基于单片机的变频电源控制器设计

1、天 津 大 学 网 络 教 育 学 院本科毕业设计（论文）题目：基于单片机的变频电源控制器设计完成期限：2016年9月1日 至 2016年11月10日学习中心：私立青岛国创科技培训学校奥鹏学习中心43专业名称：电气工程及其自动化 学生姓名：李沛达学生学号：指导教师：杜春燕摘 要变频器是从上世纪中叶发展起来的一种交流调速设备。它是为了解决传统的交流电机调速困难、传统的交变速设备不但结构复杂且效率和可靠性均不尽人意的缺点而出现的。由于其使交流电机的调速范围和调速性能均大为提升，因此交流电机逐渐代替直流电机出现在各种应用领域，即便是以往只可能是直流电机出现的伺服控制领域。随着电力半导体长足发展，变频

2、器也随之不断进步。今变频器已深入我们的日常生活，随处可见其为我们服务的身影。本文从变频器的基础理论出发，对主要器件和开发环境进行分析，之后对硬件设计进行研究，主要包含变频器的总体结构、交流功率模块、变频控制模块等内容的设计。在系统软件设计方面主要进行SPWM参数的计算和串行通信中断程序等内容。希望本文的研究可以为我国变频器的研究带来具有价值的参考和借鉴。关键词：变频器；STC单片机；智能功率模块( SPM )；SPWM目 录引言1第一章 绪论21.1课题研究背景及意义21.2变频器的现状与发展方向31.3主要内容4第二章 逆变电路的拓扑结构及工作原理52.1逆变电路常用拓扑结构简介52.2 变

3、换电路常见拓扑结构的工作原理及其特点5第三章 硬件系统设计93.1变换电路选择93.2主电路设计93.3 SPWM逆变器的设计103.4控制电路设计123.5 IGBT驱动电路设计123.6 电压、电流、频率测量电路133.7 键盘、显示电路14第四章 系统软件设计184.1 控制模块设计184.2 初始化程序224.3 显示中断程序224.4 显示子程序及键盘服务程序流程图23第五章 结论25参考文献26致 谢27引言变频电源顾名思义就是能够提供可调频率输出的电源，变频电源是这样一种设备，能够将交流电输入转换为用户所需要的电压和频率的正弦波输出的变换器。随着电力电子技术的发展，电子系统等设备

4、种类繁多，与人们的工作和生活息息相关，变频电源成为不可缺少的优质、可靠的电源。由于在实际应用中，不用场合使用的设备对电源的参数要求不一样，同一个设备对电源参数的要求也是会变换到，例如电气产品在测试阶段时，需要根据出口国家的市电电压和频率，在允许的波动标准范围内，测试电气产品的性能。因此，变频电源不仅有为不同设备提供电源的功能，还可以模拟不同国家的市电参数。传统的变频电源采用不控整流和变压变频逆变两级结构，只关注输出正弦波形的质量，电压和频率精度以及可靠性，基本上不会考虑系统输入端的电流是否会对电网造成谐波污染，是否向电网注入大量高频谐波电流。今天对变频电源除了有以上的要求外，还要求环保无污染，

5、有源功率因数校正（APFC）技术的发展以及在开关电源上的成熟应用，可以有效的解决这一问题，功率因数可以提高到 0.9 以上。有源功率校正器和逆变器的结合，同样也是两级结构，兼有不控整流和逆变两级结构控制上的优点，而且不仅可以提高系统的功率因数，有效的减少谐波污染，还可以提高中间直流环节的电压等级，扩大系统的电压输出范围。第一章 绪论1.1课题研究背景及意义电源对于每一个人来说是一个既熟悉又抽象的名词，我们的衣食住行离不开电源，文化娱乐、办公学习、科学研究、工农业生产、国防建设、教育、环境保护、医疗卫生、交通运输、照明、通信、宇宙探索等等，哪一样也少不了电源。只要用电就离不开电源。电子/电力电源

6、的发展得力于电力电子技术的进步。进入八十年代，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件，首先是功率 MOSFET 的问世，导致了中小功率电源向高频化发展，而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现，又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET 和 IGBT 的相继问世是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计，到 1995 年底，功率 MOSFET 和 GTR 在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步，而用 IGBT 代替 GTR 在电力电子领域巳成定论。新型器件

7、的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率，使其性能更加完善可靠，而且使现代电子技术不断向高频化发展，为用电设备的高效节材节能，实现小型轻量化，机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。当前，电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基础，正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来，电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用，实现高效率和高品质用电相结合。变频电源是将市电通过功率变换电路转变为所需要的电压和频率的一种电源。世界各国电网制式的不统一，以及不同应用领域的电源制式需求的不同，以下情况需要使用变频电源：(1)家电业制造商如：空调设备、咖啡机

