变频电源设计论文

1、. . . . 摘要本设计主要以AT89C51单片机系统为核心，实现了对交流工频电压进行整流、逆变后输出频率可调，电压稳定的三相对称正弦波交流电。在设计中运用了全控型电力电子器件和SPWM（正弦波脉宽调制）技术，有效改善电路中的谐波、提高逆变器功率因数、提高系统的动态响应速度。电路采用模块化设计，有利于升级和扩展。一、方案选择与论证本系统要求设计并制作一个三相正弦变频电源，输出线电压有效值维持在36V，输出频率在20Hz100Hz连续可调，根据题目要求，我们提出以下三种方案。方案一：利用DDS实现变频电源，与传统的变频电源所不同的是：DDS技术实现变频电源不须经过整流和逆变，输出频率精度较高还

2、可大大节省硬件电路。但使用DDS芯片设计受功率限制且不符合题目设计框图要求，故不予采用方案二：采用单相桥式整流电路完成交流电变换成直流电任务。桥式整流电路优点是输出电压高，纹波电压较小，整流管所承受的最大反向电压较低，效率较高。逆变电路脉宽调制采用数字分频器、EPROM、D/A等器件实现。其结构框图如图1所示，EPROM事先存储离线算好的正弦波表供脉宽调制查询使用，改变正弦波扫描频率，即可实现不同的正弦波频率输出。该方案虽可实现基本要求但电路过于复杂，输出电压不稳定，而且不利于人机交换。图1.方案三：整流电路同方案二，逆变电路采用全控型电力电子器件，控制电路使用AT89C51单片机。使用全控型

3、器件可使逆变器主电路结构简单，而且控制和驱动灵活可靠、有效改善电路中的谐波和功率因数、提高系统的动态响应速度。考虑到全控型器件的动静态特性和安全性，我们采用智能功率模块IPM。IPM即Intelligent Power Module(智能功率模块)的缩写，是以IGBT为功率器件的新型模块。这种功率模块是将输出功率元件IGBT和驱动电路、多种保护电路集成在同一模块，与普通IGBT相比，在系统性能和可靠性上有进一步的提高，而且由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，使散热器的尺寸减小，故使整个系统尺寸减小。由一片单片机实现脉宽调制，控制功率器件的导通和关断以与频率设定。另一片单片机实现电压电流频率功

4、率检测和相应的保护以与人机交换。这种方案由于采用单片机技术，使得其具有智能化的特点，简化了硬件电路，有效提高测量精度，同时也有利用软件对系统误差进行补偿。电路原理框图如图2示。分析以上三种方案的优缺点，显然第三种方案具有更大的优越性、灵活性，故我们采用第三种方案。 二、单元电路分析与计算如图2所示，系统主电路主要由整流、逆变、控制三部分构成。图2.1. 整流电路整流电路依靠二极管的单向导电性完成将交流电变换成直流电。由桥式整流电路分析可知：输出端负载电压为0.9倍的变压器二次侧电压，即UL=0.9U2。由纹波系数计算公式：可知桥式整流电路纹波系数较小，但UL中存在一定的纹波，故需要滤波电路来滤

5、除纹波，我们选用C型滤波电路。整流桥选用整流桥堆，滤波电容选用耐压耐流较高的电解电容。为改善电容滤波输出特性较差的缺点，可选用两极电容滤波。电路图见图3。图3.主回路电路图2.逆变电路 逆变电路用三相桥式电压型逆变电路，选用全控型器件IGBT，采用正弦波脉宽调制技术（SPWM）调节输出电压。输出频率和电压的调节均由逆变器完成。 SPWM技术是采用等腰三角波作为载波信号，正弦波作为调制信号，通过正弦波电压与三角波电压信号相比较的方法，确定各个分段矩形脉冲的宽度。用正弦波电压信号作为调制信号时，可获得脉宽正比于正弦值的矩形脉冲列。SPWM主要由单片机通过软件生成SPWM波。单片机通过改变输出口的状

