单相转三相电源变换器的设计

编号本科生毕业设计（论文） 题目：单相转三相电源变换器设计物联网工程学院电气工程及其自动化专业学号学生姓名指导教师

Abstract摘要第1章绪论1.1本课题意义随着现代电力电子技术的迅猛发展，变换电源在许多领域的应用也越来越广泛，同时对变换电源输出电压波形质量提出了越来越高的要求。变换电源输出波形质量主要包括三个方面：输出稳定精度高；动态性能好；带负载适应性强。因此开发既具有结构简单，又具有优良动、静态性能和负载适应性的变换电源，一直是在变换电源方面追求的目标。本课题提出了一种新型的单相转三相电源变换器，单相交流电通过整流电路变为直流，经斩波电路升压后再通过6个MOS管输出电压和频率随给定变化的三相交流电,MOS管的控制采用DSP输出PWM波实现，DSP采用2407,进行系统软硬件设计。该设计结构简单，又具有优良动、静态性能和负载适应性，具有良好的市场前景。1.1.1单相转三相电源变换器的理论意义和应用价值本文所研究的单相转三相电源变换器是通过DSP产生的SPWM波控制MOS管的导通角来实现对输出电压幅值和频率的调节。本课题源于应用在大功率三相交流电机的交流调频控制器。随着计算机技术的发展，特别是DSP的发展，人们越来越多的采用DSP来调节电压。数字式三相电源变换器具有成本低、操作简便、节约能源、控制简单、性能稳定以及可取得很好的经济效益等特点。1.1.2单相转三相电源变换器的主要应用领域单相转三相电源变换器电路的应用主要有灯光调节，温度控制，风机等异步电动机的软启动，交流电机调压调速，随电机负载大小自动调压。在高压小电流或低压大电流直流电源中，如采用晶闸管相控整流电路，需要很多晶闸管串联或并联，如采用交流调压电路在变压器初级调压，其电压电流值都比较合理，在变压器次级只要用二极管整流即可，从而达到减小体积、降低成本的目的。1.1.3数字式电源变换器的主要功能及优势随着电力电子技术的不断发展，采用由MOS管组成的电源变换器，具有设备体积小、损耗小、电路及控制较简单、响应快、价格低廉、可靠性高、使用和维护方便等优点，因而被广泛应用于工业及日常生活电气设备中，取代了调压变压器或串接饱和电抗器等调压方式。对于功率容量较大，电压较高或者性能要求较高的设备，为完成对某些负载的控制时，一般都采用三相交流调压方式。采用数字式控制的交流调压控制器，具有如下优点：(1)数字控制可以简化硬件电路，解决模拟控制元器件老化和温漂所带来的问题，增强抗干扰能力，提高控制系统的可靠性；(2)易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使得交流调压控制器的智能化程度更高，性能更完美；(3)控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路；控制系统易于标准化，可以针对不同的系统，采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可；1.2三相电源变换器的发展历史与趋势1.2.1三相电源变换器的发展历史三相电源变换器广泛应用于三相对称性负载的交流调压中。过去主要是利用自耦变压器(小容量时)或三只双向晶闸管进行调压。自耦变压器的优点是电压波形好，不含有谐波分量，调压范围宽，但缺点是设备庞大笨重，需手动或机械调节电压；而晶闸管调节性能较差。电力电子技术发展起来后出现了MOSFET，其制造成本低廉、体积小、整合度高。通过控制6个MOS管的通断时刻，来调节负载上的电压，以实现三相交流调压的目的，这样克服了自耦变压器和晶闸管的缺点。1.2.2三相电源变换器的发展趋势不带零线的三相交流电路是三相电源的典型应用，随着新的电力电子器件发展、新的控制理论提出及各行业上的需求，未来的交流调压控制器的发展趋势主要有以下几个方面：（1）高功率因数、低谐波污染随着IEC1000—3—2标准的颁布和强制执行，引入功率因数校正，提高系统的输入功率因数、减小输入电流谐波分量，改善网侧电流波形，提高电网效率，成为当前电力电子技术应用的发展趋势。（2）大容量化、通用化新型功率器件发展和加工各行业的要求，存在着需要大功率交流调压电路，因此交流调压控制器的大容量化仍需进一步的发展。同时，为适应各行业的需求，交流调压控制器的系列化和通用化成为新的发展要求。（3）小型化、低成本技术的成熟和器件的发展，促使交流调压控制器体积小型化。节约原材料，降低成本，提高系统的性价比。（4）集成化、智能化将新型处理器芯片（如DSP、FPGA）逐渐应用到交流调压控制器中，使系统运行具有优良稳定可靠性，并具有各种功能，如人机交互、远程控制、故障在线检测和自动诊断、过压过流和过热保护。因此集成化和智能化成为交流调压控制器的发展趋势。1.3本文的研究内容及任务本文是在理论研究、计算机仿真分析和试验箱调试的基础上，完成单相转三相电源变换器的设计，需完成如下几个方面的工作：（1）对电路各个部分分析选型，确定最好的元器件和器件参数。（2）熟练掌握DSP编程，用C语言完成对中断和SPWM程序的编写。（3）针对液晶屏显示内部状态等人机交互功能，通过编制相应的程序来实现。（4）针对开环输出控制可能由于很多不稳定的因数带来的输出达不到所设定的要求，研究采用闭环PID控制策略来稳定输出，并分析选用数字化PID控制算法。

