單相正弦波變頻電源的設(shè)計(jì)

1、單相正弦波變頻電源的設(shè)計(jì)摘要：介紹由單片機(jī)和SA4828研制的單相變頻電源。提出了用高精度三相可編程PWM集成芯片SA4828與89C52單片機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合的單相變頻電源的設(shè)計(jì)方案。給出了系統(tǒng)總體構(gòu)成和主電路設(shè)計(jì)，介紹了SPWM產(chǎn)生器SA4828和工作原理，SA4828全數(shù)字操作、工作方式靈活、頻率范圍寬、精度高功能強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)。文中詳細(xì)介紹了采用單片機(jī)AT89C52和SPWM產(chǎn)生器SA4828組成系統(tǒng)控制器的軟硬件設(shè)計(jì)。利用專用集成電路SA 4828 設(shè)計(jì)變頻器, 可以大大簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件編程。它以SA4828作為SPWM信號(hào)發(fā)生器, 經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制IPM模塊, 產(chǎn)

2、生三相變頻電源。配以單片機(jī)、鍵盤、L ED 顯示器及轉(zhuǎn)速編碼器, 構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，由SA4828為控制芯片的變頻電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出波形好、性能穩(wěn)定可靠，適合于中、小功率的應(yīng)用場(chǎng)合。關(guān)鍵詞：正弦脈寬調(diào)制（SPWM）；SA4828；逆變電源；單片機(jī)Design of Single-phase sine wave variable frequency power sourceAbstract：The Single-phase sine wave variable frequency power source based on MCU AT89C52 and SPWM generator

3、IC SA4828 is introduced in this paper. The design proposal of Single-phase sine wave variable frequency power source was proposed using the MCU 89C52 control technology unified with high accuracy three-phase programmable PWM integrated chip SA4828. The system construction and main circuit design of

4、variable frequency power are given,the function feature and operation principle of SPWM generation IC SA8282 is described.The hardware and software design of controller by using AT89C52 and SA8282 is discussed in detail in this paper. Making use of the special IC SA 4828 to design an inverter can gr

5、eatly simplify both the hardw are and softw are. The SA4828 used as SPWM signal generato r cont ro ls the IPM via driver circuits to produce variable frequency power supply. The speed adjusting system consist ing of SCC, KB, LED display and speed coder is tested and excellent performance is achieved

6、.Experimental results shown the output voltage waveform is quite good,the performance meets the demand.Keywords：SPWM; SA4828; inverter; MCU目 錄1 前言11.1變頻電源應(yīng)用背景及領(lǐng)域11.2變頻電源的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)22 變頻電源基本原理32.1 SPWM 的原理32.2變頻電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)要介紹63 AT89C52單片機(jī)介紹84SA4828介紹115 變頻電源硬件電路設(shè)計(jì)125.1變換電路選擇125.2主電路設(shè)計(jì)125.3 SPWM逆變器的設(shè)計(jì)135.4

7、控制電路設(shè)計(jì)155.5 IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)165.6 電壓、電流、頻率測(cè)量電路165.6鍵盤、顯示電路186 軟件設(shè)計(jì)227 抗干擾措施23結(jié)束語24參考文獻(xiàn)25致 謝261 前言目前，變頻電源大多采用正弦脈寬調(diào)制，即所謂SPWM技術(shù)。其控制電路大多采用模擬方法實(shí)現(xiàn)，電路比較復(fù)雜，有溫漂現(xiàn)象，影響精度，限制了系統(tǒng)的性能，以80C196MC或TMS320F240為核心組成的控制電路，能實(shí)現(xiàn)電源的全數(shù)字化控制，但系統(tǒng)較復(fù)雜，軟件工作量大，研制周期長(zhǎng)。而MITEL公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型SPWM波產(chǎn)生器SA4828，可與單片機(jī)連接，完成外圍控制功能，使系統(tǒng)智能化。單片機(jī)只用很少的時(shí)間去控制它，因而有能力進(jìn)

8、行整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)、保護(hù)、控制、顯示等?；谏鲜鲈?，控制電路采用SA4828和AT89C52。同時(shí)為消除輸出濾波電感的噪音，將變壓器和電感集成在一起，利用輸出變壓器的漏感與電容組成LC低通濾波器，不但消除了輸出濾波電感產(chǎn)生的噪音，而且簡(jiǎn)化了主電路設(shè)計(jì)。 1.1變頻電源應(yīng)用背景及領(lǐng)域變頻電源的應(yīng)用背景，是基于世界各國(guó)電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的不一致，大多數(shù)有關(guān)出口電器產(chǎn)品的廠商需要電源模擬不同國(guó)家的電網(wǎng)，為工程師設(shè)計(jì)開發(fā)、生產(chǎn)線測(cè)試及品保的產(chǎn)品檢測(cè)、壽命、過高壓/低壓模擬測(cè)試等服務(wù)，這就需要設(shè)備電源能夠提供純凈可靠的、低諧波失真、高穩(wěn)定的頻率和穩(wěn)壓率的正弦波電力輸出；而進(jìn)口某些電器設(shè)備的也需要對(duì)產(chǎn)品適用于我國(guó)電

