马志凯

本科毕业设计 题目：工业用三相正弦波变频电源设计 院 （系）： 电子信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 070407 学 生： 马志凯 学 号： 070407115 指导教师： 王 琪 2011年 06月 工业用三相正弦波变频电源设计 摘要 本文设计了一个三相正弦波变频电源系统。该系统利用XC164单片机, 采用SPWM变频控制技术，将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出，电源输出波形近似于正弦波，实现了三相正弦波变频输出。本系统同时采用电压反馈电路和电流反馈电路，分别将输出电压和电流反馈至XC164单片机，然后该单片机利用其内部的模数转换器对反馈电压和电流进行A/D转换，同时单片机根据计算出的电压有效值对输出电压进行宏观PID控制，以实现稳幅，使其输出线电压有效值为36 V，最大输出电流有效值达3 A。同时采用了实时电压跟踪SPWM技术,使单片机在变频电源系统中得到了有效的应用，该系统还具有良好的稳压性能和很小的波形失真,并且能够进行自检测、过流、过压、过热和短路保护等功能。 关键字：正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制；PID； A/D转换；变频电源 Sinusoidal Three-phase Inverter Power Design for industry Abstract In this paper, we desingned a Sinusoidal Three-phase Inverter Power. The system user XC164 microcontroller, using SPWM inverter control technology, reverse DC voltage into a voltage, variable frequency AC output waveform similar to sine wave power output to achieve the three-phase sine wave output inverter. The system use the voltage feedback electric circuit and the current feedback electric circuit simultaneously, the distinction the output voltage and the current feedback to the XC164 monolithic integrated circuit, then this monolithic integrated circuit will use its internal modulus switch carries on A/D to the feedback voltage and the electric current to transform, simultaneously the monolithic integrated circuit basis will calculate the voltage effective value will carry on the macroscopic PID control to the output voltage, will realize steady. so that the output line voltage RMS to 36V, the maximum effective value of output current 3A. System, the regulator also has a good performance and very small waveform distortion, and to carry out self-inspection, over-current over voltage, overheating and short circuit protection. Keyword: sinusoidal pulse width modulation; PID control; transformation; frequency-variable power supplier 目 录 TOC \o "1-3" \h \z \u 摘要 I Abstract II 1绪论 1 1.1前言 1 1.2题目背景及研究意义 1 1.3国内外相关研究情况 1 1.4研究的主要内容 2 2系统设计 3 2.1变频器的选取 4 2.2逆变电路供电变压器的选取 4 2.3 给单片机及其外围电路供电的变压器的选取 5 2.4 LC滤波电路参数的选取 5 2.5正弦波的生产方法 6 2.6 PID控制技术 7 3系统硬件设计 10 3.1 XC164单片机简介 10 3.2 主电路 11 3.3 滤波电路的设计 13 3.4 XC164单片机及自动复位电路 14 3.5反馈电路 15 3.51电压反馈电路 15 3.5.2 电流反馈电路 15 3.6 键盘电路 17 3.7 显示电路 18 3.8 供电电路 18 3.8.1 单片机供电电路 18 3.8.2 MC7805和MC7905稳压器供电电路 19 4 PCB绘制 20 4.1 PCB电路板制作 20 4.2 PCB板的布局 20 4.3 PCB的布线 21 4.4 PCB的设计 21 5系统软件设计 22 5.1 软件开发环境 22 5.1.1 单片机编程开发语言 22 5.1.2 Keil C编辑器 22 5.2主程序设计 23 5.3中断程序 24 5.4 SPWM的编程实现 26 5.5 输出电压和电流有效值的计算 28 5.6 PID控制 30 6结论 32 参考文献 35 致谢 36 毕业设计（论文）知识产权声明 37 毕业设计（论文）独创性声明 38 附录 39 1绪论 1.1前言 近来,变频电源在各行各业的应用日益广泛。