IGBT的變頻電源設(shè)計

1、I 目 錄 1 引言.1 2 方案論證與比較.3 2.1 SPWM 方案論證與選擇.3 2.2 驅(qū)動電路的設(shè)計方案論證與選擇 .4 3 系統(tǒng)組成.5 4 單元電路的設(shè)計.6 4.1 光電隔離電路設(shè)計 .6 4.2 驅(qū)動電路設(shè)計 .7 4.3 IGBT 電路設(shè)計.8 4.3.1 IGBT 介紹.8 4.3.2 橋式電路 .9 4.4 低通濾波電路設(shè)計 .10 4.5 電源電路設(shè)計 .11 4.6 SPWM 單元電路.12 4.6.1 SPWM 發(fā)展.12 4.6.2 SPWM 波形生成方法.13 4.6.3 ATMEGA8 單片機介紹.14 4.6.4 ATMEGA8 單片機引腳及功能.15 4

2、.6.5 ATMEGA8 單片機的最小系統(tǒng)電路及軟件流程.17 4.7 電壓采集單元電路 .19 4.7.1 89S52 單片機的管腳說明.19 4.7.2 ADC0809 介紹.23 4.7.3 ADC0809 管腳說明.23 4.7.4 ADC0809 電路及軟件流程.26 5 測試結(jié)果.29 結(jié) 論.30 參考文獻.31 附錄 1 系統(tǒng)電路 .32 附錄 2 SPWM 程序.33 附錄 3 電壓采集程序 .37 致 謝.41 1 1 引言 眾所周知，我們所使用的市電頻率是 50Hz，但是，在實際生活中，有時需要的 電源頻率不是 50Hz。電氣化鐵路是我國鐵路發(fā)展的方向，25Hz 電源是電

3、氣化鐵路區(qū) 段信號系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。在航空航天領(lǐng)域大量使用的電源是 400Hz 的電源。由此可 以看出在很多場合，需要電源的頻率并不是市電所提供的 50Hz。結(jié)果造就變頻電源 的產(chǎn)生。在現(xiàn)實生活中變頻電源廣泛應(yīng)用于航空、機械、輕工等行業(yè)。1969 年世界 上誕生第一臺逆變電源，由于其具有調(diào)節(jié)特性優(yōu)良、而且體積小、重量輕、功耗低， 在電子和電氣領(lǐng)域得到了迅速的推廣應(yīng)用。 逆變器從1969年發(fā)展到今天，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展過程。其控制方法也出現(xiàn)了 許多，大致可以分為：變壓和變頻控制方法。目前采用較多的是變壓中的脈寬調(diào)制 技術(shù)即PWM控制技術(shù)，即利用控制輸出電壓的脈沖寬度，將直流電壓調(diào)制成等幅寬度 可變

4、的交流輸出電壓脈沖，來控制輸出電壓的有效值、控制輸出電壓諧波的分布和 抑制諧波。PWM技術(shù)可以迅速地控制輸出電壓，及其有效地進行諧波抑制，它的動態(tài) 響應(yīng)好，在輸出電壓質(zhì)量、效率等諸方面有著明顯的優(yōu)點。 根據(jù)形成PWM波原理的不同，可以分為以下幾種：矩形波PWM、正弦波SPWM、空 間相量PWM(SVM)、特定諧波消除PWM、電流滯環(huán)PWM等。這四類PWM波各有優(yōu)缺點，因 而適用于不同的場合。 SPWM的全稱是Sine Pulse Width Modulation，意思是正弦脈沖寬度調(diào)制1，簡 稱為SPWM,是調(diào)制波為正弦波、載波為三角波或鋸齒波的一種脈寬調(diào)制法，它是1964 年由A.Schon

5、ung和H.Stemmler把通訊系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到逆變器而產(chǎn)生的。后來 由Bristol大學(xué)的S.R. Bo wer等于1975年對該技術(shù)正式進行了推廣應(yīng)用。這項技術(shù) 的特點是原理簡單，通用性強，控制和調(diào)節(jié)性能好，具有消除諧波、調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸 出電壓的多種作用，是一種比較好的波形改善法。它的出現(xiàn)為中小型逆變器的發(fā)展 起了重要的推動作用。 傳統(tǒng)的電源采用都是模擬控制系統(tǒng)，模擬控制經(jīng)過多年的發(fā)展，己經(jīng)非常成熟。 然而，模擬控制有著固有的缺點：控制電路的元器件比較多，電路復(fù)雜，所占體積 大，制造成本比較高；靈活性不夠，硬件電路設(shè)計好了，控制策略就無法改變；最 主要的是逆變電源不便于調(diào)試，大量的模擬

6、元器件使其之間的連接相當復(fù)雜，從而 使系統(tǒng)的故障檢測與維修比較困難。模擬器件的老化問題和不可補償?shù)臏仄瘑栴}， 以及易受環(huán)境(如電磁噪聲，上作環(huán)境溫度等)干擾等因素都會影響控制系統(tǒng)的長期 穩(wěn)定性。近年來高速MCU技術(shù)的成熟和普遍，與其采用哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作，即程 2 序、數(shù)據(jù)存儲器彼此相互獨立，在每一時鐘周期中能完成取指、譯碼、讀數(shù)據(jù)以及 執(zhí)行指令等多個操作從而大大減少指令執(zhí)行周期。高速數(shù)字MCU的發(fā)展，正弦波逆變 器的控制技術(shù)方案也由傳統(tǒng)的模擬控制向現(xiàn)代數(shù)字化控制的方向發(fā)展。采用數(shù)字化 控制，不僅可以大大降低控制電路的復(fù)雜程度，提高電源設(shè)計和制造的靈活性，而 且可以采用更先進的控制方法，從而

