變頻電源的控制與設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）院 (系)： 電子信息學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 電氣11003班 指導(dǎo)教師： 余仕求 輔導(dǎo)教師： 余仕求 時(shí) 間： 2014年3月3日至2014年5月30日 XI目錄長(zhǎng)江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(shū)I畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))開(kāi)題報(bào)告III長(zhǎng)江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))評(píng)閱教師評(píng)語(yǔ)XI長(zhǎng)江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))答辯記錄及成績(jī)?cè)u(píng)定XI1緒論11.1前言11.2選題背景21.2.1本課題研究的目的和意義21.2.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)與研究的主攻方向21.3本文概述52 系統(tǒng)原理分析52.1變頻電源的方案論證52.2交流-直流-交流變頻器的基本原理62.3 正弦脈寬調(diào)制（SPWM）原理82.3.1 單相橋式

2、雙極性SPWM模式92.3.2 三相橋式SPWM模式103硬件設(shè)計(jì)113.1主電路設(shè)計(jì)113.2控制電路設(shè)計(jì)133.2.1SA4828芯片介紹133.2.2控制原理144系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)154.1系統(tǒng)流程154.2寄存器參數(shù)設(shè)定164.2.1初始化寄存器164.2.3初始化舉例184.2.4控制程序195總結(jié)19參考文獻(xiàn)20致 謝21長(zhǎng)江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(shū)學(xué) 1 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：變頻電源控制與設(shè)計(jì)2 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）起止時(shí)間：2014年3月3日 5月30日3 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)所需資料及原始數(shù)據(jù)（指導(dǎo)教師選定部分）(1) 教材：電力電子技術(shù)(2) 正弦電源頻率1550HZ；電壓101

3、00V；功率100W；4 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)應(yīng)完成的主要內(nèi)容(1) 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與分析(2) 系統(tǒng)控制功能分析及控制方案設(shè)計(jì)(3) 電源參數(shù)及性能分析與改進(jìn)措施5 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的目標(biāo)及具體要求 學(xué)生通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，掌握變頻電源工作原理及設(shè)計(jì)方法；能夠運(yùn)用已學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)和專業(yè)技術(shù)分析實(shí)際問(wèn)題，設(shè)計(jì)電路，進(jìn)行參數(shù)計(jì)算；鍛煉分析問(wèn)題的能力，培養(yǎng)認(rèn)真、刻苦鉆研的科學(xué)作風(fēng)，提高自學(xué)和實(shí)際動(dòng)手能力，提高論文寫(xiě)作水平和英語(yǔ)閱讀理解能力。6 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)所需的條件及上機(jī)時(shí)數(shù)要求(1) 逆變實(shí)驗(yàn)裝置(2) 電子元件及控制線路板(3) 上機(jī)機(jī)時(shí)：80任務(wù)書(shū)批準(zhǔn)日期 2014 年 2 月 20

4、日 教研室(系)主任(簽字) 任務(wù)書(shū)下達(dá)日期 2014 年 2 月 27 日 指導(dǎo)教師(簽字) 完成任務(wù)日期 2014 年 5 月 30 日 學(xué)生（簽名） 長(zhǎng)江大學(xué) 指 導(dǎo) 教 師 變控頻電源計(jì)制與設(shè)教師的科研項(xiàng)目，生產(chǎn)社會(huì)實(shí)際，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等2研究目的和意義變頻器電源主要用于交流電機(jī)的變頻調(diào)速，其在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要，已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過(guò)整流器變成固定的直流電壓，然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器， 將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出，電源輸出波形近似于正弦波，用于驅(qū)動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。變頻

5、變壓電源，是將市電通過(guò)功率變換電路轉(zhuǎn)變?yōu)樗枰碾妷汉皖l率的一種電源，如今已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，比如：（1）各種進(jìn)口設(shè)備。各國(guó)的工頻電形式不同，如美國(guó)采用120V60Hz交流電，同本采用110V60Hz交流，臺(tái)灣110V60Hz，英國(guó)240V50Hz，這使得進(jìn)口設(shè)備在國(guó)內(nèi)運(yùn)行必須通過(guò)變頻變壓供電；（2）交流電機(jī)調(diào)速。交流電機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速平滑、調(diào)速范圍寬、效率高、特性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械特性硬、保護(hù)功能齊全、運(yùn)行平穩(wěn)安全可靠、在生產(chǎn)過(guò)程中能獲得最佳速度參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，是理想的調(diào)速方式。且有數(shù)據(jù)表明，交流電機(jī)用于風(fēng)機(jī)、水泵全額運(yùn)行時(shí)，采用變頻調(diào)速能節(jié)電30，因此這也是國(guó)家重點(diǎn)推廣

6、的技術(shù)；（3）風(fēng)力發(fā)電。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)軸直接連接到風(fēng)輪上，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而改變，所產(chǎn)生的交流電頻率也隨之變化。需采用大功率電力電子變流器，將其整流為直流電，再逆變成與電網(wǎng)頻率相同的交流電輸出。通過(guò)中間電力電子環(huán)節(jié)，可對(duì)系統(tǒng)有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，最大效率的利用風(fēng)能；（4）實(shí)驗(yàn)室、航空、軍事、鐵路等特殊場(chǎng)合。變頻電源以其低損耗、高效率、電路簡(jiǎn)潔等顯著優(yōu)點(diǎn)而受到人們的青睞。近年來(lái)隨著工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，人們對(duì)變頻電源的需求與日劇增，變頻電源的研發(fā)、生產(chǎn)已發(fā)展成為前景十分誘人的新興產(chǎn)業(yè)。3閱讀的主要參考文獻(xiàn)及資料名稱1聶漢平.電力電子技術(shù)【M】.湖北：華中科

7、技大學(xué)出版社，2007.2丁道宏.電力電子技術(shù)【M】.北京：航空工業(yè)出版社，2002.3王兆安.電力電子技術(shù)【M】.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.4王樹(shù).變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用【M】.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.4國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)與研究的主攻方向4.1國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀（1） 國(guó)產(chǎn)高壓變頻器功率越做越大，目前國(guó)內(nèi)最大能做到8000kw（2） 與發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)差距在縮小，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品正應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中（3） 已經(jīng)研制出具有瞬時(shí)掉電再恢復(fù)，故障再恢復(fù)等功能的變頻器（4） 部分廠家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出四象限運(yùn)行的高壓變頻器（5） 矢量控制的高壓變頻器已經(jīng)在應(yīng)用（6） 具有研發(fā)能力和產(chǎn)業(yè)規(guī)模的企業(yè)逐年

