1、 PAGE19 / NUMPAGES21摘要本設計介紹一種以80C196KC單片機為控制核心的SPWM正弦脈寬調制電路。80C196KC單片機能產生3相6路互補的PWM信號,結合該單片機運算速度快、集成度高、功能強大的特點,實現了PWM觸發脈沖的精確控制。該系統主要整流電路，濾波電路，逆變電路、驅動隔離電路、電源電路、保護電路以與單片機最小系統組成。通過軟件編程的方法，產生正弦脈沖寬度調制波形來控制絕緣柵雙極晶體管的導通和關斷，從而達到控制異步電動機轉速的目的。關鍵詞：80C196KC；SPWM；單片機最小系統；逆變電路目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc20941

2、 第1章 緒論 PAGEREF _Toc20941 1 HYPERLINK l _Toc13222 第2章 SPWM變頻調速系統基本原理 PAGEREF _Toc13222 2 HYPERLINK l _Toc23887 2.1 SPWM變頻調速系統基本原理 PAGEREF _Toc23887 2 HYPERLINK l _Toc2679 2.2 常見SPWM信號產生方法 PAGEREF _Toc2679 3 HYPERLINK l _Toc20294 第3章 硬件設計 PAGEREF _Toc20294 4 HYPERLINK l _Toc27380 3.1 系統硬件設計總方案的確定 PAG

3、EREF _Toc27380 4 HYPERLINK l _Toc11464 3.2 帶有波形發生器的微處理器芯片的選擇 PAGEREF _Toc11464 5 HYPERLINK l _Toc28450 3.3 主電路的設計 PAGEREF _Toc28450 6 HYPERLINK l _Toc32073 3.3.1 三相電壓型橋式逆變電路 PAGEREF _Toc32073 6 HYPERLINK l _Toc19745 3.3.2 SPWM主電路的設計 PAGEREF _Toc19745 7 HYPERLINK l _Toc16606 3.4 隔離和驅動電路 PAGEREF _Toc1

4、6606 8 HYPERLINK l _Toc1355 3.4.1 抗干擾電路 PAGEREF _Toc1355 8 HYPERLINK l _Toc15557 3.4.2 光耦隔離驅動電路 PAGEREF _Toc15557 8 HYPERLINK l _Toc7430 3.5 電源穩壓電路 PAGEREF _Toc7430 9 HYPERLINK l _Toc26984 3.6 過流過壓保護電路 PAGEREF _Toc26984 11 HYPERLINK l _Toc31045 3.7 系統總的硬件電路圖 PAGEREF _Toc31045 12 HYPERLINK l _Toc3003

5、5 第4章 軟件的設計 PAGEREF _Toc30035 13 HYPERLINK l _Toc7717 4.1 系統軟件設計流程圖 PAGEREF _Toc7717 13 HYPERLINK l _Toc11505 4.2 SPWM波的產生 PAGEREF _Toc11505 14 HYPERLINK l _Toc1082 4.3 調速信號檢測 PAGEREF _Toc1082 15 HYPERLINK l _Toc21768 第5章 課程設計總結 PAGEREF _Toc21768 17 HYPERLINK l _Toc31120 參考文獻 PAGEREF _Toc31120 18緒論二

6、十世紀末以來，電力電子技術與大規模集成電路有了飛速的發展，在此技術背景下SPWM電路構成的變頻調速系統以其結構簡單、運行可靠、節能效果顯著、性價比高等突出優點而得到廣泛應用。為了提高整個系統的控制效果，高性能SPWM 脈沖形成技術一直是人們不斷探索的課題。而模擬電路和數字電路等硬件電路來產生SPWM波形是一種切實可行的方法，但是這種方法控制電路復雜、抗干擾能力差、實時調節比較困難。隨著集成電路技術的飛速發展，特別是單片機功能的日益強大和成熟，使得以前需要昂貴的專用SPWM芯片產生SPWM，現在用單片機產生SPWM已成為可能。本文介紹了一種利用80C196KC單片機實現輸出頻率可變SPWM波形的

7、方法。SPWM 技術的基本原理是利用一個三角波載波和一個正弦波進行比較，得到一個寬度按正弦規律變化的脈沖序列，用它們來驅動逆變器件的開關轉換。在本課題里對目前產生SPWM的各種算法進行比較和研究。選擇一種合適的算法面積等效法來實現正弦波脈寬調制，同時對當前最有前途的功率器件絕緣柵雙極晶體管IGBT的性能，保護電路和驅動電路進行了探討。利用80C196KC單片機為控制核心產生SPWM波，經過保護、隔離、驅動電路后的SPWM波，控制三相全橋逆變電路產生一個頻率和電壓都可調的交流輸出，經濾波電路后供給負載使用。第2章 SPWM變頻調速系統基本原理2.1 SPWM變頻調速系統基本原理PWM的原理，就是