7、提高逆變電源系統(tǒng)輸出波形的質(zhì)量和可靠性。 基于MCU的發(fā)展上逆變電源技術(shù)正朝者以下幾種趨勢發(fā)展： 1 高頻化 理論分析和實踐經(jīng)驗表明：電器產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積 重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20khz，提高 400倍的話，用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計的5-10%，其主要材料可以節(jié) 約90%甚至更高，還可以節(jié)電30%甚至更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步 提高，促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化，原材料消耗顯著降低、電 源裝置小型化、系統(tǒng)的動態(tài)反應(yīng)加快，更可以深刻體現(xiàn)技術(shù)含量的價值。 2 數(shù)字化 現(xiàn)在數(shù)字式信號，數(shù)字電路越來越重

8、要，數(shù)字信號處理技術(shù)日趨完 善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點，便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、 提高系統(tǒng)抗干擾能力、便于軟件包調(diào)試、也便于自診斷，容錯等技術(shù)的植入，同時 也為電源的并聯(lián)技術(shù)發(fā)展提供了方便。 3 綠色化 隨著各種政策法規(guī)的出臺，對無污染的綠色電源的呼聲越來越高。 綠色電源的含義有兩層：首先是顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造 成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染；其次這些電源不能對 電網(wǎng)產(chǎn)生污染。為了使電源系統(tǒng)綠色化，電源應(yīng)加裝高效濾波器，還應(yīng)在電網(wǎng)輸入 端采用功率因數(shù)校正技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)。提高輸入功率因數(shù)具有重要意義，不僅可 以減少對電網(wǎng)的污染

9、，降低市電的無功損耗，起到環(huán)保和節(jié)能的效果，而且還能減 少相應(yīng)的投資，提高運行可靠性。提高功率因數(shù)的傳統(tǒng)方法是采用無源功率因數(shù)校 正技術(shù)，目前較先進的方法是：單相輸入的采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)。 本設(shè)計主要是采用等效面積算法來計算逆變產(chǎn)生 SPWM 波形2，保持輸出波形不 失真。同時，通過 89S52 單片機控制 ADC0809 采集輸出的電壓值并在數(shù)碼管上作相 對應(yīng)的顯示。設(shè)計的主要要求是方案成本低，體積小，無需調(diào)外部元件，接口簡單。 SPWM 的產(chǎn)生是通過單片機 ATMEGA8 根據(jù)算法產(chǎn)生。再經(jīng)隔離驅(qū)動放大，最后濾波輸 出，得到所需要的正弦波形。ATMEGA8 單片機是 ATMEL 公司

10、推出的高速最小型高速 單片機，它是一個 28 腳的小型單片機，在內(nèi)部已經(jīng)集成晶體振蕩器，無須外接晶振 就可以以最高速度 8MHz 的時鐘執(zhí)行程序。是目前速度較高的最小型單片機，它為高 速率低成本的數(shù)字變頻電源提出了解決方案。 本課題的實用性非常強，在許多的領(lǐng)域中都用到，如：用于交流電機調(diào)速系統(tǒng)、 艦船、航空航天、郵電通訊、軍事裝備、交通設(shè)施、儀器儀表、工業(yè)設(shè)備等。 3 2 方案論證與比較 2.1 SPWM 方案論證與選擇 方案 1：采用比較器對正弦波和三角波進行比較3得到 PWM 波，基本框圖如圖 1 所示，將比較后得到 PWM 送入驅(qū)動電路放大后再驅(qū)動 IGBT。 圖 1 正弦波與三角波比較

11、電路框圖 該方法實現(xiàn)比較困難，并且受運放參數(shù)影響較大，調(diào)試困難，穩(wěn)定性較差而且， 不易靈活控制。 方案 2：采用間接生成法即使用專用的 PWM 芯片與單片機進行通訊，基本框圖如 圖 2 所示。 圖 2 單片機控制 PWM 芯片框圖 用單片機去指令控制 PWM 的移相或倒相。該方法優(yōu)點是單片機的工作量并不大 運算速度要求不高，可以用一般的單片機實現(xiàn)。缺點是專用 PWM 芯片難以控制，增 加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度成本較高，不易于在實際中應(yīng)用。 方案 3：運用單片機通過等效面積算法來計算逆變產(chǎn)生 SPWM 波形，此種方法實 現(xiàn)簡單，易于控制和改變，并且具有較強的抗干擾能力。由于單片機輸出的是數(shù)字 信號，使

12、其具有數(shù)字化的特點。 綜上所述，方案 3 具有更優(yōu)良的性能和更簡單的電路構(gòu)成，所以使用方案 3 作 正弦波輸入 三角波輸入 PWM 輸出 輸出濾波 比較 電路 電源電路 PWM 輸出 輸出濾波PWM 芯片 電源電路單片機 4 為本次設(shè)計的方案。 2.2 驅(qū)動電路的設(shè)計方案論證與選擇 方案 1：使用專用驅(qū)動芯片如 M57962，EXB840，IR21104等，如圖 3 所示。驅(qū) 動芯片配合少數(shù)的外圍元件完成，該方法優(yōu)點是系統(tǒng)的集成度高，有良好的過載和 短路保護功能。缺點是此類芯片幾乎都存在一個共同的特點，本身不能產(chǎn)生負電壓， 抗干擾能力差，并且有一定的延遲時間，芯片反應(yīng)速度較慢，不適合在高頻電源

