基于單片機的變頻電源控制器設計

1、天 津 大 學 網(wǎng) 絡 教 育 學 院本科畢業(yè)設計（論文）題目：基于單片機的變頻電源控制器設計完成期限：2016年9月1日 至 2016年11月10日學習中心：私立青島國創(chuàng)科技培訓學校奧鵬學習中心43專業(yè)名稱：電氣工程及其自動化 學生姓名：李沛達學生學號：指導教師：杜春燕摘 要變頻器是從上世紀中葉發(fā)展起來的一種交流調(diào)速設備。它是為了解決傳統(tǒng)的交流電機調(diào)速困難、傳統(tǒng)的交變速設備不但結(jié)構(gòu)復雜且效率和可靠性均不盡人意的缺點而出現(xiàn)的。由于其使交流電機的調(diào)速范圍和調(diào)速性能均大為提升，因此交流電機逐漸代替直流電機出現(xiàn)在各種應用領(lǐng)域，即便是以往只可能是直流電機出現(xiàn)的伺服控制領(lǐng)域。隨著電力半導體長足發(fā)展，變頻

2、器也隨之不斷進步。今變頻器已深入我們的日常生活，隨處可見其為我們服務的身影。本文從變頻器的基礎理論出發(fā)，對主要器件和開發(fā)環(huán)境進行分析，之后對硬件設計進行研究，主要包含變頻器的總體結(jié)構(gòu)、交流功率模塊、變頻控制模塊等內(nèi)容的設計。在系統(tǒng)軟件設計方面主要進行SPWM參數(shù)的計算和串行通信中斷程序等內(nèi)容。希望本文的研究可以為我國變頻器的研究帶來具有價值的參考和借鑒。關(guān)鍵詞：變頻器；STC單片機；智能功率模塊( SPM )；SPWM目 錄引言1第一章 緒論21.1課題研究背景及意義21.2變頻器的現(xiàn)狀與發(fā)展方向31.3主要內(nèi)容4第二章 逆變電路的拓撲結(jié)構(gòu)及工作原理52.1逆變電路常用拓撲結(jié)構(gòu)簡介52.2 變

3、換電路常見拓撲結(jié)構(gòu)的工作原理及其特點5第三章 硬件系統(tǒng)設計93.1變換電路選擇93.2主電路設計93.3 SPWM逆變器的設計103.4控制電路設計123.5 IGBT驅(qū)動電路設計123.6 電壓、電流、頻率測量電路133.7 鍵盤、顯示電路14第四章 系統(tǒng)軟件設計184.1 控制模塊設計184.2 初始化程序224.3 顯示中斷程序224.4 顯示子程序及鍵盤服務程序流程圖23第五章 結(jié)論25參考文獻26致 謝27引言變頻電源顧名思義就是能夠提供可調(diào)頻率輸出的電源，變頻電源是這樣一種設備，能夠?qū)⒔涣麟娸斎朕D(zhuǎn)換為用戶所需要的電壓和頻率的正弦波輸出的變換器。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電子系統(tǒng)等設備

4、種類繁多，與人們的工作和生活息息相關(guān)，變頻電源成為不可缺少的優(yōu)質(zhì)、可靠的電源。由于在實際應用中，不用場合使用的設備對電源的參數(shù)要求不一樣，同一個設備對電源參數(shù)的要求也是會變換到，例如電氣產(chǎn)品在測試階段時，需要根據(jù)出口國家的市電電壓和頻率，在允許的波動標準范圍內(nèi)，測試電氣產(chǎn)品的性能。因此，變頻電源不僅有為不同設備提供電源的功能，還可以模擬不同國家的市電參數(shù)。傳統(tǒng)的變頻電源采用不控整流和變壓變頻逆變兩級結(jié)構(gòu)，只關(guān)注輸出正弦波形的質(zhì)量，電壓和頻率精度以及可靠性，基本上不會考慮系統(tǒng)輸入端的電流是否會對電網(wǎng)造成諧波污染，是否向電網(wǎng)注入大量高頻諧波電流。今天對變頻電源除了有以上的要求外，還要求環(huán)保無污染，

5、有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)的發(fā)展以及在開關(guān)電源上的成熟應用，可以有效的解決這一問題，功率因數(shù)可以提高到 0.9 以上。有源功率校正器和逆變器的結(jié)合，同樣也是兩級結(jié)構(gòu)，兼有不控整流和逆變兩級結(jié)構(gòu)控制上的優(yōu)點，而且不僅可以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，有效的減少諧波污染，還可以提高中間直流環(huán)節(jié)的電壓等級，擴大系統(tǒng)的電壓輸出范圍。第一章 緒論1.1課題研究背景及意義電源對于每一個人來說是一個既熟悉又抽象的名詞，我們的衣食住行離不開電源，文化娛樂、辦公學習、科學研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設、教育、環(huán)境保護、醫(yī)療衛(wèi)生、交通運輸、照明、通信、宇宙探索等等，哪一樣也少不了電源。只要用電就離不開電源。電子/電力電源

6、的發(fā)展得力于電力電子技術(shù)的進步。進入八十年代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術(shù)的精細加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機結(jié)合，出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件，首先是功率 MOSFET 的問世，導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展，而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn)，又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET 和 IGBT 的相繼問世是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標志。據(jù)統(tǒng)計，到 1995 年底，功率 MOSFET 和 GTR 在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步，而用 IGBT 代替 GTR 在電力電子領(lǐng)域巳成定論。新型器件