第2章主电路研究2.1变换电路主电路分析该单相转三相电源变换器输入为电网交流电压，经过整流、升压、逆变，最后变成所需要的三相交流电供给负载使用。主电路原理如图2-1所示。图2-1主电路框图2.2整流电路分析整流电路将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样，各具特色。从各种角度对整流电路进行分类，主要分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。桥式整流电路是使用最多的一种整流电路，如图2-2所示。桥式整流器利用四个二极管，两两对接，输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。（a）桥式整流电路(b)桥式整流电路电压电流波形图2-2桥式整流电路及其电压电流波形图2-2中，在u1的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管D1流向RL，再由二极管D3流回变压器，所以D1、D3正向导通，D2、D4反偏截止。在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。在u1的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管D2流向RL，再由二极管D4流回变压器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向导通。电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。整流电压平均值为（2-1）式（2-1）说明了和之间的关系。2.3斩波电路分析直流斩波电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流-直流变换器。直流斩波电路的种类较多，包括6钟基本斩波电路：升压斩波电路(BoostChopper)、降压斩波电路(BuckChopper)、升降压斩波电路(Boost-BuckChopper)、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路、Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路。利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路，如电流可逆斩波电路、桥式可逆斩波电路等。下面介绍四种常用的升压斩波电路。2.3.1Boost斩波电路(BoostChopper)升压斩波电路的原理图及工作波形如图2-3所示。图2-3a升压斩波电路图2-3b升压斩波电路波形图中V为全控型器件，选用IGBT。D为续流二极管。由图2-2b中V的栅极电压波形UGE可知，当V处于通态时，电源Ui向电感L1充电，充电电流基本恒定为I1,同时电容C1上的电压向负载供电，因C1值很大，基本保持输出电压UO为恒值。设V处于通态的时间为ton，此阶段电感L1上积蓄的能量为UiI1ton。当V处于断态时Ui和L1共同向电容C1充电，并向负载提供能量。设V处于断态的时间为toff，则在此期间电感L1释放的能量为(UO-Ui)I1ton。当电路工作于稳态时，一个周期T内电感L1积蓄的能量与释放的能量相等，即：（2-2）（2-3）上式中的T/toff≥1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。2.3.2升降压斩波电路(Boost-BuckChopper)升降压斩波电路的原理图及工作波形如图2-4所示。图2-4a升压斩波电路图2-4b升压斩波电路波形电路的基本工作原理是：当可控开关V处于通态时，电源Ui经V向电感L1供电使其贮存能量，同时C1维持输出电压UO基本恒定并向负载供电。此后，V关断，电感L1中贮存的能量向负载释放。可见,负载电压为上负下正，与电源电压极性相反。输出电压为：（2-4）若改变导通比α，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0<α<1/2时为降压，当1/2<α<1时为升压。2.3.3Cuk斩波电路Cuk斩波电路的原理图如图2-5所示。图2-5Cuk斩波电路原理图电路的基本工作原理是：当可控开关V处于通态时，Ui—L1—V回路和负载R—L2—C2—V回路分别流过电流。当V处于断态时，Ui—L1—C2—D回路和负载R—L2—D回路分别流过电流，输出电压的极性与电源电压极性相反。输出电压为：（2-5）若改变导通比α，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。2.3.4Sepic斩波电路Sepic斩波电路的原理图如图2-6所示。图2-6Sepic斩波电路原理图电路的基本工作原理是：可控开关V处于通态时，Ui—L1—V回路和C2—V—L2回路同时导电，L1和L2贮能。当V处于断态时，Ui—L1—C2—D—R回路及L2—D—R回路同时导电，此阶段Ui和L1既向R供电，同时也向C2充电，C2贮存的能量在V处于通态时向L2转移。输出电压为：（2-6）若改变导通比α，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0<α<1/2时为降压，当1/2<α<1时为升压。本设计选择升压斩波电路(BoostChopper)作为直流升压部分。2.4逆变电路分析我们把将直流电变成交流电的过程叫做逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路。