9、網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行變壓、變頻等實(shí)驗(yàn)，品質(zhì)檢測(cè)等工作，進(jìn)而依此保證進(jìn)口的有關(guān)電器設(shè)備的正常工作。變頻電源廣泛適用于家電制造業(yè)、電機(jī)、電子制造業(yè)、IT產(chǎn)業(yè)、電腦設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室等設(shè)備場(chǎng)所。家電業(yè)制造商如：空調(diào)設(shè)備、咖啡機(jī)、洗衣機(jī)、榨汁機(jī)、微波爐、收錄音機(jī)、冰箱、DVD、洗塵器、電動(dòng)剃須刀等產(chǎn)品的測(cè)試電源。 電機(jī)、電子業(yè)制造商如：交換式電源供應(yīng)器、變壓器、電子安定器、AC風(fēng)扇、不斷電系統(tǒng)、充電器、繼電器、壓縮機(jī)、馬達(dá)、被動(dòng)元件等產(chǎn)品的測(cè)試電源。IT產(chǎn)業(yè)及電腦設(shè)備制造商如：傳真機(jī)、影印機(jī)、碎紙機(jī)、印表機(jī)、掃描器、燒錄機(jī)、伺服器、顯示器等產(chǎn)品的測(cè)試電源。實(shí)驗(yàn)室及測(cè)試單位如：交流電源測(cè)試、產(chǎn)品壽命及安全測(cè)試、電磁相容

10、測(cè)試、OQC（FQC）測(cè)試、產(chǎn)品測(cè)試及研發(fā)、研究單位最佳交流電源。航空/軍事單位如：機(jī)場(chǎng)地面設(shè)施、船舶、航天、軍事研究所等的測(cè)試電源1.2變頻電源的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)理想的交流電源的特點(diǎn)是頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、內(nèi)阻等于零、電壓波形為純正弦波（無失真）。變頻電源十分接近于理想交流電源，因此，先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家越來越多地將變頻電源用作標(biāo)準(zhǔn)供電電源，以便為用電器提供最優(yōu)良的供電環(huán)境，便于客觀考核用電器的技術(shù)性能。當(dāng)今國(guó)際上先進(jìn)的變頻電源是采用IGBT逆變輸出技術(shù)，用先進(jìn)微處理器控制設(shè)計(jì)而成的高性能精密電源，它具有過流、短路、過壓、欠壓、過載等保護(hù)及報(bào)警故障顯示功能，確保用電設(shè)備及變頻電源安全。具有負(fù)載適應(yīng)性

11、強(qiáng)，輸出波形品質(zhì)好，良好的人機(jī)界面，操作簡(jiǎn)單，體積小，重量輕等特點(diǎn)。正弦波輸出，可調(diào)輸出電壓及頻率的變頻電源為用電設(shè)備提供了所需要的交流電。變頻電源是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率變換器。當(dāng)今的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，總的發(fā)展趨勢(shì)是：驅(qū)動(dòng)的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此，變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻電源而得到迅猛發(fā)展。隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器的性能價(jià)格比越來越高，體積越來越小，而廠家仍然在不斷地提高可靠性實(shí)現(xiàn)變頻器的進(jìn)一步小型輕量化、高性能化和多功能化以及無公害化而做著新的努力1。2 變

12、頻電源基本原理2.1 SPWM 的原理PWM （Pulse Width Modulation）脈寬調(diào)制是利用相當(dāng)于基波分量的信號(hào)波對(duì)三角載波進(jìn)行調(diào)制，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度的一種方法2?？刂凭褪菍?duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得過需要的波形（含波形和幅值）。圖1 含有等脈寬載波的脈寬調(diào)制波形如圖1所示，每個(gè)脈沖寬度為1 t ，相鄰脈沖的間隔為2 t ， 1 t + 2 t =Tz （脈沖波周期）。則等寬脈沖的占空：= 調(diào)節(jié)占空比 ，就可以調(diào)節(jié)輸出的平均電壓；調(diào)節(jié)PWM波的頻率1/Tz ，就可以改變電源頻率，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。通過控制電路，很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖波的占空比

13、和PWM頻率分別進(jìn)行調(diào)整。但是雖然實(shí)現(xiàn)了變頻和變壓，可是逆變電路輸出的電壓波形仍然是一組矩形波，而不是正弦波，存在許多高次諧波的成分。其中一種方法是將等寬的脈沖波變成寬度漸變的脈沖波，其寬度變化規(guī)律應(yīng)符合正弦變化規(guī)律，如圖2所示。通常把這種波稱為正弦脈寬調(diào)制波，簡(jiǎn)稱SPWM波。SPWM的諧波成分大大減少，可以得到基本滿意的驅(qū)動(dòng)效果。圖2 典型SPWM波形單極性SPWM模式產(chǎn)生單極性SPWM模式的基本原理3如圖3所示。首先由同極性的三角波調(diào)制電壓 u 與參考電壓R u 比較（圖3_a），產(chǎn)生單極性的SPWM脈沖（圖3_b）；然后將單極性的SPWM脈沖信號(hào)與圖3_c所示的倒相信號(hào)l u 相乘，從而