6、态， 改变开关模式和时间基数来驱动逆变器动作，就可得到相应的SPWM波。具体操作 见软件说明。3.控制电路控制电路主要由单片机和检测电路构成。一个单片机控制IGBT触发和关断，使输出为三相对称交流电。改变输出状态，改变输出电压频率。另一个单片机完成频率设定同时完成对输出三相交流电的频率，电流测量。频率检测电路通过交流电流互感器得到小信号交流电然后经过阻容滤波后得到与原信号同频率的信号，再经过过零比较器后输出为规则变化的高低电平，即一个周期有两个电平变化信号，这些信号可以为单片机所识别。单片机通过检测即可测的对应频率。交流电流检测也是通过交流电流互感器得到幅值较小的电压信号，通过整流滤波后，得到

7、直流电压信号。直流电压信号通过A/D转换进入单片机进行数据处理后可得与原电流成比例的数字量。检测和控制电路如图4所示。图4.1频率检测电路图4.2电流检测电路三、软件的设计说明本系统采用双CPU工作，一个CPU作为控制器，控制整个系统的运行，另一个CPU用于产生SPWM波形，用于驱动IGBT工作，实现逆变，该CPU受控制器的控制。图5.系统控制电路图1、控制程序设计控制程序控制按键、显示等功能，程序代码如下： D8279 EQU 7FFEH ;定义A0=0地址 AD8279 EQU 7FFFH ;定义A0=1地址v. EOC BIT P2.0 CLK BIT P2.1 AD BIT P2.2

8、DO BIT P2.3 CS BIT P2.4 ORG 0000H LJMP MAIN ;主程序 ORG 0003H LJMP INT0 ORG 0013H LJMP INT1 ;按键中断程序入口;* ；; 主 程 序;?*; ORG 0030H MAIN:MOV SP,#55H ;注意SP地址不能冲突 MOV TCON,#01H ;外部中断0为边沿触发 MOV TMOD,#01H MOV TH0,#00H MOV TL0,#00H MOV P1,#50 MOV 30H,#00H ;初始显示全部为0 MOV 31H,#00H MOV 32H,#00H MOV 33H,#00H MOV 34H,

9、#00H MOV 35H,#00H MOV 36H,#00H MOV 37H,#00H CLR 4FH;判断是否按下频率设置键的标志位 CLR 2FH SETB EA SETB EX1 SETB 20H;默认显示电压和电流 MOV 21H,#80H MOV DPTR,#AD8279 ;A0=1写入命令0 MOV A,#0000H ;从左边进入，2键互锁。 MOVX DPTR,A MOV A,#0D1H MOVX DPTR,A ; MOV R1,#08H WAIT: MOVX A,DPTR ACC.7,WAIT ;判断是否写入完毕 MOV A,#34H ;写入命令1，CLK=2MHZ，N=20

10、MOVX DPTR,A ;，部工作频率为100khz MOV A,#90H ;写显示RAM命令4,AI=1，RAM?地址自动加一 LCALL DISP ;调用显示程序 LOOP:MOV A,21H JNB ACC.7,KEY ;acc.7作为标志位 JNB 2FH,LOOP ; LCALL START ;采集数据 ; LCALL WORK;对数据进行处理 ; LCALL NEXT2 LJMP LOOP KEY: MOV 21H,#80H ;判断键码 4FH,GO1 LJMP GO2 GO1:MOV R0,A INC R0 GO2:MOV B,#03H MOV DPTR,#FUN CLR C M

11、UL AB JMP A+DPTR RET;*; 按键中断处理程序;*INT1:PUSH PSW PUSH ACC PUSH DPH PUSH DPL MOV DPTR,#AD8279 ;写入命令2，读取FIFO/SENSOR RAM MOV A,#50H MOVX DPTR,A MOV DPTR,#D8279 ;读 取FIFO/SENSOR RAM MOVX A,DPTR MOV 21H,A ;定义20H为键盘扫描容的缓冲区 POP DPL POP DPH POP ACC POP PSW RETI;*;分散转移处理程序;* FUN:LJMP LOOP LJMP LOOP LJMP LOOP L