若按直流电源的性质来分类，逆变器可分电压型逆变器和电流型逆变器。本文需要使用的是电压型逆变器。在电压型逆变器中，直流电源是蓄电池或由交流整流后经大电容滤波形成的电压源。电压源的交流内阻抗近似为零，桥臂输出电压为幅值等于输入电压的方波电压。为使使电感性负载的无功能量能回馈到电源，必须在功率开关两端反并联二极管。若按输出端相数分类，逆变器可分为单相逆变器和三相逆变器，其中单相逆变器按结构又可分为单相半桥逆变器（如图2-7所示）和单相全桥逆变器（如图2-8所示）。单相半桥逆变电路是所有复杂逆变电路的基本组成单元。三相全桥逆变器（如图2-9所示）又按输出有无中线可以分为三相三线制逆变器和三相四线制逆变器。按照逆变器的额定输出功率来分类，逆变器可分为小容量逆变器(O．5KVA-10KVA)、中等容量逆变器(10KVA-50KVA)及大容量逆变器(50KVA以上)。图2-7单相半桥逆变电路图2-8单相全桥逆变器图2-9三相桥式逆变电路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，应用最广的还是三相桥式逆变电路。采用MOSFET作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路如图2-9所示，可以看成由三个半桥逆变电路组成。图2-9电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了分析方便，画作串联的两个电容器并标出了假想中点。和单相半桥、全桥逆变电路相同，电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式也是导电方式，即每个桥臂的导电角度为，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此也被称为纵向换流。下面来分析电压型三相桥式逆变电路的工作波形，如图2-10所示。对于相来说，当桥臂1导通时，，当桥臂4导通时，。所以的波形是幅值为的矩形波。、两相的情况和相类似，、的波形现状和相同，只是想为依次差。图2-10、和的波形输出线电压有效值为（2-7）式（2-7）说明了和之间的关系。因为本文设计的是三相电源变换器，所以选择三相桥式逆变电路作为逆变部分。2.5功率驱动模块分析功率集成电路驱动模块是微电子技术和电力电子技术相结合的产物，其基本功能是使动力和信息合一，成为机和电的关键接口。快速电力电子器件MOSFET的出现，为斩波频率的提高创造了条件，提高斩波频率可以减少低频谐波分量，降低对滤波元器件的要求，减少了体积和重量。采用自关断器件，省去了换流回路，又可提高斩波器的频率。电动机的励磁回路和电枢回路电流的自动调节常常采用功率MOSFET。功率MOSFET是一种多子导电的单极型电压控制器件，具有开关速度快、高频特性好、热稳定性优良、驱动电路简单、驱动功率小、安全工作区宽、无二次击穿问题等显著优点。目前，功率MOSFET的指标达到耐压600V、电流70A、工作频率100kHz的水平，在开关电源、办公设备、中小功率电机调速中得到广泛的应用，使功率变换装置实现高效率和小型化。因为主电路电压均为高电压、大电流情况，而控制单元为弱电电路，所以它们之间必须采取光电隔离措施，以提高系统抗干扰措施，可采用带光电隔离的MOSFET驱动芯片TLP250。光耦TLP250是一种可直接驱动小功率MOSFET和IGBT的功率型光耦，由日本东芝公司生产，其最大驱动能力达1．5A。选用TLP250光耦既保证了功率驱动电路与PWM脉宽调制电路的可靠隔离，又具备了直接驱动MOSFET的能力，使驱动电路特别简单。功率MOSFET驱动的难点主要体现在功率器件的特性、吸收回路和栅极驱动等方面，图2-11所示为TLP250器件管脚接线图。图2-11TLP250器件管脚接线图东芝公司的专用集成功率驱动模块TLP250包含一个光发射二极管和一个集成光探测器，是8脚双列封装，适合于IGBT或功率MOSFET栅极驱动电路。IRF840MOSFET在导通时只有一种极性的载流子(多数载流子)参与导电，是单极型晶体管。电力场效应晶体管是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的一个显著特点是驱动电路简单，驱动功率小。其第二个显著特点是开关速度快，工作频率高，电力MOSFET的工作频率在下降时间主要由输入回路时间常数决定。MOSFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系。使用者可以降低栅极驱动回路信号源内阻的值，从而减小栅极回路的充放电时间常数，加快开关速度。IRF840为单极型器件，没有少数载流子的存储效应，输入阻抗高，因而开关速度可以提高，驱动功率小，电路简单。但是，功率MOSFET的极间电容较大，因而工作速度和驱动源内阻抗有关。和GTR相似，功率MOSFET的栅极驱动也需要考虑保护、隔离等问题。图2-11中，2脚接DSP输出端口的PWM波形，经TLP250光电隔离后由引脚6和7经电阻R输入逆变电路中MOSFET的S端，触发其导通。2.6变换电源主电路组成根据以上各个部分设计，该单相转三相电源变换器主电路如图2-12所示图2-12单相转三相电源变换器主电路