13、中 使用并且其一般價格較高。 圖 3 控制驅(qū)動芯片框圖 方案 2：采用分立元件搭建驅(qū)動電路。電路中選用高速開關(guān)三極管 8050 和 8550，其反應(yīng)速度可以達到微秒級，能很好的抑制在傳輸中出現(xiàn)的新的頻率成分, 并且避免了信號在傳輸過程中的累加延遲，有利于減少輸出波形的失真度。開關(guān)三 極管具有開關(guān)速度快,輸出電流大，單電源供電等優(yōu)點完全可以應(yīng)用于高頻段，滿足 系統(tǒng)的要求。在需要更大電流驅(qū)動的場合，三極管還可以接成推挽輸出模式以提高 輸出電流，分立元件的驅(qū)動電路具有良好的性價比。 綜上所述，選擇方案 2 即采用分立元件搭建驅(qū)動電路。 PWM 輸出 輸出濾波驅(qū)動芯片 電源電路 5 3 系統(tǒng)組成 本變

14、頻器電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。單相交流電源經(jīng)過EMI線濾波器后， 再經(jīng)單相橋式整流和大容濾波后可在直流母線上獲得穩(wěn)定的直流電壓。該直流電壓 在電壓可調(diào)電路的控制下，經(jīng)過橋式逆變電路逆變后，可輸出由驅(qū)動電路送來的 SPWM信號，在經(jīng)過一級小容量的LC濾波網(wǎng)絡(luò)后，即可在輸出端獲得較為理想的正弦 波輸出電壓信號。 以單片機為主的控制系統(tǒng)主要用來產(chǎn)生逆變電路開關(guān)器件的驅(qū)動信號，另一單 片機通過對直流母線電壓的采樣，實時的監(jiān)測并顯示直流母線電壓值，使整個系統(tǒng) 方便用戶的操作。 圖4 變頻器結(jié)構(gòu)原理圖 電壓顯示 電源電路 2 EMI 濾波整流濾波電壓可調(diào) 電壓采集顯示驅(qū)動單片機 驅(qū)動電路 橋式逆變 輸

15、出濾波 單片機產(chǎn) 生 SPWM 生 chacheng 生 電源電路 1 輸出 AC 6 4 單元電路的設(shè)計 4.1 光電隔離電路設(shè)計 光電隔離也叫光電藕荷器，就是把電的信號轉(zhuǎn)換成光的信號，然后再把光的強 弱轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的電壓信號，從而實現(xiàn)高壓和低壓的電氣隔離。一般是由發(fā)光二極 管和光敏三極管構(gòu)成，光敏三極管是特殊的三極管，把基極電流大小做成受發(fā)光二 極管光強弱控制。因此，光電隔離事實是一種電信號光強弱電信號變換器。 常見的光電藕荷器內(nèi)部電路如圖 4-1 所示： U10 圖 4-1 常用光電耦合器內(nèi)部電路 光電藕荷器一般應(yīng)用在信號不匹配，輸入的信號可能是交流信號、高壓信號、 按鍵等干接點信號，比

16、較長的連接線路容易引進干擾、雷擊、感應(yīng)電等，不經(jīng)過隔 離不可靠或容易對人體造成傷害。 一般情況下光電藕荷器輸入端是靠一定的電流來觸發(fā)光耦管，從而產(chǎn)生一個輸 入信號，電流一般為 4mA- 22mA。TTL 輸入則是靠高、低電平來產(chǎn)生一個輸入信號。 其中，0.7V 代表低電平，2.5V - VCC 代表高電平。 光耦輸出端可以是 5v - 24v 的電壓，驅(qū)動電流為 4mA- 22mA。TTL 輸入端則只能是 高低電平，且不能超過額定的 VCC（一般為 5V)。 本設(shè)計所用的光電耦合器是 6N135，它是一個 8 引線雙列直插的器件，內(nèi)部電 路圖如圖 4-2 所示。電路由芯片內(nèi)部 D1、D2 和

17、Q1 組成： 2 35 6 8 7 6N 135 圖 4-2 6N135 內(nèi)部電路 圖 4-3 為光電隔離電路圖。電路的核心部分是高速光電耦合器 6N135，根據(jù) 6N135 的數(shù)據(jù)手冊可知，6N135 的最高頻率為 1MHz,二極管端的輸入電流為 16mA 壓 7 降是 1.6V，而 ATMEGA8L 的輸出電壓是 5V，因此需要在輸入端串接一個輸入電阻， 其大小按照下列公式計算： （4-1） Id VdVin R 式中Vin為單片機的輸出高電平是的電壓 5V，Vd是二極管的壓降，Id是二極管 端的輸入電流。 +18V R3 200 R4 1K R5 3K 2 35 6 8 7 6N135