7、的發(fā)展不僅為交流電機變頻調(diào)速提供了較高的頻率，使其性能更加完善可靠，而且使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展，為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能，實現(xiàn)小型輕量化，機電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎。當前，電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動化、智能化、機電一體化的基礎，正朝著應用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠的將來，電力電子技術(shù)將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng)濟、實用，實現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合。變頻電源是將市電通過功率變換電路轉(zhuǎn)變?yōu)樗枰碾妷汉皖l率的一種電源。世界各國電網(wǎng)制式的不統(tǒng)一，以及不同應用領(lǐng)域的電源制式需求的不同，以下情況需要使用變頻電源：(1)家電業(yè)制造商如：空調(diào)設備、咖啡機

8、、洗衣機、榨汁機、微波爐、收錄音機、冰箱、DVD、洗塵器、電動剃須刀等產(chǎn)品的測試電源；(2)電機、電子業(yè)制造商如：交換式電源供應器、變壓器、電子安定器、AC風扇、不斷電系統(tǒng)、充電器、繼電器、壓縮機、馬達、被動元件等產(chǎn)品的測試電源；(3)IT 產(chǎn)業(yè)及電腦設備制造商如：傳真機、影印機、碎紙機、印表機、掃描器、燒錄機、伺服器、顯示器等產(chǎn)品的測試電源；(4)實驗室及測試單位如：交流電源測試、產(chǎn)品壽命及安全測試、電磁相容測試、OQC（FQC）測試、產(chǎn)品測試及研發(fā)、研究單位最佳交流電源；(5)航空/軍事單位如：機場地面設施、船舶、航天、軍事研究所等的測試電源；(6)鐵路、高速公路：25Hz、靜頻信號電源。

9、變頻電源是電源系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的安全性和可靠性。變頻電源自問世以來引起了國內(nèi)外電源界的普遍關(guān)注?，F(xiàn)已成為具有發(fā)展前景和影響力的一項高新技術(shù)產(chǎn)品?，F(xiàn)代變頻電源以其低損耗、高效率、電路簡潔等顯著優(yōu)點而受到人們的青睞，并廣泛的應用于電氣傳動、計算機、電子設備、儀器儀表、通信設備和家用電器中。今年來隨著工業(yè)自動化產(chǎn)業(yè)的告訴發(fā)展，人們對變頻電源的需求與日劇增，變頻電源的開發(fā)研制生產(chǎn)已成為發(fā)展前景十分誘人的朝陽產(chǎn)業(yè)。目前，隨著變頻電源的廣泛應用，變頻電源顯示除了強大的生命力，其具有高集成度、高性能比、最簡的外圍電路、最佳的性能指標等特點。變頻器不僅具有高效率的特點，同時也

10、十分的節(jié)能，將它應用于家電中既能提高產(chǎn)品的可控性與可操作性，更重要的是還可以減少能量的消耗和污染。在今后家電生產(chǎn)中，特別是冰箱和家用空調(diào)器的壓縮機控制中，變頻器的使用肯定是必不可少的。因此，本項目的研究設計具有較高的實用性和可發(fā)展性。1.2變頻器的現(xiàn)狀與發(fā)展方向現(xiàn)在，變頻技術(shù)在發(fā)達國家己經(jīng)成熟，隨著新的電力電子器件的不斷出現(xiàn)，新的變頻技術(shù)層出不窮，使其得到了更廣泛的推廣應用。變頻技術(shù)的迅速發(fā)展是建立在電力電子技術(shù)的創(chuàng)新、電力電子器件及材料的開發(fā)及器件制造工藝水平提高基礎之上的，尤其是高壓大容量絕緣柵雙極晶體管IGBT、集成門極換流晶閘管工IGCT器件的成功開發(fā)，使大功率變頻技術(shù)得以迅速發(fā)展，性

11、能日益完善。由于變頻器在空調(diào)、電梯、冶金、機械等行業(yè)的廣泛應用，變頻調(diào)速電機和與之配套的變頻器發(fā)展迅速。據(jù)機械信息研究院的統(tǒng)計，2000年，中國變頻器市場容量接近30億元。其中日本，歐美品牌占據(jù)主導地位，國內(nèi)生產(chǎn)商經(jīng)過近幾年的高速發(fā)展，業(yè)已占領(lǐng)了很大一部分低端市場。目前變頻器的國內(nèi)電機配比率仍低于1%，潛在市場巨大，國內(nèi)變頻器市場在未來的510年內(nèi)仍將保持高速發(fā)展?，F(xiàn)在變頻電源技術(shù)主要朝著一下幾個方向發(fā)展： 1）高頻化。器件工藝的進步推動了工作頻率的進一步提高，頻率的提高大大減小了電感、電容等器件的值和體積，使整個裝置的體積和重量都減小了。2）數(shù)字化。傳統(tǒng)的變頻電源采用模擬器件構(gòu)成，模擬器件需

12、要大量的分立元件，不僅降低了電路工作的可靠性，也增加了系統(tǒng)的成本，系統(tǒng)調(diào)試難度大，出現(xiàn)故障時排查困難，維護困難。由于模擬元件易受周圍環(huán)境、溫度的影響和存在老化問題等，影響了系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。專用模擬集成電路的出現(xiàn)很大程度上簡化了控制電路的復雜度，但是專用集成電路仍然不夠靈活，只能針對特定的電路形式和技術(shù)指標。數(shù)字控制是當今電力電子技術(shù)發(fā)展的方向，與模擬控制相比，大大簡化了硬件電路的復雜度，只需要很少的外圍電路，便能構(gòu)成功能完善的控制電路且性能優(yōu)越。系統(tǒng)成本降低，而且由于數(shù)字控制的靈活性，可以實現(xiàn)先進控制和算法。數(shù)字控制通用性好，軟件調(diào)制方便快捷，系統(tǒng)維護和升級方便。單片機控制受限于其性能，時