8、面積等效原理，在采樣控制理論中有一個重要的結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本一樣。所以可用等幅值的不同寬度的脈沖來等效一些想要的波形。PWM技術是利用半導體開關器件的導通與關斷把直流電壓變為電壓脈沖序列，并通過控制電壓脈沖寬度或電壓脈沖周期以達到改變電壓的目的，或者通過控制電壓脈沖寬度和電壓脈沖序列的周期以達到變壓和變頻的目的。變頻調速中，前者主要應用于PWM斬波（DCDC變換），后者主要應用于PWM逆變（DCAC變換）。PWM脈寬調制是利用相當于基波分量的信號波（調制波）對三角載波進行調制，以達到調節輸出脈沖寬度的目的。相當于基波分量的信號波（調制波）并不一定

9、指正弦波，在PWM優化模式控制中可以是預畸變的信號波，正弦信號波是一種最通常的調制信號，但決不是最優信號。根據面積等效原理，PWM波形和正弦波是等效的，而這種的寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱為SPWM（Sinusoidal PWM）波形。當前逆變電源的控制技術中，滯環控制技術和SPWM控制技術是變頻電源中比較常用的兩種控制方法。滯環控制技術開關頻率不固定，濾波器較難設計，且控制復雜，難以實現；SPWM控制技術開關頻率固定，濾波器設計簡單，易于實現控制。當二者采用電壓電流瞬時值雙閉環反饋的控制策略時，均能夠輸出高質量的正弦波，且系統擁有良好的動態性能.2.2 常見SPWM信號

10、產生方法方案一：模擬調制器法。該方法由正弦調制波發生電路、三角載波發生電路和模擬電壓比較器三部分組成。而這種控制電路要實現調頻、調壓都離不開CPU、EPROM、AD、DA轉換器等。所以該電路復雜、器件分散性大、可靠性差。方案二：專用芯片法。如英國Mulend公司的HEF4752和德國西門子公司的SLE4520等。該方法的優點是電路集成度高、可靠性高，缺點是無法全面實現對調速系統的反饋控制、監視管理和保護工作，故一般也要配合單片機實現。方案三：軟件生成法。該方法要考慮指令功能、存儲容量和運算速度是否影響實時性，如采用89C51單片機查表法生成SPWM控制脈沖列的方法。在本課程設計中,采用80C1

11、96KC單片機直接生成三對互補的SPWM脈沖信號。80C196KC本身帶有8路A/D轉換器，使得A/D轉換非常方便。另外80C196KC帶有三個PWM口，可方便的產生三路互補的PWM脈沖信號。如果要提高其分辨率可以選擇高速輸出口HSO.0HSO.5來產生PWM脈沖信號。系統中的脈沖分配延時電路與驅動電路、PWM功放電路、電流檢測與速度檢測電路仍采用模擬電路。這樣結合了模擬和數字的優點,使整個調速系統既具有速度快,穩定性好的優點,又可提高調速精度。硬件設計3.1 系統硬件設計總方案的確定在三相交流電源供電的情況下，共需經過八個主要模塊完成整個調速過程。首先主電路是三相橋式全控整流電路，然后經控制

12、電路，輸出的三相SPWM再者由電容濾波器濾波獲得直流電源，最后經IGBT逆變電路逆變，得到可調交流電源。IGBT為場控輸入器件，輸入功率小。確定主電路模塊之后，采用電流轉速雙閉環調制系統，同時確定電源電路模塊,保護電路模塊，檢測電路模塊，驅動電路模塊等。硬件電路總體框圖如圖3.1所示。電源電路整流電路逆變電路電動機隔離電路檢測電路保護電路驅動電路電流轉速雙閉環調制電路80C196KC單片機 圖3.1 系統硬件電路總體框圖3.2 帶有波形發生器的微處理器芯片的選擇80C196KC是CHMOS高性能16位單片機中的一個新分支,部EPROM/ROM為16b，部RAM為488b，有24b的專用寄存器。

13、80C196KC中采用了“垂直窗口”結構，使得新增的256BRAM通過窗口映射同樣可以作為通用寄存器來訪問。80C196KC可以采用16MHz的晶振，部時鐘是2分頻，其運行速度比12MHz的80C196KB快33%，比12MHz的8096BH快1倍。因此選用80C196KC作為本課程設計的微處理器芯片。80C196KC芯片是16位MCS_196系列單片機的重要成員，在工程應用領域有著廣泛的應用。80C196KC單片機共有5個8位的并行I/O端口：P0、P1、P2、 P3和P4口。雖然看起來I/O端口較多，但P0口同時用作片A/D轉換器的輸入引腳ACH.0ACH.7；P2口是多功能口，其中P2.

