基于单片机控制的三相数字中频电源的设计

基于单片机控制的三相数字中频电源的设计内容摘要：

但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。 实际上由于频率的不断提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响 愈加严重，对器件造成更大的电应力 (表现为过电压、过电流毛刺 )。 为了提高系统的可靠性，有些制造商开发了“用户专用”功率模块 (ASPM)，它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再有传统的引线连接，以达到优化完美的境地。 (3)数字化 在传统功率电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。 在六、七十年代，电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。 但是现在数字式信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点 :便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸 变失真、减小杂散信号的干扰 (提高抗干扰能力 )、便于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、容错等技术的植入。 (4)绿色化 电源系统的绿色化有两层含义 :首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染。 其次这些电源不能 (或少 )对电网产生污染，国际电工委员会 (IEC)对此制定了一系列标准，如 IEC555， IEC9l7， IECI000 等。 事实上，许多功率电子节电设备，往往会变成对电网的污染源，向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因子下降，使电网电压祸合许多 毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。 20 世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，有了多种修正功率因子的方法。 这些为 21 世纪批量生产各种绿色电源产品奠定了基础。 曾俊华：基于单片机控制的三相数字中频电源的设计 4 2 脉宽调制 PWM 整流技术原理 在采样控制理论中有一个重要的结论 :冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。 冲量即指窄脉冲的面积。 这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。 如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 例如图 21a、 b、 c所示的三个窄脉冲形状不同，其中图 21a为矩形脉冲，图 21b为三角型脉冲，图 弦半波脉冲，但它们的面积 (即冲量 )都等于 1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。 当窄脉冲变为图 21d的单位脉冲函数咨 (t)时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。 图 21形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 上述原理可以称之为面积等效原理，它是 PWM控制技术的重要理论基础。 下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。 把图 弦半波分成 N等份，就可以把正弦半波看 成是由 N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。 这些脉冲宽度相等，都等于等于兀 /N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。 如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不是等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积 (冲量 )相等，就得到图 22所示的脉冲序列。 这就是 PWM波形。 可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。 根据面积等效原理， PWM波形和正弦半波是等效的。 对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到 PWM波形。 像 这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM波形，也称 SPWM(Sinusoidal PWM)波形。 江西理工大学应用科学学院毕业设计 5 图 22用 PWM波代替正弦半波 PWM控制分为单极性 PWM控制和双极性 PWM控制两大类 :在单极性 PWM电路中，输出电压只能在 0到 +V或 0到 — V之间变化，没有极性的交替，而双极性的电路中，输出电压的变化是在 +V到一 V之间变化，变化幅度比单极性大一倍。 单极性开关电压电路与双极性开关电压电路相比，优点是输出谐波分量小，易于滤除。 另外，在采用单片机等数字控制方式时，由于双极性 PWM波控制电路中，同一相上下 两个臂的驱动信号是互补的，为了防止上下两个臂直通而造成短路，在给一个臂施加关断信号后，要延迟一段时间，才给另一个臂施加导通信号。 延迟时间的长短主要由开关器件的开通和关断时间以及单片机的运行速度共同决定。 因此，这必然会带来更多的谐波，对最终的输出正弦波的滤波带来影响。 而在单极性 PWM波的控制电路中，只在半周期结束时，为了防止直通而需要一定的延迟时间，这种影响就小得多，更利于输出正弦波的滤波。 SPWM 的原理 SPWM 的概念在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。 当正弦值为最大值时，脉冲的 宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调制。 SPWM 脉冲系列中，各脉冲的宽度以及相互间的间隔宽度是由正弦波 (基准波或调制波 )和等腰三角波 (载波 )的交点来决定的。 具体方法如后所述。 曾俊华：基于单片机控制的三相数字中频电源的设计 6 单极性 SPWM 法 (1)调制波和载波：曲线 ① 是正弦调制波，其周期决定于需要的调频比kf，振幅值决定于 ku,曲线 ② 是采用等腰三角波的载波，其周期决定于载波频率，振幅不变，等于 ku=1时正弦调制波的振 幅值，每半周期内所有三角波的极性均相同 (即单极性 )。 调制波和载波的交点，决定了 SPWM脉冲系列的宽度和脉冲音的间隔宽度，每半周期内的脉冲系列也是单极性的。 (2)单极性调制的工作特点：每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时通时断地工作，另一个完全截止；而在另半个周期内，两个器件的工况正好相反，流经负载 ZL的便是正、负交替的交变电流。 双极性 SPWM 法 (1)调制波和载波： 调制波仍为正弦波，其周期决定于 kf，振幅决定于 ku,中曲线 ① ，载波为双极性的等腰三角波，其周期 决定于载波频率，振幅不变，与 ku=1 时正弦波的振幅值相等。 调制波与载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列也是双极性的，但是，由相电压合成为线电压 (uab=uaub。 