14、得到正負(fù)半波對(duì)稱的SPWM脈沖信號(hào)p u ，如圖3_d所示。圖3 單極性SPWM模式（單相）雙極性SPWM模式雙極性SPWM控制模式采用的是正負(fù)交變的雙極性三角波u 與參考波R u，如圖4所示，可通過u 與R u 的比較直接得到雙極性的SPWM脈沖，而不需要倒相電路。與單極性模式相比，雙極性SPWM模式控制電路和主電路比較簡(jiǎn)單，然而對(duì)比圖3_d和圖4_ b可看出，由于單極性SPWM模式中沒有類似雙極性SPWM模式中與正負(fù)輸出電壓矩形脈沖相對(duì)應(yīng)的反相窄帶脈沖，因此單極性SPWM模式要比雙極性SPWM模式輸出電壓中高次諧波分量小很多，這就是單極性模式的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。無論單極性SPWM或是雙極性SPWM

15、方式，實(shí)際應(yīng)用中均可以采用三類控制方式完成，一是采用模擬電路，二是采用數(shù)字電路，三是采用模擬與數(shù)字混合電路的控制方式。采用模擬電路元件實(shí)現(xiàn)SPWM控制的原理如圖4，首先由模擬元件構(gòu)成的三角波和正弦波發(fā)生器分別產(chǎn)生三角載波信號(hào) u 和正弦參考信號(hào)R u ，然后送入電壓比較器，產(chǎn)生SPWM脈沖序列。這種采用模擬電路調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)是完成 u 和R u 信號(hào)的比較和確定脈沖寬度所用的時(shí)間短，幾乎是瞬間完成的，不像數(shù)字電路采用軟件計(jì)算需要一定的時(shí)間。然而，這種方式的缺點(diǎn)是所需硬件較多，而且不夠靈活，改變參數(shù)和調(diào)試比較麻煩。采用數(shù)字電路的SPWM逆變器，可以應(yīng)用軟件為基礎(chǔ)的控制模式。其優(yōu)點(diǎn)是所需硬件少，靈

16、活性好和智能性強(qiáng)。缺點(diǎn)是需要通過計(jì)算確定SPWM的脈沖寬度，有一定的系統(tǒng)延時(shí)和響應(yīng)時(shí)間。但是，隨著高速度、高精度的多功能處理器及SPWM專用芯片的發(fā)展，采用微機(jī)控制的數(shù)字化SPWM技術(shù)己經(jīng)占據(jù)了PWM逆變器的主導(dǎo)地位。圖4 雙極性SPWM模式2.2變頻電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)要介紹經(jīng)過ACDCAC變換的逆變電源稱為變頻電源，它有別于用于電機(jī)調(diào)速用的變頻調(diào)速控制器，也有別于普通交流穩(wěn)壓電源。其中逆變器是用來實(shí)現(xiàn)DcAc變換的電力電子裝置。其作用是通過半導(dǎo)體功率開關(guān)器件 (如SCR，GTO，GTR，IGBT和功率MOSFET模塊等)的開通和關(guān)斷作用，把直流電能變換成交流電能。因此是一種電能變換裝置。變頻電源

17、的主要功用是將現(xiàn)有交流電網(wǎng)電源變換成所需頻率的穩(wěn)定的純凈的正弦波電源4。理想的交流電源的特點(diǎn)是頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、內(nèi)阻等于零、電壓波形為純正弦波（無失真）。變頻電源十分接近于理想交流電源，因此，先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家越來越多地將變頻電源用作標(biāo)準(zhǔn)供電電源，以便為用電器提供最優(yōu)良的供電環(huán)境，便于客觀考核用電器的技術(shù)性能。 變頻電源主要有二大種類：線性放大型和PWM開關(guān)型 HY系列程控變頻電源，以微處理器為核心，以MPWM方式制作,用主動(dòng)元件IGBT模塊設(shè)計(jì)，采用了數(shù)字分頻、D/A轉(zhuǎn)換、瞬時(shí)值反饋、正弦脈寬調(diào)制等技術(shù), 使單機(jī)容量可達(dá)100kVA, 以隔離變壓器輸出來增加整機(jī)穩(wěn)定性, 具有負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)、輸出波

