基于单片机控制的变频器设计

1、基于单片机限制的变频器设计目录'、前言P3:、本实验所选取器件及技术指标-P5三、硬件设计P5四、AT89C51程序设计及仿真P8五、总结P11六、参考文献P12一、前言1变频器原理：变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能限制装置.我们现在使用的变频器主要采用交一直一交方式VVVF变频或矢量限制变频先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可限制的交流电源以供应电动机.变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个局部组成.整流局部为三相桥式不可控整流器,逆变局部为IGBT三相桥式逆变器,且输出为PWM波形,中间直流环

2、节为滤波、直流储能和缓冲无功功率.2变频器开展历程及未来展望：变频器及其限制系统的开展主要经历三个阶段：第一阶段八十年代初日本学者提出了根本磁通轨迹的电压空间矢量或称磁通轨迹法.该方法以三相波形的整体生成效果为前提,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,一次生成二相调制波形.这种方法被称为电压空间矢量限制.典型机种如1989年前后进入中国市场的FUJI富士FRN5OOOG5/P5、SANKEN三垦MF系歹U等.第二阶段矢量限制,也称磁场定向限制.它是七十年代初由西德F.Blasschke等人首先提出,以直流电动机和交流电动机比拟的方法分析阐述了这一原理,由此开创了交流电动机等效直流电动机

3、限制的先河.它使人们看到交流电动机尽管限制复杂,但同样可以实现转矩、磁场独立限制的在本质.第三阶段1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论DirectTorqueControl简称DTC.直接转矩限制与矢量限制不同,它不是通过限制电流、磁链等量来间接限制转矩,而是把转矩直接作为被控量来限制.变频器的未来展望：随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及限制技术的开展,变频器的性能价格比越来越高,体积越来越小,而厂家仍然在不断地提升可靠性实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力.具体凸显出六大开展特性：主电路功率开关元件的自关断化

4、、模块化、集成化、智能化,开关频率不断提升,开关损耗进一步降低.变频器主电路的拓扑结构方面：实现变频器再生能量向电网回馈和节省能量,网侧变流器应为可逆变流器,同时出现了功率可双向流动的双PWM变频器,对网侧变流器加以适当限制可使输入电流接近正弦波,减少对电网的公害.脉宽调制变压变频器的限制方法可以采用正弦波脉宽调制SPWM限制、消除指定次数谐波的PWM限制、电流跟踪限制、电压空间矢量限制晒链跟踪限制.交流电动机变频调整限制方法的进展主要表达在由标量限制向高动态性能的矢量限制与直接转矩限制开展和开发无速度传感器的矢量限制和直接转矩限制系统方面.数字限制成为现代的开展方向本次实验所选器件及其技术指

5、标本次实验设计是以AT89C51单片机为限制中枢,利用EXB841专用驱动及保护器件对功率模块绝缘栅双极晶体管IGBT进行驱动与保护的变频器.器件及技术指标：4个小功率IGBT4寸42个双单元模块,电压等级：1200V,适用开关频率：020kHz;电容C其值取3000环/450V即可作为储能元件；AT89C51单片机4KBFLASH,全静态工作：0Hz-24Hz,128*8位部RAM,32可编程I/O线,两个16位定时器/计数器,5个中断源；EXB841参数指标输入电压20V,可驱动IGBT数量为2路,可驱动上下桥臂隔离电压2kV以上,驱动水平：结电容,1uf工作频率：100kHz最高；>

6、;硬件设计1 .主电路方案主电路采用交-直-交电压型逆变电路,具有接线简单、输出频率任意可调、功率因数高等优点.原理图如下列图1所示图1、主电路整流电路中,V1V4采用普通整流管,结构简单无需限制,本钱低廉.逆变电路由VT1-VT44个IGBT2个双单元模块组成,便于实现变压变频VVVF限制.电容C其值取3000旷/450V即可作为储能元件,构成电压型逆变器.与电流型逆变器相比,其中间直流环节电压值不受负载影响.IGBT模块的栅极信号来自单片机AT89C51,采用PWM技术,由软件很容易实现既变压又变频.2 .IGBT的驱动IGBT属电压驱动元件,有一个容性输入阻抗,因此对IGBT驱动电路有较

7、高的要求.a驱动源阻小,栅极电压UGE有足够陡的前后沿,使IGBT的开关损耗尽量小.b增力口UGE,IGBT的通态压降和开关损耗降低,但对负载短路的保护和平安不利,实际选取UGE=15Vc关断时,应使栅极电容迅速放电,给UGE加一负偏压,使UGE=-5V.根据以上要求,采用EXB841厚膜IGBT高速型专用驱动电路.EXB841的部框图如下列图2所示：过流保护图2、EXB841部框图EXB841的引脚说明：P1接IGBT的发射级；P2接+20V直流工作电源；P3通过150Q电阻接IGBT的栅极；P4外接电容,预防过流保护误动作,大多数情况下可不接；P5为过流保护输出信号,正常时输出高电平,当I