13、鐘和運算能力，無法實現(xiàn)性能優(yōu)越的數(shù)字控制，與專用 SPWM 集成電路配合使用減輕了單片機的負擔，但是電路復雜度和成本都提高了。高速數(shù)字信號處理器 DSP 的出現(xiàn)，迅速提高了數(shù)字控制的實時性和智能化。DSP 強大的運算能力和運算速度，應用于電源控制，可以實現(xiàn)先進的控制算法。系統(tǒng)功能多樣化，而且系統(tǒng)的輸出精度大大提高，軟件編寫的反饋控制算法可以很好地解決系統(tǒng)由于環(huán)境溫度和老化等引起的問題。DSP 片內(nèi)集成了多種功能模塊，如模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、串行通信接口等，使控制電路體積縮小，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性提高。3） 綠色化。綠色能源越來越受到國家和人民的重視，是指能源的生產(chǎn)和消費過程，對生態(tài)環(huán)境無污染或者低污染的能

14、源。電源的綠色化有兩層含義：節(jié)能，用電少消耗少就可以減輕對環(huán)境的污染；對電網(wǎng)的污染少或者不產(chǎn)生污染，即電源系統(tǒng)的輸入電流高次諧波含量少。上個世紀 80 年代以后，有源功率因數(shù)校正技術(shù)和補償方案的應用，為綠色電源的發(fā)展奠定了基礎。1.3主要內(nèi)容在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，變頻器廣泛的應用于電力、冶金、石油、化工、市政、中央空調(diào)、水處理等行業(yè)中，因此現(xiàn)在變頻器在我們生活中是不可缺少的東西了。在本設計中，主要采用了STC系列單片機作為控制主機，通過其中的PWM接口和軟件的配合實現(xiàn)SPWM控制信號的產(chǎn)生來實現(xiàn)電機變頻控制器，使用智能功率模塊（SPM）FPAL15SH60對電機進行驅(qū)動?？刂破髂軐崿F(xiàn)20-250H

15、z信號的輸出，可通過手動鍵入或自動的方法調(diào)節(jié)頻率，并通過顯示器顯示實時頻率。具有輸入欠壓保護、輸出過壓過流保護功能和過熱保護等功能。設計中由STC系列單片機產(chǎn)生SPWM波形，通過編程的方法控制其脈沖寬度，從而達到對頻率控制的目的，還能根據(jù)對輸出電壓的檢測結(jié)果調(diào)整SPWM信號的幅度，從而控制輸出的電壓。第二章 逆變電路的拓撲結(jié)構(gòu)及工作原理2.1逆變電路常用拓撲結(jié)構(gòu)簡介逆變電源因體積小、重量輕、節(jié)材節(jié)能、轉(zhuǎn)換效率高等特點，現(xiàn)已得到了廣泛應用。目前逆變電路的拓撲結(jié)構(gòu)主要有單端正激式、單端反激式、推挽式、半橋式、全橋式等多種類型。根據(jù)需求可采用不同拓撲形式的逆變電路滿足其需求。以上拓撲結(jié)構(gòu)又有其各自特

16、點，所以在逆變電源主電路設計中充分考慮電路自身結(jié)構(gòu)特點和使用場所，只有如此根據(jù)上述情況，才能更好的選擇相應的逆變電路來滿足使用要求。隨著功率器件的不斷發(fā)展，目前IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)是逆變電源中常用的功率器件，已逐步取代原晶閘管、晶體管、場效應管(MOSFET)。常用拓撲結(jié)構(gòu)對比表1為常用拓撲結(jié)構(gòu)對比表，Vce為功率開關(guān)器件承受電壓；Ic為相同輸出功率時的電流；P0為相同Ic時輸出功率；U1為主變壓器原邊電壓；U0為輸出電壓；m為功率開關(guān)器件數(shù)量；E為加入電路的直流電壓；D為功率開關(guān)器件導通占空比；K為主變壓器Tr的變比。項目變換電路形式單端正激式推挽式半橋式全橋式VccE2EEEIc

17、IcIc2IcIcP0P0P0P0/2P0U1EEE/2EU0ED/K2ED/KED/KED/Km2224適于輸出容量小，中大中大表2.1 常用拓撲結(jié)構(gòu)對比2.2 變換電路常見拓撲結(jié)構(gòu)的工作原理及其特點1.單端正激式變換電路單端正激式變換電路圖如圖2-1所示。在單端正激變換電路中，當功率開關(guān)器件VT導通時，則通過變壓器T向負載傳遞能量。變換電路主要由開關(guān)管VT、變壓器T、輸出整流二極管D1、續(xù)流二極管D2以及輸出濾波電感L和電容C組成。變壓器T原邊繞組中分去磁繞組NR與原邊繞組N1(通常NRN1)，NR與D0組成磁通復位電路。當開關(guān)管VT在關(guān)斷期間，繞組N1的儲能轉(zhuǎn)移至NR中，并通過D0反饋到

18、輸入端電源E中。因在單端變壓器原邊線圈流過的是脈動激磁電流，如果在每個脈動工作磁通周期不采取去磁措施，則磁芯剩磁通的累加會迅速使變壓器出現(xiàn)飽和。如果沒有去磁繞組NR，變壓器二次繞組因D1反偏截止，原邊繞組中儲能無處釋放，將會引起很高的反電壓與輸入電壓E迭加至VT上。此時開關(guān)管VT在導通時流過的大電流，關(guān)斷時承受高電壓，導致VT損壞。圖2-1單端正激式變換電路該電路特點：變壓器T有變換電參數(shù)和隔離作用，因變壓器磁芯在單限內(nèi)工作，所以體積較大，適用于小功率電源中使用。2.推挽式變換電路推挽式變換電路如圖2-2所示。推挽式變換電路其實由兩個相位相反的正激變換電路疊加而成，相當于兩個正激電路交替工作，