18、形品質(zhì)好、操作簡(jiǎn)便、體積小、重量輕等特點(diǎn)，具有短路、過流、過載、過熱等保護(hù)功能，以保證電源可靠運(yùn)行。該電源首先通過二極管整流電路將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，然后通過IGBT橋式逆變電路逆變成SPWM波形，經(jīng)過濾波得到正弦波輸出采用單片機(jī)對(duì)SPWM信號(hào)產(chǎn)生芯片SA4828實(shí)現(xiàn)控制11，輸出所需電壓和頻率的正弦波系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖5：圖5 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理3 AT89C52單片機(jī)介紹AT89C52是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8KB的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和2568位的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、6個(gè)中斷源、低功耗空閑和掉電方式等

19、特點(diǎn)。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，可以滿足系統(tǒng)要求。系統(tǒng)采用5V電源電壓，外接12M晶振。功能強(qiáng)大AT89C52單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合。主要性能參數(shù)：與MCS-51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容8k字節(jié)可充擦寫Flash閃速存儲(chǔ)器1000次擦寫周期。全靜態(tài)操作：0Hz24MHz三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器2568字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)可變成I/O口線，3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，8個(gè)中斷源，可編程串行UART通道，低功耗空閑和掉電模式。功能特性概述：AT89C52提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash閃速

20、存儲(chǔ)器，256字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量?jī)蓸O中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C52可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。引腳功能：Vcc：電源電壓GND：地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口P0寫“1”時(shí)，可作為高阻抗

21、輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。P1口：P1是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口P1寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。與AT89C51不同之處是，P1.0和P1.1還可分別作為定時(shí)/計(jì)數(shù)器2的外部技術(shù)輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.

22、1/T2EX）。Flash編程和程序校驗(yàn)期間，P1接收低8位地址。P2口：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口P2寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVXDPTR指令）時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行MOVXRI指令）時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。Flash編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和一些控制信號(hào)。P3口：P3

23、口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)P3口寫入“1”時(shí)，他們被內(nèi)部上拉電阻拉高可作為輸入端口。此時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流。P3口出了作為一般的I/O線外，更重要的用途是它的第二功能，如下：端口引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外中斷0）P3.3（外中斷1）P3.4T0（定時(shí)/計(jì)數(shù)器0）P3.5T1（定時(shí)/計(jì)數(shù)器1）P3.6（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）此外，P3口還接收一些用于Flash閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸

24、入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。對(duì)于本次設(shè)計(jì)的引腳使用情況如下：P1口：控制LED數(shù)碼管8位段碼;P3.0，P3.1，P3.4，P3.5：數(shù)碼管位選通口;XTAL：接晶振;RST：接復(fù)位電路;P0：ADC0809的結(jié)果輸入；SA4828的控制字口;P2.0：SA4828的片選;P2.7：ADC0809的片選;P3.2：外部中斷0。4SA4828介紹SA4828是MITEL公司專門為電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)的三相SPWM波產(chǎn)生器，也可用于靜止逆變電源，它是SA8282的增強(qiáng)型

25、，具有全數(shù)字化操作，輸出波形精度高；工作頻率范圍寬，輸出電源頻率可達(dá)4kHZ，頻率控制精度達(dá)16位；工作方式靈活，配備微處理接口，其工作參數(shù)：載波頻率、電源頻率、輸出幅值、死區(qū)等都可以通過微處理器很方便的寫入，并且只需要在改變工作方式時(shí)才刷新。此外，它還具備看門狗定時(shí)幅值獨(dú)立可調(diào)等功能。本系統(tǒng)取SA4828的兩相四路SPWM輸出作為控制信號(hào)。SA4828工作原理12:來自單片機(jī)的數(shù)據(jù)通過總線控制和譯碼進(jìn)入初始化寄存器或控制寄存器，它們對(duì)相控邏輯電路進(jìn)行控制。外部時(shí)鐘輸入經(jīng)分頻器分成設(shè)定的頻率，并生成三角形載波，三角載被與片內(nèi)ROM中的調(diào)制波形進(jìn)行比較，自動(dòng)生成SPWM輸出脈沖。通過脈沖刪除電路

26、，刪去比較窄的脈沖，因?yàn)檫@樣的脈沖不起任何作用，只會(huì)增加開關(guān)管的損耗。通過脈沖延遲電路生成死區(qū)，保證任何橋臂上的兩個(gè)開關(guān)管不會(huì)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間短路。5 變頻電源硬件電路設(shè)計(jì)220v、50HZ交流電經(jīng)整流濾波，變成直流電，通過逆變器將該直流電壓轉(zhuǎn)換為頻率與負(fù)載(或換能器)諧振頻率一致的交變電壓。系統(tǒng)硬件電路由主電路、控制驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和鍵盤顯示電路組成。其中逆變器是用來實(shí)現(xiàn)DcAc變換的電力電子裝置。其作用是通過半導(dǎo)體功率開關(guān)器件 (如SCR，GTO，GTR，IGBT和功率MOSFET模塊等)的開通和關(guān)斷作用,把直流電能變換成交流電能。因此是一種電能變換裝置。控制部分可通AT89C52單片機(jī)和