12、JMP LOOP LJMP LOOP LJMP LOOP LJMP LOOP LJMP LOOP LJMP LOOP LJMP LOOP ; LJMP KEY10 LJMP KEY11 LJMP KEY12 LJMP KEY13 LJMP KEY14 LJMP KEY15 RET;*;各个键的功能程序;*;前10个键为10个数字按键;*;第11个键设置频率键KEY10:SETB 4FH MOV R4,#3 MOV R0,#30H ;注意数据的顺序 LJMP LOOP;第12键设置确定键KEY11:MOV 33H,#0EH LCALL DISP CLR 4FH MOV A,30H MOV B,#

13、100 MUL AB MOV 30H,A MOV A,31H MOV B,#10 MUL AB ADD A,30H ADD A,32H MOV P1,A CLR P2.5 ;频率发送信号 NOP NOP NOP SETB P2.5 LJMP LOOP;第13键开始键KEY12:CLR P2.6 ; 启停控制位 SETB 2FH LJMP LOOP; 停止键KEY13: SETB P2.6 MOV 30H,#00H ;初始显示全部为0 MOV 31H,#00H MOV 32H,#00H MOV 33H,#00H MOV 34H,#00H MOV 35H,#00H MOV 36H,#00H MOV

14、 37H,#00H LCALL DISP LJMP LOOP;显示电流、电压键;显示功率、频率键切换键KEY14: CPL 20H LCALL DISPKEY15: LJMP LOOP ;* ;显示程序;*DISP:MOV DPTR,#D8279 ;写显示RAM MOV R3,#08H JNB 20H,L1 MOV R0,#30H LJMP DIS L1:MOV R0,#70H DIS:MOV A,R0 MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR 4FH,L2 CJNE R0,#30H,L2 ;此处加小数点，使用时应注意 CLR C ADD A,#80H L2: MOV DPTR,

15、#D8279 ;写显示RAM MOVX DPTR,A INC R0 DJNZ R3,DIS RET TAB:DB 3FH 06H 5BH 4FH 66H 6DH 7DH DB 07H 7FH 6FH 77H 71H 40H 00H 76H ;采集子程序 START:MOV R0,#40H MOV R1,#00H MOV R4,#3 START1:MOV P2,#19H;初始化P1口 MOV PSW,#00H ;消除状态寄存器 MOV A,R1; ；读下一次转换地址到A SWAP A ;取4位地址 SETB CS CLR CS; ；置cs为低，选中TIC1543 LCALL DATA_IN; ；

16、调用转换子程序 MOV R2,A ;；转换结果的低8字节放入寄存器R2 MOV A,R3; ；读转换结果的高8字节到A RL A ;取高两位 RL A ANL A,#03H MOV R3,A; ；转换结果的高2位防入R3 MOV A,R2 MOV R0,A INC R0 MOV A,R3 MOV R0,A INC R0 JNB EOC,$ ; INC R1 ; DJNZ R4,START1 MOV R5,#010H ;* LOOP4:MOV R6,#0AAH LOOP3:LCALL DISP DJNZ R6,LOOP3 DJNZ R5,LOOP4;* RET; ” 子程序”DATA_IN:MO

17、V R5,#10;将I/O CLOCK脉冲数送入R5 CLR CLK LOOP1:NOP;；调延时于程序 MOV C,DO; 读转换数据到c RLC A ;将地址最低位移入C中 MOV AD,C;写入通道地址 SETB CLK; 置IO CLOCK为高 NOP CLR CLK ;置IO CLoCK 为低 CJNE R5,#03H,LOOP2 ;判断8个数据是否送完?未完，则跳转 MOV R3,A;将转换结果高8位存入R3 LOOP2:DJNZ R5,LOOP1;10个脉冲是否结束?没有刚跳转 RET ;检测电流04A对应的数字量是01023；右移8位即得到相应的电流示值 WORK:MOV R0