19、且兩個開關(guān)管交替導通和截止，并在各自導通的半個周期內(nèi)把能量分別通過變壓器T傳遞給負載。該變換電路主要由VT1，VT2以及并聯(lián)至開關(guān)管的二極管D1和D2組成輸入端經(jīng)變壓器T,在輸出端由整流二極管D3、D4與輸出濾波電感和電容組成。在本電路中選擇使用變壓器的次級帶中心抽頭，兩邊輪流工作的推挽式電路，因為在低輸入的電壓時，推挽式線路線路比半橋式或全橋式優(yōu)越，任何時候最多只有一個開關(guān)器件工作，電路結(jié)構(gòu)簡，而且還是工作在低電壓下。對于輸出相同的功率開關(guān)損耗小多了。所以低壓輸入的大功率變換器都是采用推挽變換技術(shù)。為了使輸出電壓穩(wěn)定和保持軟啟動控制的特點，多數(shù)采用占空比控制方式，這種控制方式將會出現(xiàn)一個死區(qū)

20、時間，在這個死區(qū)時間內(nèi)兩只開關(guān)晶體管都處于關(guān)斷階段輸出電流經(jīng)扼流圈有一個保持續(xù)流的電流，續(xù)流經(jīng)次級線圈和兩只整流二極管再輸出到負載。在這個階段，鐵芯的磁感應強度不變，也就是鐵芯的磁感應強度不會下降到零狀態(tài)，這是推挽式變換電路的一個重要特性。圖2.2 推挽式變換電路推挽電路中開關(guān)器件的耐壓是輸入電壓的2倍，工作是隨著開關(guān)管的開通和關(guān)斷、變壓器原邊繞組交替工作，與半橋和全橋變換電路相比變壓器利用率低，而且輸出電壓隨輸入電壓和負載變換而變化。因此在輸入電壓高時，一般不易采用這種變換電路。與單端變換電路相比較，推挽電路的優(yōu)點是輸出功率大、輸出濾波電感可減小，兩組開關(guān)驅(qū)動脈沖Vg1、Vg2不需隔離，控制

21、簡單。3.半橋式變換電路半橋式變換電路如圖2-3所示。在半橋式變換電路輸入端串接電容C1、C2且C1=C2以便當兩個開關(guān)器件VT1、VT2均截止時，VC1=VC2=1/2E。VA=1/2E，VB=1/2E，VAB=0，保證開關(guān)器件均為截止時所受耐壓相同和均衡(輸入電壓一半)。D1、D2起到反饋和續(xù)流作用，變壓器副邊電路由D3和D4構(gòu)成全波輸出整流，L、C3構(gòu)成輸出濾波電路。圖2.3 半橋式變換電路半橋式變換電路開關(guān)管上最高電壓等于輸入電壓，比推挽式變換電路低一半。開關(guān)管關(guān)斷過程中，變壓器漏感引起的電壓尖峰被二極管鉗位，因此開關(guān)管的最高電壓不會超過輸入電壓。由于變壓器原邊繞組上的方波電壓幅值只是

22、電源電壓的一半，影響其功率輸出，所以半橋式變換電路不適合輸出功率較大的場合。但半橋式電路具有電路簡單，使用器件少，尤其具有抗不平衡能力強的特點，因此在中小功率場所得到了廣泛應用。4全橋式變換電路全橋式變換電路圖如4所示。全橋式變換電路是目前逆變電路中使用最為常見的一種，該變換電路共有四個橋臂，可以看成兩個半橋電路組合而成。兩對橋臂交替導通，輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，其幅值高出半橋變換電路一倍。改變直流電壓E就改變輸出交流有效值，輸出功率大。圖2.4 全橋式變換電路由于變壓器Tr磁芯工作在磁滯回路兩側(cè)，在開關(guān)器件飽和壓降和開關(guān)時間不相同，將會造成變壓器中正負半周期磁通的不對稱，從而引

23、起偏磁現(xiàn)象，最常見及通用辦法是在變壓器Tr原邊回路中串接一個隔直電容Cr，以此來抑制變壓器原邊非純交流電壓中直流分量。由于變壓器原邊繞組電阻小，在多個循環(huán)之后，即可造成磁飽和。第3章 硬件系統(tǒng)設計220v、50HZ交流電經(jīng)整流濾波，變成直流電，通過逆變器將該直流電壓轉(zhuǎn)換為頻率與負載(或換能器)諧振頻率一致的交變電壓。系統(tǒng)硬件電路由主電路、控制驅(qū)動電路、保護電路和鍵盤顯示電路組成。其中逆變器是用來實現(xiàn)DcAc變換的電力電子裝置。其作用是通過半導體功率開關(guān)器件 (如SCR，GTO，GTR，IGBT和功率MOSFET模塊等)的開通和關(guān)斷作用,把直流電能變換成交流電能。因此是一種電能變換裝置?？刂撇糠?/p>

24、可通STC單片機控制電壓和頻率的改變。3.1變換電路選擇為了提高通用性，系統(tǒng)選用ACDCAC變換電路DCAC變換采用STC單片機控制SA4828芯片直接輸出SPWM脈沖，從而使電路簡單、可靠、控制方便、體積小逆變主電路采用橋式電路，濾波后得到幅值和頻率可調(diào)的交流電壓穩(wěn)定輸出。3.2主電路設計電源系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)如圖3-1所示圖3-1 主電路1)整流電路采用整流橋塊，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。2)逆變電路選用IGBT作為開關(guān)管組成橋式逆變電路。3)輸出濾波電路全橋逆變電路的輸出為一系列高頻脈沖，要想得到標準的正弦波，必須濾掉其高頻成分，LC濾波電路的作用正是濾除高頻，其參數(shù)由LC濾波器的諧振頻率和特征