变频器电源主要用于交流电机的变频调速，其在电气传动系统中占据的地位日趋重要，已获得巨大的节能效果。由于世界各国电网指标不统一，生产出口产品都需要电网模拟不同国家的电网状况，并保证稳定性。过去采用调压器调压，稳压器稳压，发电机进行二次变频，耗电量大，躁声大，稳定性差，逐渐被变频电源所代替，所以市场上需求输出电压，频率无级数字可调，波形稳定纯净的电源。本文是设计一个新型工业用缝纫机三相正弦波变频电源，用以实现缝纫机的无级调速。该产品的设计是根据市场的需求而确定的，可填补该产品市场的空白，满足国内制衣业的急需。 1.2题目背景及研究意义 变频电源主要用于交流电机的变频调速，由于它的节能效果与简便的操控，如今在电气系统中占据的地位越来越重要，本题目是设计一个新型工业用缝纫机三相正弦波变频电源，用以实现缝纫机的无级调速。该产品的设计是根据市场的需求而确定的，可填补该产品市场的空白，满足国内制衣业的急需。现代电源技术是应用电力电子半导体器件，综合自动控制、计算机技术、和电磁技术的多学科边缘交叉技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用，是现代电力电子技术的具体应用。变频电源是运动控制系统中的功率变换器，在交流调速技术中变频调速具有绝对的优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，故而变频电源在未来的工业中具有良好的发展趋势。 1.3国内外相关研究情况 由于我国市电频率固定为50 Hz，因而对于一些要求频率大于或小于50 Hz的应用场合，则必须设计一个能改变频率的变频电源系统。目前最常用的是三相正弦波变频电源。工业用电由六十年代的整流器时代发展到七十年代的逆变器时代到八十年代的变频器时代，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展 将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，从而推动了变频电源技术的发展。驱动的交流变化，功率变换的高频化，控制的数字化，智能化和网络化是总的发展趋势。因此，变频电源作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源得到迅猛发展。随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频电源的性价比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地提高可靠性实现变频电源的进一步小型量化，高性能化和多功能化以及无公害化而做新的努力。 1.4研究的主要内容 本文采用德国Infineon公司生产的XC164单片机作为核心控制模块，利用单片机生成的SPWM脉冲经过逆变电路的驱动电路（核心器件为IR2136），加在由MOS管构成的逆变驱动电路上，再对逆变电路的输出信号进行LC低通滤波，从而产生合乎要求的正弦波。本文把单片机的智能化和控制技术与开关电源的高效率相结合，设计出一款高性能的三相正弦波变频稳压电源。该变频电源可利用反馈电压对输出电压每个周期内采样20个点，据此计算出输出线电压有效值，对其进行PID控制，以实现良好的稳幅特性。 同时通过电流传感器对电流每个周期内采样20个点，并反馈到控制模块，以计算出电流的有效值从而对其进行监控，以实现过流保护、负载缺相保护和负载不对称保护，使该变频电源更加安全可靠。另外，该变频电源还具有液晶显示功能，可以显示输出正弦波的频率、电压、电流和功率，使其操作简单方便。 该变频电源的输出频率范围为20Hz～100Hz的三相对称交流电，各相电压有效值之差小于0.5V； 输出电压波形接近正弦波，用示波器观察无明显失真；当输入电压为198V～242V，且负载电流有效值为0.5A～3A时，输出线电压有效值应保持在36V，误差的绝对值小于5%；具有过流保护(输出电流有效值达3.6A时动作)、负载缺相保护及负载不对称保护(三相电流中任意两相电流之差大于0.5A时动作)功能，保护时自动切断输入交流电源。 本人在该课题中所承担的任务主要是完成系统的硬件部分设计，对本系统同时采用电压反馈电路和电流反馈电路，分别将输出电压和电流反馈至XC164单片机，然后该单片机利用其内部的模数转换器对反馈电压和电流进行A/D转换，再根据转换的数字量结果计算出电压、电流的有效值以及功率，连同输出频率一并显示;同时单片机根据计算出的电压有效值对输出电压进行宏观PID控制，以实现稳幅。实现电压、电流、频率和功率的LCD显示；对输出电压进行PID控制；以及根据输出电流实现过流保护、负载缺相保护及负载不对称保护。 2系统设计方案 本论文采用交—直—交变频技术，首先将220V，50Hz交流电通过隔离变压器变压后再整流滤波，形成90V左右的直流电压，然后再由单片机产生三相SPWM波，经驱动放大后加到由MOS构成的逆变电路上，将直流电转化为36V的正弦波交流电。该变频电源系统的开关，输出频率的增减可通过与单片机相连的键盘控制。同时，为了输出波形的稳定、安全，并且显示输出频率、电压、电流和功率，本系统同时采用电压反馈电路和电流反馈电路，分别将输出电压和电流反馈至XC164单片机，然后该单片机利用其内部的模数转换器对反馈电压和电流进行A/D转换，再根据转换的数字量结果计算出电压、电流的有效值以及功率，连同输出频率一并显示；同时单片机根据计算出的电压有效值对输出电压进行宏观PID控制，以实现稳幅。 其系统原理框图如图2.1所示： 图2.1系统原理 2.1变频器的选取 变频器是一种静止的频率变换器，可将恒定频率的电网电源变成频率可调的交流电，为各种电动机提供合适的电源装置。变频器的种类很多，按调制方式分有交—交变频器(又叫直接变频)和交—直—交变频器(又叫间接变频)。交—交变频器就是把交流电直接变成另一种频率的交流电，包括环流方式、无环流方式和环流可控方式。