14、0P2.5共有六個腳，具有復用功能，與芯片的其他功能共享；P3口和P4口一般用作系統總線AD0AD15，通常不能再作I/O口，這樣當構成單片機應用系統后，只剩下P1 口作為一般I/O口使用。而實際應用中，常需進行I/O口的擴展。在單片機擴展I/O口時，可使用8155和8255等芯片。除此之外，還可用其他的集成電路芯片進行擴展。最小系統是指能使單片機工作而所加的最少的外圍設備，一般包括復位電路 和晶振電路等。80C196KC的最小系統如圖3.2所示。圖3.2 80C196KC的最小系統3.3 主電路的設計主電路由三相整流橋、濾波器、三相電壓型橋式逆變電路組成。三相交流電經橋式整流后，得到脈動的直

15、流電壓經電容器濾波后供給逆變器。二極管整流橋把輸入的交流電變為直流電。3.3.1 三相電壓型橋式逆變電路絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar Transistor）,英文簡寫為IGBT。它是一種典型的全控器件。它綜合了GTR和MOSFET的優點，因而具有良好的特性。現已成為中、大功率電力電子設備的主導器件。用三個單相逆變電路可以組合成一個三相逆變電路。但在三相逆變電路中，應用最為廣泛的還是三相橋式逆變電路。采用六個IGBT 和六個續流二極管組成的雙極式PWM可逆變換器如圖3.3所示，可以看成是由三個半橋逆變電路組成。圖中QlQ6是逆變器的六個功率開關器件，各與一個續流

16、二極管（D1D6）并聯。圖3.3 三相電壓型橋式逆變電路3.3.2 SPWM主電路的設計整流電路是電力電子電路中出現最早的一種，它的作用是將交流電變為直流電供給直流用電設備。本課題中主電路中的整流器是由六個二極管（D7D12)組成，二極管整流器雖是全波整流裝置，但由于其輸入端有濾波電容存在，只有當交流電壓幅值超過電容電壓時，才有充電電流流通，交流電壓低于電容電壓時，電流便終止，因此輸入電流呈脈沖波形。這樣的電流波形具有較大的諧波分量，使電源受到污染。為了抑制諧波電流，對于較大容量的PWM變頻器，都應在輸入端設有進線電抗器。六個IGBT 和六個續流二極管組成三相橋式全控整流電路。如圖3.4所示。

17、圖3.4 SPWM主電路3.4 隔離和驅動電路3.4.1 抗干擾電路本設計采用了光耦隔離器，光耦隔離器可以很簡單將主回路的強電和控制回路的弱電相隔離，使主回路和控制回路更好的結合。光耦隔離器的電路示意圖如圖3.5所示。圖3.5 光耦隔離器3.4.2 光耦隔離驅動電路驅動電路的作用是將單片機輸出的脈沖進行功率放大，以驅動IGBT，保證IGBT的可靠的工作。對IGBT驅動電路的要求如下：提供適當的正相和反向輸出電壓，使IGBT可靠的開通和關斷。提供足夠大的瞬態功率瞬時電流，使IGBT能迅速的建立柵控電場而導通。盡可能小的輸入輸出延遲時間，以提高工作效率。足夠高的輸入輸出電氣隔離性能，使信號電路與柵

18、極驅動電路絕緣。具有靈敏的過流保護能力。如圖3.6所示.圖3.6 光耦隔離的IGBT驅動電路3.5 電源穩壓電路穩壓電源一般由變壓器、整流器和穩壓器三大部分組成。變壓器把交流電壓變為所需要的低壓交流電。整流器把交流電變為直流電。經濾波后，穩壓器再把不穩定的直流電壓變為穩定的直流電壓輸出。穩壓電源的技術指標可以分為兩大類：一類是特性指標，如輸出電壓、輸出電濾與電壓調節圍；另一類是質量指標，反映一個穩壓電源的優劣，包括穩定度、等效阻（輸出電阻）、紋波電壓與溫度系數等。因此要求電壓調節圍越大越好，穩定性好，輸出電阻小，輸出電壓紋波小等優點。常用的集成穩壓器有LM78xx系列和LM79xx系列。78X