8、、洗衣机、榨汁机、微波炉、收录音机、冰箱、DVD、洗尘器、电动剃须刀等产品的测试电源；(2)电机、电子业制造商如：交换式电源供应器、变压器、电子安定器、AC风扇、不断电系统、充电器、继电器、压缩机、马达、被动元件等产品的测试电源；(3)IT 产业及电脑设备制造商如：传真机、影印机、碎纸机、印表机、扫描器、烧录机、伺服器、显示器等产品的测试电源；(4)实验室及测试单位如：交流电源测试、产品寿命及安全测试、电磁相容测试、OQC（FQC）测试、产品测试及研发、研究单位最佳交流电源；(5)航空/军事单位如：机场地面设施、船舶、航天、军事研究所等的测试电源；(6)铁路、高速公路：25Hz、静频信号电源。

9、变频电源是电源系统的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性和可靠性。变频电源自问世以来引起了国内外电源界的普遍关注。现已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。现代变频电源以其低损耗、高效率、电路简洁等显著优点而受到人们的青睐，并广泛的应用于电气传动、计算机、电子设备、仪器仪表、通信设备和家用电器中。今年来随着工业自动化产业的告诉发展，人们对变频电源的需求与日剧增，变频电源的开发研制生产已成为发展前景十分诱人的朝阳产业。目前，随着变频电源的广泛应用，变频电源显示除了强大的生命力，其具有高集成度、高性能比、最简的外围电路、最佳的性能指标等特点。变频器不仅具有高效率的特点，同时也

10、十分的节能，将它应用于家电中既能提高产品的可控性与可操作性，更重要的是还可以减少能量的消耗和污染。在今后家电生产中，特别是冰箱和家用空调器的压缩机控制中，变频器的使用肯定是必不可少的。因此，本项目的研究设计具有较高的实用性和可发展性。1.2变频器的现状与发展方向现在，变频技术在发达国家己经成熟，随着新的电力电子器件的不断出现，新的变频技术层出不穷，使其得到了更广泛的推广应用。变频技术的迅速发展是建立在电力电子技术的创新、电力电子器件及材料的开发及器件制造工艺水平提高基础之上的，尤其是高压大容量绝缘栅双极晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管工IGCT器件的成功开发，使大功率变频技术得以迅速发展，性

11、能日益完善。由于变频器在空调、电梯、冶金、机械等行业的广泛应用，变频调速电机和与之配套的变频器发展迅速。据机械信息研究院的统计，2000年，中国变频器市场容量接近30亿元。其中日本，欧美品牌占据主导地位，国内生产商经过近几年的高速发展，业已占领了很大一部分低端市场。目前变频器的国内电机配比率仍低于1%，潜在市场巨大，国内变频器市场在未来的510年内仍将保持高速发展。现在变频电源技术主要朝着一下几个方向发展： 1）高频化。器件工艺的进步推动了工作频率的进一步提高，频率的提高大大减小了电感、电容等器件的值和体积，使整个装置的体积和重量都减小了。2）数字化。传统的变频电源采用模拟器件构成，模拟器件需

12、要大量的分立元件，不仅降低了电路工作的可靠性，也增加了系统的成本，系统调试难度大，出现故障时排查困难，维护困难。由于模拟元件易受周围环境、温度的影响和存在老化问题等，影响了系统的长期稳定运行。专用模拟集成电路的出现很大程度上简化了控制电路的复杂度，但是专用集成电路仍然不够灵活，只能针对特定的电路形式和技术指标。数字控制是当今电力电子技术发展的方向，与模拟控制相比，大大简化了硬件电路的复杂度，只需要很少的外围电路，便能构成功能完善的控制电路且性能优越。系统成本降低，而且由于数字控制的灵活性，可以实现先进控制和算法。数字控制通用性好，软件调制方便快捷，系统维护和升级方便。单片机控制受限于其性能，时

13、钟和运算能力，无法实现性能优越的数字控制，与专用 SPWM 集成电路配合使用减轻了单片机的负担，但是电路复杂度和成本都提高了。高速数字信号处理器 DSP 的出现，迅速提高了数字控制的实时性和智能化。DSP 强大的运算能力和运算速度，应用于电源控制，可以实现先进的控制算法。系统功能多样化，而且系统的输出精度大大提高，软件编写的反馈控制算法可以很好地解决系统由于环境温度和老化等引起的问题。DSP 片内集成了多种功能模块，如模/数转换器、串行通信接口等，使控制电路体积缩小，结构紧凑，可靠性提高。3） 绿色化。绿色能源越来越受到国家和人民的重视，是指能源的生产和消费过程，对生态环境无污染或者低污染的能