交—直—交变频器就是将恒定的50Hz电网电源交流电，通过整流滤波变成直流电，再经过逆变器变成频率可调的交流电。交—交变频器没有中间环节，所以变换效率高，但连续可调频率的范围较窄；交—直—交变频器连续可调频率的范围较宽，而且电路简单，考虑到所设计的变频电源的功率不是很大，因此本文采用交—直—交变频器。 根据变频电源性质，交—直—交变频器又可分为电流型逆变器和电压型逆变器。直流环节的储能元件是电感线圈的逆变器为电流型逆变电路。它抗电流冲击能力强，能有效抑制电流突变，延缓故障电流上升速率，过电流保护容易。但是该电路中用来滤波的大电感重量、体积都很大，因此使用不方便，而且成本高。直流环节的储能元件是电容器的逆变器为电压型逆变电路。它内阻小，驱动能力强，能将负载电压钳在电源电压水平上，浪涌过电压低，输出电压稳定，适合变频稳压电源，使用方便，成本低，所以本系统中采用电压型逆变器。 2.2逆变电路供电变压器的选取 首先，我们需要确定变压器的额定功率。本课题要求负载为星型连接，输出线电压有效值 根据电路理论的知识： 相电压有效值： （2.1） 则最大负载功率为： （2.2） 根据，将系统总效率取为 所需变压器功率为： （2.3） 也就是说，给逆变电路供电的变压器的功率应该大于258.9W，因此选取额定功率为300W的变压器。 下面我们需要确定变压器的变压比： 要求输出线电压有效值为36V，并且考虑到其它因素（如系统的总效率，占空比的调节等因素），我们将交—直—交变频器中的直流环节的电压定为90V。而直流电压是由220V的交流电经变压器变压，再经过整流滤波得到的，220V的交流电经变压器变压后的电压应为90/1.31=68.7V，所以变压比n=220/68.7=3.2。（其中1.31为整流滤波的经验值，即滤波后的直流电压为整流滤波前交流电压的1.31倍） 最后，选取额定功率为300W，变压比为3.2的变压器 2.3 给单片机及其外围电路供电的变压器的选取 单片机及其外围电路需要+5V的电压供电，另外键盘电路和液晶显示器电路也需要+5V的电压供电，控制继电器需要+15V的电压，电流绝对值电路需要+5V和-5V的电压。因此该变频电源电路需要另外一个小功率的变压器，将220V交流电降到特定范围，然后分别通过稳压器MC7805和MC7905，输出正负5V的电压。至于+15V的电压，可以通过对变压后的交流电直接整流滤波的到。 对于MC7805，当输入直流电压在+5V到+18V之间时，输出电压可稳定在+5V；而对于MC7905，当输入直流电压在-5V到-18V之间时，输出电压可稳定在-5V。因此最终变压比的确定取决于+15V这个条件，即变压后的交流电经整流滤波后转换成的直流电压应为+15V（+15V也满足MC7805和MC7905的输入要求）。 经变压器变压后的交流电有效值为 15V/1.31=11.45V 变压器变压比n=220/11.45=19.2 因为单片机及其外围电路的功耗很小，所以我们不用考虑为其供电的变压器的额定功率，选择变压比为19的变压器即可。 2.4 LC滤波电路参数的选取 逆变器工作在开关模式，通过对其输出电压和电流波形进行傅立叶分析可知，这些波形中除了基波以外，还含有大量的谐波成分，而实际应用中通常只有基波才是有用成分，为了使逆变器的输出谐波对负载的影响可以接受，往往在在逆变器的输出端加LC滤波器。另外，SPWM脉冲产生后须经过LC低通滤波电路后才能得到正弦波。对应与三相SPWM脉冲信号输出，应设计三个一样的LC滤波器。 电解电容具有体积小，容量大的特点，在开关电源中主要用于输入整流滤波及输出滤波，该变频电源的输出LC滤波器中选用的电容即为电解电容。与电容不同，绝大多数大功率电感没有系列化产品，需要定做加工，该LC滤波器中的电感是我们自己制作的三个E-E形电感。 但是，加入LC滤波器后又会带来一些问题。首先必须采取措施来避免LC谐振问题，同时又能满足该系统的滤波要求。 该LC滤波电路采用三相伽玛型滤波器，其中滤波电容中点与地连接，构成低通，以滤除高频载波。为使负载端电压更接近正弦波并且避免谐振，谐振频率 必须要远小于PWM 电压中所含有的最低次谐波频率 ， 同时又要远大于基波频率 。因为输出频率（即基波频率）在20Hz到100Hz之间可以任意变化，为使LC滤波电路谐振频率比较合理，PWM脉冲应取较高的频率值，在该变频电源系统中，PWM脉冲的频率取为10kHz。因此，LC滤波器的谐振频率取值就应该远大于100Hz，并且远小于10kHz。 我们将在后续章节介绍如何通过软件仿真及硬件调试最终确定LC滤波电路的参数。 2.5正弦波的生产方法 正弦波的生成有很多种方法，比如，采用多重叠加法产生阶梯波来逼近正弦波脉冲。这种方法是把逆变器通过变压器实现串并联，使其输出方波错开一定相位角，然后再把这些方波叠加起来形成接近于正弦波的阶梯波输出。 通过控制这些方波错开的相位角，来实现消除某些低次谐波的目的。虽然该方法能得到不错的波形，但是，它需使用多个逆变器而且不具备调压功能，因此该方案经济性差，而且不能满足本课题对电压幅值的要求。 本论文最终采用正弦脉宽调制（SPWM）技术，它以三角波为载波，因为等腰三角形上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波形相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM 波形。通过使用三相正弦波对其调制，以控制生成脉冲序列的占空比，从而生成脉宽随正弦波变化的SPWM脉冲，在逆变器输出端再对该脉冲序列进行滤波便可得到所需的正弦波。由于这种调制方法采用了开关电路原理，所以效率比普通电路高，并且具有电路简单、波形失真度小、可同时进行调频和稳压的优点。 脉宽调制（PWM）技术是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需要的电压或电流信号。它是利用三角波电压与参考电压相比较，一旦三角波电压和参考电压相比配，输出电平翻转，否则输出电平保持不变，这样就确定了各分段矩形脉冲的宽度。 从脉宽调制的极性看，PWM波又可分为单极性和双极性控制模式两种。