18、圖 4-3 光電隔離電路圖 由于后級的輸入驅(qū)動電壓一般不能低于 12V，否則會造成后極無法正常工作， 因此在光耦的三極管輸出端為其加 18V 的電源電壓，以保證后級正常工作所需電壓。 4.2 驅(qū)動電路設(shè)計 圖 4-4 是驅(qū)動電路圖。 R6 3K Q3 8050 Q2 8550 +18V 圖 4-4 IGBT 驅(qū)動電路 電路由 Q2、Q3 和 R6 組成。由光電隔離電路送來的 SPWM 波形送入 Q2 和 Q3 的基 極。當信號為高電平的時候 Q3 導(dǎo)通，那么 Q3 的 C 極和 E 極相當于是短接的，也就 是輸出為高電平。當 SPWM 輸出為低電平是 Q3 截止，Q2 導(dǎo)通后極的結(jié)電容通過 R

19、6 和 Q2 放電，這樣就可以加快了輸出電路的反應(yīng)速度。 8 4.3 IGBT 電路設(shè)計 4.3.1 IGBT 介紹 絕緣門極雙極型晶體管(Isolated Gate Bipolar Transistor 簡稱 IGBT)是復(fù)合 了功率場效應(yīng)管和電力晶體管的優(yōu)點而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合器件，具有輸入阻抗高、 工作速度快、熱穩(wěn)定性好驅(qū)動電路簡單、通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點， 因此現(xiàn)今應(yīng)用相當廣泛。 IGBT 是強電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率場效應(yīng)管的自然進化。由 于實現(xiàn)一個較高的擊穿電壓 BVDSS 需要一個源漏通道，而這個通道卻具有很高的電 阻率，因而造成功率場效應(yīng)管具有 RD

20、S(on)數(shù)值高的特征，IGBT 消除了現(xiàn)有功率場 效應(yīng)管的這些主要缺點。雖然最新一代功率場效應(yīng)管器件大幅度改進了 RDS(on)特 性，但是在高電平時，功率導(dǎo)通損耗仍然要比 IGBT 技術(shù)高出很多。較低的壓降， 轉(zhuǎn)換成一個低 VCE(sat)的能力，以及 IGBT 的結(jié)構(gòu)，同一個標準雙極器件相比，可 支持更高電流密度，并簡化 IGBT 驅(qū)動器的原理圖。 1 IGBT 的工作原理和工作特性 IGBT 的開關(guān)作用是通過施加正向柵極電壓形成溝道，給 PNP 晶體管提供基極電 流，使 IGBT 導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使 IGBT 關(guān) 斷。IGBT 的驅(qū)動方法和場效應(yīng)管

21、基本相同，只需控制輸入極 N 溝道場效應(yīng)管，所 以具有高輸入阻抗特性。當場效應(yīng)管的溝道形成后，從 P+ 基極注入到 N 一層的空 穴（少子） ，對 N 一層進行電導(dǎo)調(diào)制，減小 N 一層的電阻，使 IGBT 在高電壓工作時， 也具有低的通態(tài)電壓。IGBT 的工作特性包括靜態(tài)和動態(tài)兩類： 2 靜態(tài)特性 IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開關(guān)特性 IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓 Ugs 為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的 關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵-源電壓 Ugs 的控制，Ugs 越高，Id 越大。它的 輸出特性可分為飽和區(qū) 1、放大區(qū) 2 和擊穿特性 3 部分。在截止狀態(tài)下的

22、IGBT，正 向電壓由 J2 結(jié)承擔，反向電壓由 J1 結(jié)承擔。如果無 N+緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓 可以做到同樣水平，加入 N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限 制了 IGBT 的某些應(yīng)用范圍。 IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流 Id 與柵源電壓 Ugs 之間的關(guān)系曲線。它與 場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性相同，當柵源電壓小于開啟電壓 Ugs(th)時，IGBT 處于關(guān)斷狀 態(tài)。在 IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，Id 與 Ugs 呈線性關(guān)系。最高柵源電 壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為 15V 左右。 IGBT 的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT 處

23、于導(dǎo)通態(tài)時，由 9 于它的 PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其 B 值極低。盡管等效電路為達林頓結(jié)構(gòu)， 但流過場效應(yīng)管的電流成為 IGBT 總電流的主要部分。此時，通態(tài)電壓 Uds(on)可用 下式表示： （4-2）RohIdUdrUjionUds)( 式中Ujiji結(jié)的正向電壓，其值為 0.7V；Udr擴展電阻Rdr上的壓 降；Roh溝道電阻。 通態(tài)電流Ids可用下式表示： （4-3）osBpnpIdsIm)1 ( 式中Imos流過場效應(yīng)管的電流。 由于 N+區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以 IGBT 的通態(tài)壓降小，耐壓 1000V 的 IGBT 通 態(tài)壓降為 2V3V。IGBT 處于斷態(tài)時，只有

24、很小的泄漏電流存在。 3 動態(tài)特性 IGBT 在開通過程中，大部分時間是作為場效應(yīng)管來運行的，只是在漏源電壓 Uds下降過程后期，PNP 晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時間。Td(on) 為 開通延遲時間，Tri為電流上升時間。實際應(yīng)用中常給出的漏極電流開通時間 Tdon 即為Td(on)和Tri之和。漏源電壓的下降時間由Tfe1和Tfe2組成。 IGBT 在關(guān)斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因為場效?yīng)管關(guān)斷后，PNP 晶 體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間，Td(off)為關(guān)斷延遲時 間，Trv為電壓Uds(f)的上升時間。 Tf1和Tf2兩段組成，而漏極電流的