14、源。电源的绿色化有两层含义：节能，用电少消耗少就可以减轻对环境的污染；对电网的污染少或者不产生污染，即电源系统的输入电流高次谐波含量少。上个世纪 80 年代以后，有源功率因数校正技术和补偿方案的应用，为绿色电源的发展奠定了基础。1.3主要内容在现代工业生产中，变频器广泛的应用于电力、冶金、石油、化工、市政、中央空调、水处理等行业中，因此现在变频器在我们生活中是不可缺少的东西了。在本设计中，主要采用了STC系列单片机作为控制主机，通过其中的PWM接口和软件的配合实现SPWM控制信号的产生来实现电机变频控制器，使用智能功率模块（SPM）FPAL15SH60对电机进行驱动。控制器能实现20-250H

15、z信号的输出，可通过手动键入或自动的方法调节频率，并通过显示器显示实时频率。具有输入欠压保护、输出过压过流保护功能和过热保护等功能。设计中由STC系列单片机产生SPWM波形，通过编程的方法控制其脉冲宽度，从而达到对频率控制的目的，还能根据对输出电压的检测结果调整SPWM信号的幅度，从而控制输出的电压。第二章 逆变电路的拓扑结构及工作原理2.1逆变电路常用拓扑结构简介逆变电源因体积小、重量轻、节材节能、转换效率高等特点，现已得到了广泛应用。目前逆变电路的拓扑结构主要有单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式、全桥式等多种类型。根据需求可采用不同拓扑形式的逆变电路满足其需求。以上拓扑结构又有其各自特

16、点，所以在逆变电源主电路设计中充分考虑电路自身结构特点和使用场所，只有如此根据上述情况，才能更好的选择相应的逆变电路来满足使用要求。随着功率器件的不断发展，目前IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是逆变电源中常用的功率器件，已逐步取代原晶闸管、晶体管、场效应管(MOSFET)。常用拓扑结构对比表1为常用拓扑结构对比表，Vce为功率开关器件承受电压；Ic为相同输出功率时的电流；P0为相同Ic时输出功率；U1为主变压器原边电压；U0为输出电压；m为功率开关器件数量；E为加入电路的直流电压；D为功率开关器件导通占空比；K为主变压器Tr的变比。项目变换电路形式单端正激式推挽式半桥式全桥式VccE2EEEIc

17、IcIc2IcIcP0P0P0P0/2P0U1EEE/2EU0ED/K2ED/KED/KED/Km2224适于输出容量小，中大中大表2.1 常用拓扑结构对比2.2 变换电路常见拓扑结构的工作原理及其特点1.单端正激式变换电路单端正激式变换电路图如图2-1所示。在单端正激变换电路中，当功率开关器件VT导通时，则通过变压器T向负载传递能量。变换电路主要由开关管VT、变压器T、输出整流二极管D1、续流二极管D2以及输出滤波电感L和电容C组成。变压器T原边绕组中分去磁绕组NR与原边绕组N1(通常NRN1)，NR与D0组成磁通复位电路。当开关管VT在关断期间，绕组N1的储能转移至NR中，并通过D0反馈到

18、输入端电源E中。因在单端变压器原边线圈流过的是脉动激磁电流，如果在每个脉动工作磁通周期不采取去磁措施，则磁芯剩磁通的累加会迅速使变压器出现饱和。如果没有去磁绕组NR，变压器二次绕组因D1反偏截止，原边绕组中储能无处释放，将会引起很高的反电压与输入电压E迭加至VT上。此时开关管VT在导通时流过的大电流，关断时承受高电压，导致VT损坏。图2-1单端正激式变换电路该电路特点：变压器T有变换电参数和隔离作用，因变压器磁芯在单限内工作，所以体积较大，适用于小功率电源中使用。2.推挽式变换电路推挽式变换电路如图2-2所示。推挽式变换电路其实由两个相位相反的正激变换电路叠加而成，相当于两个正激电路交替工作，

19、且两个开关管交替导通和截止，并在各自导通的半个周期内把能量分别通过变压器T传递给负载。该变换电路主要由VT1，VT2以及并联至开关管的二极管D1和D2组成输入端经变压器T,在输出端由整流二极管D3、D4与输出滤波电感和电容组成。在本电路中选择使用变压器的次级带中心抽头，两边轮流工作的推挽式电路，因为在低输入的电压时，推挽式线路线路比半桥式或全桥式优越，任何时候最多只有一个开关器件工作，电路结构简，而且还是工作在低电压下。对于输出相同的功率开关损耗小多了。所以低压输入的大功率变换器都是采用推挽变换技术。为了使输出电压稳定和保持软启动控制的特点，多数采用占空比控制方式，这种控制方式将会出现一个死区