由于单极性的PWM脉冲信号还要与特定的倒相信号相乘才能得到正负半波对称的PWM脉冲信号，与单极性模式相比，尽管双极性PWM脉冲信号输出电压量较多，但其电路简单且易于单片机编程，因此本文采用双极性的PWM。 采用对称的三相正弦波电源供电，有利于减小谐波影响，因此，PWM的参考电压一般为正弦波，参考电压为正弦波的PWM即为SPWM。其具体方法如下： 正弦波脉宽调制技术就是利用三角波电压（载波）和正弦波（调制波）相比较，以确定个分段矩形脉冲的宽度，使输出矩形脉冲逼近正弦波。为了得到三相SPWM脉冲，需要用三个相位两两相差120°的正弦波同时调制一个三角波。 图2.2三相SPWM产生示意图 在该变频电源系统中，SPWM脉冲是由单片机产生的，SPWM信号要求脉宽按正弦规律变化，因此每一个PWM周期脉宽都要改变，由单片机产生SPWM波就是在初始化时将PWM周期值设定，然后用定时器定时，每个周期产生一次中断，来调整脉宽，从而得到脉宽不断变化的SPWM脉冲。载波周期中点与正弦波（调制波）的交点所作的水平线与三角波（载波）的交点确定脉冲宽度。 所谓SPWM正弦脉宽调制法是调制波为正弦波载波为三角波或锯齿波的一种脉宽调制法。它原理简单,控制和调节性能好,具有消除谐波、调节和稳定输出电压等多种作用,是一种较好的波形改善法。电源的稳定关键是SPWM波形产生的稳定性。现在通用的SPWM实现方法是，通过用单片机查正弦函数得到SPWM波形；本文把单片机的智能化和控制技术与开关电源的高效率相结合，设计出一款高性能的三相正弦波变频稳压电源。 2.6 PID控制技术 PID控制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的，在PID控制中，比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。积分控制的作用是，只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。 PID控制是一种比较成熟的控制理论，它通过比例、积分、微分三部分的合理组合可以用比较简单的方法获得令人满意的控制效果。 图2.3 PID数学模型 给定值 与实际值 构成控制误差： （2.4） PID控制器根据 将误差的比例(P)、积分(I)、和微分(D)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制，其控制规律如式(2.5)所示： (2.5) ―控制器输出函数； ―控制器误差函数； ―比例系数； ―积分时间常数； ―微分时间常数。PID控制算法又分为位置型和增量型两种，分别如下面式（2.6）、式（2.7）所示： （2.6） （2.7） 式中， 为第n次采样时刻计算机的输出； 为第n次采样时刻计算机输出的增量； 为第n次采样时刻的偏差信号； 为采样周期； 为调节器的比例增益； 为调节器的积分时间； 为调节器的微分时间。 由上面两式可知，数字PID控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。由于偏差信号 是由测量环节输出的测量信号 和设定值 相比较后采样而得到的 ，而测量信号中总是存在一些干扰、噪声或者畸变，这些因素都影响上述控制算法的精度，从而使整个控制系统的性能下降。但是，利用数字滤波和动态补偿技术能够有效地对偏差信号（测量信号）中的干扰、噪声进行滤波或者对其畸变进行动态补偿，从而提高数字PID控制算式的精度，改进控制系统的性能。 本设计用的是增量式PID控制算法： 增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量 。 采用增量式算法时，计算机输出的控制量 对应的是本次执行机构位置的增量，而不是对应执行机构的实际位置，因此要求执行机构必须具有对控制量增量的累积功能，才能完成对被控对象的控制操作。执行机构的累积功能可以采用硬件的方法实现；也可以采用软件来实现，如利用算式 程序化来完成。 由式（2.5）可得增量式PID控制算式 （2.8） 式中 进一步可以改写成 （2.9） 式中 、 、 一般计算机控制系统的采样周期T在选定后就不再改变，所以，一旦确定了 、 、 ，只要使用前后3次测量的偏差值即可由式（2.8）或式（2.9）求出控制增量。 增量式算法优点：①算式中不需要累加。控制增量 的确定仅与最近3次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果；②计算机每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时影响范围小、不会严重影响生产过程；③手动—自动切换时冲击小。当控制从手动向自动切换时，可以作到无扰动切换。 3系统硬件设计 3.1 XC164单片机简介 本论文中的单片机选用了德国Infineon公司生产的XC164单片机。它属于Infineon XC166系列的单片机，是Infineon16位单片机的第四代产品。该系列的单片机是为了适应实时嵌入式应用的高性能要求所设计的。整个系统的结构根据高速指令输出与对外部激励的快速响应进行了最优化的设计。为了最大程度的减小CPU中断的需要，它把外围智能子系统结合成一个整体，这样同时也使外部总线接口的通信需求减到最小。XC164型单片机的功率管理机理有效地控制了单片机在特定状态下的能耗，使单片机工作时的能耗达到最小。它的MAC单元具有数字信号处理功能，使其具有处理数字滤波算法的能力，并且极大地减小了乘法和除法运算的执行时间。 作为该变频电源系统核心控制模块的XC164单片机控制着SPWM脉冲的生成，LCD的显示，变频电源的输出频率，输出电压的稳幅以及电路的保护，可以说是整个变频电源系统的心脏。该变频电源系统的软件设计——单片机编程的任务是在实现硬件平台正常工作的基础上，设计相应的控制软件，完成SPWM脉冲的生成、对输出电压的PID控制、输出电压和电流检测、液晶显示、按键控制，过流保护负载不对称或缺相保护等功能。 