25、關(guān)斷時間為： （4-4）)()()(fTTrvoffTdoffT 式中，Td(off)與Trv之和又稱為存儲時間。 由此可以總結(jié)出 IGBT 的工作原理為 IGBT 由柵極電壓正，負來控制。當加上正 柵極電壓時，絕緣柵下形成溝道，MOSFET 導(dǎo)通，為 PNP 晶體管提供了流動的基極電 流，從而使 PNP 管（即整個 IGBT 導(dǎo)通） 。當加上負柵極電壓時，IGBT 工作過程相反， 形成關(guān)斷。 4.3.2 橋式電路 為了提高 IGBT 的帶負載能力，通常將 IGBT 接成全橋式或者是半橋式，這樣每 10 個 IGBT 承受的電壓為 Vcc/2，在需要較大的輸出電壓場合就可以用較小的 IGBT

26、耐 壓來實現(xiàn)。橋式電路如圖 4-5 所示： G SD BT 1 10N60 G SD BT 4 10N60 G SD BT 2 10N60 G SD BT 3 10N60 VCC RL 圖 4-5 IGBT 橋式電路 將正弦波的正半個周期生成的 SPWM 波，送入 BT1 和 BT3 讓其同時導(dǎo)通（此時須 先讓 BT2 和 BT4 截止） ，那么在負載 RL 上得到正半個波形的 SPWM 波形。將正弦波的 負半個周期生成的 SPWM 波，送入 BT2 和 BT4 讓其同時導(dǎo)通（在 BT2 和 BT4 之前必須 先讓 BT1 和 BT3 截止，以防止系統(tǒng)短路） ，那么在負載 RL 上得到負半個波

27、形的 SPWM 波形。也就是在整個正弦波周期，RL 上的波形是正半個 SPWM 和負半個 SPWM 的疊加， 就得到一個全波型的 SPWM。 4.4 低通濾波電路設(shè)計 “低通濾波”電路，顧名思義，只允許低頻信號通過，不允許高頻通過。一般 的低通電路中大多用電感線圈和電阻組成，但是 RL 低通濾波只適合于功率輸出不大 的場合，而電阻在系統(tǒng)中要消耗很多的能量。而 LC 低通濾波就解決了這個缺點。因 此本設(shè)計中用的是 LC 低通濾波，也就是一階巴特沃斯低通濾波，巴特沃斯低通濾波 器具有以下優(yōu)點： 1 模糊大大減少，因為包含了許多高頻分量； 2 沒有振鈴現(xiàn)象，因為濾波器是平滑連續(xù)的。 計算公式： 11

28、 （4-5） )2(2 1 CL F F 為低通濾波的截止頻率，L為電感容量,C為電容容量。 由于 LC 低通濾波齊是過了諧振頻率以后才 40DB/DEC 的衰減，因此在設(shè)計過程 中截止頻率 F 取得大些。電路如圖 4-6 所示： L110mH L210mH C1 0.1uF 圖 4-6 低通濾波 SPWM 經(jīng)過低通濾波濾除高次諧波。首先電感把高次諧波中的一部份抑制之后電 容把剩余部分的高次諧波對參考電位濾除，在輸出端就可以得到無失真的正弦波。 4.5 電源電路設(shè)計 由于低通需要驅(qū)動電路需要 18V 的工作電壓而單片機、ADC0809、74LS47 等工 作電壓需要 5V，所以變壓器的輸出只需

29、要接地和 15V，考慮到 IGBT 驅(qū)動電路必須和 單片機分開供電，所以采取對單片機單獨供電，IGBT 上橋臂單獨供電，下橋臂共用 一個電源。見圖 4-7 和圖 4-8： D35 C52 2200uF/35V C53 0.33uF C55 0.33uF Vin 1 GND 2 +5V 3 U9 LM 7805 C54 2200uF/35V T2 AC220V 15V C56 470uF/25V C57 0.1uF Vin 1 GND 2 +15V 3 U8 LM 7809 1 2 3 JP7 +5V 圖 4-7 單片機供電電源電路 由變壓器出來的交流信號經(jīng)過橋式整流和電容濾波之后送給 LM78

30、09，穩(wěn)壓 9V 輸出直接接到 LM7805，它的輸出單獨供給單片機。在三端穩(wěn)壓管的輸入輸出端與地 之間連接大容量的濾波電容，使濾掉紋波的效果更好，輸出的直流電壓更穩(wěn)定。接 輸入輸出 12 小容量高頻電容以抑制芯片自激，輸出引腳端連接高頻電容以減小高頻噪聲5。 D37 C55 2200uF C56 0.33uF T4 AC220V 12V D38 C57 2200uF C58 0.33uF T5 AC220V 12V D36 C53 2200uF C54 0.33uF T3 AC220V 12V AC220V 圖 4-8 驅(qū)動電路獨立電源電路 4.6 SPWM 單元電路 4.6.1 SPWM