20、时间，在这个死区时间内两只开关晶体管都处于关断阶段输出电流经扼流圈有一个保持续流的电流，续流经次级线圈和两只整流二极管再输出到负载。在这个阶段，铁芯的磁感应强度不变，也就是铁芯的磁感应强度不会下降到零状态，这是推挽式变换电路的一个重要特性。图2.2 推挽式变换电路推挽电路中开关器件的耐压是输入电压的2倍，工作是随着开关管的开通和关断、变压器原边绕组交替工作，与半桥和全桥变换电路相比变压器利用率低，而且输出电压随输入电压和负载变换而变化。因此在输入电压高时，一般不易采用这种变换电路。与单端变换电路相比较，推挽电路的优点是输出功率大、输出滤波电感可减小，两组开关驱动脉冲Vg1、Vg2不需隔离，控制

21、简单。3.半桥式变换电路半桥式变换电路如图2-3所示。在半桥式变换电路输入端串接电容C1、C2且C1=C2以便当两个开关器件VT1、VT2均截止时，VC1=VC2=1/2E。VA=1/2E，VB=1/2E，VAB=0，保证开关器件均为截止时所受耐压相同和均衡(输入电压一半)。D1、D2起到反馈和续流作用，变压器副边电路由D3和D4构成全波输出整流，L、C3构成输出滤波电路。图2.3 半桥式变换电路半桥式变换电路开关管上最高电压等于输入电压，比推挽式变换电路低一半。开关管关断过程中，变压器漏感引起的电压尖峰被二极管钳位，因此开关管的最高电压不会超过输入电压。由于变压器原边绕组上的方波电压幅值只是

22、电源电压的一半，影响其功率输出，所以半桥式变换电路不适合输出功率较大的场合。但半桥式电路具有电路简单，使用器件少，尤其具有抗不平衡能力强的特点，因此在中小功率场所得到了广泛应用。4全桥式变换电路全桥式变换电路图如4所示。全桥式变换电路是目前逆变电路中使用最为常见的一种，该变换电路共有四个桥臂，可以看成两个半桥电路组合而成。两对桥臂交替导通，输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，其幅值高出半桥变换电路一倍。改变直流电压E就改变输出交流有效值，输出功率大。图2.4 全桥式变换电路由于变压器Tr磁芯工作在磁滞回路两侧，在开关器件饱和压降和开关时间不相同，将会造成变压器中正负半周期磁通的不对称，从而引

23、起偏磁现象，最常见及通用办法是在变压器Tr原边回路中串接一个隔直电容Cr，以此来抑制变压器原边非纯交流电压中直流分量。由于变压器原边绕组电阻小，在多个循环之后，即可造成磁饱和。第3章 硬件系统设计220v、50HZ交流电经整流滤波，变成直流电，通过逆变器将该直流电压转换为频率与负载(或换能器)谐振频率一致的交变电压。系统硬件电路由主电路、控制驱动电路、保护电路和键盘显示电路组成。其中逆变器是用来实现DcAc变换的电力电子装置。其作用是通过半导体功率开关器件 (如SCR，GTO，GTR，IGBT和功率MOSFET模块等)的开通和关断作用,把直流电能变换成交流电能。因此是一种电能变换装置。控制部分

24、可通STC单片机控制电压和频率的改变。3.1变换电路选择为了提高通用性，系统选用ACDCAC变换电路DCAC变换采用STC单片机控制SA4828芯片直接输出SPWM脉冲，从而使电路简单、可靠、控制方便、体积小逆变主电路采用桥式电路，滤波后得到幅值和频率可调的交流电压稳定输出。3.2主电路设计电源系统的主电路结构如图3-1所示图3-1 主电路1)整流电路采用整流桥块，结构简单，可靠性高。2)逆变电路选用IGBT作为开关管组成桥式逆变电路。3)输出滤波电路全桥逆变电路的输出为一系列高频脉冲，要想得到标准的正弦波，必须滤掉其高频成分，LC滤波电路的作用正是滤除高频，其参数由LC滤波器的谐振频率和特征