8、增加 4.2國(guó)外現(xiàn)狀高壓變頻器國(guó)外主流供應(yīng)廠商主要有西門子，羅賓康，羅克韋爾（AB）及ABB等。以西門子為代表的國(guó)外品牌占據(jù)大量和為大型工程配套的高端市場(chǎng)。國(guó)外各大品牌的變頻器生產(chǎn)商，均形成了系列化的產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)也已實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化。矢量控制功能和完善的工藝水平是國(guó)外品牌的一大特點(diǎn)。技術(shù)開(kāi)發(fā)起步早，并具有相當(dāng)大的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模；能夠提供特大功率的變頻器，目前已超過(guò)20000kw；具備成熟的變頻器用功率器件生產(chǎn)技術(shù)，如IGBT, IGCT, SGCT等；創(chuàng)新技術(shù)，新工藝層出不窮，并大量和快速地運(yùn)用于產(chǎn)品中，采用輸入多脈波整流，輸出H橋逆變疊加多電平輸出，逆變單元使用通用模塊，無(wú)需輸入，輸出濾波器即

9、可以控制高壓異步電機(jī)與同步高壓電機(jī)；采用輸入多脈波整流，輸出E橋逆變疊加多電平輸出，逆變單元使用高壓模塊，需輸入，輸出濾波器即可以控制高壓異步電機(jī)與高壓同步電機(jī)。大功率交-交變頻調(diào)速技術(shù)：法國(guó)阿爾斯通已能提供單機(jī)容量達(dá)3萬(wàn)kw的電氣傳動(dòng)設(shè)備用于船舶推進(jìn)系統(tǒng)。大功率無(wú)換向器電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)：ABB公司提供了單機(jī)容量為6萬(wàn)kw的設(shè)備用于抽水蓄能電站。中功率變頻調(diào)速技術(shù)：西門子公司Simovert A電流型晶閘管變頻調(diào)速設(shè)備（102600kw）和Simovert P GTO PWM變頻調(diào)速設(shè)備（100900kw)。小功率交流變頻調(diào)速技術(shù)：日本富士BJT變頻器最大單機(jī)容量可達(dá)700kw。4.3變頻器的

10、發(fā)展趨勢(shì) 變頻器技術(shù)是強(qiáng)弱電混合，機(jī)電一體的）綜合性技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換（整流，逆變），又要處理信息的收集，變換和傳輸，因此它的共性技術(shù)必定分成功率和控制兩大部分。前者要解決與高壓大電流有關(guān)的技術(shù)問(wèn)題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問(wèn)題，后者要解決基于現(xiàn)代控制理論的控制策略和智能控制策略的硬，軟件開(kāi)發(fā)問(wèn)題。（1）實(shí)現(xiàn)高水平的控制。（2）開(kāi)發(fā)清潔電能的變頻器。（3）縮小裝置的尺寸。（4）高速度的數(shù)字控制。4.4變頻電源正朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展：（1）高頻化電氣設(shè)備的變壓器、電容和電感的體積、重量與供電頻率的平方根戰(zhàn)反比，當(dāng)我們把頻率提高，設(shè)備的體積、重量將顯著下降。因此提高電子器件工作頻率能帶

11、來(lái)顯著的節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約成本的經(jīng)濟(jì)效益。（2）模塊化由于頻率的不斷提高，導(dǎo)致引線寄生電感、寄生電容的影響越發(fā)嚴(yán)重，產(chǎn)生過(guò)電壓、過(guò)電流毛刺等問(wèn)題。為增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，許多廠商開(kāi)發(fā)了用戶專用功率模塊，將一臺(tái)整機(jī)以集成芯片的形式安裝到一個(gè)模塊中，使元器件之間不再由傳統(tǒng)的引線連接，以達(dá)到優(yōu)化的效果。（3）數(shù)字化隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的日趨完善，基于數(shù)字技術(shù)的電力電子技術(shù)逐漸取代了原來(lái)基于模擬電路的技術(shù)，并顯示出其優(yōu)勢(shì)：便于計(jì)算機(jī)處理控制、減小雜散信號(hào)的干擾、避免模擬信號(hào)的畸變失真，也便于自診斷、容錯(cuò)技術(shù)的植入。（4）綠色化許多功率電子節(jié)電設(shè)備，常常容易形成對(duì)電網(wǎng)的污染，向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的高次諧波電流，從而

12、降低總功率因子，使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰，甚至出現(xiàn)缺角和畸變。因此電源系統(tǒng)的綠色化不僅是要顯著節(jié)電，減少對(duì)環(huán)境的污染，還應(yīng)規(guī)定該電源不能(或少)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)對(duì)此已制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)，如IEC555、IECl000、IEC917等。5主要研究?jī)?nèi)容，需重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問(wèn)題及解決思路5.1本文研究?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)一個(gè)電源，使其輸出正弦電源頻率1550Hz; 電壓10100v; 功率100w5.2關(guān)鍵問(wèn)題及解決思路5.2.1主電路首先明確交流電的概念：是指電壓方向改變的電壓由于工頻電是220v,50Hz的正弦交流電，因此首先面對(duì)的問(wèn)題是變頻和調(diào)壓。雖然交交變頻原理簡(jiǎn)單，能量變換直接，

13、效率高，但其主電路復(fù)雜，可控器件多，觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路就會(huì)復(fù)雜，只適合大容量場(chǎng)合應(yīng)用，故選擇交直交變頻。我們首先用一個(gè)整流電路得到直流電源，再將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，這樣解決了變頻問(wèn)題。我們采用可控整流，根據(jù)需要調(diào)整控制角來(lái)改變直流電壓。這樣輸出了一個(gè)方波脈沖的交流電，通過(guò)調(diào)壓改變脈沖的幅值，通過(guò)逆變器改變脈沖的頻率（PAM）。但由于此種方式之下輸出波形是矩形波，有很大的諧波成分。為此我們要在此基礎(chǔ)之上改善輸出波形。我們用一連串很窄的矩形脈沖代替一個(gè)寬的矩形脈沖，由于中間存在沒(méi)有脈沖的間隔，因此平均電壓降低了。脈沖窄而間隔大，平均電壓就低些，脈沖寬而間隔小，平均電壓就高些。利用調(diào)壓能力構(gòu)造一個(gè)正弦交流