第3章控制电路研究单相转三相电源变换器的控制电路部分有数码管显示电路、电流反馈电路，电压反馈电路，以及工作所需直流电源产生部分即+5V，+12V，-12V产生电路。3.1显示电路设计3.1.1显示方案选择与比较1.方案一：采用LED数码管显示。寿命较长，故障率低、成本低等优点。2.方案二：液晶显示。设计简单，且界面美观舒适，耗电小。经过两个方案的对比，由于液晶显示，显示清晰，设计和控制简单，耗电小，故本文采用方案二。3.1.2液晶显示电路（1）FYD12842-0402B液晶显示模块简介点阵式液晶显示模块是一种集显示、控制与驱动为一体的显示器件，YD12864-0402B是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式,内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块。其显示分辨率为12864,内置8192个16*16点汉字,和128个16*8点ASCII字符集,强大的字库省去了很多自行编码的麻烦;该模块不仅可以显示8行1616点阵的汉字,利用其灵活的接口方式和简单、方便的操作指令,还可构成全中文人机交互图形界面;其内置了DC~DC转换电路,无需外加负电压,无需片选信号,简化了软件设计。总之,由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比,不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多。（2）TMS320F2407与ST7920的硬件接口设计ST7920并、串口方式可选,当PSB置高时为并行方式,置低时为串口方式。在实际应用中仅使用8位并口的通讯模式,故将PSB接固定高电平。RESET为液晶复位引脚,低电平有效。V0与VOUT相连可以调节LCD的对比度。本设计用TMS320F2407的GPIOA0~7作为数据接口,GPIOB0、GPIOB1分别与RS、R/W相连作为控制信号,其具体控制功能如表1所示。E为ST7920的使能信号,将其与GPIOB2相连,E=1时,配合R进行读数据或指令;当E=1时,配合/W进行写数据或指令。另外,在本设计中,TMS320F2407的I/O口只能接受最大3.3V的电压,而液晶的输出电压有5V,因此在两者之间需要进行电平转换。3.1.3液晶模块显示软件设计DSP和液晶模块的接口包括2部分操作:DSP读液晶模块状态的操作;DSP向液晶模块写数据和指令的操作。这些操作的实现是参考液晶模块的时序图,产生满足这些时序的接口控制逻辑。ST7920的RS、R/W可以同步操作,读写操作是由使能信号E完成的,因此,在软件设计中关键是要设计出合理的E信号,以满足ST7920的读/写时序。要实现对ST7920的正确读写必须使F2407的I/O口模拟时序注意满足以下条件:(1)在读写时,必须使E信号,即IOPB2保持高信号140ns以上(2)在写操作时IOPA0~IOPA7的数据必须在E信号变为低电平前保持40ns以上(3)在读、写两个数据之间的间隔必须大于1200ns。此外,ST7920有内部标志忙标志BF,BF=1表示模块在进行内部操作,此时模块不接受外部指令和数据;BF=0时,模块为准备状态,随时可接受外部指令和数据。因此,在送出一个指令前需检查BF标志位,如不检查,则在前一个指令和这个指令中间必须延迟一段较长的时间,等待前一个指令确定执行完成。从程序的可移植性和通用性方面考虑,本设计选用了C语言进行软件模块的设计实现。另外,在软件的编写上采用了结构体、共用体的方法,以结构体成员的形式来访问寄存器的某一位或者某几位。相比以前使用的宏定义方式,这种方式实现了对寄存器位域的独立访问,为寄存器提供了更加灵活和高效的访问手段,也大大提高了代码的可读性、可靠性和可维护性。现给出程序如下:voidwriteINS(intINS)//DSP向液晶写入命令{checkBF();//测试BF位是否忙EALLOW;GpioMuxRegs.GPADIR.all=0x00ff;//设GPIOA0~7为输出引脚EDIS;GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIOB0=0;GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIOB1=0;//写指令到LCD,RS=0,R/W=0GpioDataRegs.GPADAT.all=INS;//输出指令GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIOB2=1;//E=1Delay1();//延时140ns以上GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIOB2=0;//E=0,指令写入LCD}voidwriteDATA(intdata)//向液晶写入数据{checkBF();//测试BF位是否忙EALLOW;GpioMuxRegs.GPADIR.all=0x00ff;//设GPIOA0~7为输出引脚EDIS;GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIOB0=1;GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIOB1=0;//写数据到LCD,RS=1,R/W=0GpioDataRegs.GPADAT.all=data;//输出数据GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIOB2=1;//E=1Delay1();//延时140ns以上GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIOB2=0;//E=0,数据写入LCD}voidcheckBF()//检查BF位,判断LCD是否忙{unsignedintcheckEALLOW;GpioMuxRegs.GPAMUX.all=0xff00;//设EVA前8脚为通用I/O口,其他为保留功能GpioMuxRegs.GPBMUX.all=0xff00;//设GPIOB0~2为通用I/O口,其他为保留功能GpioMuxRegs.GPBDIR.all=0x00ff;//设GPIOB0~2为输出引脚EDIS;GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIOB0=0;GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIOB1=1;//读BF的状态,RS=0,R/W=1do{GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIOB2=1;//E=1Check=GpioDataRegs.GPADAT.all;Delay1();//延时140ns以上GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIOB2=0;//E=0check=0x80✓//当第7位,即BF为0时才可以操作}while(!check==0x00);}voidInitialLCD()//液晶初始化{writeINS(0x30);//LCD选择为8位并行数据传输,不扩充指令Delay2(5);//延时大于100uswriteINS(0x0E);//开显示,开游标,关反白Delay2(5);//延时大于100uswriteINS(0x01);//清屏显示Delay2(500);//延时大于10mswriteINS(0x06);//DDRAM的地址计数器(AC)加1Delay2(5);//延时大于100us}voidDelay1()//延时子程序{Inti;for(i=0;i<5;i++);}voidDelay2(unsignedintnTime){intii,jj,kk=0;for(ii=0;ii<nTime;ii++){for(jj=0;jj<215;jj++){kk++;}}}欲在ST7920中某一个位置显示中文字符时,应先设定显示字符位置,即先设定显示地址,再写入中文字符编码。当字符编码为两字节时,应先写入高位字节,再写入低位字节。ST7920的字符显示地址RAM地址从80H到9FH,与4行8列共32个字符显示区域一一对应。另外,显示ASCII字符过程与显示中文字符过程相同,不过在显示连续字符时,只须设定一次显示位置,有模块自动对地址加1指向下一个字符位置,否则,显示的字符中将会有一个空ASCII字符位置。本文以从字库中显示“液晶”字样为例,给出显示“液晶”字符的主程序如下:voidwriteINS(intINS)//DSP向液晶写入命令{checkBF();//测试BF位是否忙EALLOW;GpioMuxRegs.GPADIR.all=0x00ff;//设GPIOA0~7为输出引脚EDIS;GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIOB0=0;GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIOB1=0;//写指令到LCD,RS=0,R/W=0GpioDataRegs.GPADAT.all=INS;//输出指令GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIOB2=1;//E=1Delay1();//延时140ns以上GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIOB2=0;//E=0,指令写入LCD}voidwriteDATA(intdata)//向液晶写入数据{checkBF();//测试BF位是否忙EALLOW;GpioMuxRegs.GPADIR.all=0x00ff;//设GPIOA0~7为输出引脚EDIS;GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIOB0=1;GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIOB1=0;//写数据到LCD,RS=1,R/W=0GpioDataRegs.GPADAT.all=data;//输出数据GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIOB2=1;//E=1Delay1();//延时140ns以上GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIOB2=0;//E=0,数据写入LCD}voidcheckBF()//检查BF位,判断LCD是否忙{unsignedintcheckEALLOW;GpioMuxRegs.GPAMUX.all=0xff00;//设EVA前8脚为通用I/O口,其他为保留功能GpioMuxRegs.GPBMUX.all=0xff00;//设GPIOB0~2为通用I/O口,其他为保留功能GpioMuxRegs.GPBDIR.all=0x00ff;//设GPIOB0~2为输出引脚EDIS;GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIOB0=0;GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIOB1=1;//读BF的状态,RS=0,R/W=1do{GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIOB2=1;//E=1Check=GpioDataRegs.GPADAT.all;Delay1();//延时140ns以上GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIOB2=0;//E=0check=0x80✓//当第7位,即BF为0时才可以操作}while(!check==0x00);}voidInitialLCD()//液晶初始化{writeINS(0x30);//LCD选择为8位并行数据传输,不扩充指令Delay2(5);//延时大于100uswriteINS(0x0E);//开显示,开游标,关反白Delay2(5);//延时大于100uswriteINS(0x01);//清屏显示Delay2(500);//延时大于10mswriteINS(0x06);//DDRAM的地址计数器(AC)加1Delay2(5);//延时大于100us}voidDelay1()//延时子程序{Inti;for(i=0;i<5;i++);}voidDelay2(unsignedintnTime){intii,jj,kk=0;for(ii=0;ii<nTime;ii++){for(jj=0;jj<215;jj++){kk++;}}}从上面的应用介绍可看出,本文所采用的方法不需要增加硬件,电路结构简单,只占用了TMS320F2407的多达56个I/O引脚中的11个。所以,对剩余较多不用I/O引脚的DSP系统完全可以采用这种接口控制方法,绝大多数下是可以满足要求的。通过该设计我们可以说,采用TMS320F2407模拟外部慢速设备的时序实现与其外设的接口这种方法是一种简单有效的方法,并为各种系统显示、慢速外设的接口设计提供了一种可以借鉴的方法。本文作者创新点:采用了TMS320F2407的多用途双向数字I/O口,解决了高速设备与慢速外设通讯时序不匹配的问题,实现了对液晶显示模块的并行传输通讯。3.2PID控制为了实现对负载电压电流进行精确控制，本文对单相转三相电源变换器进行的闭环控制的设计，运用工业控制中常用的PID控制算法进行控制，使负载输出的电压有效值更稳定。3.2.1PID控制原理PID控制，又称PID调节，它是按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的控制器（亦称PID调节器），是工程实际中应用最为广泛的调节器控制规律。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这是应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个控制系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。3.2.2PID各校正环节的作用1.比例P控制环节比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时，系统输出存在稳态误差(Steady-stateError)。比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。偏大，振荡次数加多，调节时间加长。太大时，系统会趋于不稳定。太小，又会使系统的动作缓慢。可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。就是说，比例环节可即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。2.积分I控制环节在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比例关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的，或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决与时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即使误差很小，积分项也会随着时间的增加而增大，它推动控制器的输出增大，使稳态误差进一步减小，知道等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。就是说，积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。3.微分D控制环节微分作用可以改善动态特性，微分系数Tｄ偏大时，超调量较大，调节时间较短。Td偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有Tｄ合适，才能使超调量较小，减短调节时间。