25、阻抗決定。整流電路用單相橋進行整流，利用二極管的單向?qū)щ娦?，?20 V交流電壓變成直流，給逆變器提供直流母線電壓。Dl為整流橋。在整流電路中輸出電壓是脈動的，另外，在逆變部分產(chǎn)生的脈動電流和負載變化也使得直流電壓產(chǎn)生脈動，為了將其中的交流成分盡可能的濾除掉，使之變成平滑的直流電，必須在其后加上一個低通濾波電路。這里采用常用的電容濾波電路，在整流輸出端并人大電容，整流輸出直流電壓含有很多偶次諧波，頻率越高，電容容抗越小，分流作用越大，諧波被濾除的就越多，輸出電壓的平均值就越大。由于在交流輸入剛剛接通的一瞬間，輸入220 V交流電壓經(jīng)整流后直接給直流電容充電，而此時電容的端電壓為零，相當于短路狀

26、態(tài)，這樣會造成很大的充電電流，導致熔斷器和空氣開關(guān)動作，甚至會損壞后級電路。因此，必須對電容的充電電流進行限制。在交流輸入電路中串聯(lián)一個合適的電阻，用以限制最大充電電流。當控制電路檢測到電容充電過程基本完畢后，與充電電阻并聯(lián)的接觸器觸點閉合，電阻處于短路狀態(tài)，系統(tǒng)開始正常工作。Sls4組成逆變器。S1s4采用IGBT功率模塊，工作頻率高、功率容量大。逆變器工作時，IGBT開關(guān)根據(jù)負載(或換能器)的諧振頻率進行切換，s1、s4和s2、S3分別組成兩組開關(guān)。這兩組開關(guān)輪流導通，負載中的電流過零時開關(guān)切換。當逆變器工作頻率等于負載 (或換能器)的諧振頻率時，電路輸出電壓為方波，輸出電流為正弦波。電路

27、中采用零電流開關(guān)模式。其開關(guān)損耗極小，dudt及didt應力大為下降，與此相應的電磁干擾可以消除。逆變器的輸出接隔離變壓器，為消除濾波電感的噪音，將變壓器和電感集成在一起，再在變壓器的次級并以適當?shù)碾娙?，利用輸出變壓器的漏感與電容組成LC低通濾波器，從電容的兩端獲得正弦電壓輸出，這樣不但消除了輸出濾波電感產(chǎn)生的噪聲，而且簡化了主電路設計。3.3 SPWM逆變器的設計由于逆變開關(guān)管的開關(guān)時間要由載波與調(diào)制波的交點來決定。在調(diào)制波的頻率、幅值和載波的頻率這3項參數(shù)中。不論哪一項發(fā)生變化時，都使得載波與調(diào)制波的交點發(fā)生變化。因此，在每一次調(diào)整時，都要重新計算交點的坐標。顯然，單片機的計算能力和速度不

28、足以勝任這項任務。過去通常的作法是：對計算作一些簡化，并事先計算出交點坐標將其制成表格，使用時進行查表調(diào)用。但即使這樣，單片機的負擔也很重。為了減輕單片機的負擔，一些廠商推出了專用于生成三相或單相SPWM波控制信號的大規(guī)模集成電路芯片，如HEF4752、SLE4520、SA828、SA838等等。采用這樣的集成電路芯片，可以大大地減輕單片機的負擔，使單片機可以空出大量的機時用于檢測和監(jiān)控。這里詳細介紹SA4828三相SPWM波控制芯片的主要特點、原理和編程。SA4828作為單片機的外設，通過對單片機編程，將SPWM的初始化信息和控制信息寫入SA4828的相關(guān)寄存器，即可產(chǎn)生精確全數(shù)字化的單相、

29、三相SPWM波形。處理器采用STC單片機，進一步降低了成本STC單片機可同時用匯編語言和C語言進行編程，提高了編程的靈活性。載波頻率 (開關(guān)頻率)的選擇取決于所使用的功率開關(guān)管器件，其設定公式為： (3-1)式中正CLK為輸入時鐘頻率n是分頻倍率系數(shù)，由一個3位CFS字決定調(diào)制波頻率范圍確定電源的最大頻率，其設定公式為： (3-2)式中m是倍率系數(shù)，由一個3位的FRS字決定脈沖延時時間是為了防止直通而短路，其設定公式為： (3-3)式中nPDY的值由一個6位的脈寬延時時間選擇字PDY決定為減少開關(guān)管頻繁開關(guān)引起的附加損耗，脈沖取消字設定公式為： (3-4)式中nPDT的值由一個7位脈沖取消字P

30、DT決定調(diào)制波頻率計算式為： (3-5) 式中nPFS為16位控制字PFS的取值調(diào)制波幅值計算式為： (3-6)nA是RAMP、YAMP、BAMP各自對應的取值，其范圍為0255在實際運行中，nA的值要經(jīng)過適時調(diào)整、計算不斷改寫。本系統(tǒng)中，通過改變m、n和調(diào)整nA的取值改變輸出頻率，而通過調(diào)整nA的值可以改變輸出幅值讓m和n的設定值比例變化，可以在保持輸出幅值和頻率不變的情況下改變載波頻率15。STC通過8位P0端口同SA4828的地址、數(shù)據(jù)復用管腳AD0AD7相接，初始化SA4828，讀取SA4828內(nèi)部的看門狗定時器返回的信息，向SA4828的控制寄存器發(fā)送控制信息，SA4828的6個輸出

