基于波形发生器的三相SPWM正弦脉宽调制电路设计.doc

摘要本设计介绍一种以80C196KC单片机为控制核心的SPWM正弦脉宽调制电路。80C196KC单片机能产生3相6路互补的PWM信号,结合该单片机运算速度快、集成度高、功能强大的特点,实现了PWM触发脉冲的精确控制。该系统主要整流电路，滤波电路，逆变电路、驱动隔离电路、电源电路、保护电路以及单片机最小系统组成。通过软件编程的方法，产生正弦脉冲宽度调制波形来控制绝缘栅双极晶体管的导通和关断，从而达到控制异步电动机转速的目的。关键词：80C196KC；SPWM；单片机最小系统；逆变电路目录第1章 绪论1第2章 SPWM变频调速系统基本原理22.1 SPWM变频调速系统基本原理22.2 常见SPWM信号产生方法3第3章 硬件设计43.1 系统硬件设计总方案的确定43.2 带有波形发生器的微处理器芯片的选择53.3 主电路的设计63.3.1 三相电压型桥式逆变电路63.3.2 SPWM主电路的设计73.4 隔离和驱动电路83.4.1 抗干扰电路83.4.2 光耦隔离驱动电路83.5 电源稳压电路93.6 过流过压保护电路113.7 系统总的硬件电路图12第4章 软件的设计134.1 系统软件设计流程图134.2 SPWM波的产生144.3 调速信号检测15第5章 课程设计总结17参考文献18第1章 绪论二十世纪末以来，电力电子技术及大规模集成电路有了飞速的发展，在此技术背景下SPWM电路构成的变频调速系统以其结构简单、运行可靠、节能效果显著、性价比高等突出优点而得到广泛应用。为了提高整个系统的控制效果，高性能SPWM 脉冲形成技术一直是人们不断探索的课题。而模拟电路和数字电路等硬件电路来产生SPWM波形是一种切实可行的方法，但是这种方法控制电路复杂、抗干扰能力差、实时调节比较困难。随着集成电路技术的飞速发展，特别是单片机功能的日益强大和成熟，使得以前需要昂贵的专用SPWM芯片产生SPWM，现在用单片机产生SPWM已成为可能。本文介绍了一种利用80C196KC单片机实现输出频率可变SPWM波形的方法。SPWM 技术的基本原理是利用一个三角波载波和一个正弦波进行比较，得到一个宽度按正弦规律变化的脉冲序列，用它们来驱动逆变器件的开关转换。在本课题里对目前产生SPWM的各种算法进行比较和研究。选择一种合适的算法面积等效法来实现正弦波脉宽调制，同时对当前最有前途的功率器件绝缘栅双极晶体管IGBT的性能，保护电路和驱动电路进行了探讨。利用80C196KC单片机为控制核心产生SPWM波，经过保护、隔离、驱动电路后的SPWM波，控制三相全桥逆变电路产生一个频率和电压都可调的交流输出，经滤波电路后供给负载使用。第2章 SPWM变频调速系统基本原理2.1 SPWM变频调速系统基本原理PWM的原理，就是面积等效原理，在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。所以可用等幅值的不同宽度的脉冲来等效一些想要的波形。PWM技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变为电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或电压脉冲周期以达到改变电压的目的，或者通过控制电压脉冲宽度和电压脉冲序列的周期以达到变压和变频的目的。变频调速中，前者主要应用于PWM斩波（DCDC变换），后者主要应用于PWM逆变（DCAC变换）。PWM脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波（调制波）对三角载波进行调制，以达到调节输出脉冲宽度的目的。相当于基波分量的信号波（调制波）并不一定指正弦波，在PWM优化模式控制中可以是预畸变的信号波，正弦信号波是一种最通常的调制信号，但决不是最优信号。根据面积等效原理，PWM波形和正弦波是等效的，而这种的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM（Sinusoidal PWM）波形。当前逆变电源的控制技术中，滞环控制技术和SPWM控制技术是变频电源中比较常用的两种控制方法。