3.2.3模拟PID控制系统由于数字PID是由模拟PID演化而来，而且模拟PID更有助于理解其控制思想，因此，下面介绍模拟PID控制系统。1.模拟PID控制系统组成图3-12模拟PID控制系统原理框图2.模拟PID调节器的微分方程和传输函数PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。(1)PID调节器的微分方程：（3-1）式中(2)PID调节器的传输函数（3-2）3.2.4数字PID控制器(1)模拟PID控制规律的离散化表3-3PID控制规律的离散化模拟形式离散化形式(2)数字PID控制器的差分方程PID的基本关系是：（3-3）经过上述离散化后可得：（3-4）式中称为比例项称为积分项称为微分项(3)常用的控制方式1、P控制（3-5）2、PI控制（3-6）3、PD控制（3-7）4、PID控制（3-8）对负载的电流和电压进行测量然后反馈回DSP，由DSP构成数字化PID控制器，可使输出电压、电流等控制量按照给定量保持稳定，提高控制精度。具体的电流和电压反馈如图3-1、3-2所示。图3-1三相电流反馈电路图3-2电压反馈电路3.3DSP电源电路的设计3.3.1电源电路论证1方案一：采用二极管并联型稳压电源。本方案的核心器件是稳压二极管，其优点是稳压电路简单，成本低，但其输出电压不高，而且稳压管的稳定性受温度影响较大，稳压效果差，只适用于小功率的电路。2方案二：采用三极管串联调整型稳压电源。本方案的核心是基准源和大功率三极管，其优点比稳压二极管型稳压电源的输出功率大，电压、电流的调整率大；但其体积大，重量重，效率低，电压调整范围窄，电路较复杂。3方案三：采用三端集成稳压器。本方案的核心器件是三端集成稳压器，其优点是稳压性能非常好，稳压块内部还有设有过流保护和过热保护等电路，温度特性也非常好，使用安全可靠，电路简单，纹波系数小。而且价格低廉等特点。在市场上78xx系列稳压器容易购买到，在功率较小的电路得到广泛应用。综上所述，经过论证，我们选择方案三制作交流调压器的电源电路。3.3.2电源电路的设计目前在电子设备中常使用输出电压固定的集成稳压器。由于它只有输入、输出和公共引出端，故称之为三端集成稳压器。现以具有正电压输出的78Lxx系列为例介绍其工作原理，三端集成稳压器由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚，分别是输入端、接地端和输出端。用LM78/LM79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜，在应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器，以保证其稳定工作。正常工作时，输入、输出电压差为2至3V,电路中靠近引脚接入电容C用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激震荡和抑制电路引入的高频干扰。在实际应用中常反并联二极管，该反并联的二极管是输出保护二极管，一旦输入端短路时，给输出电容器C11一个放电回路，防止电容两端电压作用于调整管的be结，造成调整管be结击穿而损坏。每个电源都接有一排滤波耦合电容，经过电容后电源电压更稳定。使电路工作更加可靠。具体的工作电源产生电路如图3-3、图3-4所示。图3-3模拟、数字5V电压产生电路图3-4+12V、-12V电源产生电路

第4章软件设计本章论述了一种基于DSP芯片TMS320F2407的PWM调制的软件实现方法：使用TMS320F2407事件管理器的EVA模块产生PWM信号，并通过软件编程实现。仿真与实验结果表明：采用DSP实现的PWM调制技术不但经济、节约空间，而且抗噪性能强。早期的PWM调制实现方法基本上是通过硬件电路模拟产生（主要以正弦波脉宽调制为主），后来发展到模拟和数字电路混和控制，目前采用全数字化的方案，完成实时在线的PWM信号的输出，提出了规则采样数字化PWM方案，对自然采样规律做了简单的近似，为PWM控制信号的实时计算提供了理论依据。随着DSP技术的发展，高速的运算、控制功能使DSP逐步在脉宽调制领域内得以广泛应用，尤其是在脉宽调制的高频化设计中。它包含的事件管理器中集成了实现PWM的电路和存储器。使得生成PWM所需的代码大大简化了，同时DSP提供了丰富的中断源，极大方便了时实控制处理。4.1PWM调制技术随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已出现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有以下几种方法:等脉宽PWM法、随机PWM法、SPWM法、等面积法、硬件调制法、软件生成法等。这里主要介绍最后两种。4.1.1硬件调制硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的，其原理就是把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。该方法通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。其实现方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波。但是，这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。