31、端口輸出的高電平用于控制相應開關(guān)管的驅(qū)動電路SPWM產(chǎn)生電路的設計如圖3-2VDDP00-7P1P2AD0-7RSRDMUXALEWR CSSTCSA4828圖3-2 接口示意圖3.4控制電路設計控制電路以SA4828和ATMEL公司的STC單片機為核心，完成SPWM波的產(chǎn)生和系統(tǒng)的檢測、控制、更新顯示以及查詢按鍵功能： 當系統(tǒng)工作時，一旦通電后，單片機立即對SA4828進行初始化，設定與逆變器有關(guān)的基本參數(shù)，包括設置載波頻率，調(diào)制波頻率范圍、脈沖延遲時間、最小刪除脈沖時間、調(diào)制波波形選擇、幅值控制、看門狗時間常數(shù)等參數(shù)。然后向SA4828的控制寄存器傳送電源的頻率控制字和幅度控制字等參數(shù)。正

32、常工作時，根據(jù)需要對SA4828的控制數(shù)據(jù)進行修改，實現(xiàn)系統(tǒng)的反饋與實時控制，以及調(diào)壓和調(diào)頻。為實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)壓功能，采用平均值反饋PI調(diào)節(jié)。輸出電壓經(jīng)隔離、取樣后進行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果參與PI運算，運算結(jié)果即為SA4828幅度控制寄存器的控制字。電壓調(diào)節(jié)時，用戶通過控制面板的電壓調(diào)節(jié)按鍵改變PI算法中電壓的給定值，通過PI調(diào)節(jié)改變輸出電壓。頻率的控制無須構(gòu)成閉環(huán)，調(diào)頻時，單片機根據(jù)用戶設定直接修改SA4828頻率控制寄存器的控制字，以改變電源輸出頻率。為能保存用戶調(diào)節(jié)結(jié)果，用戶調(diào)節(jié)后，將電壓、頻率給定值存入帶看門狗、欠壓保護的串行E2ROMX25045中，下次開機時，從中調(diào)出電壓和頻率給定值。

33、系統(tǒng)采用LED顯示方式，同時顯示輸出電壓、電流和頻率，顯示電路以HD7279A為核心組成。必須強調(diào)的是：SA4828對時鐘信號較敏感，CPU內(nèi)部時鐘電路產(chǎn)生的時鐘信號根本不能使SA4828正常工作，必須用獨立的外部振蕩電路產(chǎn)生工作時鐘，為使系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可使單片機與SA4828公用同一時鐘源。3.5 IGBT驅(qū)動電路設計本系統(tǒng)的驅(qū)動電路采用芯片IR2110，IR2110 是一種性能比較優(yōu)良的驅(qū)動集成電路。無需擴展可直接用于小功率的變換器中，使電路更加緊湊。在應用中如需擴展，附加硬件成本也不高，空間增加不大。用IR2110驅(qū)動IGBT的驅(qū)動電路如下圖3-3：圖3-3 IGBT的驅(qū)動電路3.6 電

34、壓、電流、頻率測量電路1、電壓測量電壓有效值可采用單片機真有效值測量芯片如AD637進行測量。該芯片具有測量精度高，相對穩(wěn)定時間快，頻帶寬等優(yōu)點。但AD637輸入電壓有效值范圍為0-7V，不適合直接測量逆變器輸出電壓。因此，測量前須對輸出電壓降壓。降壓器件可用電壓互感器降壓。電壓互感器可將高壓轉(zhuǎn)換為低壓輸出，轉(zhuǎn)換線性度好，精度高。電壓測量電路如下圖3-4：圖3-4 電壓測量電路2、電流測量采用電流互感器測量電流有效值。電流互感器可以將電流量線性變換為電壓量，通過測量電壓值可以方便的測量電流值。電流電壓變換器作測量用時與被測電路隔離，因此對被測電路影響很小。同時，具有能耗小、頻帶寬、信號還原性好

35、、價格便宜等諸多優(yōu)點。電壓有效值測量方案電壓輸出型電流互感器將輸出交流電流轉(zhuǎn)換為交流電壓；AD637將交流電壓轉(zhuǎn)換為有效值輸出，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器TCL549將測量數(shù)據(jù)送至單片機處理。電流互感器輸入電流與輸出電壓之間具有較好的線性關(guān)系。采用電壓輸出型電流互感器測量電流的電路如下圖3-5：圖3-5 電流測量電路3、頻率測量電路頻率測量中，電壓互感器經(jīng)LM311構(gòu)成的過零比較電路整形成方波，通過單片機進行測頻。由于逆變器輸出波形頻率范圍較低（20-100HZ）因而可以用測周期的方法測量頻率。現(xiàn)將待測正弦波整形成方波，然后用單片機內(nèi)部計數(shù)器在方波的兩個上跳沿期間計數(shù)，若計數(shù)值為N,技術(shù)周期為t，則待測

36、信號頻率為。該方案充分利用單片機資源，簡化了電路結(jié)構(gòu)，經(jīng)試驗測試，單片機測量20-100HZ的頻率精度可達0.2%，完全能夠滿足題目的要求，因此頻率測量采用該方案。3.7 鍵盤、顯示電路顯示電路以可編程數(shù)碼管鍵盤串行接口芯片HD7279A 為核心。HD7279A是一片具有串行接口的可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管（或64只獨立LED）的智能顯示驅(qū)動芯片該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示，鍵盤接口的全部功能。HD7279A內(nèi)部含有譯碼器可直接接受BCD碼或16進制碼并同時具有2種譯碼方式。此外，還具有多種控制指令，如消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等。HD7279A具有片選信