滞环控制技术开关频率不固定，滤波器较难设计，且控制复杂，难以实现；SPWM控制技术开关频率固定，滤波器设计简单，易于实现控制。当二者采用电压电流瞬时值双闭环反馈的控制策略时，均能够输出高质量的正弦波，且系统拥有良好的动态性能.2.2 常见SPWM信号产生方法方案一：模拟调制器法。该方法由正弦调制波发生电路、三角载波发生电路和模拟电压比较器三部分组成。而这种控制电路要实现调频、调压都离不开CPU、EPROM、AD、DA转换器等。所以该电路复杂、器件分散性大、可靠性差。方案二：专用芯片法。如英国Mulend公司的HEF4752和德国西门子公司的SLE4520等。该方法的优点是电路集成度高、可靠性高，缺点是无法全面实现对调速系统的反馈控制、监视管理和保护工作，故一般也要配合单片机实现。方案三：软件生成法。该方法要考虑指令功能、存储容量和运算速度是否影响实时性，如采用89C51单片机查表法生成SPWM控制脉冲列的方法。在本课程设计中,采用80C196KC单片机直接生成三对互补的SPWM脉冲信号。80C196KC本身带有8路A/D转换器，使得A/D转换非常方便。另外80C196KC带有三个PWM口，可方便的产生三路互补的PWM脉冲信号。如果要提高其分辨率可以选择高速输出口HSO.0HSO.5来产生PWM脉冲信号。系统中的脉冲分配延时电路及驱动电路、PWM功放电路、电流检测及速度检测电路仍采用模拟电路。这样结合了模拟和数字的优点,使整个调速系统既具有速度快,稳定性好的优点,又可提高调速精度。第3章 硬件设计3.1 系统硬件设计总方案的确定在三相交流电源供电的情况下，共需经过八个主要模块完成整个调速过程。首先主电路是三相桥式全控整流电路，然后经控制电路，输出的三相SPWM再者由电容滤波器滤波获得直流电源，最后经IGBT逆变电路逆变，得到可调交流电源。IGBT为场控输入器件，输入功率小。确定主电路模块之后，采用电流转速双闭环调制系统，同时确定电源电路模块,保护电路模块，检测电路模块，驱动电路模块等。硬件电路总体框图如图3.1所示。电源电路整流电路逆变电路电动机隔离电路检测电路 保护电路驱动电路电流转速双闭环调制电路80C196KC单片机 图3.1 系统硬件电路总体框图3.2 带有波形发生器的微处理器芯片的选择80C196KC是CHMOS高性能16位单片机中的一个新分支,内部EPROM/ROM为16b，内部RAM为488b，有24b的专用寄存器。80C196KC中采用了“垂直窗口”结构，使得新增的256BRAM通过窗口映射同样可以作为通用寄存器来访问。80C196KC可以采用16MHz的晶振，内部时钟是2分频，其运行速度比12MHz的80C196KB快33%，比12MHz的8096BH快1倍。因此选用80C196KC作为本课程设计的微处理器芯片。80C196KC芯片是16位MCS_196系列单片机的重要成员，在工程应用领域有着广泛的应用。80C196KC单片机共有5个8位的并行I/O端口：P0、P1、P2、 P3和P4口。虽然看起来I/O端口较多，但P0口同时用作片内A/D转换器的输入引脚ACH.0ACH.7；P2口是多功能口，其中P2.0P2.5共有六个脚，具有复用功能，与芯片的其他功能共享；P3口和P4口一般用作系统总线AD0AD15，通常不能再作I/O口，这样当构成单片机应用系统后，只剩下P1 口作为一般I/O口使用。而实际应用中，常需进行I/O口的扩展。在单片机扩展I/O口时，可使用8155和8255等芯片。除此之外，还可用其他的集成电路芯片进行扩展。最小系统是指能使单片机工作而所加的最少的外围设备，一般包括复位电路 和晶振电路等。80C196KC的最小系统如图3.2所示。图3.2 80C196KC的最小系统3.3 主电路的设计主电路由三相整流桥、滤波器、三相电压型桥式逆变电路组成。三相交流电经桥式整流后，得到脉动的直流电压经电容器滤波后供给逆变器。二极管整流桥把输入的交流电变为直流电。3.3.1 三相电压型桥式逆变电路 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor）,英文简写为IGBT。它是一种典型的全控器件。