27、SA4828控制電壓和頻率的改變。5.1變換電路選擇為了提高通用性，系統(tǒng)選用ACDCAC變換電路DCAC變換采用AT89C52單片機(jī)控制SA4828芯片直接輸出SPWM脈沖，從而使電路簡(jiǎn)單、可靠、控制方便、體積小逆變主電路采用橋式電路，濾波后得到幅值和頻率可調(diào)的交流電壓穩(wěn)定輸出14。5.2主電路設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)如圖5所示圖5 主電路1)整流電路采用整流橋塊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。2)逆變電路選用IGBT作為開關(guān)管組成橋式逆變電路。3)輸出濾波電路全橋逆變電路的輸出為一系列高頻脈沖，要想得到標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，必須濾掉其高頻成分，LC濾波電路的作用正是濾除高頻，其參數(shù)由LC濾波器的諧振頻率和特征

28、阻抗決定。整流電路用單相橋進(jìn)行整流，利用二極管的單向?qū)щ娦裕瑢?20 V交流電壓變成直流，給逆變器提供直流母線電壓。Dl為整流橋。在整流電路中輸出電壓是脈動(dòng)的，另外，在逆變部分產(chǎn)生的脈動(dòng)電流和負(fù)載變化也使得直流電壓產(chǎn)生脈動(dòng)，為了將其中的交流成分盡可能的濾除掉，使之變成平滑的直流電，必須在其后加上一個(gè)低通濾波電路。這里采用常用的電容濾波電路，在整流輸出端并人大電容，整流輸出直流電壓含有很多偶次諧波，頻率越高，電容容抗越小，分流作用越大，諧波被濾除的就越多，輸出電壓的平均值就越大。由于在交流輸入剛剛接通的一瞬間，輸入220 V交流電壓經(jīng)整流后直接給直流電容充電，而此時(shí)電容的端電壓為零，相當(dāng)于短路狀

29、態(tài)，這樣會(huì)造成很大的充電電流，導(dǎo)致熔斷器和空氣開關(guān)動(dòng)作，甚至?xí)p壞后級(jí)電路。因此，必須對(duì)電容的充電電流進(jìn)行限制。在交流輸入電路中串聯(lián)一個(gè)合適的電阻，用以限制最大充電電流。當(dāng)控制電路檢測(cè)到電容充電過程基本完畢后，與充電電阻并聯(lián)的接觸器觸點(diǎn)閉合，電阻處于短路狀態(tài)，系統(tǒng)開始正常工作。Sls4組成逆變器。S1s4采用IGBT功率模塊，工作頻率高、功率容量大。逆變器工作時(shí)，IGBT開關(guān)根據(jù)負(fù)載(或換能器)的諧振頻率進(jìn)行切換，s1、s4和s2、S3分別組成兩組開關(guān)。這兩組開關(guān)輪流導(dǎo)通，負(fù)載中的電流過零時(shí)開關(guān)切換。當(dāng)逆變器工作頻率等于負(fù)載 (或換能器)的諧振頻率時(shí)，電路輸出電壓為方波，輸出電流為正弦波。電路

30、中采用零電流開關(guān)模式。其開關(guān)損耗極小，dudt及didt應(yīng)力大為下降，與此相應(yīng)的電磁干擾可以消除。逆變器的輸出接隔離變壓器，為消除濾波電感的噪音，將變壓器和電感集成在一起，再在變壓器的次級(jí)并以適當(dāng)?shù)碾娙荩幂敵鲎儔浩鞯穆└信c電容組成LC低通濾波器，從電容的兩端獲得正弦電壓輸出，這樣不但消除了輸出濾波電感產(chǎn)生的噪聲，而且簡(jiǎn)化了主電路設(shè)計(jì)。5.3 SPWM逆變器的設(shè)計(jì)由于逆變開關(guān)管的開關(guān)時(shí)間要由載波與調(diào)制波的交點(diǎn)來決定。在調(diào)制波的頻率、幅值和載波的頻率這3項(xiàng)參數(shù)中。不論哪一項(xiàng)發(fā)生變化時(shí)，都使得載波與調(diào)制波的交點(diǎn)發(fā)生變化。因此，在每一次調(diào)整時(shí)，都要重新計(jì)算交點(diǎn)的坐標(biāo)。顯然，單片機(jī)的計(jì)算能力和速度不

31、足以勝任這項(xiàng)任務(wù)。過去通常的作法是：對(duì)計(jì)算作一些簡(jiǎn)化，并事先計(jì)算出交點(diǎn)坐標(biāo)將其制成表格，使用時(shí)進(jìn)行查表調(diào)用。但即使這樣，單片機(jī)的負(fù)擔(dān)也很重。為了減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，一些廠商推出了專用于生成三相或單相SPWM波控制信號(hào)的大規(guī)模集成電路芯片，如HEF4752、SLE4520、SA828、SA838等等。采用這樣的集成電路芯片，可以大大地減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，使單片機(jī)可以空出大量的機(jī)時(shí)用于檢測(cè)和監(jiān)控。這里詳細(xì)介紹SA4828三相SPWM波控制芯片的主要特點(diǎn)、原理和編程。SA4828作為單片機(jī)的外設(shè)，通過對(duì)單片機(jī)編程，將SPWM的初始化信息和控制信息寫入SA4828的相關(guān)寄存器，即可產(chǎn)生精確全數(shù)字化的單相、