14、正半周和負(fù)半周，實(shí)現(xiàn)波形改善。在輸出波形的每個(gè)半周中，將占空比由小變大再由大變小就行，改變最大電壓時(shí)的脈沖寬度，就改變了平均電壓的幅值實(shí)現(xiàn)了調(diào)壓。改變脈沖寬度變化的快慢就改變了輸出頻率實(shí)現(xiàn)了變頻。至于正負(fù)半波的轉(zhuǎn)換，依靠?jī)山M反并聯(lián)器件完成。5.2.2控制電路上述脈沖的實(shí)現(xiàn)（采用SPWM控制） SPWM波形（Sinusodial PWM）就是脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形。產(chǎn)生SPWM波的原理是:用一組等腰三角形與一個(gè)正弦波進(jìn)行比較，其相交的時(shí)刻（即交點(diǎn)）作為開(kāi)關(guān)管“開(kāi)”或“關(guān)”的時(shí)刻，這組等腰三角形成為載波， 圖2 SPWM波形成原理而正弦波成為調(diào)制波，如圖所示。正弦波的頻

15、率和幅值是可控制的，改變正弦波的頻率，就可以改變電源輸出電壓的頻率，改變正弦波的幅值，也改變了正弦波與載波的交點(diǎn)，使得輸出脈沖系列的寬度發(fā)生變化，從而改變電源輸出電壓的大小。6完成畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)所必須具備的工作條件（如工具書(shū)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、某類市場(chǎng)調(diào)研、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件等）及解決的辦法(1) 逆變實(shí)驗(yàn)裝置(2) 電子元件及控制線路板(3)大量變頻的書(shū)及文獻(xiàn)7工作的主要階段、進(jìn)度與時(shí)間安排3.264.1 開(kāi)題 查閱收集資料4.24.8 研究本課題任務(wù) 整理分析資料并完成開(kāi)題報(bào)告4.94.15 了解變頻電源基礎(chǔ)知識(shí) 4.164.22 確定本設(shè)計(jì)方案 引言及方案論證部分4.234.29 電

16、路設(shè)計(jì)4.305.6 電路設(shè)計(jì)5.75.13 電路設(shè)計(jì)5.145.20 電路設(shè)計(jì)5.215.27 計(jì)算機(jī)繪圖5.286.3 撰寫(xiě)論文6.46.10 完成論文6.116.17 答辯準(zhǔn)備及答辯8指導(dǎo)教師審查意見(jiàn)評(píng)審意見(jiàn)：指導(dǎo)教師簽名： 評(píng)定成績(jī)（百分制）：_分（注：此頁(yè)不夠，請(qǐng)轉(zhuǎn)反面） 評(píng)閱教師職 稱評(píng)閱日期評(píng)閱參考內(nèi)容：畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))的研究?jī)?nèi)容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平，存在的主要問(wèn)題與不足。學(xué)生掌握基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)的情況，解決實(shí)際問(wèn)題的能力，畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))是否完成規(guī)定任務(wù)，達(dá)到了學(xué)士學(xué)位論文的水平，是否同意參加答辯。評(píng)語(yǔ)：評(píng)閱教師簽名： 評(píng)定成績(jī)（百分制）：_分長(zhǎng)江大學(xué)畢

17、業(yè)論文(設(shè)計(jì))評(píng)閱教師評(píng)語(yǔ)（注：此頁(yè)不夠，請(qǐng)轉(zhuǎn)反面）長(zhǎng)江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))答辯記錄及成績(jī)?cè)u(píng)定變頻電源的控制與設(shè)計(jì)【摘要】全數(shù)字化控制技術(shù)是正弦電源的發(fā)展趨勢(shì)，與模擬正弦電源相比，它具有硬件電路簡(jiǎn)單，載波頻率高，調(diào)試方便和設(shè)計(jì)周期短等優(yōu)點(diǎn)。本文利用微處理器作為控制器，結(jié)合專用的SPWM集成電路，設(shè)計(jì)三相SPWM變頻電源。 系統(tǒng)主電路形式采用AC-DC-AC結(jié)構(gòu)，逆變部分選用IGBT單元模塊加上并聯(lián)緩沖電路。輸入采用三相全波不可控整流電路，將三相工頻電整流成脈動(dòng)的直流電（），省去了同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路，簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)與控制，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)。將上述產(chǎn)生的脈動(dòng)直流電作為電源，為三相橋式

18、SPWM逆變電路供電，使之逆變成三相交流電。系統(tǒng)控制電路由 MCS-51系列的 8051 單片機(jī)和SA4828 三相 SPWM 產(chǎn)生器及少量的擴(kuò)展外圍芯片構(gòu)成，通過(guò)向相應(yīng)的控制寄存器寫(xiě)控制字就可實(shí)現(xiàn)變頻電源的全數(shù)字化控制。【關(guān)鍵詞】 SPWM；AC-DC-AC；IGBT；8051單片機(jī)；SA4828；變頻電源The control and design of inverter power supply【Abstract】 Full digital control technology is the development trend of sinusoidal power supply, co

19、mpared with analog sinusoidal power supply, it has a simple hardware circuit, high carrier frequency, debugging convenient and the advantages of short design cycle. In this paper, by using a microprocessor as a controller, combined with the SPWM application specific integrated circuit, design of thr

20、ee-phase SPWM inverter.The main circuit of the system uses the AC-DC-AC structure, the inverter part selects IGBT unit module and parallel buffer circuit. The input uses three-phase full wave uncontrolled rectifying circuit, improve the power factor of the system. System control circuit is composed

21、of 8051 chip microprocessor of MCS-51 series and SA4828 three-phase SPWM generator and a few peripheral chips, the system realizes the full digital control of variable frequency power supply.【Key words】SPWM; AC-DC-AC; IGBT; 8051; SA4828; variable frequency power supply 致 謝變頻電源的控制與設(shè)計(jì)1緒論1.1前言隨著電力

22、工業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的用電設(shè)備對(duì)電源的性能提出了更高的要求，迫切需要輸出電壓穩(wěn)定但頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)的三相電源。變頻器電源主要用于交流電機(jī)的變頻調(diào)速，其在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要，已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過(guò)整流器變成固定的直流電壓，然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器，將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出，電源輸出波形近似于正弦波，用于驅(qū)動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。變頻變壓電源，是將市電通過(guò)功率變換電路轉(zhuǎn)變?yōu)樗枰碾妷汉皖l率的一種電源，如今已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，比如：（1） 各種進(jìn)口設(shè)備。各國(guó)的