18、,#40H MOV R1,#42H MOV R3,#2 LCALL MSUB 07H,ERROR MOV R0,#40H MOV R1,#40H MOV R3,#2 LCALL MSUB 07H,ERROR MOV R0,#42H MOV R1,#44H MOV R3,#2 LCALL MSUB 07H,ERROR MOV R0,#40H MOV R3,#03H MOV R4,#9AH MOV A,R0 SUBB A,R3 INC R0 MOV A,R0 SUBB A,R4 JNC ERROR;电流大于3.6V ERROR:CLR P3.5 MOV 30H,#00H ;初始显示全部为0 MOV

19、 31H,#00H MOV 32H,#00H MOV 33H,#00H MOV 34H,#00H MOV 35H,#00H MOV 36H,#00H MOV 37H,#00H LCALL DISP LJMP MAIN NEXT2:MOV A,#03H ANL A,41H MOV 30H,#0 MOV 30H,A ;高2位为整数 MOV A,40H MOV B,#10 MUL AB MOV 40H,A MOV 31H,B MOV B,#10 MUL AB MOV 32H,B MOV 40H,A MOV B,#10 MUL AB MOV 32H,B MOV 33H,#10 LCALL DISP R

20、ET ;电流最大可显示4V， 可以将数字量右移8为即得到显示值，因此高2 MSUB: ;MOV A,49H ; ;JZ NSUB1 ; ;DEC 49H ; ;RET NSUB1: CLR 07H MOV A,R0 MOV R2,A MOV A,R3 MOV R7,A MOV A,R1 MOV R4,A CLR C LP0:MOV A,R0 SUBB A,R1 MOV R5,A INC R0 INC R1 MOV A,R0 SUBB A,R1 MOV R6,A JNC LP1 MOV A,R3 MOV R7,A MOV A,R2 MOV R0,A MOV A,R4 MOV R1,A CLR C

21、 LP2:MOV A,R0 SUBB A,R1 MOV R5,A INC R0 INC R1 MOV A,R0 SUBB A,R1 MOV R6,A LP1:MOV A,R6 JZ NEXTI SETB 07H ;大于128 NEXTI:MOV A,R5 CJNE A,#250,NEXTJ; NEXTJ:JC BACK SETB 07H BACK:RET INT0:PUSH PSW PUSH ACC SETB RS0 CPL TR0 TR0,SET1 MOV R2,#00 ;计算频率 MOV R3,#0FH MOV R4,#42H MOV R5,#40H MOV R6,TH0 MOV R7,T

22、L0 LCALL DIVD ;调用双字节除法 MOV A,R3 MOV B,#100 DIV AB MOV 70H,A ;频率存放于40H、41H、42H中 MOV B,#10 DIV AB MOV 71H,A MOV 72H,B LJMP TT1 SET1:MOV TH0,#00H MOV TL0,#00H TT1:POP ACC POP PSW RETI ;（） 标号： 功能：双字节二进制无符号数除法;入口条件：被除数在R2、R3、R4、R5中，除数在R6、R7中。;出口信息：OV=0 时，双字节商在R2、R3中，OV=1 时溢出。;影响资源：PSW、A、B、R1R7 堆栈需求： 字节DI

23、VD: CLR C ;；比较被除数和除数 MOV A,R3 SUBB A,R7 MOV A,R2 SUBB A,R6 JC DVD1 SETB OV; ；溢出 RETDVD1: MOV B,#10H ;；计算双字节商DVD2: CLR C ;；部分商和余数同时左移一位 MOV A,R5 RLC A MOV R5,A MOV A,R4 RLC A MOV R4,A MOV A,R3 RLC A MOV R3,A XCH A,R2 RLC A XCH A,R2 MOV F0,C ;；保存溢出位 CLR C SUBB A,R7 ;；计算（R2R3R6R7） MOV R1,A MOV A,R2 SUB