32、三相SPWM波形。處理器采用AT89C52單片機(jī)，進(jìn)一步降低了成本AT89C52單片機(jī)可同時(shí)用匯編語言和C語言進(jìn)行編程，提高了編程的靈活性。載波頻率 (開關(guān)頻率)的選擇取決于所使用的功率開關(guān)管器件，其設(shè)定公式為： 5-1式中正CLK為輸入時(shí)鐘頻率n是分頻倍率系數(shù)，由一個(gè)3位CFS字決定調(diào)制波頻率范圍確定電源的最大頻率，其設(shè)定公式為： 5-2式中m是倍率系數(shù)，由一個(gè)3位的FRS字決定脈沖延時(shí)時(shí)間是為了防止直通而短路，其設(shè)定公式為： 5-3式中nPDY的值由一個(gè)6位的脈寬延時(shí)時(shí)間選擇字PDY決定為減少開關(guān)管頻繁開關(guān)引起的附加損耗，脈沖取消字設(shè)定公式為： 5-4式中nPDT的值由一個(gè)7位脈沖取消字P

33、DT決定調(diào)制波頻率計(jì)算式為： 5-5 式中nPFS為16位控制字PFS的取值調(diào)制波幅值計(jì)算式為： 5-5nA是RAMP、YAMP、BAMP各自對(duì)應(yīng)的取值，其范圍為0255在實(shí)際運(yùn)行中，nA的值要經(jīng)過適時(shí)調(diào)整、計(jì)算不斷改寫。本系統(tǒng)中，通過改變m、n和調(diào)整nA的取值改變輸出頻率，而通過調(diào)整nA的值可以改變輸出幅值讓m和n的設(shè)定值比例變化，可以在保持輸出幅值和頻率不變的情況下改變載波頻率15。AT89C52通過8位P0端口同SA4828的地址、數(shù)據(jù)復(fù)用管腳AD0AD7相接，初始化SA4828，讀取SA4828內(nèi)部的看門狗定時(shí)器返回的信息，向SA4828的控制寄存器發(fā)送控制信息，使SA4828從內(nèi)部保

34、存正弦型、增強(qiáng)型、高效型三種壓縮波形的ROM中選擇適當(dāng)?shù)牟ㄐ伟匆罂焖佥敵鯯A4828的6個(gè)輸出端口輸出的高電平用于控制相應(yīng)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路SPWM產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)如圖6P00-7P1P2AD0-7RSRDMUXALEWRCSAT89C52SA4828VDD圖6 接口示意圖5.4控制電路設(shè)計(jì)控制電路以SA4828和ATMEL公司的AT89C52單片機(jī)為核心，完成SPWM波的產(chǎn)生和系統(tǒng)的檢測(cè)、控制、更新顯示以及查詢按鍵功能： 當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，一旦通電后，單片機(jī)立即對(duì)SA4828進(jìn)行初始化，設(shè)定與逆變器有關(guān)的基本參數(shù)，包括設(shè)置載波頻率，調(diào)制波頻率范圍、脈沖延遲時(shí)間、最小刪除脈沖時(shí)間、調(diào)制波波形選擇、幅

35、值控制、看門狗時(shí)間常數(shù)等參數(shù)。然后向SA4828的控制寄存器傳送電源的頻率控制字和幅度控制字等參數(shù)。正常工作時(shí)，根據(jù)需要對(duì)SA4828的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的反饋與實(shí)時(shí)控制，以及調(diào)壓和調(diào)頻。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)壓功能，采用平均值反饋PI調(diào)節(jié)。輸出電壓經(jīng)隔離、取樣后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果參與PI運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果即為SA4828幅度控制寄存器的控制字。電壓調(diào)節(jié)時(shí)，用戶通過控制面板的電壓調(diào)節(jié)按鍵改變PI算法中電壓的給定值，通過PI調(diào)節(jié)改變輸出電壓。頻率的控制無須構(gòu)成閉環(huán)，調(diào)頻時(shí)，單片機(jī)根據(jù)用戶設(shè)定直接修改SA4828頻率控制寄存器的控制字，以改變電源輸出頻率。 為能保存用戶調(diào)節(jié)結(jié)果，用戶調(diào)節(jié)后，將電壓