XC164单片机具有128KB的闪存，6KB的内存，14个模拟输入通道，6个串行接口，可以实现信号的采集、处理、控制和显示功能，并且内部含有AD转换器，灵活性好，外围设备简单，可以在线编程，易于调试，执行速度快、存储容量大。在该变频电源系统的单片机编程中，用到最多的是XC164中CAPCOM6（Capture/Compare Unit6）单元。CAPCOM6由T12计时器模块和T13计时器模块组成，由于本文只用到T12计数器，因此这里只对T12进行介绍。 T12计时器有三个捕获/比较通道，它们可以独立的产生PWM信号或者接受捕获触发，也可以共同产生控制信号模式，以驱动交流电动机或逆变器。当CAPCOM6处于比较模式时，T12计时器模块主要是用来产生三相PWM脉冲的。一个16位的计数器通过比较器与三个通道寄存器相连，当计数器计数值与通道寄存器的值相匹配时，就产生一个信号。T12计时器通过可编程比例因子从模块时钟 获得其输入时钟 。它可以向上或向下计数，其计数方向用一个方向标志——CDIR来表示。通过比较器还和周期寄存器T12PR相连，T12PR决定了T12的最大计数值。当选择边缘对齐模式时，T12计数到最大值后被重新赋0；当选择中心对齐模式时，T12计数到最大值后计数方向变为向下计数。可以通过软件 控制T12的工作状态：对T12RS赋1，T12R置1，T12开始计数；对T12RR赋1，T12R清零，T12停止计数。 对单相信号来说，一个通道会产生高电平（当T12计数值大于比较值时）和低电平（当T12计数值小于比较值时）。然而在实际操作中，开关电源的开关特性关于开关时间往往是不对称的。当电源的开启时间小于关闭时间时，逆变器的上下桥将短路，产生的巨大电流可能损坏整个系统。为避免这种情况的发生，必须建立死区时间。CAPCOM6内包含一个可编程的死区控制模块，可以通过对其控制以延迟开关信号由低电平向高电平转变的时间，从而避免逆变器上下桥“直通”。 运用软件对单片机内部寄存器进行相应的设置可以得到三相SPWM脉冲。在单片机内部，通过查表的方式来得到正弦信号的幅值，该幅值乘以调制度后与CAPCOM6-T12的计数值相比较，若匹配则输出端产生跳变，否则输出端保持原电平，这样在输出端便产生SPWM脉冲。为得到三相SPWM脉冲， 可设置三个不同的指针，每相邻的两个指针间距为正弦表长度的1/3（即相差120°），并且三个指针同步变化，这样，每一个指针对应一路SPWM脉冲。当三个指针同时采样时，便产生了相位相差120°三相SPWM脉冲。 XC164单片机内部还包含一个具有10位或8位精度的A/D转换器以及一个采样/保持电路。（本文的A/D转换模式选为增强模式，对应10位的模数转换精度。）A/D转换器相当于一个容性网络，采用逐次逼近的方式进行模数转换，其工作过程分为三个阶段： （1）在采样阶段，该容性网络与选定的输入通道相连，通过电容的充放电来逼近输入信号的电压。 （2）在转换阶段，该容性网络与选定的输入通道断开，在逐次逼近过程中，通过参考电压进行充放电。 （3）转换器根据网络外部环境（如温度）的变化进行校准，并将结果送入结果寄存器，同时产生一个中断。 3.2 主电路 主电路包括一个由单片机控制的继电器、整流电桥、滤波电容、逆变电路和逆变电路的驱动电路。主电路的输入电压为经过隔离变压器变压后的交流电。单片机产生的SPWM脉冲信号送入逆变电路的驱动电路（主要器件为IR2136），以得到足够驱动逆变电路的信号，再将该信号送入逆变电路进行放大，就产生了所需的三相SPWM脉冲信号。SPWM脉冲信号再分别通过三相LC滤波网络，就得到了我们所需要的三相正弦波。主电路如图3.1及3.2所示，其中图3.1中大滤波电容器右边的电路为整流电路，左边的电路为逆变电路；图3.2为逆变电路的驱动电路。 图3.1 逆变电路与整流滤波电路 其中，LU和CU，LV和CV，LW和CW之间接三相LC滤波器，由于电感体积较大，无法在PCB板上放置，所以滤波器独立于PCB主电路板之外。 图3.2逆变电路的驱动电路 其中，IR2136芯片是高压、高速的MOSFET和IGBT功率管的驱动器。它有三个能输出高低电平的通道，三通道同时工作，可以驱动其后的逆变电路，产生三相SPWM脉冲。 3.3 滤波电路的设计 当逆变器的输出不加滤波电路时，其输出波形只是SPWM 调制波，其中既包含基波频率，又包含了高于基波频率的谐波，为了削减高次谐波，就需要设置输出滤波器。在本系统中选用了典型的LC 滤波器，它是一种低通滤波器，能充分抑制高频成分通过，使低频成分畅通。 图3.3 LC 滤波电路 ， 随频率升高而升高； ， 随频率升高而降低。 所对应的频率为截止频率 ， 与 、 关系如下： , ， （3.1） 本系统中逆变器输出电压基波频率 为55Hz，最低次谐波频率 为20kHz，设截止频率 为2kHz。可以看出 ，则 ，此时对基波信号的阻力很小，允许基波信号畅通；又 ，则 ，此时 对最低次谐波的阻力很大，因此滤波器不允许最低次谐波信号通过，更不允许高于最低次谐波次数的信号通过。因此当我们将LC 振荡电路的振荡频率设计为 时就能有效的滤除高次谐波。现在计算L、C 的值： 令 为特性阻抗, 则 （3.2） 因为 ,所以得： 综合以上几式得： （3.3） 由上式可知，主要知道 、 的值，便可计算出 、 。 1) 特性阻抗 的选择与负载阻抗的关系是： 2) 截止频率 的选择与最低次谐波频率 的关系是： 式中 称为滤波器的衰减系数，它是滤波器的谐波输入电压与谐波输出电压的比值对数。 3.4 XC164单片机及自动复位电路 自动复位电路用于系统的自我保护，核心器件为X5043，其功能包括：上电复位：防止单片机电源稳定前的误操作，提高系统启动可靠性。低电压复位：当供电电压过低时，单片机复位，以防止意想不到的操作。看门狗定时功能：当系统出现问题时，看门狗定时器能帮助系统问题中恢复出来。 单片机及自动复位电路如图3.4所示： 图3.4单片机及自动复位电路 3.5反馈电路 3.51电压反馈电路 为了测量电压以显示电压有效值并保证它的稳定，故在输出端接入电压反馈电路，与单片机相连，由单片机来测量并计算线电压有效值的大小。