23、工頻電形式不同，如美國(guó)采用120V60Hz交流電，同本采用110V60Hz交流，臺(tái)灣110V60Hz，英國(guó)240V50Hz，這使得進(jìn)口設(shè)備在國(guó)內(nèi)運(yùn)行必須通過(guò)變頻變壓供電；（2） 交流電機(jī)調(diào)速。交流電機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速平滑、調(diào)速范圍寬、效率高、特性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械特性硬、保護(hù)功能齊全、運(yùn)行平穩(wěn)安全可靠、在生產(chǎn)過(guò)程中能獲得最佳速度參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，是理想的調(diào)速方式。且有數(shù)據(jù)表明，交流電機(jī)用于風(fēng)機(jī)、水泵全額運(yùn)行時(shí)，采用變頻調(diào)速能節(jié)電30，因此這也是國(guó)家重點(diǎn)推廣的技術(shù)；（3） 風(fēng)力發(fā)電。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)軸直接連接到風(fēng)輪上，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而改變，所產(chǎn)生的交流電頻率也隨之變化。需采用大功率電力電子

24、變流器，將其整流為直流電，再逆變成與電網(wǎng)頻率相同的交流電輸出。通過(guò)中間電力電子環(huán)節(jié)，可對(duì)系統(tǒng)有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，最大效率的利用風(fēng)能；（4） 實(shí)驗(yàn)室、航空、軍事、鐵路等特殊場(chǎng)合。變頻電源以其低損耗、高效率、電路簡(jiǎn)潔等顯著優(yōu)點(diǎn)而受到人們的青睞。近年來(lái)隨著工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，人們對(duì)變頻電源的需求與日劇增，變頻電源的研發(fā)、生產(chǎn)已發(fā)展成為前景十分誘人的新興產(chǎn)業(yè)。1.2選題背景1.2.1本課題研究的目的和意義人類已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，并正在轉(zhuǎn)入高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的時(shí)期。電源是向負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)電能的供電設(shè)備，是工業(yè)的基礎(chǔ)。電源技術(shù)是一種涉及功率半導(dǎo)體器件，綜合電力變換技術(shù)，現(xiàn)

25、代電子技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)等多學(xué)科的邊緣交叉技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電源技術(shù)又與現(xiàn)代控制理論，材料科學(xué)，電機(jī)工程，微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)。在現(xiàn)代通信，電子儀器，計(jì)算機(jī)，工業(yè)自動(dòng)化，電力工程，國(guó)防及某些高新技術(shù)中發(fā)揮著重要作用。當(dāng)代許多高新技術(shù)均與電源的電壓，電流，頻率，相位和波形等基本參數(shù)的變換和控制相關(guān)，電源技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)這些參數(shù)的精確控制和高效率的處理，特別是能夠?qū)崿F(xiàn)大功率電能的頻率變換，從而為多項(xiàng)高新技術(shù)的發(fā)展提供有力的支持。因此，電源技術(shù)不但本身是一項(xiàng)高新技術(shù)，而且還是其他多項(xiàng)高新技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)。電源技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展必將為大幅度的節(jié)約電能，降低材料消耗以及提高生產(chǎn)效率提供

26、重要的手段，并為現(xiàn)代生產(chǎn)和現(xiàn)代生活帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。電源如今已是非常重要的基礎(chǔ)科技和產(chǎn)業(yè)，從日常生活到尖端科技，都離不開(kāi)電源技術(shù)的參與和支持，電源技術(shù)也正是在這種環(huán)境中一步步發(fā)展起來(lái)的。有資料表明，受資金，技術(shù)，能源價(jià)格的影響，我國(guó)能源利用效率比發(fā)達(dá)國(guó)家低很多。由此可見(jiàn)，在我國(guó)電源系統(tǒng)將有巨大的市場(chǎng)潛能。在電力電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及自動(dòng)能夠控制技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，電源技術(shù)正面臨著一場(chǎng)歷史性的革命。1.2.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)與研究的主攻方向國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀（1） 國(guó)產(chǎn)高壓變頻器功率越做越大，目前國(guó)內(nèi)最大能做到8000kw（2） 與發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)差距在縮小，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品正應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中（

27、3） 已經(jīng)研制出具有瞬時(shí)掉電再恢復(fù)等功能的變頻器（4） 部分廠家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出四象限運(yùn)行的高壓變頻器（5） 矢量控制的高壓變頻器已經(jīng)在應(yīng)用（6） 具有研發(fā)能力和產(chǎn)業(yè)規(guī)模的企業(yè)逐年增加 國(guó)外現(xiàn)狀高壓變頻器國(guó)外主流供應(yīng)廠商主要有西門子，羅賓康，羅克韋爾（AB）及ABB等。以西門子為代表的國(guó)外品牌占據(jù)大量和為大型工程配套的高端市場(chǎng)。國(guó)外各大品牌的變頻器生產(chǎn)商，均形成了系列化的產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)也已實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化。矢量控制功能和完善的工藝水平是國(guó)外品牌的一大特點(diǎn)。技術(shù)開(kāi)發(fā)起步早，并具有相當(dāng)大的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模；能夠提供特大功率的變頻器，目前已超過(guò)20000kw；具備成熟的變頻器用功率器件生產(chǎn)技術(shù)，如IGBT, I

28、GCT, SGCT等；創(chuàng)新技術(shù)，新工藝層出不窮，并大量和快速地運(yùn)用于產(chǎn)品中，采用輸入多脈波整流，輸出H橋逆變疊加多電平輸出，逆變單元使用通用模塊，無(wú)需輸入，輸出濾波器即可以控制高壓異步電機(jī)與同步高壓電機(jī)；采用輸入多脈波整流，輸出E橋逆變疊加多電平輸出，逆變單元使用高壓模塊，需輸入，輸出濾波器即可以控制高壓異步電機(jī)與高壓同步電機(jī)。大功率交-交變頻調(diào)速技術(shù)：法國(guó)阿爾斯通已能提供單機(jī)容量達(dá)3萬(wàn)kw的電氣傳動(dòng)設(shè)備用于船舶推進(jìn)系統(tǒng)。大功率無(wú)換向器電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)：ABB公司提供了單機(jī)容量為6萬(wàn)kw的設(shè)備用于抽水蓄能電站。中功率變頻調(diào)速技術(shù)：西門子公司Simovert A電流型晶閘管變頻調(diào)速設(shè)備（1026