37、號可方便地實現(xiàn)多于8位的顯示或多于64鍵的鍵盤接口。圖3-6 HD7279A引腳HD7279特點：1、串行接口，無需外圍元件可直接驅(qū)動LED；2、各位獨立控制譯碼/及消隱和閃爍屬性；3、（循環(huán)）左移（循環(huán)）右移指令；4、具有段尋址指令，內(nèi)含去抖動電路；5、64鍵鍵盤控制器，內(nèi)含去抖動電路；6、有DIP和SOIC兩種封裝形式供選擇；7、 引腳說明如下表1；HD7279A引腳說明:表5.1 HD7279A引腳說明引腳名稱說明1、2VDD正電源3、5NC無連接，必須懸空4VSS接地6CS片選輸入端，此引腳為低電平時，可向芯片發(fā)送指令及讀取鍵盤數(shù)據(jù)7CLK同步時鐘輸入端，向芯片發(fā)送數(shù)據(jù)及讀取鍵盤數(shù)據(jù)時

38、，此引腳電平上升沿表示數(shù)據(jù)有效8DATA串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端，當芯片接收指令時，此引腳為輸入端：當讀取鍵盤數(shù)據(jù)時，此引腳在讀指令最后一個時鐘的下降沿變?yōu)檩敵龆?KEY按鍵有效輸出端，平時為高電平，當檢測到有效按鍵時，此引腳變?yōu)榈碗娖?0-16SG-SA段g-段a驅(qū)動輸出17DP小數(shù)點驅(qū)動輸出端18-25DIG0-DIG7數(shù)字0-數(shù)字7驅(qū)動輸出26CLKO振蕩輸出端27RCRC振蕩器連接端28RESET復位端HD7279A與單片機連接方式圖3-7：圖3-7 HD7279A與單片機連接方式HD7279A采用串行方式與微處理器通訊，串行數(shù)據(jù)從DATA引腳送入芯片，并由CLK端同步。當片選信號變?yōu)榈碗?/p>

39、平后，DATA引腳上的數(shù)據(jù)在CLK引腳的上升沿被寫入HD7279A的緩沖寄存器。HD7279A應連接共陰式數(shù)碼管。應用中，無需用到的鍵盤和數(shù)碼管可以不連接，省去數(shù)碼管或?qū)?shù)碼管設置消隱屬性均不會影響鍵盤的使用。因為采用循環(huán)掃描的工作方式，如果采用普通的數(shù)碼管，亮度有可能不夠，采用高亮或超高亮的型號，可以解決這個問題。數(shù)碼管的尺寸，亦不宜選的過大，一般字符高度不宜超過1英寸，如果使用大型的數(shù)碼管，應使用適當?shù)尿?qū)動電路。HD7279A需要一外接的RC振蕩電路以供系統(tǒng)工作，其典型值分別為R=1.5K，C=15PF。如果芯片無法正常工作，請首先檢查此振蕩電路。在印刷電路板布線時，所有元件，尤其是振蕩電

40、路的元件應盡量靠近HD7279A，并盡量使電路連線最短。HD7279的RESET復位端在一般應用情況下，可以直接與正電源連接，在需要較高可靠性的情況下，可以連接一外部的復位電路，或直接由MCU（單片機）控制。在上電或RESET端由低電平變?yōu)楦唠娖胶?，HD7279A大約需要經(jīng)過1825ms的時間才會進入正常工作狀態(tài)。上電后，所有的顯示均為空，所有顯示位的顯示屬性均為“顯示”及“不閃爍”。當有按鍵按下時，KEY引腳輸出變?yōu)榈碗娖剑藭r如果接收到讀鍵盤指令，HD7279A將輸出所按下鍵的代碼。程序中，盡可能地減少CPU對HD7279A的訪問次數(shù)，可以使得程序更有效率。因為芯片直接驅(qū)動LED數(shù)碼管顯示

41、，電流較大，且為動態(tài)掃描方式，故如果該部分電路電源連線較細較長，可能會引入較大的電源噪聲干擾，將HD7279A的正負電源端上并入去藕電容可以提高電路的抗干擾能力。第四章 系統(tǒng)軟件設計4.1 控制模塊設計本系統(tǒng)采用STC單片機作為主控器件，利用SPWM專用芯片SM2001產(chǎn)生SPWM信號送驅(qū)動芯片IR2130。如第二章2-5所述，本系統(tǒng)采用閉環(huán)反饋控制以達到穩(wěn)壓輸出的目的。 （1）程序流程圖單片機作為主控器件，負責變頻電源輸出端的信號采集，鍵盤輸入處理，顯示界面的顯示。單片機發(fā)出指令控制SM2001產(chǎn)生SPWM信號，頻率和末端電壓幅值由鍵盤輸入而改變。程序流程圖如圖3-1。圖4-1 程序流程圖（

42、2）SM2001初始化SM2001的工作狀態(tài)和輸出信號的參數(shù)是由內(nèi)部的寄存器控制。寄存器大小為8Bit，地址用3Bit的二進制碼表示。故通訊數(shù)據(jù)為11Bit。以下對內(nèi)部控制寄存器進行說明。1、頻率控制寄存器PFR(地址011)控制三相SPWM波的頻率，256級選擇精度，地址為011。它控制輸出的PWM合成的正弦波的頻率，三相波形的頻率是相同的，通過此寄存器進行選擇。表4.1 寄存器數(shù)據(jù)B7B6B5B4B3B2B1B0Pf7Pf6Pf5Pf4Pf3Pf2Pf1Pf0輸出的三相波頻率fsin由式（1）算出fsin=fclk×PFR/(512×192×256) （4.1