当电压的大小随电网、外部温度或其它条件的变化而发生改变时，单片机可以利用PI控制对电压进行调整，使电压稳定在36V。 电压反馈电路如图3.5所示： 图3.5电压反馈电路 3.5.2 电流反馈电路 为了实现电流的LCD显示和电路保护，该系统引入电流反馈电路。这部分电路主要包括电流传感器及绝对值电路。电流传感器用于从线电路中采集线电流而不影响原电路的工作。电流传感器采集的电流被送入绝对值电路，绝对值电路的功能在于把双极性的信号转化为单极性的信号，从而方便单片机的处理。对应于该变频电源系统的三相输出，其采用的电流反馈电路也应为三相，并且这三相电路结构完全一样。 单片机得到绝对值电流信号后，通过A/D转换得到其量值。单片机内部对采集到的值进行检测和比较，当发现有下列情况之一时，单片机控制继电器使系统断电： 1、输出电流中任一相或多相有效值超过3.6A。 2、三相负载中有缺相。 3、三相电流中任意两相电流之差大于0.5A。 其中，绝对值电路的工作原理很容易理解：绝对值电路对三相电流的作用完全一样，因此我们可以只讨论其中一相即可。 根据模拟电路中的放大器“虚断”原理，从IU端流入的电流全部经过电阻R81，将电流值转换为电压值。 下面我们分两种情况讨论： 首先我们假设电流为I mA（I﹥0），即流入电流为正，则加在第一级放大器“－”端的电压 为2I V，第一级放大器输出为负，二极管D11导通，D13截止，放大器正常工作，其输出电压 可由公式： （3.4） 得到。按照线性叠加原理，我们把第二级放大器的输出 看作是 和 分别作用的结果之和，即： （3.5） 由此得 ，即当流入电流为正时，经过绝对值电路的电流大小、符号都不变。 然后，我们假设电流为－I mA（I﹥0），即流入电流为负，则加在第一级放大器“－”端的电压 为－2I V，第一级放大器输出为正，二极管D13导通，D11截止，第一级放大器输出电压 为0。此时，加在第二级放大器“－”端的电压只有 ，第二级放大器输出 可用下式求出： （3.5） 由此得 ，即当流入电流为负时，经过该绝对值电路，电流的大小不变，符号取反。 综合上述两种情况，该绝对值电路的功能在于把双极性的信号转化为单极性的信号，并保持幅值不变。 电流传感器电路如图3.6所示，电流绝对值转化电路如图3.7所示： 图3.6电流传感器电路图 图3.7电流绝对值转化电路 3.6 键盘电路 该变频电源的变频功能及开关应由控制键盘来完成。键盘设置三个键：上行键、下行键和运行键，接入单片机。按上行键时，单片机控制使交流电频率增大；按下行键时，单片机控制使交流电频率减小；运行键用来控制单片机的运行和停止。键盘电路也和单片机的P3端口相连，但与显示电路和JTAG电路的IO接口并没有共用。由于单片机输入低电平有效，所以按键时相应输入为低电平。 键盘电路如图3.8所示： 图3.8 键盘电路 3.7 显示电路 为了便于操作，该变频电源应具有显示器。为此，我们还设计了显示电路，以显示输出电压和电流的有效值，以及输出频率、功率。由于频率受单片机控制，我们可以轻松地知道输出正弦波的频率，同时，由于有电压和电流反馈到单片机，就可测量并计算出输出线电压和电流的有效值，由线电压有效值和电流有效值又可以算出输出功率。在单片机的P3端口上接入4×20的液晶显示器，就可以在液晶显示器上显示电压、电流、频率和功率。 显示电路如图3.9所示： 图3.9显示器接口电路 3.8 供电电路 3.8.1 单片机供电电路 该电路中KA431是一个具有良好性能的三端稳压电路，其外形与三极管一样。其工作过程可以定性地描述如下：当某种原因（如环境温度）的变化使稳压电路的输出电压增大（减小）时，KA431的参考端电压也随之增大（减小），流过其中的电流相应减小（增大），三极管8050集电极与发射极间的电压 增大（减小），而KA431稳压电路的输出电压减小（增大），输出电压随之下降（上升），使输出电压始终稳定在2.5V。 单片机供电电路如图3.10所示： 图3.10单片机供电电路 3.8.2 MC7805和MC7905稳压器供电电路 由以上电路可以看出，单片机及其外围电路需要+5V的电压供电，另外键盘电路和液晶显示器电路也需要+5V的电压供电，控制继电器需要+15V的电压，电流绝对值电路需要+5V和-5V的电压。因此该变频电源电路需要220V交流电降到特定范围，然后分别通过稳压器MC7805和MC7905，输出正负5V的电压。至于+15V的电压，可以通过对变压后的交流电直接整流滤波的到。 稳压电路如图3.11所示： 图3.11稳压器供电电路 4 PCB绘制 4.1 PCB电路板制作 随着电子技术的飞速发展和新型电子元器件的不断涌现，现代电子电路已经变得越来越复杂。而另一方面，微型计算机技术的迅速发展，为我们提供了一个进行电路辅助设计的完美平台。 本设计所使用的Protel99SE软件是一个功能强大的电路CAD软件.。Protel99SE被设计成为一个客户/服务器应用程序。它包含有数目众多的服务器程序，如原理图设计服务器，网络表生成服务器，电路仿真服务器，PCB设计服务器和自动布线服务器等等。设计者可以运行各种服务器程序组件，而且，Protel99SE有很强的兼容性，不论是Protel99SE本身的组件，还是来自第三方的设计组件，都可以很容易的嵌入到Protel99SE中,以增强其功能。 Protel99SE的客户程序还提供给设计者一些基本的使用资源、如菜单、快捷键、工具栏、状态栏、工具管理器等，设计者对这些资源可以自由定义，建立便于自己使用的菜单、快捷键、工具栏等。 Protel99SE强大的功能，可使设计者随心所欲的设计各种电子电路，是一个非常实用,好用的CAD软件。 印刷电路板是整个音量均衡控制系统、信号线、电源线的高密度集合体，印刷电路板设计的好坏对抗干扰能力影响很大，故印刷电路板设计决不单是器件，线路的简单布局安排,还必须符合抗干扰的设计原则。 4.2 PCB板的布局 本文的电路设计不是很复杂，作者采用手工布局。手工布局的优点是显而易见的：设计者可以完全按照电路工作的实际要求，来进行元件的布局，所生成的元件布局可以符合实际应用要求，也利于后面的布线操作。