29、00kw）和Simovert P GTO PWM變頻調(diào)速設(shè)備（100900kw).小功率交流變頻調(diào)速技術(shù)：日本富士BJT變頻器最大單機(jī)容量可達(dá)700kw。變頻器的發(fā)展趨勢(shì) 變頻器技術(shù)是強(qiáng)弱電混合，機(jī)電一體的綜合性技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換（整流，逆變），又要處理信息的收集，變換和傳輸，因此它的共性技術(shù)必定分成功率和控制兩大部分。前者要解決與高壓大電流有關(guān)的技術(shù)問(wèn)題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問(wèn)題，后者要解決基于現(xiàn)代控制理論的控制策略和智能控制策略的硬，軟件開(kāi)發(fā)問(wèn)題。（1） 實(shí)現(xiàn)高水平的控制。（2） 開(kāi)發(fā)清潔電能的變頻器。（3） 縮小裝置的尺寸。（4） 高速度的數(shù)字控制。變頻電源正朝著以下幾個(gè)

30、方向發(fā)展：（1）高頻化電氣設(shè)備的變壓器、電容和電感的體積、重量與供電頻率的平方根成反比，當(dāng)我們把頻率提高，設(shè)備的體積、重量將顯著下降。因此提高電子器件工作頻率能帶來(lái)顯著的節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約成本的經(jīng)濟(jì)效益。（2）模塊化由于頻率的不斷提高，導(dǎo)致引線寄生電感、寄生電容的影響越發(fā)嚴(yán)重，產(chǎn)生過(guò)電壓、過(guò)電流毛刺等問(wèn)題。為增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，許多廠商開(kāi)發(fā)了用戶專用功率模塊，將一臺(tái)整機(jī)以集成芯片的形式安裝到一個(gè)模塊中，使器件之間不再由傳統(tǒng)的引線連接，以達(dá)到優(yōu)化的效果。(3)數(shù)字化 隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的日趨完善，基于數(shù)字技術(shù)的電力電子技術(shù)逐漸取代 了原來(lái)基于模擬電路的技術(shù)，并顯示出其優(yōu)勢(shì)：便于計(jì)算機(jī)處理控制、減少

31、雜散信 號(hào)的干擾、避免模擬信號(hào)的畸變失真，也便于自診斷、容錯(cuò)技術(shù)的植入。(4)綠色化許多功率電子節(jié)電設(shè)備，常常容易形成對(duì)電網(wǎng)的污染，向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的搞次諧波電流從而降低總功率因子，使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰，甚至出現(xiàn)缺角和畸變。因此電源系統(tǒng)的綠色化不僅是要顯著節(jié)能，減少對(duì)環(huán)境的污染，還應(yīng)規(guī)定該電源不能（或少）對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）對(duì)此已經(jīng)制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)，如IEC555、IEC1000、IEC917等。1.3本文概述本文設(shè)計(jì)了一種全數(shù)字化變頻電源，輸入電路采用三相全波不可控整流電路，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，逆變電路由絕緣柵雙極晶體管(IGBT)組成，控制電路采用MCS-51系列

32、的8051單片機(jī)作為主控制器。利用MITEL（加拿大敏迪網(wǎng)絡(luò)公司）公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型三相脈沖調(diào)制波發(fā)生器SA4828來(lái)生成三相SPWM波，電壓反饋顯示電路采用A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809作為接口芯片。在此變頻電源系統(tǒng)中，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，利用單片機(jī)先將SA4828復(fù)位，再利用數(shù)據(jù)的輸入模塊，輸入系統(tǒng)的初始化參數(shù)以及各種控制參數(shù)，即可得到需要的SPWM波形，以控制逆變器的工作，并且在工作狀態(tài)下，利用單片機(jī)不斷查詢輸出狀態(tài)，隨時(shí)調(diào)整SPWM的輸出，以滿足工作的要求。2 系統(tǒng)原理分析2.1變頻電源的方案論證變頻器通常有主電路、控制電路組成。主電路包括整流電路、逆變電路和直流中間電路，其中整

33、流電路將交流電變換成直流電；直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波；逆變電路將中間環(huán)節(jié)輸出的直流電轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都可調(diào)的交流電（varible voltage varible frequency）。控制電路包括主控制電路、信號(hào)檢測(cè)電路、開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路、外部接口電路以及保護(hù)電路，其功能是將檢測(cè)電路得到的各種信號(hào)送到運(yùn)算電路，使運(yùn)算電路能夠根據(jù)驅(qū)動(dòng)要求為變頻器主電路提供必要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。變頻器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。整流電路逆變電路ACDCAC控制電路中間環(huán)節(jié)運(yùn)行指令圖1 變頻器基本結(jié)構(gòu)（1） 交交變頻原理簡(jiǎn)單，能量變換直接，效率高，但其主電路復(fù)雜，可控器件多，觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路就會(huì)復(fù)雜，只適合大容量

34、場(chǎng)合應(yīng)用。（2） 交流-直流-交流變頻器是目前被廣為應(yīng)用的變頻器。它先將恒壓恒頻的交流電通過(guò)整流器變換成直流電，再通過(guò)逆變器將直流電變成可控交流電的間接型變頻電路。2.2交流-直流-交流變頻器的基本原理按照控制方式的不同，交流-直流-交流變頻器可分為以下四種方式1。（1） 采用可控整流調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的方式，其結(jié)構(gòu)框圖如圖。在該裝置中，調(diào)壓和調(diào)頻分別在兩個(gè)環(huán)節(jié)上完成，要求兩者在控制電路中協(xié)調(diào)配合，器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。其缺點(diǎn)是在整流環(huán)節(jié)采用了晶閘管整流器，當(dāng)電壓調(diào)的較低時(shí)，電網(wǎng)端功率因數(shù)較低。此時(shí)逆變器通常也是由晶閘管組成的，每個(gè)周期換相6次，因此輸出的諧波較大。這類控制方式現(xiàn)在采用較少。逆

35、變器可控整流器ACDC AC中間直流環(huán)節(jié) 調(diào)壓調(diào)頻圖2 可控整流器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的結(jié)構(gòu)圖（2） 采用不可控整流器整流、斬波器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的控制方式，其結(jié)構(gòu)圖如圖。該裝置中有三個(gè)環(huán)節(jié)，整流器由二極管組成，只整流不調(diào)壓；調(diào)壓環(huán)節(jié)由斬波器單獨(dú)進(jìn)行，用脈寬調(diào)制方式，這種方法克服了功率因數(shù)較低的缺點(diǎn)。但由于系統(tǒng)輸出逆變環(huán)節(jié)不變，所以仍有較大的諧波。不可控整流逆變器斬波器ACDC AC調(diào)壓調(diào)頻圖3 不可控整流器整流、斬波器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的結(jié)構(gòu)框圖（3） 采用不可控整流器整流、PWM逆變器同時(shí)調(diào)壓調(diào)頻的控制方式，其結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。這種方法較好地解決輸入功率因數(shù)較低和輸出諧波大的問(wèn)題。PWM逆變器采