19、X系列集成穩壓器輸出的是正直流電壓，79XX系列是常用的固定負輸出電壓的三端集成穩壓器，除輸入電壓和輸出電壓均為負值外，其他參數和特點與78XX系列集成穩壓器一樣。如圖3.7所示為LM7815和LM7805以與整流橋構成的穩壓電路，其中C1、C2分別為輸入端和輸出端濾波電容。圖3.7電源穩壓電路3.6 過流過壓保護電路逆變器中的IGBT模塊是變頻器的主要部件，也是最昂貴的部件。由于它工作在高頻、高壓、大電流的狀態，所以也是最容易損壞的部件。因此IGBT模塊的保護工作顯得十分重要。在主電路中，當上、下橋臂直通時，電源電壓幾乎全加在了開關管兩端，此時將產生很大的短路電流，IGBT飽和壓降越小，其電

20、流就會越大，從而損壞器件。根據以上的分析，設計一個具有過流過壓保護功能電路，如圖3.8所示為NE555定時器構成的具有過流過壓保護功能的電路。當電路處于保護狀態時，與非門G1輸出低電平，非門G3輸出高電平。或者當電路處于保護狀態時，與非門G1輸出高電平，非門G3輸出低電平。此時電路處于保護狀態。圖3.8 過流過壓保護電路3.7 系統總的硬件電路圖如圖3.9所示。 圖3.9 系統總的硬件電路圖軟件的設計4.1 系統軟件設計流程圖系統軟件主要有系統主程序和中斷服務程序以與其他子程序組成。主程序如圖4.1所示，完成初始化工作，中斷服務程序主要由HSO中斷，其他有從HSO.0口輸出連續脈沖 A/D轉換

21、完成讀取程序鍵盤輸入與顯示子程序與用P2.5口產生的PWM波完成D/A轉換程序。數據采樣是通過A/D轉換與軟件定時器的中斷服務程序相結合完成的。每個周期測量開始由主程序確定模擬通道;用軟件定時器定時，然后啟動A/D轉換。軟件定時器定時時間到進入軟件定時器中斷服務程序，由軟件定時器中斷服務程序中返回主程序完成一個周期的采樣過程。主程序初始化關中斷有關寄存器初始化開中斷 啟動A/D轉換等待中斷圖4.1 主程序流程圖4.2SPWM波的產生80C196KC中的高速輸出器HSO用于按程序設定時間去觸發某一事件，被觸發的事件包括：復位定時器T2，接通多達六根輸出線（HSO.0HSO.5）等。同一時刻可以觸

22、發8個事件。程序設計非常簡單，只需寫入命令和預定觸發時間。因此可以利用定時器T2作為HSO的時間基準，且定時器T2采用部時鐘，讓輸出的脈沖周期等于T2的復位周期。那么中斷服務流程和波形驅動程序如圖4.2所示。子程序啟動延時8個狀態周期立即啟動脈沖正跳變脈沖正跳變并允許中斷給HSO_TIME送低電平常數延時8個狀態周期脈沖負跳變并終止中斷延時8個狀態周期給HSO_TIME送脈寬時間常數結束圖4.2 連續脈沖子程序的流程4.3 調速信號檢測電機調速控制信號的周期通常在1100s至1900s之間，因此設定PWM 的占空比顯得尤為重要。在80C196KC單片機中，使用部定時器作為檢測信號的基準時鐘。程

23、序檢測調速控制信號的上升沿和下降沿，根據基準時鐘計算出脈沖時間，然后設置PWM的占空比。軟件流程圖如圖4.3所示。外部信號檢測判斷信號狀態？上升沿信號下降沿信號記錄下降沿時間記錄上升沿時間計算脈沖時間設置PWM占空比退出中斷程序圖4.3 軟件流程圖課程設計總結通過這次課程設計，我掌握了各種器件和儀器的的識別和測試；熟悉了恒壓頻比調速的方法；以與如何提高電機的性能等等，掌握了SPMW技術的方法和技術。本論文的主要創新點在于:利用單片微機產生SPWM波形控制逆變開關的通斷，控制算法容易編程實現，實現了全數字化控制，結構簡單，與采用模擬器件相比，減少了生產成本，性能良好；具有易于改變控制算法、程序易于移植、控制精度高、可靠性好等優點，采用變頻技術后，可以節省大量的能源，有良好的經濟價值和環保效果。這種系統在電力電子設備與人們生活日益密切的今天有著廣泛的應用。通過此次課程設計，使我更加扎實的掌握了有關交流電機調速方面的知識，在設計過程中雖然遇到了一些問題，但經過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出