31、發(fā)展 近年來，隨著自關(guān)斷器件的不斷發(fā)展，采用以正弦波作為參考電壓的SPWM控制 的VVVF(VVVF的全稱是Variable Voltage Variable Frequency，意思是“變壓變頻” )調(diào)速,已成為變頻的主流。IGBT作為新一代全控型電力電子器件，其開關(guān)頻率高、 驅(qū)動功率小，構(gòu)成的功率交換器輸出電壓紋波小，線路簡單，價格便宜是當前最具 有應(yīng)用前景的中小功率器件。早期使用模擬電路元件生成SPWM波形，所需硬件較多， 算法不夠靈活，改變參數(shù)和調(diào)試比較麻煩。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計算 機技術(shù)的發(fā)展，研究重點轉(zhuǎn)移到以MCU為主的數(shù)字方案。本設(shè)計中介紹了一種由 ATMEGA8高速

32、單片機算法生成的SPWM脈沖序列控制變頻調(diào)速的方法。 PWM技術(shù)從最初采用分離元件的模擬電路完成三角波和正弦調(diào)制波的比較，產(chǎn)生 SPWM控制信號，到目前采取全數(shù)字化方案，完成實時在線的PWM（SPWM）信號輸出。 PWM控制電路經(jīng)歷了由實級到越來越完善的演化。其中多數(shù)要與單片機連接才能完成 SPWM控制功能，通常應(yīng)用于高要求的逆變系統(tǒng)中。ATMEL公司推出的8位單片機片 ATMEGA8為逆變控制電路的全數(shù)字化設(shè)計提供了強有力的硬件支持、豐富的軟件指令， 13 給軟件編程帶來了很大方便。 4.6.2 SPWM 波形生成方法 1 常用算法比較 微機控制的SPWM算法有多種，常用的有自然取樣法和規(guī)則

33、取樣法。自然取樣法 圖4-9，采用計算的方法尋找三角載波U與參考正弦波UR的交點作為開關(guān)值以確定 SPWM的脈沖寬度，這種方法誤差小、精度高，但是計算量大，難以做到實時控制， 用查表法將占用大量內(nèi)存，一般不采用。規(guī)則取樣法（圖4-9 b）采用近似求U和UR 交點的方法，通過兩個三角波峰之間中線與UR的交點作水平線與兩個三角波分別交 于A和B點，由交點確定SPWM的脈寬，這種方法計算量相對自然取樣法小的多，但存 在一定誤差6。 (a)自然采樣法 (b)規(guī)則采樣法 圖 4-9 常用 SPWM 算法 2 采用等效面積法 等效面積法就是把一個正弦半波分為N等分，每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍 的面積都

34、用一個與此面積相同的等高矩形脈沖代替，矩形脈沖的中點與正弦波每一 等分的中點重合，這樣，由N個等幅而不等寬的矩形脈沖所構(gòu)成的波形就與正弦半波 等效，顯然這一系列脈沖波形的寬的和開關(guān)時刻可以嚴格地用數(shù)學(xué)方法計算得到。 如圖4-10所示，在區(qū)間t,t+t，正弦波面積為（IGBT開啟時刻）： （4-6）k nf ktTon ) 2 1 ( 2 1 )( 2 1 IGBT 關(guān)斷時刻： （4-7）k nf ktToff ) 2 1 ( 2 1 )( 2 1 14 IGBT 的開關(guān)時間的計算，對應(yīng)圖中相對應(yīng)的脈沖面積。將正弦信號的正半周 N 等分，則每份為 /N 弧度，由圖可看出脈沖高度為。則第 K 份正

35、弦波面積與對應(yīng)的 第 K 個 SPWM 脈沖面積相等，解得： （4-8） )cos() 1 cos()cos() 1 cos( 2 N K N K f M N K N KM k 圖 4-10 等效面積控制算法 4.6.3 ATMEGA8 單片機介紹 ATMEGA8單片機是AVR系列單片機中的一種，具有高性能、低功耗的8位AVR 微處 理器，先進的RISC精簡指令結(jié)構(gòu)130條指令并且大多數(shù)指令的執(zhí)行時間為單個時鐘期， 32個8位通用工作寄存器全靜態(tài)工作，工作于16MHz時性能高16MPIS，只需兩個時鐘 周的硬件乘法器，內(nèi)部為非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器，高達8K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)在可編 程Falsh，其

36、擦寫壽命可達到10000次，具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)通過片上 Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程真正的同時讀寫操作，512字節(jié)的EEPROM，擦寫壽命在 100000次，1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM供用戶使用?？梢詫︽i定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序 的加密，除此之外還具有：兩個具有獨立預(yù)分頻器8位定時器/計數(shù)器，其中的一個 還具有比較功能。一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/ 計數(shù)器， 具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC，三通道PWM，TQFP與MLF封裝的8路10位ADC，PDIP 封裝的6路ADC，面向字節(jié)的兩線接口，兩個可編程的串行USART，可工作于主機/從 機模式的SPI串行接

37、口，具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，片內(nèi)集成模擬 比較器上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測片內(nèi)經(jīng)過標定的RC振蕩器，通過對寄存器的 設(shè)置可工作在5種睡眠模式：空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式及 Standby模式。ATMEGA8是28引腳的PDIP封裝有23個可編程的I/O口，工作電壓寬從 2.7 - 5.5V，速度等級均可工作，執(zhí)行速度最高可以達到16MHz。 15 本芯片是以ATMEL高密度非易失性存儲器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)ISPFlash允許程序存 儲器通過ISP串行接口，或者通用編程器進行編程，也可以通過運行于AVR內(nèi)核之中 的引導(dǎo)程序進行編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將