25、阻抗决定。整流电路用单相桥进行整流，利用二极管的单向导电性，将220 V交流电压变成直流，给逆变器提供直流母线电压。Dl为整流桥。在整流电路中输出电压是脉动的，另外，在逆变部分产生的脉动电流和负载变化也使得直流电压产生脉动，为了将其中的交流成分尽可能的滤除掉，使之变成平滑的直流电，必须在其后加上一个低通滤波电路。这里采用常用的电容滤波电路，在整流输出端并人大电容，整流输出直流电压含有很多偶次谐波，频率越高，电容容抗越小，分流作用越大，谐波被滤除的就越多，输出电压的平均值就越大。由于在交流输入刚刚接通的一瞬间，输入220 V交流电压经整流后直接给直流电容充电，而此时电容的端电压为零，相当于短路状

26、态，这样会造成很大的充电电流，导致熔断器和空气开关动作，甚至会损坏后级电路。因此，必须对电容的充电电流进行限制。在交流输入电路中串联一个合适的电阻，用以限制最大充电电流。当控制电路检测到电容充电过程基本完毕后，与充电电阻并联的接触器触点闭合，电阻处于短路状态，系统开始正常工作。Sls4组成逆变器。S1s4采用IGBT功率模块，工作频率高、功率容量大。逆变器工作时，IGBT开关根据负载(或换能器)的谐振频率进行切换，s1、s4和s2、S3分别组成两组开关。这两组开关轮流导通，负载中的电流过零时开关切换。当逆变器工作频率等于负载 (或换能器)的谐振频率时，电路输出电压为方波，输出电流为正弦波。电路

27、中采用零电流开关模式。其开关损耗极小，dudt及didt应力大为下降，与此相应的电磁干扰可以消除。逆变器的输出接隔离变压器，为消除滤波电感的噪音，将变压器和电感集成在一起，再在变压器的次级并以适当的电容，利用输出变压器的漏感与电容组成LC低通滤波器，从电容的两端获得正弦电压输出，这样不但消除了输出滤波电感产生的噪声，而且简化了主电路设计。3.3 SPWM逆变器的设计由于逆变开关管的开关时间要由载波与调制波的交点来决定。在调制波的频率、幅值和载波的频率这3项参数中。不论哪一项发生变化时，都使得载波与调制波的交点发生变化。因此，在每一次调整时，都要重新计算交点的坐标。显然，单片机的计算能力和速度不

28、足以胜任这项任务。过去通常的作法是：对计算作一些简化，并事先计算出交点坐标将其制成表格，使用时进行查表调用。但即使这样，单片机的负担也很重。为了减轻单片机的负担，一些厂商推出了专用于生成三相或单相SPWM波控制信号的大规模集成电路芯片，如HEF4752、SLE4520、SA828、SA838等等。采用这样的集成电路芯片，可以大大地减轻单片机的负担，使单片机可以空出大量的机时用于检测和监控。这里详细介绍SA4828三相SPWM波控制芯片的主要特点、原理和编程。SA4828作为单片机的外设，通过对单片机编程，将SPWM的初始化信息和控制信息写入SA4828的相关寄存器，即可产生精确全数字化的单相、

29、三相SPWM波形。处理器采用STC单片机，进一步降低了成本STC单片机可同时用汇编语言和C语言进行编程，提高了编程的灵活性。载波频率 (开关频率)的选择取决于所使用的功率开关管器件，其设定公式为： (3-1)式中正CLK为输入时钟频率n是分频倍率系数，由一个3位CFS字决定调制波频率范围确定电源的最大频率，其设定公式为： (3-2)式中m是倍率系数，由一个3位的FRS字决定脉冲延时时间是为了防止直通而短路，其设定公式为： (3-3)式中nPDY的值由一个6位的脉宽延时时间选择字PDY决定为减少开关管频繁开关引起的附加损耗，脉冲取消字设定公式为： (3-4)式中nPDT的值由一个7位脉冲取消字P

30、DT决定调制波频率计算式为： (3-5) 式中nPFS为16位控制字PFS的取值调制波幅值计算式为： (3-6)nA是RAMP、YAMP、BAMP各自对应的取值，其范围为0255在实际运行中，nA的值要经过适时调整、计算不断改写。本系统中，通过改变m、n和调整nA的取值改变输出频率，而通过调整nA的值可以改变输出幅值让m和n的设定值比例变化，可以在保持输出幅值和频率不变的情况下改变载波频率15。STC通过8位P0端口同SA4828的地址、数据复用管脚AD0AD7相接，初始化SA4828，读取SA4828内部的看门狗定时器返回的信息，向SA4828的控制寄存器发送控制信息，SA4828的6个输出