它综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。现已成为中、大功率电力电子设备的主导器件。用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路。但在三相逆变电路中，应用最为广泛的还是三相桥式逆变电路。采用六个IGBT 和六个续流二极管组成的双极式PWM可逆变换器如图3.3所示，可以看成是由三个半桥逆变电路组成。图中QlQ6是逆变器的六个功率开关器件，各与一个续流二极管（D1D6）并联。图3.3 三相电压型桥式逆变电路3.3.2 SPWM主电路的设计整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电变为直流电供给直流用电设备。本课题中主电路中的整流器是由六个二极管（D7D12)组成，二极管整流器虽是全波整流装置，但由于其输入端有滤波电容存在，只有当交流电压幅值超过电容电压时，才有充电电流流通，交流电压低于电容电压时，电流便终止，因此输入电流呈脉冲波形。这样的电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污染。为了抑制谐波电流，对于较大容量的PWM变频器，都应在输入端设有进线电抗器。六个IGBT 和六个续流二极管组成三相桥式全控整流电路。如图3.4所示。图3.4 SPWM主电路3.4 隔离和驱动电路3.4.1 抗干扰电路本设计采用了光耦隔离器，光耦隔离器可以很简单将主回路的强电和控制回路的弱电相隔离，使主回路和控制回路更好的结合。光耦隔离器的电路示意图如图3.5所示。 图3.5 光耦隔离器3.4.2 光耦隔离驱动电路驱动电路的作用是将单片机输出的脉冲进行功率放大，以驱动IGBT，保证IGBT的可靠的工作。对IGBT驱动电路的要求如下：（1） 提供适当的正相和反向输出电压，使IGBT可靠的开通和关断。（2） 提供足够大的瞬态功率瞬时电流，使IGBT能迅速的建立栅控电场而导通。（3） 尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率。（4） 足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘。（5） 具有灵敏的过流保护能力。如图3.6所示.图3.6 光耦隔离的IGBT驱动电路3.5 电源稳压电路稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成。变压器把交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。稳压电源的技术指标可以分为两大类：一类是特性指标，如输出电压、输出电滤及电压调节范围；另一类是质量指标，反映一个稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内阻（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。因此要求电压调节范围越大越好，稳定性好，输出电阻小，输出电压纹波小等优点。常用的集成稳压器有LM78xx系列和LM79xx系列。78XX系列集成稳压器输出的是正直流电压，79XX系列是常用的固定负输出电压的三端集成稳压器，除输入电压和输出电压均为负值外，其他参数和特点与78XX系列集成稳压器相同。如图3.7所示为LM7815和LM7805以及整流桥构成的稳压电路，其中C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容。图3.7 电源稳压电路3.6 过流过压保护电路逆变器中的IGBT模块是变频器的主要部件，也是最昂贵的部件。由于它工作在高频、高压、大电流的状态，所以也是最容易损坏的部件。因此IGBT模块的保护工作显得十分重要。在主电路中，当上、下桥臂直通时，电源电压几乎全加在了开关管两端，此时将产生很大的短路电流，IGBT饱和压降越小，其电流就会越大，从而损坏器件。根据以上的分析，设计一个具有过流过压保护功能电路，如图3.8所示为NE555定时器构成的具有过流过压保护功能的电路。当电路处于保护状态时，与非门G1输出低电平，非门G3输出高电平。