的频率、电压和每周期的脉冲数，分别由FCT、VCT、OCT时钟输入决定，其输入由AT89C51改变计数常数，经可编程计数器8253输出方波信号获得。

5）32位数码管显示和四乘五键盘矩阵。32位数码显示包括6位时间、4位给定转速、4位实际转速、4位运行频率、2位运行指示和1个3位运行电压、3个3位运行电流系统由8279构成。0~9个数字键、8个功能键、2个备用键等构成键盘矩阵。8255中PC1与PC0两个并行输入输出接口作为HEF4752的控制信号。

6）AT89C51单片机通过74LS373锁存与74LS138驱动后控制8253与HEF4752来实现电动机的启停控制与正反转控制。

7）电机转速测量：脉冲发生器采用红外线发射及接收器件TLP947，在电机的转轴上应有黑、白相间的条纹铝环。当铝环随电机转动时，由TLP947作为脉冲发生器可以产生一系列脉冲，单片机则可使用M/T法测量电机的转速。

8）采用AT89C51单片机和PWM集成电路HEF4752相结合组成PWM变频调速系统线路简单、结构紧凑，对提高调速系统可靠型和降低成本有较大的现实意义。

4.实验报告

（1）分析实验中的故障原因，总结检查调试过程。

（2）掌握变频器的结构和工作原理。

（3）熟悉变频调速电路的工作原理。

电动机调速系统采用单片机作为控制器，是电气传动发展的主要方向之一。本设计采用AT89C51单片机及相关接口芯片，实现了对交流异步电动机的变频调速控制，整个系统实现数字化，具有可靠性高、维修方便等特点，转速精度和各项静态指标均能满足工业生产的标准，具有良好的应用前景。