36、、頻率給定值存入帶看門狗、欠壓保護(hù)的串行E2ROMX25045中，下次開機(jī)時(shí)，從中調(diào)出電壓和頻率給定值。系統(tǒng)采用LED顯示方式，同時(shí)顯示輸出電壓、電流和頻率，顯示電路以HD7279A為核心組成。 必須強(qiáng)調(diào)的是：SA4828對(duì)時(shí)鐘信號(hào)較敏感，CPU內(nèi)部時(shí)鐘電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)根本不能使SA4828正常工作，必須用獨(dú)立的外部振蕩電路產(chǎn)生工作時(shí)鐘，為使系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可使單片機(jī)與SA4828公用同一時(shí)鐘源。5.5 IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路采用芯片IR2110，IR2110 是一種性能比較優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)集成電路。無需擴(kuò)展可直接用于小功率的變換器中，使電路更加緊湊。在應(yīng)用中如需擴(kuò)展，附加硬件成本也不

37、高，空間增加不大。用IR2110驅(qū)動(dòng)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路如下圖7：圖7 IGBT的驅(qū)動(dòng)電路5.6 電壓、電流、頻率測(cè)量電路1、電壓測(cè)量電壓有效值可采用單片機(jī)真有效值測(cè)量芯片如AD637進(jìn)行測(cè)量。該芯片具有測(cè)量精度高，相對(duì)穩(wěn)定時(shí)間快，頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)。但AD637輸入電壓有效值范圍為0-7V，不適合直接測(cè)量逆變器輸出電壓。因此，測(cè)量前須對(duì)輸出電壓降壓。降壓器件可用電壓互感器降壓。電壓互感器可將高壓轉(zhuǎn)換為低壓輸出，轉(zhuǎn)換線性度好，精度高。電壓測(cè)量電路如下圖8：圖8 電壓測(cè)量電路2、電流測(cè)量采用電流互感器測(cè)量電流有效值。電流互感器可以將電流量線性變換為電壓量，通過測(cè)量電壓值可以方便的測(cè)量電流值。電流電壓變換

38、器作測(cè)量用時(shí)與被測(cè)電路隔離，因此對(duì)被測(cè)電路影響很小。同時(shí)，具有能耗小、頻帶寬、信號(hào)還原性好、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)。電壓有效值測(cè)量方案電壓輸出型電流互感器將輸出交流電流轉(zhuǎn)換為交流電壓；AD637將交流電壓轉(zhuǎn)換為有效值輸出，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器TCL549將測(cè)量數(shù)據(jù)送至單片機(jī)處理。電流互感器輸入電流與輸出電壓之間具有較好的線性關(guān)系。采用電壓輸出型電流互感器測(cè)量電流的電路如下圖9：圖9 電流測(cè)量電路3、頻率測(cè)量電路頻率測(cè)量中，電壓互感器經(jīng)LM311構(gòu)成的過零比較電路整形成方波，通過單片機(jī)進(jìn)行測(cè)頻。由于逆變器輸出波形頻率范圍較低（20-100HZ）因而可以用測(cè)周期的方法測(cè)量頻率?，F(xiàn)將待測(cè)正弦波整形成方波，然

39、后用單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器在方波的兩個(gè)上跳沿期間計(jì)數(shù)，若計(jì)數(shù)值為N,技術(shù)周期為t，則待測(cè)信號(hào)頻率為。該方案充分利用單片機(jī)資源，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，單片機(jī)測(cè)量20-100HZ的頻率精度可達(dá)0.2%，完全能夠滿足題目的要求，因此頻率測(cè)量采用該方案。5.6鍵盤、顯示電路顯示電路以可編程數(shù)碼管鍵盤串行接口芯片HD7279A 為核心。HD7279A是一片具有串行接口的可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管（或64只獨(dú)立LED）的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片該芯片同時(shí)還可連接多達(dá)64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示，鍵盤接口的全部功能。HD7279A內(nèi)部含有譯碼器可直接接受BCD碼或16進(jìn)制碼并同時(shí)具有2種譯碼方式。此外，

40、還具有多種控制指令，如消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等。HD7279A具有片選信號(hào)可方便地實(shí)現(xiàn)多于8位的顯示或多于64鍵的鍵盤接口。圖10 HD7279A引腳HD7279特點(diǎn)：1、串行接口，無需外圍元件可直接驅(qū)動(dòng)LED；2、各位獨(dú)立控制譯碼/及消隱和閃爍屬性；3、（循環(huán)）左移（循環(huán)）右移指令；4、具有段尋址指令，內(nèi)含去抖動(dòng)電路；5、64鍵鍵盤控制器，內(nèi)含去抖動(dòng)電路；6、有DIP和SOIC兩種封裝形式供選擇；7、 引腳說明如下表1；HD7279A引腳說明:表5.1 HD7279A引腳說明引腳名稱說明1、2VDD正電源3、5NC無連接，必須懸空4VSS接地6CS片選輸入端，此引腳為低電平時(shí)，可向芯