36、用全控式電力電子開(kāi)關(guān)器件，因此輸出的諧波大小取決于PWM的開(kāi)關(guān)頻率及控制方式。不可控整流器PWM逆變器ACDCAC 中間直流環(huán)節(jié) 調(diào)壓調(diào)頻圖4 不可控整流器整流、脈寬調(diào)制逆變器調(diào)壓、調(diào)頻的結(jié)構(gòu)框圖（4） 采用PWM可控整流、PWM逆變器調(diào)壓調(diào)頻的控制方式，其結(jié)構(gòu)圖如圖所示。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，全數(shù)字系統(tǒng)使PWM控制非常容易，例如TMS320F240有12路PWM接口，可以方便地設(shè)計(jì)雙PWM變頻器，不僅在逆變環(huán)節(jié)采用PWM控制，其整流部分也采用PWM可控整流。因此，可以控制整個(gè)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的諧波污染非常低，同時(shí)具有較高的功率因數(shù)。不僅如此，通過(guò)PWM控制還可以使系統(tǒng)進(jìn)行再生制動(dòng)。PWM逆變器

37、PWM可控整流器 AC DC AC中間直流環(huán)節(jié) VVVF調(diào)壓調(diào)頻圖5 PWM整流器整流、PWM逆變器調(diào)壓調(diào)頻的結(jié)構(gòu)框圖在交流直流交流變頻器中，當(dāng)中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波時(shí)，直流電壓電壓波形比較平直，在理想情況下是一個(gè)內(nèi)阻抗為零的恒壓源，輸出的電壓波形是矩形波或階梯波，這類變頻器稱為電壓型變頻器?？紤]到本設(shè)計(jì)容量不是很高，盡可能提高功率因數(shù)，盡可能減少諧波，盡可能使設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)化，本設(shè)計(jì)采用不可控整流器整流、脈寬調(diào)制逆變器調(diào)壓、調(diào)頻的電壓型變頻器。2.3 正弦脈寬調(diào)制（SPWM）原理PWM(Pluse Width Modulation)控制1就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬

38、度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形。SPWM波形(Sinusoidal PWM)就是脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦渡等效的PWM波形。 產(chǎn)生SPWM波的原理是：用一組等腰三角波與一個(gè)正弦渡進(jìn)行比較，其相交的時(shí)刻(即交點(diǎn))作為開(kāi)關(guān)管“開(kāi)”或“關(guān)”的時(shí)刻，這組等腰三角形波稱為載波，而正弦波稱為調(diào)制波，如圖6所示。正弦波的頻率和幅值是可控制的，改變正弦波的頻率，就可以改變電源輸出電壓的頻率，改變正弦波的幅值，也就改變了正弦波與載波的交點(diǎn)，使輸出脈沖系列的寬度發(fā)生變化，從而改變電源輸出電壓的大小。圖6 SPWM原理圖根據(jù)采樣控制理論，沖量相等而形狀不同的窄脈沖作用于慣性系統(tǒng)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同，

39、且脈沖越窄，輸出的差異越小。換句話說(shuō)，如果把各輸出波形用付立葉變換分析，則其低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異。它表明：慣性系統(tǒng)的 輸出響應(yīng)主要取決于系統(tǒng)的沖量，即窄脈沖的面積，而與窄脈沖的形狀無(wú)關(guān)。依據(jù)上述原理，將N等分的正弦曲線的每一等分曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的等幅而不等寬的矩形脈沖波替代，且使矩形脈沖的對(duì)稱線與相應(yīng)的正弦等分的中線重合。顯然，各個(gè)矩形波寬度是不同的，它們的寬度大小將按正弦規(guī)律變化。實(shí)用中人們常用正弦波與三角波相交的方法來(lái)確定各段矩形脈沖的寬度。三角波是上下寬度按線性變化的對(duì)稱波形，如果任何一條光滑的曲線與其相交，并令該曲線值大于三角波時(shí)輸出高電平，

40、小于三角波時(shí)輸出低電平，這樣就能得到一組等幅的、脈沖寬度正比于該函數(shù)值的矩形脈沖。如果使正弦波與三角波相交，則得到一組矩形脈沖，其幅值一定，而寬度按正弦規(guī)律變化，這當(dāng)中我們稱正弦波為調(diào)制波，三角波為載波。2.3.1 單相橋式雙極性SPWM模式1 設(shè)調(diào)制信號(hào)為正弦波，載波信號(hào)為三角波。調(diào)制電路按要求產(chǎn)生兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)、，其中分別接入開(kāi)關(guān)管T1、T4的柵極。與反相，分別接入載波開(kāi)關(guān)管T2、T3的柵極，開(kāi)關(guān)管控制規(guī)律為：圖7 單相橋式PWM逆變電路 若Ur>Ut，T1、T4導(dǎo)通，T2、T3截止，輸出電壓為. 若Ut>Ur，T2、T3導(dǎo)通，T1、T4截止，輸出電壓為-.若不考慮開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)時(shí)

41、間，則輸出電壓的波形如圖6所示。 圖8 雙極性SPWM模式調(diào)制原理 調(diào)制波幅值與載波幅值之比稱為調(diào)制度，用M表示: (1)一般來(lái)說(shuō)，。2.3.2 三相橋式SPWM模式1在SPWM變換器中，使用最多的是三相橋式逆變器，如圖9所示。三相橋式逆變器一般都采用雙極性控制方式。U、V、W三相的SPWM控制公用一個(gè)三角載波，若用三相對(duì)稱正弦信號(hào)、與三角載波進(jìn)行調(diào)制，則可獲得三相橋式逆變器開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，U、V、W各相開(kāi)關(guān)管工作規(guī)律相同，三相輸出電壓對(duì)稱?，F(xiàn)以U相為例來(lái)說(shuō)明：圖9 雙極性SPWM模式調(diào)制原理當(dāng)時(shí)，給上橋臂開(kāi)關(guān)管T1以導(dǎo)通信號(hào)，給下橋臂開(kāi)關(guān)管T4以關(guān)斷信號(hào)，則U相相對(duì)于直流電源中點(diǎn)N的電位為