ubc=ubuc。 uca=ucua)时，所得到的线电压脉冲系列却是单极性的。 (2)双极性调制的工作特点：逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，毫不停息，而流过负载 ZL 的是按线电压规律变化的交变电流。 实施 SPWM 的基本要求 (1)必须实时地计算调制波 (正弦波 )和载波 (三角波 )的所有交点的时间坐标，根据计算结果，有序地向逆变桥中各逆变器件发出 “通 ”和 “断 ”的动作指令。 (2)调节频率时，一方面，调制波与载波的周期要同时改变 (改变的规律本文不作介绍 )；另一方面，调制波的振幅要随频率而变，而载波的振幅则不变，所以，每次调节后，所胶点的时间坐标都 必须重新计算。 要满足上述要求，只有在计算机技术取得长足进步的 20 世纪 80 年代才有可能，同时，又由于大规模集成电路的飞速发展，迄今，已经有能够产生满足要求的 SPWM 波形的专用集成电路了。 江西理工大学应用科学学院毕业设计 7 3 元器件介绍 AT89C51 单片机简介 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。 该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS51 指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能 8 位 CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL的 AT89C51 是一种高效微控制器， AT89C2051 是它的一种精简版本。 AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 管脚说明 AT89C51 单片机引脚如图 31 图 31 AT89C51单片机引脚图 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口： P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。 当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。 在 FIASH 编程时， P0 口作为 原码输入口，当 FIASH 进行校验时， P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。 在 FLASH编程和校验时， P1 口作为第八位地址接收。 P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收，曾俊华：基于单片机控制的三相数字中频电源的设计 8 输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写 “1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因 此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。 这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2 口输出地址的高八位。 在给出地址 “1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口： P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL门电流。 当 P3 口写入 “1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。 作为输入，由于外部下拉为低电 平， P3 口将输出电流（ ILL）这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 RXD（串行输入口） TXD（串行输出口） /INT0（外部中断 0） /INT1（外部中断 1） T0（记时器 0 外部输入） T1（记时器 1 外部输入） /WR（外部数据存储器写选通） /RD（外部数据存储器读选通） P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。 当振荡器复位器 件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。 在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。 在平时， ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。 因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。 然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。 此时， ALE 只有在执行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。 另外，该引脚被略微拉高。 如果微处理器在 外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。 在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 /PSEN 有效。 但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN 信号将不出现。 /EA/VPP：当 /EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。 注意加密方式 1 时， /EA 将内部锁定为 RESET；当 /EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。 在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V编程电源（ VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器 的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 主要特性 与 MCS51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命： 1000 写 /擦循环 数据保留时间： 10 年 全静态工作： 0Hz24Hz 江西理工大学应用科学学院毕业设计 9 三级程序存储器锁定 128*8 位内部 RAM 32可编程 I/O 线 两个 16位定时器 /计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 振荡器特性 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。 该反向放大器可以配置为片内振荡器。 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。 如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2应不接。 有 余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 芯片擦除 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。 在芯片擦操作中，代码阵列全被写。