同时，对于一个有着特殊要求的电路来讲，手工布局将极大的体现出设计者的奇妙构想和灵魂。元件布局首先要考虑PCB尺寸大小。 PCB尺寸过大时，印制线条长、阻抗增大、抗干扰能力下降、成本也增加；PCB尺寸过小，则散热不好、且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后，再确定特殊元件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。 a、在确定特殊元件的位置时要遵守以下原则： （1）尽可能缩短高频元器件之间的连线,减少它们的分布参数和相互之间的 电磁干扰.易受干扰的元器件不能相互挨的太近,输入和输出元件尽量远离。 （2）一些元器件或导线之间可能有较高的电位差,应加大它们之间的距离, 以避免放电引出的短路。 b、根据电路功能单元,对电路的全部元器件进行布局时,要符合以下原则： （1）按电路的流程安排各个功能电路单元的位置,使布局便于信号流通,并使信号尽可能保持一致方向。 （2）以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它进行布局,元器件应均匀,整齐,紧凑的排列在PCB上。尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。布局的过程中,应尽量将相关连的元器件就近放置,以减短走线的长度；时钟电路、晶振、电容应紧贴相接的芯片，这样有利于抗干扰，提高电路工作的可靠性。 （3）位于电路板边缘的元器件。与电路板边缘一般不小于2mm.电路板的最佳形状为矩形。 4.3 PCB的布线 布线是重要的抗干扰措施，应遵守以下原则： （1）输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行，最好加线间地线,以免发生反馈耦合。 （2）印刷板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。对于集成电路，尤其数字电路，通常选用0.02~0.3mm导线宽度，当然，只要允许，还是尽可能用宽线。尤其是电源线和地线,电源线和地线应接成树状,尽量加粗,使它能通过三倍于印刷板上的允许电流.如有可能,接地线应在2~3mm以上。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路，其间距最小可为0.5mm。 （3）印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电 气性能。此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受热时,易发生铜箔膨胀或脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格状。这样有利于排除铜箔与基板粘合剂受热产生的挥发性气体。 （4）数字地与模拟地分开。若线路板上即有逻辑电路又有线性电路，应使它们尽量分开，低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时,可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗。 4.4 PCB的设计 可考虑选择多层PCB(印制电路板)，其中的一层指定100%作地线，另一层指定100%作电源，这种选择能形成良好的退耦电路，并加入了地线的屏蔽效果。然而对于大多数的应用来说，由于成本的因素不允许选用这样的PCB板，通常是选用单层PCB板或双层PCB板，此时地线应该单独地分配到每个模块，用一个信号点把所有的地线返回收集到一起。 5系统软件设计 5.1 软件开发环境 5.1.1 单片机编程开发语言 汇编语言作为一个符号化的机器语言，其代码执行效率高，运行速度快，非常适合于编写实时性要求较高的控制程序。但其开发的工作量大，程序的可读性差。汇编语言比机器语言易于读写、易于调试和修改，同时也具有机器语言执行速度快，占内存空间少等优点，但在编写复杂程序时具有明显的局限性，汇编语言依赖于具体的机型，不能通用，也不能在不同机型之间移植。对于不同型号的计算机，有着不同的结构的汇编语言。相比之下，作为高级语言的c具有可读性强、编程简单和调试方便的特点。C语言是目前非常流行的一种编程语言，除具有高级语言使用方便灵活、数据处理能力强、 编程简单等优点外，还可实现汇编语言的大部分功能，如可直接对硬件进行操作、生成的 目标代码质量较高且执行的速度较快等。所以在工程上对硬件处理速度要求不很高的情况下， 基本可以用C代替汇编语言，编写接口电路的控制软件。与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，易学易用，所以本设计选用C语言作为单片机的开发语言。 5.1.2 Keil C编辑器 本文的XC164单片机的编程是在Keil-Uvision3开发软件环境下进行的。Keil-Uvision3 是美国Software公司推出的单片机C语言软件开发系统。用它生成的目标代码效率非常高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。单片机程序是在Keil-Uvision3软件下调试、编译通过后，通过伟福仿真机烧到XC164单片机里的。标准编译器为单片机微控制器的软件开发提供了语言环境，它可以支持所有的衍生产品，也支持所有兼容的仿真器，同时支持其它第三方开发工具。它的基本特点有: Keil强大的编辑功能。允许在编辑器内调试程序，可以更快速的检查和修改程序;允许在编辑时设置程序断点，当启动调试器后，断点被激活;可以在编辑器中观察其取值。 灵活的工程管理功能。在一个工程中建立多个源文件(包括汇编、C)以及其它文件，并可以随时添加、修改和删除文件，通过对工程的操作完成编译和链接。 高效的代码优化功能。具有通用代码优化、特殊优化、寄存器优化等。利用Keil软件开发的一般步骤： a.根据所选择的器件以及调试方式创建新的任务。 b.