31、端口输出的高电平用于控制相应开关管的驱动电路SPWM产生电路的设计如图3-2VDDP00-7P1P2AD0-7RSRDMUXALEWR CSSTCSA4828图3-2 接口示意图3.4控制电路设计控制电路以SA4828和ATMEL公司的STC单片机为核心，完成SPWM波的产生和系统的检测、控制、更新显示以及查询按键功能： 当系统工作时，一旦通电后，单片机立即对SA4828进行初始化，设定与逆变器有关的基本参数，包括设置载波频率，调制波频率范围、脉冲延迟时间、最小删除脉冲时间、调制波波形选择、幅值控制、看门狗时间常数等参数。然后向SA4828的控制寄存器传送电源的频率控制字和幅度控制字等参数。正

32、常工作时，根据需要对SA4828的控制数据进行修改，实现系统的反馈与实时控制，以及调压和调频。为实现系统的稳压功能，采用平均值反馈PI调节。输出电压经隔离、取样后进行AD转换，转换结果参与PI运算，运算结果即为SA4828幅度控制寄存器的控制字。电压调节时，用户通过控制面板的电压调节按键改变PI算法中电压的给定值，通过PI调节改变输出电压。频率的控制无须构成闭环，调频时，单片机根据用户设定直接修改SA4828频率控制寄存器的控制字，以改变电源输出频率。为能保存用户调节结果，用户调节后，将电压、频率给定值存入带看门狗、欠压保护的串行E2ROMX25045中，下次开机时，从中调出电压和频率给定值。

33、系统采用LED显示方式，同时显示输出电压、电流和频率，显示电路以HD7279A为核心组成。必须强调的是：SA4828对时钟信号较敏感，CPU内部时钟电路产生的时钟信号根本不能使SA4828正常工作，必须用独立的外部振荡电路产生工作时钟，为使系统工作稳定，可使单片机与SA4828公用同一时钟源。3.5 IGBT驱动电路设计本系统的驱动电路采用芯片IR2110，IR2110 是一种性能比较优良的驱动集成电路。无需扩展可直接用于小功率的变换器中，使电路更加紧凑。在应用中如需扩展，附加硬件成本也不高，空间增加不大。用IR2110驱动IGBT的驱动电路如下图3-3：图3-3 IGBT的驱动电路3.6 电

34、压、电流、频率测量电路1、电压测量电压有效值可采用单片机真有效值测量芯片如AD637进行测量。该芯片具有测量精度高，相对稳定时间快，频带宽等优点。但AD637输入电压有效值范围为0-7V，不适合直接测量逆变器输出电压。因此，测量前须对输出电压降压。降压器件可用电压互感器降压。电压互感器可将高压转换为低压输出，转换线性度好，精度高。电压测量电路如下图3-4：图3-4 电压测量电路2、电流测量采用电流互感器测量电流有效值。电流互感器可以将电流量线性变换为电压量，通过测量电压值可以方便的测量电流值。电流电压变换器作测量用时与被测电路隔离，因此对被测电路影响很小。同时，具有能耗小、频带宽、信号还原性好

35、、价格便宜等诸多优点。电压有效值测量方案电压输出型电流互感器将输出交流电流转换为交流电压；AD637将交流电压转换为有效值输出，并经A/D转换器TCL549将测量数据送至单片机处理。电流互感器输入电流与输出电压之间具有较好的线性关系。采用电压输出型电流互感器测量电流的电路如下图3-5：图3-5 电流测量电路3、频率测量电路频率测量中，电压互感器经LM311构成的过零比较电路整形成方波，通过单片机进行测频。由于逆变器输出波形频率范围较低（20-100HZ）因而可以用测周期的方法测量频率。现将待测正弦波整形成方波，然后用单片机内部计数器在方波的两个上跳沿期间计数，若计数值为N,技术周期为t，则待测

36、信号频率为。该方案充分利用单片机资源，简化了电路结构，经试验测试，单片机测量20-100HZ的频率精度可达0.2%，完全能够满足题目的要求，因此频率测量采用该方案。3.7 键盘、显示电路显示电路以可编程数码管键盘串行接口芯片HD7279A 为核心。HD7279A是一片具有串行接口的可同时驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED）的智能显示驱动芯片该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示，键盘接口的全部功能。HD7279A内部含有译码器可直接接受BCD码或16进制码并同时具有2种译码方式。此外，还具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。HD7279A具有片选信

37、号可方便地实现多于8位的显示或多于64键的键盘接口。图3-6 HD7279A引脚HD7279特点：1、串行接口，无需外围元件可直接驱动LED；2、各位独立控制译码/及消隐和闪烁属性；3、（循环）左移（循环）右移指令；4、具有段寻址指令，内含去抖动电路；5、64键键盘控制器，内含去抖动电路；6、有DIP和SOIC两种封装形式供选择；7、 引脚说明如下表1；HD7279A引脚说明:表5.1 HD7279A引脚说明引脚名称说明1、2VDD正电源3、5NC无连接，必须悬空4VSS接地6CS片选输入端，此引脚为低电平时，可向芯片发送指令及读取键盘数据7CLK同步时钟输入端，向芯片发送数据及读取键盘数据时