38、應(yīng)用程序下載到應(yīng)用Flash存儲 區(qū)。在更新應(yīng)用Flash存儲區(qū)時引導(dǎo)Flash區(qū)的程序繼續(xù)運行，實現(xiàn)了RWW操作。通過 將8位RISC精簡指令CPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash集成在一個芯片內(nèi)，ATMEGA8成為一 個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。 4.6.4 ATMEGA8 單片機引腳及功能 ATmega8單片機的管腳圖如圖4-11，共有28個引腳。 1 (RESET) PC6 2 (RXD ) PD0 3 (TX D) PD1 4 (IN T0) PD2 5 (IN T1) PD3 6 (XCK /T0) PD 4 7 VCC 8 GN D 9 (XT

39、AL1/TOSC1) PB6 10 (XTAL2/TOSC2) PB7 11 (T1) PD5 12 (AIN0) PD6 13 (AIN1) PD7 14 (ICP1) PB0 15 PB1 (OC1A) 16 PB2 (SS/O C1B) 17 PB3 (MOSI/O C2) 18 PB4 (MISO ) 19 PB5 (SCK) 20 AV CC 21 AREF 22 GN D 23 PC0 (ADC0) 24 PC1 (ADC1) 25 PC2 (ADC2) 26 PC3 (ADC3) 27 PC4 (ADC4/SDA) 28 PC5 (ADC5/SCL) ATMEGA8 圖4-11

40、ATmega8管腳圖 VCC 數(shù)字電路的電源。 GND 地。 端口B：(PB7PB0)XTAL1/XTAL2/TOSC1/TOSC2 端口B為8位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱 的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端 口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口B處 于高阻狀態(tài)。通過時鐘選擇熔絲位的設(shè)置，PB6可作為反向振蕩放大器或時鐘操作電 路的輸入端。通過時鐘選擇熔絲位的設(shè)置PB7可作為反向振蕩放大器的輸出端。PB口 的第二功能詳細的見表1： 16 表1 PB口的第二功能 端口引腳第二功能 PB7

41、XTAL2 (芯片時鐘振蕩器引腳2) TOSC2 (定時振蕩器引腳2) PB6 XTAL1 (芯片時鐘振蕩器引腳1或外部時鐘輸入) TOSC1 (定時振蕩器引腳1) PB5 SCK (SPI總線的主機時鐘輸入) PB4 MISO (SPI總線的主機輸入/從機輸出信號) PB3 MOSI (SPI總線的主機輸出/從機輸入信號) OC2 (T/C2輸出比較匹配輸出) PB2 SS (SPI總線主從選擇) OC1B (T/C1輸出比較匹配B輸出) PB1 OC1A (T/C1輸出比較匹配A輸出) PB0 ICP1 (T/C1輸入捕獲引腳) 端口C：(PC6PC0) 端口C為7位雙向I/O口，具有可編

42、程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的 驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口 被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口C處于 高阻狀態(tài)。若RSTDISBL熔絲位編程，則PC6作為I/O引腳使用。但是在使用過程中需 要注意PC6的電氣特性與端口C的其他引腳不同，RSTDISBL熔絲位未編程，PC6作為復(fù) 位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間1.5us的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。而持續(xù)時 間小于門限時間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。端口C除了可以當作普通的I/O口使用外 還具有第二功能，其第二功能見表2： 表2 PC口的第二功能 端口引腳 第

43、二功能 PC6 RESET (復(fù)位引腳) PC5 ADC5 (ADC輸入通道5) SCL (兩線串行總線時鐘線) PC4 ADC4 (ADC輸入通道4) SDA (兩線串行總線數(shù)據(jù)輸入/輸出線) PC3 ADC3 (ADC輸入通道3) PC2 ADC2 (ADC輸入通道2) PC1 ADC1 (ADC輸入通道1) PC0 ADC0 (ADC輸入通道0) 17 端口D：(PD7PD0) 端口D同樣是為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有 對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能， 則端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘

44、還未起振，端 口D處于高阻狀態(tài)。端口D的第二功能見表3： 表3 PD口的第二功能 端口引腳第二功能 PD7 AIN1 (模擬比較器負輸入) PD6 AIN0 (模擬比較器正輸入) PD5 T1 (T/C1外部計數(shù)器輸入) PD4 XCK (USART外部時鐘輸入/輸出) T0 (T/C0外部計數(shù)器輸入) PD3 INT1 (外部中斷1輸入) PD2 INT0 (外部中斷0輸入) PD1 TXD (USART輸出引腳) PD0 RXD (USART輸入引腳) 為了獲得最高的性能以及并行性，AVR采用了Harvard 結(jié)構(gòu)，具有獨立的數(shù)據(jù)和 程序總線。程序存儲器里的指令通過一級流水線運行。CPU在

45、執(zhí)行一條指令的同時讀 取下一條指令(在本文稱為預(yù)取)。這個概念實現(xiàn)了指令的單時鐘周期運行。程序存 儲器是可以在線編程的Flash?？焖僭L問寄存器文件包括32個8位通用工作寄存器， 訪問時間為一個時鐘周期。從而實現(xiàn)了單時鐘周期的ALU操作。在典型的ALU操作中， 兩個位于寄存器文件中的操作數(shù)同時被訪問，然后執(zhí)行運算，結(jié)果再被送回到寄存 器文件。整個過程僅需一個時鐘周期。寄存器文件里有6個寄存器可以用作3個16位 的間接尋址寄存器指針以尋址數(shù)據(jù)空間，實現(xiàn)高效的地址運算。其中一個指針還可 以作為程序存儲器查詢表的地址指針。這些附加的功能寄存器即為16位的X、Y、Z 寄存器。ALU支持寄存器之間以及寄