创建新的工程，把已编好的源程序、头文件等加入工程中。 c.编译连接工程，进行在线调试。 d.调试完成后，在工程中选择加载类型，重新编译连接，生成可以用于加载的文件。 5.2主程序设计 在程序设计时，为简化程序流程，本文采用了T12中断（控制生成SPWM脉冲）和T3中断（控制反馈电压和电流的A/D转换），将按键状态的判断，输出电压的PI控制，电压、电流有效值的计算，以及过流保护、负载不对称和缺相保护等放在主程序循环中。主程序下分：显示子程序，采样子程序和SPWM子程序，主程序运行时，不断调用这三个子程序。 主程序流程图如图4.1所示： 图5.1 主程序流程图 主程序除了一些初始化设置外，整个处在一个大循环中，判断按键状态从而做出相应的响应。当变频电源处于工作状态时，按下开关键，电源停止工作；按频率增加键，输出频率以1为步长增加；按频率减小键，输出频率以1为步长减小。当电源处于停止状态时，按下开关键，电源开始工作；按频率增加键或频率减小键，系统都不会响应。当电源工作并且A/D转换不工作时，系统不停地计算输出线电压有效值，并对输出电压进行PI控制，以使输出线电压稳定在36V。电源工作时，每隔一段时间计算各相电流的有效值，单片机据此对电路进行过流保护、负载不对称和缺相保护。LCD则根据计算的电压、电流值自动更新显示。 5.3中断程序 图5.2 T12中断服务程序流程图 图5.3 T3中断程序流程图 XC164中的T12计时器按中心对齐方式进行计数，其效果相当于在单片机内部产生了一个三角波，同时，三个正弦指针分别以输出频率从正弦表中读取正弦值，得到的正弦值乘以调制度后赋给寄存器CC60SR，该寄存器与T12计时器相比较，一旦匹配，单片机输出电平翻转，否则保持不变，这样SPWM脉冲就产生了。当程序进入T12中断时，转到T3中断程序，启动A/D转换器，对六路反馈信号进行采集存储，程序由T3返回到T12，对A/D转换后的有效值进行计算,计算电压偏差e（k）,e（k）= ，对e（k）的增量进行PID运算，查正弦表，并利用计算结果修正调制度，将修正结果送入T12寄存器存储，输出SPWM信号，中断返回。 5.4 SPWM的编程实现 SPWM脉冲是由XC164单片机内部的CAPCOM6实现的。T12中断程序用三相正弦波共同调制一个三角波，三相SPWM脉冲产生的软件实现基本一致，因此，下面以任意一相SPWM脉冲产生的流程图为例进行说明， SPWM脉冲产生流程图如图5.4所示： 图5.4 SPWM脉冲产生流程图 首先，对CAPCOM6内部的T12计时器进行初始化设定： CCU6_T12=0; //首先将T12的计数器值赋0 CCU6_T12PR=1999; //将T12的最大计数值设为1999 CCU6_T12MSEL=0x0333; //激活三个通道，选用比较模式 CCU6_T12DTC=0x073f; //使能死区时间控制，最大死区时间定为1.5us CCU6_TCTR0=0x0080; //计数采用中心对齐模式， CCU6_ISR=0xffff; //中断状态清零 CCU6_IEN=0x0040; //使能T12OM中断 CCU6_T12IC=0x015f; //中断级别设为7 CCU6_CC60SR=1000; // 分别给三个比较寄存器赋1000 CCU6_CC61SR=1000; CCU6_CC62SR=1000; CCU6_TCTR4=0x0040; //使能影子转移 CCU6_TCTR4=0x0002; //T12开始计数 其中，T12的频率 等于系统频率。单片机外部晶振频率为8MHz，XC164内部的锁相环使该频率五倍频，即系统频率为40MHz，亦即 。T12在一个计数周期内从0计数到1999，再从1999计数到0，共计数4000次。因此SPWM的频率 。至于其它两相SPWM脉冲的产生，其差别只在正弦表指针上。在具体编程实现时，我们分别用正弦表偏移量 、 和 来代替图5.4中的正弦角θ；对应于SPWM的频率 ，应建立一个10000个点的正弦表，这样，正弦表里的一个点就相当于1Hz的频率，输出频率赋给输出步长。比如输出频率为50Hz时，正弦表取值就以步长50跳变。三个正弦表偏移量初始值设为： ， ， ，以后，三个正弦表指针同步变化，即相当于三个正弦波相位两两相差120°。 正弦表的正弦值在-998到998之间变化，而三角波则在0到1999之间变化，因此写程序时给正弦值加了1000。另外，为节省单片机内存，建立正弦表时，只给出了前半周期（0到180°）的正弦值，后半周期的正弦值由程序算法实现，所以开始时首先判断相位的范围，若相位在后半周期，则需做相应的变换；若相位超过360°，则应先将相位减去360°。得到的正弦值乘以调制度后和三角波计数值做比较，一旦匹配，输出自动电平翻转，如此就产生了SPWM脉冲。 5.5 输出电压和电流有效值的计算 要实现电流过流和负载不对称或缺相电路保护需要知道输出电流有效值，要实现输出电压稳幅需要知道电压有效值，另外，LCD要显示电压、电流和功率也需要知道电压与电流值，因此在单片机的编程中输出电压和电流有效值的计算特别重要。 要计算输出电压和电流的有效值，首先要将反馈电压和电流等模拟量转换成适合单片机处理的数字量，即对反馈电压和电流进行A/D转换。XC164内部的A/D转换主要由T3计时器完成，其初始化设置如下： GPT12E_T3CON=0x0000; //T3向上计数， GPT12E_T2CON=0x1027; //T3OTL触发 GPT12E_T2=0xffff-(5000000/(frequency*SMOUNT)); //一个输出周期内产生20个中断 GPT12E_T3=GPT12E_T2; GPT12E_T3IC=0x0147; //使能T3中断，中断级别为8 GPT12E_T3CON_T3R=1; //T3开始计时 其中，SMOUNT为20的宏定义，T2为T3的辅助计时器。T3从5000000/(frequency*20)开始计数，当计数到65535（0xffff）时，产生溢出，T3OTL触发使T2把0xffff-(5000000/(frequency*20))赋给T3，T3重新开始