38、，此引脚电平上升沿表示数据有效8DATA串行数据输入/输出端，当芯片接收指令时，此引脚为输入端：当读取键盘数据时，此引脚在读指令最后一个时钟的下降沿变为输出端9KEY按键有效输出端，平时为高电平，当检测到有效按键时，此引脚变为低电平10-16SG-SA段g-段a驱动输出17DP小数点驱动输出端18-25DIG0-DIG7数字0-数字7驱动输出26CLKO振荡输出端27RCRC振荡器连接端28RESET复位端HD7279A与单片机连接方式图3-7：图3-7 HD7279A与单片机连接方式HD7279A采用串行方式与微处理器通讯，串行数据从DATA引脚送入芯片，并由CLK端同步。当片选信号变为低电

39、平后，DATA引脚上的数据在CLK引脚的上升沿被写入HD7279A的缓冲寄存器。HD7279A应连接共阴式数码管。应用中，无需用到的键盘和数码管可以不连接，省去数码管或对数码管设置消隐属性均不会影响键盘的使用。因为采用循环扫描的工作方式，如果采用普通的数码管，亮度有可能不够，采用高亮或超高亮的型号，可以解决这个问题。数码管的尺寸，亦不宜选的过大，一般字符高度不宜超过1英寸，如果使用大型的数码管，应使用适当的驱动电路。HD7279A需要一外接的RC振荡电路以供系统工作，其典型值分别为R=1.5K，C=15PF。如果芯片无法正常工作，请首先检查此振荡电路。在印刷电路板布线时，所有元件，尤其是振荡电

40、路的元件应尽量靠近HD7279A，并尽量使电路连线最短。HD7279的RESET复位端在一般应用情况下，可以直接与正电源连接，在需要较高可靠性的情况下，可以连接一外部的复位电路，或直接由MCU（单片机）控制。在上电或RESET端由低电平变为高电平后，HD7279A大约需要经过1825ms的时间才会进入正常工作状态。上电后，所有的显示均为空，所有显示位的显示属性均为“显示”及“不闪烁”。当有按键按下时，KEY引脚输出变为低电平，此时如果接收到读键盘指令，HD7279A将输出所按下键的代码。程序中，尽可能地减少CPU对HD7279A的访问次数，可以使得程序更有效率。因为芯片直接驱动LED数码管显示

41、，电流较大，且为动态扫描方式，故如果该部分电路电源连线较细较长，可能会引入较大的电源噪声干扰，将HD7279A的正负电源端上并入去藕电容可以提高电路的抗干扰能力。第四章 系统软件设计4.1 控制模块设计本系统采用STC单片机作为主控器件，利用SPWM专用芯片SM2001产生SPWM信号送驱动芯片IR2130。如第二章2-5所述，本系统采用闭环反馈控制以达到稳压输出的目的。 （1）程序流程图单片机作为主控器件，负责变频电源输出端的信号采集，键盘输入处理，显示界面的显示。单片机发出指令控制SM2001产生SPWM信号，频率和末端电压幅值由键盘输入而改变。程序流程图如图3-1。图4-1 程序流程图（

42、2）SM2001初始化SM2001的工作状态和输出信号的参数是由内部的寄存器控制。寄存器大小为8Bit，地址用3Bit的二进制码表示。故通讯数据为11Bit。以下对内部控制寄存器进行说明。1、频率控制寄存器PFR(地址011)控制三相SPWM波的频率，256级选择精度，地址为011。它控制输出的PWM合成的正弦波的频率，三相波形的频率是相同的，通过此寄存器进行选择。表4.1 寄存器数据B7B6B5B4B3B2B1B0Pf7Pf6Pf5Pf4Pf3Pf2Pf1Pf0输出的三相波频率fsin由式（1）算出fsin=fclk×PFR/(512×192×256) （4.1

43、）式中：fclk是系统时钟的频率；PFRPFR寄存器的值(0255)。例如：如果时钟频率为20MHz，PFR=63，则三相正弦波的频率为50.1Hz。2、调制度控制寄存器AMPR(地址010)改变输出三相波的幅度，256级选择精度，地址为010。它控制输出的PWM合成的正弦波的幅度，三相波形的幅度是相同的，通过此寄存器进行选择。表4.1 AMPR寄存器数据B7B6B5B4B3B2B1B0Amp7Amp6Amp5Amp4Amp3Amp2Amp1Amp0输出的三相波幅度Asin由式（2）算出Asin=（DC*AMPR/255）×100 (4.2)式中：DC为后级功率电路的直流电压, AM

