基于单片机控制的三相逆变电源.doc

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兰州工业学院毕业论文

摘要

逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置，它从交流或直流输入获得的交流输出。

随着电力电子技术的发展，逆变电源的应用越来越广泛，它横跨电力、电子、微处理器及自动控制等多学科领域，是目前电力电子产业和科研的热点之一。

与此同时应用系统对逆变电源的输出电压波形特性也随之提出了越来越高的要求，因为电源的输出波形质量直接关系到整个系统的安全和可靠性指标。

随着数字信号处理技术的发展，以SPWM控制方式设计的逆变电源越来越受到青睐。

本论文叙述的就是一种基于51系列单片机设计的SPWM逆变电源。

给出了系统总体构成和主电路设计，介绍了SPWM产生器SA8282的结构特性和工作原理，SA8282全数字操作、工作方式灵活、频率范围宽、精度高功能强，可实现系统的智能化设计。

文中详细介绍了采用单片机8051和SPWM产生器SA8282组成系统控制器的软硬件设计，实现了逆变电源输出电压闭环控制。

实验表明，由SA8282为控制芯片的逆变电源结构简单、输出波形好、性能稳定可靠，适合于中、小功率的应用场合。

关键词：

正弦脉宽调制（SPWM）；SA8282；逆变电源；单片机

III

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Abstract

Inverterisakindofusingpowerelectronictechnologyforelectricpowertransformationdevice,itfromacordcInputvoltageofexchangeobtainedconstantfrequencyoutput.Withthedevelopmentofthepowerelectronictechnology,theapplicationofinverterpowersupplyismoreandmoreextensive,itacrosstheelectricpower,electron,microprocessorandautomaticcontrolmulti-disciplinaryfield,isoneofthehotspotsofthepowerelectronicsindustryandscientificresearch.Meanwhileapplicationsystemsubsequentlyputtheoutputvoltagewaveformcharacteristicsofinverterpowersupplyforwardmoreandhigherdemand,becausethepoweroutputwaveformqualitydirectlyrelatestothewholesystemsafetyandreliabilityindex.

Alongwiththedigitalsignalprocessingtechnologydevelopment,thecontrolmodedesignwithSPWMinverterpowersupplymoreandmorebefavored，ThisarticledescribesaSPWMinverterpowersupplybasedonthe51seriesmicrocontroller，ThethreephaseinverteroffulldigitalcontrolbasedonMCU8051andSPWMgeneratorICSA8282isintroducedinthispaper，thesystemconstructionandmaincircuitdesignofinverteraregiven,thefunctionfeatureandoperationprincipleofSPWMgenerationICSA8282isdescribed.thehardwareandsoftwaredesignofcontrollerimplementedclosed-loopofvoltagebyusingAT89C51andSA8282isdiscussedindetail，experimentalresultsshownthethreephaseoutputvoltagewaveformisquitgood，theperformancemeetsthedemand.

Keywords:

SPWM；SA8282；inverterpowersupply；MCU

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目录

摘要 I

Abstract II

1绪论 1

1.1课题的背景 1

1.2电源技术发展的概况 2

2总体方案设计 4

2.1SPWM原理 4

2.2系统总体方案 4

3系统硬件设计 6

3.1系统主电路设计 6

3.1.1输入EMI滤波器的设计 6

3.1.2输入整流滤波电路设计 6

3.1.3逆变器的设计 7

3.2采样电路及A/D转换电路 8

3.2.1采样电路 8

3.2.28051单片机引脚及其功能介绍 9

3.2.38051单片机内存扩展 10

3.2.4A/D转换电路 11

3.3SPWM波产生芯片SA8282及应用 13

3.3.1SA8282工作原理 13

3.3.2SA8282与单片机的连接 16

3.4IGBT驱动电路的设计 17

3.4.1IGBT驱动电路的要求 17

3.4.2集成化IGBT专用驱动器EXB841 18

3.5MCS-51对LED/键盘的接口 20

3.5.1LED数码显示管显示原理 20

3.5.2键盘/显示系统 21

3.6系统保护电路设计 21

4系统软件设计 25

4.1键盘/显示系统主程序设计 25

4.2系统控制程序设计 25

4.3软件抗干扰技术 27

结论 29

致谢 30

参考文献 31

附录 32

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1绪论

1.1课题的背景

随着各国工业与科学技术的飞速发展，在将来工业高度发展的情况下，计算机技术、电力电子技术及自动控制技术将成为三种最重要的技术。

所谓电力电子技术，就是利用半导体功率开关器件、电子技术和控制技术，对电气设备的电功率进行变换和控制的一门技术。

这项技术自20世纪50年代以来，经历了半个世纪的发展，现在已经成为理论和科学体系比较完整，而且有相对独立的一门学科技术。

特别是80年代以来，由于电力电子技术突飞猛进的发展，及对工业发展所产生的作用，他被各国专家学者成为人类社会计算机之后的第二次电子革命，，它是世界各国工业文明的发展过程中所起的关键作用，可能仅次于计算机。