42、；反之，當(dāng)時(shí)，給上橋臂開(kāi)關(guān)管T1以關(guān)斷信號(hào)，給下橋臂開(kāi)關(guān)管T4以導(dǎo)通信號(hào)，則U相相對(duì)于直流電源中點(diǎn)N的電位為。T1和T4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)始終是互補(bǔ)的。V、W兩相對(duì)直流電源中點(diǎn)N的電位同理可得到，其圖形如圖10b)、c)、d)所示。由于感性負(fù)載電流的方向和大小的影響，控制過(guò)程中，當(dāng)給T1(T4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是T1（T4）導(dǎo)通，也可能是D1(D4)續(xù)流導(dǎo)通。三相橋式SPWM逆變電路的電壓波形如圖10所示，可以看出各項(xiàng)的SPWM的波形只有兩種電平。其中負(fù)載中點(diǎn)N與直流電源假想中點(diǎn)N之間的電壓為 (2)負(fù)載為三相對(duì)稱負(fù)載，則有 =0，可得 (3)輸出線電壓可由相電壓算出，如U、V線電壓為，其波形如圖1

43、0e)所示。同一相上、下兩個(gè)臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是互補(bǔ)的，但實(shí)際上為了防止上、下兩個(gè)臂直通而造成短路，在給一個(gè)臂施加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，應(yīng)延遲一段時(shí)間，使同一相上、下兩個(gè)臂開(kāi)關(guān)管同時(shí)關(guān)斷時(shí)間，這個(gè)延遲時(shí)間也稱為“死區(qū)時(shí)間”。死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短取決于開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間，它的存在將會(huì)給輸出的SPWM波形帶來(lái)影響，使其偏離正弦波。若不考慮死區(qū)時(shí)間的影響，三相SPWM逆變器輸出波形如圖10所示:a) 調(diào)制波形；b)、c)、d)相電壓輸出波形；e) 線電壓輸出波形； f)中點(diǎn)電壓波形圖10 三相SPWM逆變器輸出3硬件設(shè)計(jì)3.1主電路設(shè)計(jì)主電路的設(shè)計(jì)通常在整個(gè)電源的設(shè)計(jì)過(guò)程中具有最為重要的地位，一旦完成設(shè)計(jì)，不易輕易改變，因

44、此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)各方面考慮周全，避免返工，造成時(shí)間和經(jīng)費(fèi)的浪費(fèi)。三相變頻電源系統(tǒng)的原理圖如圖 114 所示。在主電路中，市電經(jīng)過(guò)適當(dāng)降壓后，進(jìn)入整流電路，整流電路輸出的直流經(jīng)大電容濾波后，變得比較平滑， 然后供給逆變電路，在逆變部分， 通過(guò) SPWM 信號(hào)對(duì) IGBT 的通斷控制， 實(shí)現(xiàn)輸出交流電頻率的變化。SPWM 信號(hào)是通過(guò)單片微機(jī) 8051 和集成芯片 SA4828 配合控制產(chǎn)生的?？刂齐娐分?，單片機(jī)不但用來(lái)完成對(duì) SA4828 的初始化、輸出脈寬和頻率的控制，還要處理采樣數(shù)據(jù)以形成閉環(huán)控制，完成對(duì)保護(hù)信號(hào)的邏輯檢測(cè)。由于 51 系列單片機(jī)都是地址、數(shù)據(jù)復(fù)用總線模式，故將 MUX、RS 引線

45、連到高電平。SETTRIP 用來(lái)快速關(guān)斷 SPWM 輸出，當(dāng)其有效時(shí)，TRIP 端輸出高電平，指示燈亮。圖11 單片機(jī)和SA4828控制的變頻電源設(shè)計(jì)圖系統(tǒng)主電路采用交-直-交電壓型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)恒壓變頻控制，輸入端接交流變壓器起隔離變壓作用，變壓后經(jīng)三相橋式不可控電路整流，可以高入端的功率因數(shù)，且也不需要控制驅(qū)動(dòng)電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。中間電路一般采用電容進(jìn)行濾波，以高整流效果。逆變部分采用三相橋式電路，在中小功率的變頻電路中采用 IGBT 作為主要電力電子開(kāi)關(guān)，逆變部分是主電路的核心和關(guān)鍵，為了保護(hù)六個(gè)電力電子開(kāi)關(guān) IGBT，在每個(gè) IGBT 兩端并聯(lián) RCD 阻容吸收電路，考慮到變頻電源負(fù)載的多樣性，

46、因此在每個(gè) IGBT兩端并聯(lián)一個(gè)電力二極管續(xù)流。3.2控制電路設(shè)計(jì)3.2.1SA4828芯片介紹5控制電路采用 MCS-51 系列的 8051 單片機(jī)作為主控制器； 利用 MITEL 公司（加拿大敏迪網(wǎng)絡(luò)公司）生產(chǎn)的增強(qiáng)型三相脈沖調(diào)制波發(fā)生器 SA4828 兩者配合來(lái)生成三相 SPWM 波，控制逆變器六個(gè) IGBT 的通斷。SA4828 采用 28 腳的 DIP 和 SOIC封裝。其引腳如圖 12 所示，可歸納為如下三類信號(hào)引腳。圖12 SA4828引腳排列圖（1） 與單片機(jī)的接口信號(hào)引腳 AD0-AD7，,和ALE可直接與地址/ 數(shù)據(jù)復(fù)用的單片機(jī)相連。此時(shí)，總線選擇信號(hào)MUX和地址/ 數(shù)據(jù)引

47、腳RS都接+5V高電平。（2） 輸入信號(hào)引腳 為片選信號(hào)；CLK為時(shí)鐘信號(hào)，可選用有源晶振為芯片提供時(shí)基，晶振最高頻率為24.576MHz；為復(fù)位信號(hào)；SETTRIP為關(guān)斷信號(hào)，高電平時(shí)可快速關(guān)斷全部SPWM信號(hào)。（3） 輸出信號(hào)引腳 RPHT，YPHT和BPHT控制三相逆變橋的3個(gè)上橋臂的開(kāi)關(guān)管；RPHB，YPHB和BPHB控制三相逆變橋的3個(gè)下橋臂的開(kāi)關(guān)管。他們是標(biāo)準(zhǔn)的TTL信號(hào)，有12mA的驅(qū)動(dòng)能力，可直接驅(qū)動(dòng)光耦。ZPPR輸出調(diào)制波的頻率；WSS輸出采樣波形；為封鎖狀態(tài)，當(dāng)SETTRIP有效時(shí)，該引腳為低電平，表明輸出已被封鎖，可接到單片機(jī)的中斷引腳，以便CPU接到輸出關(guān)斷信號(hào)，執(zhí)行必