24、B A,R6 ANL C,/F0 ;；结果判断 JC DVD3 MOV R2,A ;；够减，存放新的余数 MOV A,R1 MOV R3,A INC R5; ；商的低位置一DVD3: DJNZ B,DVD2 ;；计算完十六位商（R4R5） MOV A,R4;；将商移到R2R3中 MOV R2,A MOV A,R5 MOV R3,A CLR OV ;；设立成功标志 RET END2SPWM的程序设计本系统SPWM波形的产生利用表格法：在EPROM中存放两表格，一是存放正弦波一个周期里每一个小区间的开关模式和时间基数，从存储器的高地址到低地址依次存放，共240个单元，另一表格是频调整数据表，用以按

25、给定频率值来调整第四个小区间的维持时间，以保证输出频率的正确。CPU依次从表中取出开关模式和时间基数，并用软件生成两个开关模式间的死区时间。程序流程图如图6所示。先发送死区模式（死区时间为4us）再发送开关模式，而后查的时间基数存寄存器，采用软件延市时来实现开关模式的维持时间。每4个小区模式发送完后，采样一次给定频率，并查表得出频率调整数据，采用软件延时进行频率调整。考虑到输出电压的恒定，用软件实现占空比不变的触发脉冲。程序流程图如图6所示。图6. SPWM程序流程图源代码如下：START:MOV R2,#0H MOV R7,#04H ;4小区 MOV DPTR,#10F0H L0:CLR A

26、 MOVC A,A+DPTR; 查得模式 XCH A,R2 ANL A,R2 MOV R1,A ;死区 DEC DPL CLR A MOVC A,A+DPTR ; 查得时间基数m MOV P1,R1 ;发死区模式 MOV R3,A MOV P1,R2 ;发小区开关模式 L1:DJNZ R3,L1 ;2mT MOV R5,#60 ;+ L11:DJNZ R5,L11 DJNZ R7,L4 ;2T PUSH DPH PUSH DPL ; MOV DPTR,#7FFFH ;启动ADC0809 ; MOVX DPTR,A NOP NOP NOP NOP ;MOV R7,#18H L2:;DJNZ R7

27、,L2 ;MOV R7,#04H ;4个小区 ;MOVX A,DPTR ;MOV DPTR,#1100H ;查得频率调整时间n ; MOVC A,A+DPTR ; MOV R4,A ;MOV R4,#255 L3: ;DJNZ R4,L3 POP DPL POP DPH L4: DJNZ DPL,L5 MOV DPTR,#10F0H AJMP L0 L5:NOP NOP AJMP L0 ORG 1001H DB 01H 2AH 27H 29H 05H 19H 0DH 15H DB 02H 2AH 21H 29H 0FH 19H 08H 15H DB 05H 2AH 18H 29H 18H 19

28、H 05H 15H DB 08H 2AH 0FH 29H 21H 19H 02H 15H DB 0DH 2AH 05H 29H 27H 19H 01H 15H DB 0DH 2AH 05H 1AH 27H 19H 01H 15H DB 08H 2AH 0FH 1AH 21H 19H 02H 15H DB 05H 2AH 18H 1AH 18H 19H 05H 15H DB 02H 2AH 21H 1AH 0FH 19H 08H 15H DB 01H 2AH 27H 1AH 05H 19H 0DH 15H DB 01H 2AH 27H 1AH 05H 16H 0DH 15H DB 02H 2AH

29、 21H 1AH 0FH 16H 08H 15H DB 05H 2AH 18H 1AH 18H 16H 05H 15H DB 08H 2AH 0FH 1AH 21H 16H 02H 15H DB 0DH 2AH 05H 1AH 27H 16H 01H 15H DB 0DH 2AH 05H 26H 27H 16H 01H 15H DB 08H 2AH 0FH 26H 21H 16H 02H 15H DB 05H 2AH 18H 26H 18H 16H 05H 15H DB 02H 2AH 21H 26H 0FH 16H 08H 15H DB 01H 2AH 27H 26H 05H 16H 0DH 15H DB 01H 2AH 27H 26H 05H 25H 0DH 15H DB 02H 2AH 21H 26H 0FH 25H 08H 15H DB 05H 2AH 18H 26H 18H 25H 05H 15H DB 08H 2AH 0FH 26H 21H 25H 02H 15H DB 0DH 2AH 05H 26H 27H