或者当电路处于保护状态时，与非门G1输出高电平，非门G3输出低电平。此时电路处于保护状态。图3.8 过流过压保护电路3.7 系统总的硬件电路图如图3.9所示。 图3.9 系统总的硬件电路图第4章 软件的设计4.1 系统软件设计流程图系统软件主要有系统主程序和中断服务程序以及其他子程序组成。主程序如图4.1所示，完成初始化工作，中断服务程序主要由HSO中断，其他有从HSO.0口输出连续脉冲 A/D转换完成读取程序键盘输入及显示子程序及用P2.5口产生的PWM波完成D/A转换程序。数据采样是通过A/D转换与软件定时器的中断服务程序相结合完成的。每个周期测量开始由主程序确定模拟通道;用软件定时器定时，然后启动A/D转换。软件定时器定时时间到进入软件定时器中断服务程序，由软件定时器中断服务程序中返回主程序完成一个周期的采样过程。主程序初始化   关中断有关寄存器初始化开中断 启动A/D转换等待中断图4.1 主程序流程图4.2 SPWM波的产生80C196KC中的高速输出器HSO用于按程序设定时间去触发某一事件，被触发的事件包括：复位定时器T2，接通多达六根输出线（HSO.0HSO.5）等。同一时刻可以触发8个事件。程序设计非常简单，只需写入命令和预定触发时间。因此可以利用定时器T2作为HSO的时间基准，且定时器T2采用内部时钟，让输出的脉冲周期等于T2的复位周期。那么中断服务流程和波形驱动程序如图4.2所示。子程序启动延时8个状态周期立即启动脉冲正跳变脉冲正跳变并允许中断给HSO_TIME送低电平常数延时8个状态周期脉冲负跳变并终止中断延时8个状态周期给HSO_TIME送脉宽时间常数结束图4.2 连续脉冲子程序的流程4.3 调速信号检测电机调速控制信号的周期通常在1100s至1900s之间，因此设定PWM 的占空比显得尤为重要。在80C196KC单片机中，使用内部定时器作为检测信号的基准时钟。程序检测调速控制信号的上升沿和下降沿，根据基准时钟计算出脉冲时间，然后设置PWM的占空比。软件流程图如图4.3所示。外部信号检测判断信号状态？上升沿信号下降沿信号记录下降沿时间记录上升沿时间计算脉冲时间设置PWM占空比退出中断程序图4.3 软件流程图第5章 课程设计总结通过这次课程设计，我掌握了各种器件和仪器的的识别和测试；熟悉了恒压频比调速的方法；以及如何提高电机的性能等等，掌握了SPMW技术的方法和技术。本论文的主要创新点在于:利用单片微机产生SPWM波形控制逆变开关的通断，控制算法容易编程实现，实现了全数字化控制，结构简单，与采用模拟器件相比，减少了生产成本，性能良好；具有易于改变控制算法、程序易于移植、控制精度高、可靠性好等优点，采用变频技术后，可以节省大量的能源，有良好的经济价值和环保效果。这种系统在电力电子设备与人们生活日益密切的今天有着广泛的应用。 通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关交流电机调速方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。 在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！ 我认为，在这学期的课程设计中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。 参考文献1.王晓明.电动机的单片机控制.北京：北京航空航天大学出版社，2002.2.张毅刚.MCS51单片机应用设计：哈尔滨工业大学出版社，2001.3.王兆安 黄俊.电力电子技术.北京机械工业出版社，2000.4.李朝青.单片机原理及接口技术.北京:北京航空航天大学出版社，2003.5.张立科.单片机典型模块设计实例导航. 北京人民邮电出版社，2004.6.韩志军.单片机应用系统设计-入门向导与设计实例.机械工业出版社.7.赵相宾.谈我国变频调速技术的发展及应用.电气传动，20008.谭政华.智能化逆变电源的研制极SPWM波软件生成，上海交通大学20009.陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京机械工业出版社，1991.