48、要的中斷服務(wù)程序，也可接一只發(fā)光二極管顯示當(dāng)前狀態(tài)。SA4828具有很強(qiáng)的適用性，對(duì)于采用數(shù)據(jù)地址復(fù)用結(jié)構(gòu)的處理器，和采用數(shù)據(jù)總線和地址總線分離（哈佛總線）結(jié)構(gòu)的處理器，都不需增加外圍電路，只需通過(guò)數(shù)據(jù)總線，SA4828就可直接與它們通訊。SA4828中的可編程48位初始化寄存器和控制寄存器設(shè)定和控制PWM的各種信息。初始化寄存器用于設(shè)定一些與電源有關(guān)并在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中不可改變的基本參數(shù)。控制寄存器中的參數(shù)可在運(yùn)行中實(shí)時(shí)改變，以控制輸出脈寬調(diào)制波形的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制。芯片內(nèi)集成了6個(gè)8位暫存器（R0-R5）和兩個(gè)虛擬寄存器（R14、R15）。微處理器先將數(shù)據(jù)寫(xiě)入暫存器，然后

49、通對(duì)R14的寫(xiě)操作，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入初始化寄存器，完成對(duì)電源頻率范圍、載波范圍、脈沖延遲時(shí)間、幅值控制方式、波形及看門狗定時(shí)器時(shí)間的設(shè)置?？刂萍拇嫫骺刂葡到y(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的PWM輸出，如軟件復(fù)位、看門狗使能、計(jì)數(shù)器清零、禁止輸出、正反轉(zhuǎn)、及幅值控制等。對(duì)其控制的方法也是先將數(shù)據(jù)寫(xiě)入暫存器，然后R15的寫(xiě)操作將數(shù)據(jù)寫(xiě)入控制寄存器中。3.2.2控制原理專用產(chǎn)生三相SPWM的集成芯片與微機(jī)配合使用能把三路8位數(shù)字量轉(zhuǎn)換成三路脈寬調(diào)制信號(hào)，形成三相波，驅(qū)動(dòng)三相功率開(kāi)關(guān)器件。變頻電源工作時(shí)，將SA4828的引腳25,24,23接+5V，引腳16接地，引腳10接到8051的XTAL2，使8051的時(shí)鐘與SA4828

50、的時(shí)鐘保持同步，8051的P0的8個(gè)I/ O口與SA4828的AD0-AD7相連，為數(shù)據(jù)總線，SA4828的六路輸出口（引腳20、13，引腳18、14，引腳17、15）接到驅(qū)動(dòng)模塊的的輸入端（接光耦合器發(fā)光二極管的陰極），以輸出SPWM 脈沖。SA4828的SET TRIP接制外部故障電路的輸出端，一旦故障出現(xiàn)，該端口將對(duì)SA4828的六路輸出進(jìn)行封鎖。將SA4828的22腳與8051的INTO相連，當(dāng)保護(hù)電路中有任一故障出現(xiàn)，SA4828被封鎖時(shí)，將進(jìn)入8051的INTO中斷服務(wù)程序，進(jìn)行軟件封鎖和故障顯示及報(bào)警。首先由鍵盤(pán)輸入給定的電壓和頻率，單片機(jī)把它換算成變頻電源將要輸出的電壓和頻率的

51、控制字，寫(xiě)入到SA4828的控制寄存器，啟動(dòng)SA4828 。從RPHT BPHB 的6個(gè)引腳輸出相應(yīng)頻率和電壓的SPWM 控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離后，分別控制6個(gè)IGBT 的導(dǎo)通與截止，最后在三個(gè)輸出端上產(chǎn)生對(duì)稱的三相SPWM 電壓，供給三相負(fù)載。利用電壓頻率反饋控制系統(tǒng)，可以提高控制的精度。IGBT的故障檢測(cè)信號(hào)接到SA4828的SET TRIP 端，一旦IGBT 發(fā)生過(guò)流、過(guò)熱、短路或欠壓等情況，將立即切斷SA4828的6路輸出信號(hào)，使IGBT 得以保護(hù)。正常工作后，根據(jù)需要對(duì)SA4828控制數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的反饋與實(shí)時(shí)控制。調(diào)壓時(shí)，輸出電壓經(jīng)有效值變換器取樣后，進(jìn)行A/ D轉(zhuǎn)換成數(shù)

52、字量，再在單片機(jī)中與設(shè)定值比較，經(jīng)調(diào)節(jié)，得到修正值，輸入到SA4828幅度控制寄存器從而達(dá)到閉環(huán)控制調(diào)整輸出電壓幅值。調(diào)頻時(shí)，單片機(jī)根據(jù)用戶設(shè)定直接修改SA4828頻率控制寄存器的控制字，以改變電源輸出頻率，無(wú)需構(gòu)成閉環(huán)。4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)流程軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)逆變控制的核心，它決定著逆變器的輸出特性。該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由三部分組成：主程序、初始化程序和中斷服務(wù)程序。主程序是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心和靈魂，只有通過(guò)主程序才能有機(jī)地調(diào)用系統(tǒng)中各個(gè)子程序，使他們形成一個(gè)聯(lián)系緊密的整體，有條不紊的完成各種各樣的操作命令。圖13給出了本系統(tǒng)的主程序流程圖。單片機(jī)首先初始化SA4828，打開(kāi)中斷系統(tǒng)。傳送控制

53、參數(shù)后，判斷SA4828有沒(méi)有保護(hù)動(dòng)作，允許輸出，則開(kāi)始輸出SPWM控制信號(hào)，逆變器開(kāi)始工作。工作過(guò)程中，單片機(jī)不斷的處理檢測(cè)反饋回來(lái)的信號(hào)，控制SA4828調(diào)整輸出的SPWM控制信號(hào)，控制系統(tǒng)的輸出狀態(tài)，以滿足系統(tǒng)的性能要求。在系統(tǒng)正常工作過(guò)程中，不斷更新看門狗定時(shí)器。防止其溢出而中斷SPWM控制信號(hào)的輸出。初始化程序，實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)處理、刷新處理與下位機(jī)和其他程序主要完成硬件器件工作方式的設(shè)定、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和變量的初始化等，其流程圖如圖14所示：中斷程序處理的都是需要立即處理的故障，比如過(guò)壓、欠壓、IGBT故障等。這些故障信號(hào)通過(guò)或門連接到SA4828的SET TRIP 端上，只要有一個(gè)故障發(fā)生，就會(huì)使SET TRIP 端為高電平，啟動(dòng)SA4828內(nèi)部的故障保護(hù)動(dòng)作，瞬時(shí)封鎖SPWM脈沖輸出，同