8、GBT过流时输出低电平,因此该引脚可通过光电耦合器接外电源；P6通过快速二极管接IGBT集电极,快速二极管的阳极接P6,通过检测UCE的大小判断是否发生短路或集电极电流过大；P7、P8、P10、P11为空端;P9为电源地;P14、P15分别为驱动信号输入的-、+极,约10mA信号有效该信号由单片机产生,由于单片机在上电复位后,I/O自动输出高电平,为了预防上电时逆变桥同一侧上下桥臂同时导通而造成短路,故设置单片机I/O口输出低电平有效,P14接单片机I/O口,P15接+12V电源EXB841单臂驱动电路图如下列图3所示:过流保护粕出旦“EA34-10来自89C51的P国或PuEXB841+12

9、V0(-3-图3、EXB841单臂驱动电路联接技术指标：a.驱动输出端与IGBT栅极问串联电阻RG用于抑制IGBT集电极产生大的电压尖脉冲和降低开关噪声,该电阻的取值与IGBT的额定电压、电流有关,对于额定电压为1000V、额定电流为5A的IGBT,取RG=150Q;b.输入电路光电耦合器原边接线远离输出电路,以保证有适当的绝缘强度和高噪声阻抗；c.与IGBT栅射极之间的接线要小于50cm,使用双绞线.四、AT89C51的程序设计及仿真AT89c51的程序对逆变器的性能指标起着决定性的作用.可以充分利用AT89c51单片机部的软、硬件资源.根据交流电动机的变频调速特性,采用在额定频率50Hz以

10、上时的调频不调压、在额定频率以下时恒压频比的调速方案.1 .程序设计算法思路设变频器输出频率为f,正弦脉宽调制SPWM的调制脉冲频率为512f,根据采样限制理论中冲量相等的原那么,第1个输出脉冲宽度At1确定如下：/2n/5122 几fAtU=Umsin仇d<4Jo式中：f为输出电压频率；U为整流器输出电压平均值可选为200V;Um为预期正弦交流输出电压峰值可初定为311V.At1作为单片机定时器T0的初值,在启动定时器T0后,使P1.0输出低电平,驱动EXB841的P14弓I脚.T0溢出后,置位P1.0,同时启动定时器T1,为输出第2个调制脉冲作准备.第2个调制脉冲宽度At2,可通过下

11、式计算确定：4兀/5122冗fAbU=Ulusin3td3t五/512定时器T1的初值til可由下式确定：tH=141l+J_1At*11512f221512f2同理,每相邻2个调制脉冲之间的时间都可通过以上方法计算得出,预先存于程序的数据表中,当前1个输出脉冲结束后,由查表指令取得数据赋给定时器T1,每个调制脉冲的宽度At1也可通过上述方法进行计算存入另一个数据表,由查表指令获取后赋给定时器TOo需要注意的是,当查T11、T12、,直到查到T256后,应停止P1.0的低电平输出,保持该引脚为高电平状态,而后由P1.1输出驱动另一逆变桥臂在两桥臂的切换期间,应根据IGBT的关断时间指标确定,并

12、加以适当的延长,以免逆变颠覆.2.程序流程图：变频器软件采用功能模块的方法.,由主程序、中断效劳程序、显示子程序、PI限制子程序和有关子程序组成.下列图为主程序流程图:显示OFF|颜率品不修译主程序流程图下列图依次为正弦波、方波、三角波的流程图:3.仿真图-.-X.-.J3,.J汨.:为会SB:工r_,!,：工._2-»*-,-''"-"'A'MiO.AlQ<teXt>rF皿8cLATAL1PC1/5E5.AFCZ/TCIKXTAL2KC3JTMSPAJC/APCQPC*TDOPC5/TDIFA'/AHCfP03/TOSC1PA2/A&C2PC7/TOSC2PA3/ADC3PA4/APC4POWRXDPAff/APC$PD1/TKDPAt/AbC6PP2/1NT0fA7/AfrC7PO3/INT1PBC/XCkOTOPB1/T1PfMfOCIBPiwrociAPD6/ICPPDIMT2(AIH0PD7/0C2PB3/O：0MIN1PBi/SSPBf/MDSIPBC/MISOAMCCPB7/SCKAREF货嚏噎嚏tfw=¥_UaJp至EE打啊1R¥WQ*ut.国5SPWM波形一段Li六*7P字i力y*jpjS6速波囱得正恢波五、总结以8051单片机为限制核心的变频器,