44、PRAMPR寄存器的值（1255）。例如：如果后级功率电路的直流电压为60V，AMPR=217，选取纯正弦波输出，则输出正弦波的峰值电压为51.05V，有效值电压为36.1V。3、PWM开关频率和窄脉冲寄存器FPDR（地址001）设置PWM载波的开关频率和要删除的无效窄脉冲宽度，地址为001。PWM的开关频率是后级大功率管或大功率模块的重要参数之一，它往往取决于后级功率电路的开关时间、工作效率等要求。表4.1 FPDR寄存器数据B7B6B5B4B3B2B1B0CF1CF0PD5PD4PD3PD2PD1PD0PWM频率选择位CF1、CF0。当CF1、CF0为11、10、01、00时，其对应的分频

45、系数N则分别为8、4、2、1。PWM开关频率fc由式（3）算出fc=fclk/（512×N） (4.3)例如：若时钟频率为20MHz，PWM频率选择字为11，则fc=20000000/(512×8)=4882HzPD5PD0为窄脉冲时间选择位，窄脉冲的时间tpd由式（4）算出tpd=PD/（fc×512） (4.4)式中：PD窄脉冲时间选择数值。窄脉冲删除功能是指在PWM波中，由于后级电路的开关时间问题，小于tpd宽度的脉冲不能引起后级电路的动作，可以被删除去。4、死区时间选择寄存器DTIM（地址100）设置PWM载波的死区时间宽度，地址为100。表4.1 DTI

46、M寄存器数据B7B6B5B4B3B2B1B0DT5DT4DT3DT2DT1DT0PWM载波的死区时间也是后级大功率管或大功率模块的重要参数之一，它取决于后级功率电路的导通时间和截止时间。对于采用IGBT作为功率输出的电路，则尤为重要。如果设置不当，会导致功率电路烧毁或谐波失真增加，死区时间设置参见图4-3。图4-2死区时间设置死区时间tpdy由式（5）算出:tpdy=DT/（fc×512） （4.5）式中：DT死区时间选择数值。本系统中由于驱动芯片IR2130自带死区时间，故此处将DT设为0.寄存器窄脉冲选择和PWM频率寄存器幅度控制寄存器AMPR频率控制寄存器PFR死区时间控制寄存

47、器DTIM，fclk=20MHz ，VDD=60V，FPWM=4882Hz， tpd=25.6s，Fsin=50Hz，tpdy=0s5、开启命令START（地址110）在完成芯片的各项参数的初始化设置后，通过往地址110中写入5FH，即可以开启芯片的SPWM输出。以后的参数改变，一旦写入寄存器即立即表现出来，不必再使用开启命令了。（3）SM2001的使用1、三线同步串行接口SM2001的寄存器是通过一个三线同步串行接口进行设置的。当片选CS为低时，芯片进入串行通信状态，在每个时钟CK的上升沿，数据线DA上的数据被移入内部缓冲器，当11个数据位全部进入缓冲器后，在最后一个CK脉冲的认可下，数据被

48、转入相应的寄存器，且命令被立即执行。地址和数据的低位在先传入，分别为A0、A1、A2、D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7。由于内部的时序原因，在完成所有的数据输入，CS恢复高电平后，必须在CK上额外地多加入一个时钟，完成数据的认可。RST接低电平时，芯片进入复位状态。此时输出端输出高电平，各寄存器的内容如表2所列。表4.2 复位状态时各寄存器内容寄存器窄脉冲选择和PWM频率寄存器幅度控制寄存器频率控制寄存器死区时间控制寄存器寄存器复位值111111111100110000111110XX111111tpd=25.6s fc=4882Hz85%50Hz0复位主要是用来恢复INT异常中

49、断的状态。如果不是首次上电，复位并不能清除开启命令。在芯片工作中时复位，芯片将以初始化条件输出PWM波形，所以应配合使用OE的功能，首先关闭SPWM输出（OE=0），复位电路（RST上加入一个负脉冲），在设置好需要的参数后，再开启OE，才能正常的输出波形。当采用20MHz的时钟时，表2中的缺省条件表示PWM的频率为4882Hz，死区和短脉冲时间为25.6s，正弦波频率为50Hz，合成正弦波峰值幅度为电源的85。（注意：在芯片的OE不为高，或MCU未发送开始命令时，U、V、W端口并没有实际的SPWM输出）当芯片首次上电时，也将自动复位所有的寄存器为内部初始值，且芯片的输出端保持高电平（不输出时的缺省状态）。（