46、存器和常數(shù)之間的算術(shù)和邏輯運算。ALU也可以 執(zhí)行單寄存器操作。運算完成之后狀態(tài)寄存器的內(nèi)容得到更新以反映操作結(jié)果。 4.6.5 ATMEGA8 單片機的最小系統(tǒng)電路及軟件流程 為了簡化電路的復(fù)雜性和利于系統(tǒng)的數(shù)字化，SPWM 的生成利用純軟件生成法， 18 即只需要單片機的最小系統(tǒng)加程序即可完成 SPWM 的生成。采用 ATMEGA8 單片機作為 SPWM 的硬件需要。ATMEGA8 單片機的最小系統(tǒng)硬件連接圖如圖 4-12 所示： 1 PC6 2 PD0 3 PD1 4 PD2 5 PD3 6 PD4 7 VCC 8 GND 9 PB6 10 PB7 11 PD5 12 PD6 13 PD

47、7 14 PB0 15 PB1 16 PB2 17 PB3 18 PB4 19 PB5 20 AVCC 21 AREF 22 GND 23 PC0 24 PC1 25 PC2 26 PC3 27 PC4 28 PC5 ATMEGA8 12 Y1 12MHz C22 22pF C23 22pF 1 2 3 4 5 6 JP1 +5V 圖 4-12 ATMEGA8 單片機最小系統(tǒng) SPWM 的產(chǎn)生是用 ATMEGA8 內(nèi)部的定時器中斷實現(xiàn)的,根據(jù) SPWM 每等份的不同, 在重新加載時給與不同的定時時間,從而實現(xiàn)按正弦規(guī)律變化的 SPWM 輸出。由此可 以畫出它的軟件流程圖,圖 4-13 所示是系

48、統(tǒng)的主流程, 圖 4-14 是中斷流程。 圖 4-13 主程序流程 裝載定時器 初始化 開中斷 結(jié)束 關(guān)中斷 輸出口取反 中斷入口 重新裝載定時器 開中斷 退出中斷 19 圖 4-14 中斷程序流程 4.7 電壓采集單元電路 ECU 是控制系統(tǒng)的核心，其作用是對輸入的信號進行檢測、運算處理和邏輯判 斷，根據(jù)預(yù)先存儲的控制程序和試驗數(shù)據(jù)，向各執(zhí)行器發(fā)出控制指令，控制各執(zhí)行 器的工作。 89S52 是控制系統(tǒng)內(nèi)部的主要部分，它是整個控制系統(tǒng)的處理單元，AT89S52 是 一種帶 4K 字節(jié)可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，俗 稱單片機。該器件采用 ATMEL 高密度

49、非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個 芯片中，ATMEL 的 AT89S52 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一 種靈活性高且價廉的方案7。 4.7.1 89S52 單片機的管腳說明單片機的管腳說明 1 管腳圖 MCS-51 的管腳圖如圖 4-15 所示。 VCC：供電電壓（5V） GND：接地 p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 RST/VPD 9 RXD/P3.0 10 TXD/P3.1 11 INT0/P3

50、.2 12 INT1/P3.3 13 T0/P3.4 14 T1/P3.5 15 WR/P3.6 16 RD/P3.7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSEN 29 ALE/PROG 30 EA/VPP 31 P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 VCC 40 20 圖 4-15 MCS-51 的引腳 P0 口：P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O

51、 口。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時， 被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址 的低八位。在 FIASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時，P0 輸出 原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口：P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口8。P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這 是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時，P1 口作為低八位地址接收。 P2 口：P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位準雙向 I/O 口。當 P2 口被寫“1”時，

52、 其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2 口的管腳被外部 拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2 口輸出地址的高八位。P2 口在 FLASH 編程和 校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口：P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的準雙向 I/O 口。當 P3 口寫入“1”后， 它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3 口 將輸出電流這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89S52 的一些特殊功能口，如下所示： P3 口管腳備選功能 P3.0 RXD（串

53、行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷 0） P3.3 /INT1（外部中斷 1） P3.4 T0（記時器 0 外部輸入） P3.5 T1（記時器 1 外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低 位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE 端以不變的 頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器 周期兩次/PSEN

54、有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN 信號將不出 現(xiàn)。 /EA/VPP：當/EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH） ， 不管是否有內(nèi)部程序存儲器。當/EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 21 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 5V 編程電源（VPP） 。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 圖 4-16 復(fù)位電路 RST：復(fù)位輸入。要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。當 8051 通電，時 鐘電路開始工作，系統(tǒng)即初始復(fù)位。常見復(fù)位電路如圖 4-16 所示。 2 MCS-51 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 4-17 所示。 端口0驅(qū)動器端口2驅(qū)動器 RAM （1288） 端口0鎖存器端口2鎖存器 ROM （4K8） 程序地址寄存器 緩沖器 PC加1寄存器 程序計數(shù)器PC 數(shù)據(jù)指針DPTR 堆棧指示器SP PCONSCONTMODTCON TH0TL0TH1TL1 SBUF （TX） SBUF （RX） IE 中斷、串行口和定