41、片發(fā)送指令及讀取鍵盤數(shù)據(jù)7CLK同步時(shí)鐘輸入端，向芯片發(fā)送數(shù)據(jù)及讀取鍵盤數(shù)據(jù)時(shí)，此引腳電平上升沿表示數(shù)據(jù)有效8DATA串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端，當(dāng)芯片接收指令時(shí)，此引腳為輸入端：當(dāng)讀取鍵盤數(shù)據(jù)時(shí)，此引腳在讀指令最后一個(gè)時(shí)鐘的下降沿變?yōu)檩敵龆?KEY按鍵有效輸出端，平時(shí)為高電平，當(dāng)檢測(cè)到有效按鍵時(shí)，此引腳變?yōu)榈碗娖?0-16SG-SA段g-段a驅(qū)動(dòng)輸出17DP小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)輸出端18-25DIG0-DIG7數(shù)字0-數(shù)字7驅(qū)動(dòng)輸出26CLKO振蕩輸出端27RCRC振蕩器連接端28RESET復(fù)位端HD7279A與單片機(jī)連接方式圖11：圖11 HD7279A與單片機(jī)連接方式HD7279A采用串行方式與微處理器

42、通訊，串行數(shù)據(jù)從DATA引腳送入芯片，并由CLK端同步。當(dāng)片選信號(hào)變?yōu)榈碗娖胶螅珼ATA引腳上的數(shù)據(jù)在CLK引腳的上升沿被寫入HD7279A的緩沖寄存器。HD7279A應(yīng)連接共陰式數(shù)碼管。應(yīng)用中，無需用到的鍵盤和數(shù)碼管可以不連接，省去數(shù)碼管或?qū)?shù)碼管設(shè)置消隱屬性均不會(huì)影響鍵盤的使用。因?yàn)椴捎醚h(huán)掃描的工作方式，如果采用普通的數(shù)碼管，亮度有可能不夠，采用高亮或超高亮的型號(hào)，可以解決這個(gè)問題。數(shù)碼管的尺寸，亦不宜選的過大，一般字符高度不宜超過1英寸，如果使用大型的數(shù)碼管，應(yīng)使用適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電路。HD7279A需要一外接的RC振蕩電路以供系統(tǒng)工作，其典型值分別為R=1.5K，C=15PF。如果芯片無法

43、正常工作，請(qǐng)首先檢查此振蕩電路。在印刷電路板布線時(shí)，所有元件，尤其是振蕩電路的元件應(yīng)盡量靠近HD7279A，并盡量使電路連線最短。HD7279的RESET復(fù)位端在一般應(yīng)用情況下，可以直接與正電源連接，在需要較高可靠性的情況下，可以連接一外部的復(fù)位電路，或直接由MCU（單片機(jī)）控制。在上電或RESET端由低電平變?yōu)楦唠娖胶螅琀D7279A大約需要經(jīng)過1825ms的時(shí)間才會(huì)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。上電后，所有的顯示均為空，所有顯示位的顯示屬性均為“顯示”及“不閃爍”。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，KEY引腳輸出變?yōu)榈碗娖剑藭r(shí)如果接收到讀鍵盤指令，HD7279A將輸出所按下鍵的代碼。程序中，盡可能地減少CPU對(duì)HD7

44、279A的訪問次數(shù)，可以使得程序更有效率。因?yàn)樾酒苯域?qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示，電流較大，且為動(dòng)態(tài)掃描方式，故如果該部分電路電源連線較細(xì)較長(zhǎng)，可能會(huì)引入較大的電源噪聲干擾，將HD7279A的正負(fù)電源端上并入去藕電容可以提高電路的抗干擾能力。6 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的核心工作，它決定變頻電源的輸出特性，如電壓、頻率范圍及穩(wěn)定度，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)相應(yīng)速度，保護(hù)功能的完善，工作可靠性等。系統(tǒng)主程序如圖12所示，單片機(jī)在初始化程序中完成對(duì)單片機(jī)和其他可編程器件的初始化，接著判定測(cè)頻時(shí)刻是否到，如果測(cè)頻時(shí)刻到，則測(cè)定頻率并顯示。然后檢測(cè)是否有按鍵按下，如果有，則按相應(yīng)的按鍵操作進(jìn)行處理，最后，判斷電壓電流測(cè)量時(shí)刻是否到，如果電壓電流測(cè)量時(shí)刻到，則對(duì)其進(jìn)行測(cè)量并顯示。圖12 系統(tǒng)主程序流程7 抗干擾措施根據(jù)電磁學(xué)的基本原理，形成電磁干擾(EMI)需具備三要素：電磁干擾源、電磁干擾途徑、對(duì)電磁干擾敏感的系統(tǒng)。為防止干擾，采用硬件抗干擾是最基本和最重要的抗干擾措施。一般從抗和防兩方面人手來抑制干擾，總原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對(duì)系統(tǒng)的耦合通道、降低系統(tǒng)對(duì)干擾信號(hào)的敏感性。本系統(tǒng)主要采取隔離、屏蔽、濾波、接地等措施