43、）式中：fclk是系統(tǒng)時鐘的頻率；PFRPFR寄存器的值(0255)。例如：如果時鐘頻率為20MHz，PFR=63，則三相正弦波的頻率為50.1Hz。2、調(diào)制度控制寄存器AMPR(地址010)改變輸出三相波的幅度，256級選擇精度，地址為010。它控制輸出的PWM合成的正弦波的幅度，三相波形的幅度是相同的，通過此寄存器進行選擇。表4.1 AMPR寄存器數(shù)據(jù)B7B6B5B4B3B2B1B0Amp7Amp6Amp5Amp4Amp3Amp2Amp1Amp0輸出的三相波幅度Asin由式（2）算出Asin=（DC*AMPR/255）×100 (4.2)式中：DC為后級功率電路的直流電壓, AM

44、PRAMPR寄存器的值（1255）。例如：如果后級功率電路的直流電壓為60V，AMPR=217，選取純正弦波輸出，則輸出正弦波的峰值電壓為51.05V，有效值電壓為36.1V。3、PWM開關(guān)頻率和窄脈沖寄存器FPDR（地址001）設置PWM載波的開關(guān)頻率和要刪除的無效窄脈沖寬度，地址為001。PWM的開關(guān)頻率是后級大功率管或大功率模塊的重要參數(shù)之一，它往往取決于后級功率電路的開關(guān)時間、工作效率等要求。表4.1 FPDR寄存器數(shù)據(jù)B7B6B5B4B3B2B1B0CF1CF0PD5PD4PD3PD2PD1PD0PWM頻率選擇位CF1、CF0。當CF1、CF0為11、10、01、00時，其對應的分頻

45、系數(shù)N則分別為8、4、2、1。PWM開關(guān)頻率fc由式（3）算出fc=fclk/（512×N） (4.3)例如：若時鐘頻率為20MHz，PWM頻率選擇字為11，則fc=20000000/(512×8)=4882HzPD5PD0為窄脈沖時間選擇位，窄脈沖的時間tpd由式（4）算出tpd=PD/（fc×512） (4.4)式中：PD窄脈沖時間選擇數(shù)值。窄脈沖刪除功能是指在PWM波中，由于后級電路的開關(guān)時間問題，小于tpd寬度的脈沖不能引起后級電路的動作，可以被刪除去。4、死區(qū)時間選擇寄存器DTIM（地址100）設置PWM載波的死區(qū)時間寬度，地址為100。表4.1 DTI

46、M寄存器數(shù)據(jù)B7B6B5B4B3B2B1B0DT5DT4DT3DT2DT1DT0PWM載波的死區(qū)時間也是后級大功率管或大功率模塊的重要參數(shù)之一，它取決于后級功率電路的導通時間和截止時間。對于采用IGBT作為功率輸出的電路，則尤為重要。如果設置不當，會導致功率電路燒毀或諧波失真增加，死區(qū)時間設置參見圖4-3。圖4-2死區(qū)時間設置死區(qū)時間tpdy由式（5）算出:tpdy=DT/（fc×512） （4.5）式中：DT死區(qū)時間選擇數(shù)值。本系統(tǒng)中由于驅(qū)動芯片IR2130自帶死區(qū)時間，故此處將DT設為0.寄存器窄脈沖選擇和PWM頻率寄存器幅度控制寄存器AMPR頻率控制寄存器PFR死區(qū)時間控制寄存

47、器DTIM，fclk=20MHz ，VDD=60V，F(xiàn)PWM=4882Hz， tpd=25.6s，F(xiàn)sin=50Hz，tpdy=0s5、開啟命令START（地址110）在完成芯片的各項參數(shù)的初始化設置后，通過往地址110中寫入5FH，即可以開啟芯片的SPWM輸出。以后的參數(shù)改變，一旦寫入寄存器即立即表現(xiàn)出來，不必再使用開啟命令了。（3）SM2001的使用1、三線同步串行接口SM2001的寄存器是通過一個三線同步串行接口進行設置的。當片選CS為低時，芯片進入串行通信狀態(tài)，在每個時鐘CK的上升沿，數(shù)據(jù)線DA上的數(shù)據(jù)被移入內(nèi)部緩沖器，當11個數(shù)據(jù)位全部進入緩沖器后，在最后一個CK脈沖的認可下，數(shù)據(jù)被

48、轉(zhuǎn)入相應的寄存器，且命令被立即執(zhí)行。地址和數(shù)據(jù)的低位在先傳入，分別為A0、A1、A2、D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7。由于內(nèi)部的時序原因，在完成所有的數(shù)據(jù)輸入，CS恢復高電平后，必須在CK上額外地多加入一個時鐘，完成數(shù)據(jù)的認可。RST接低電平時，芯片進入復位狀態(tài)。此時輸出端輸出高電平，各寄存器的內(nèi)容如表2所列。表4.2 復位狀態(tài)時各寄存器內(nèi)容寄存器窄脈沖選擇和PWM頻率寄存器幅度控制寄存器頻率控制寄存器死區(qū)時間控制寄存器寄存器復位值111111111100110000111110XX111111tpd=25.6s fc=4882Hz85%50Hz0復位主要是用來恢復INT異常中

49、斷的狀態(tài)。如果不是首次上電，復位并不能清除開啟命令。在芯片工作中時復位，芯片將以初始化條件輸出PWM波形，所以應配合使用OE的功能，首先關(guān)閉SPWM輸出（OE=0），復位電路（RST上加入一個負脈沖），在設置好需要的參數(shù)后，再開啟OE，才能正常的輸出波形。當采用20MHz的時鐘時，表2中的缺省條件表示PWM的頻率為4882Hz，死區(qū)和短脈沖時間為25.6s，正弦波頻率為50Hz，合成正弦波峰值幅度為電源的85。（注意：在芯片的OE不為高，或MCU未發(fā)送開始命令時，U、V、W端口并沒有實際的SPWM輸出）當芯片首次上電時，也將自動復位所有的寄存器為內(nèi)部初始值，且芯片的輸出端保持高電平（不輸出時的缺省狀態(tài)）。（