4.1.2软件调制由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易，因此，软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法，其有两种基本算法，即自然采样法和规则采样法。自然采样法的原理是以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断。其优点是所得SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波与正弦波交点有任意性，脉冲中心在一个周期内不等距，从而脉宽表达式是一个超越方程，计算繁琐，难以实时控制。规则采样法是对自然采样法的改进，其主要优点就是是计算简单，便于在线实时运算，其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦。其缺点是直流电压利用率较低，线性控制范围较小。4.2TMS320F2407芯片TMS320F2407是TI公司推出的一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片。TMS320F2407采用1.8V的低核心电压，运行速度达到了150MHz，采用了32位的处理器内核，改进了中断响应和处理速度，改进了存储器管理，具有更高的C/C++编程效率。并带有18k×16位0等待周期片上SRAM和128k×16位片上FLASH（存取时间36ns）。其片上外设主要包括2×8路12位ADC（最快80ns转换时间）、2路SC1、1路SP1、1路McBSP、1路eCAN等，带有两个事件管理模块（EVA、EVB），分别包括6路PWM／CMP、2路QEP、3路CAP、2路16位定时器（或TXPWM/TXCMP）。每个事件管理器模块可同时产生多达8路的PWM波形输出。由3个带可编程死区控制的比较单元产生独立的3对（即6个输出），以及由通用定时器比较产生的2个独立的PWM输出。4.3基于TMS320F2407的PWM调制TMS320F2407的事件管理模块EV可以产生PWM信号。为了产生PWM信号，可以先使用一个定时器来重复PWM的周期，用一个比较寄存器来存放调制值。定时器计数器的值（TMS320LF2407的定时计数器有连续增、连续减、连续增减等几种计数模式）不断地与比较寄存器的值进行比较，当两个值相匹配时，相关输出产生从低到高（或从高到低）的变化。当第二次匹配产生或周期结束时，相关输出会产生另一个变化（从高到低或从低到高）。输出信号的变化时间由比较寄存器的值决定。这个过程在每个定时器周期按照比较寄存器不同的值（比较寄存器每次装载不同的值）重复，这样便产生了PWM信号。具体实现如下：1）通过设置TxCON（定时器控制寄存器）来确定采用连续增/减计数模式（或其他模式）。计数器按设定的时间单位连续向上计数，当计数到设定的峰值时，计数器立即向下计数则生成三角载波。在计数器计数过程中，如果设定的比较寄存器的值与计数器的值相等时PWM脉冲输出端口自动输出高电平或低电平。2)通过设置比较方式控制寄存器ACTRA来确定PWM脉冲输出端口电平为：强制高/强制低/高有效/低有效（根据功率器件的特性来定）。3)通过设置比较控制寄存器COMCONX确定各路PWM脉冲输出端口间为哪一种切换方式：①当计数器的值为零时切换②当计数器的值等于设定的峰值时进行切换③立即进行切换。实际应用中，通过调节载波频率或比较寄存器的值输出一系列不等宽的控制脉冲以满足不同的控制要求。对于连续增计数模式，比较寄存器的值代表周期开始至第一次比较匹配产生之间的持续时间（不运行阶段的时间长度）。该持续时间等于定标输入时钟的周期乘以TxCMPR的值。因此，运行阶段的时间长度（输出脉冲宽度）等于（TxPR）-（TxCMPR）+1个定标输入时钟的周期。连续增/减计数模式，在增计数和减计数时，比较寄存器可以有不同的值。运行阶段的时间长度（输出脉冲宽度）等于（TxPR）-（TxCMPR）UP+（TxPR）-（TxCMPR）dn个定标输入时钟的周期，（TxCMPR）UP是增计数的比较值，（TxCMPR）dn是减计数的比较值。本文程序采用C语言编写，利用TMS320LF2407的事件管理器的EVA模块定时器产生T1PWM的信号波形。如图4.1和4.2所示，分别为主程序和中断程序流程图。图4.1主程序流程图图4.2中断程序流程图4.4PWM程序设计#include"math.h"#include"f2407_c.h"#definePI 3.1415926externvoidini(void);externinterruptvoidtimer2_isr(void);externinterruptvoidinter2_isr(void);voiddelay5s(void);floatsin_table[33]={0,0.189,0.371,0.541,0.690,0.815,0.909,0.972,0.98, 0.972,0.909,0.815,0.690,0.541,0.371,0.189,0, -0.189,-0.371,-0.541,-0.690,-0.815,-0.909,-0.972,-0.98, -0.972,-0.909,-0.815,-0.690,-0.541,-0.371,-0.189,0};externfloatb_time;externvoidadc_soc(void);extern