基于单片机的变频电源控制器设计(编辑修改稿)

基于单片机的变频电源控制器设计(编辑修改稿)内容摘要：

s i onS i z eBD a t e : 4 J un 201 0 S h e e t o f F i l e : D : \ P R O G R A M F I L E S \ P R O T E L 99 S E 汉化版 \ E X A M P L E S \ M yD e s i gn bD r a w n B y : C3 D1LT V T 2 D2 D3+E UoN1N 2 2 D4V T 1 N 2 1 C1Uo C2Uo++AB 图 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，因天津大学网络教育学院本科生毕业设计（论文） 8 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。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e vi s i onS i z eBD a t e : 4 J un 201 0 S h e e t o f F i l e : D : \ P R O G R A M F I L E S \ P R O T E L 99 S E 汉化版 \ E X A M P L E S \ M yD e s i gn bD r a w n B y : C3 D4LT V T 2 D3 D5UoN1N 2 2 D6V T 1 N 2 1UoUo D1V T 2 D2V T 1 +E C3UoUo 图 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。 天津大学网络教育学院本科生毕业设计（论文） 9 第三章 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 Dc—Ac 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。 控制部分可通 STC 单片机控制电压和频率的改变。 变换电路选择 为了提高通用性，系统选用 AC—DC—AC变换电路． DC—AC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。 主电路设计 电源系统的主电路结构如图 31所示． 图 31 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，天津大学网络教育学院本科生毕业设计（论文） 10 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。 Sl～ s4组成逆变器。 S1～ s4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， s s4和 s 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。 电路中采用零电流开关模式。 其开关损耗极小， du／ dt及 di／ dt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。 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 HEF475 SLE45 SA82 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、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 )的选择取决于所天津大学网络教育学院本科生毕业设计（论文） 11 使用的功率开关管器件，其设定公式为：  1nC LKC A R R 2512  ff (31) 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：   3842 mC A R RR A N C E  ff (32) 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：    5 1 263 f C A R RP D YP D Y  nt (33) 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：    5 1 21 2 7 f C A R RP D YP D T  nt (34) 式中 nPDT的值由一个 7位脉冲取消字 PDT决定．调制波频率计算式为：   65 536P D FR A N EP O W R E nff  (35) 式中 nPFS为 16位控制字 PFS的取值．调制波幅值计算式为：   2 5 51 0 0AP O W E R  nA (36) nA是 RAMP、 YAMP、 BAMP各自对应的取值，其范围为 0～ 255． 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 AD0～ AD7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 32． P007 P1 P2 AD07 RS RD MUX ALE WR CS STC SA4828 VDD 天津大学网络教育学院本科生毕业设计（论文） 12 图 32 接口示意图 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。 正常工作时 ，根据需要对 SA4828的控制数据进行修改，实现系统。