预计未来，电力电子技术对工业自动化、交通运输、城市供电、节能、环境污染等方面的发展，将会产生更大的作用。

正弦波逆变技术是电力电子技术中的一个重要组成部分，它的作用是把从电力网上得到的额定频率交流电能，或者从蓄电池、太阳能电池等得到的电能质量较差的原始电能，变换成电能质量较高的，能满足负载对电压和频率要求的交流电能。

这种交流电能不仅可用于交流电机的传动，而且还可以作为不间断电源、变频电源、有源滤波器、电网无功补偿器等逆变其中的电能。

近年来，随着各行各业的技术水平和操作性能的提高，它们对电源品质的要求也在不断的提高。

为了高质量和有效的使用电能，许多行业的用电设备都不是直接使用交流电网提供的交流电作为电源，而是通过各种形式对电网交流电进行变换，从而得到各自所需的电能形式。

其中，把直流电变为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。

这种能量变换对节能、减小环境污染、改善工作条件、节省原材料、降低成本和提高产量等方面军起着非常重要的作用。

随着正弦波脉宽调制（SPWM）逆变技术的日益成熟，逆变电源被广泛应用到微波通讯、野外活动、高速公路。

海岛、军事、医疗、航空航天、风力发电等各个领域。

在一些重要的用电部门（如机场、医院、银行）和一些重要的用电设备中（如计算机、通讯设备）对逆变电源质量的要求也越来越高：

不仅要求不停电，还要求输出电压波形准确完好，如不间断电源UPS（UninterruptiblePowerSupply）广泛应用与计算机、程控变换机、数据处理系统、医疗诊断仪及精密电子仪器等不能中断供电的场合，而衡量逆变电源质量的首要指标就是输出波形质量的情况。

对于逆变电源，其负载可能具有不同的性质，当某一负载投入运行时，特别是非线性负载，很可能引起逆变电源的输出电压波形周期性畸变，谐波增加时;同时，由于变压器本身存在非线性的问题，使得实际加载在负载上的波形发生更严重的畸变，而这样的波形对各种电器设备都有不同程度的影响和危害，从而影响整个电路正常、安全可靠工作，对供电系统的影响也会日益严重，这样，也就逐渐显示出了对逆变电源输出波形控制的重要性。

因此，为了使逆变电源具有高质量的输出波形，研究设计逆变电源的各种先进的波形控制技术已成为近年来国内外学者研究的热点。

1.2电源技术发展的概况

电力电子技术就是利用半导体功率开关器件、电力电子技术和控制技术，对电气设备的电功率进行变换和控制的一门技术。

上世纪80年代以来，由于半导体器件，电子技术等的不断推广出新，电力电子技术有了突飞猛进的发展，其对工业发展所产生的巨大作用他被各国专家学者成为人类社会计算机之后的第二次电子革命，它是世界各国工业文明的发展中所起的关键作用可能仅次于计算机。

电源是电力电子技术的主要应用领域之一，随着新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新的控制技术的出现与应用，逆变电源技术得到越来越广泛的应用。

电源技术的发展，大体是经历了几个阶段：

由磁放大式到硅二极管整流式，再到可控硅（晶闸管）整流式，直到发展到逆变式（开关式）。

采用逆变技术，可使所涉及的电源具有许多方面的优越性：

1.可灵活地调节输出电压或电流的幅度和频率通过控制回路，我们可以控制逆变变电路的工作频率和输出时间的比例，从而使输出电压或者电流的频率和幅值按照人们的意愿或者设备工作的要求来灵活地变化。

2.可将蓄电池中的直流电转换成交流电或其他形式的直流电，这样就不会因为交流电网停电或剧烈变化而影响工作。

3.可明显地减小用电设备的体积和重量，节省材料在很多用电设备中，变压器和电抗器在很大程度上决定了其体积和重量，如果我们将变压器绕组中所加电压的频率大幅度提高，则变压器绕组匝数与有效面积之积就会明显的减少，变压器的体积和重量明显的减少。

4.采用逆变技术的电源还具有高效节能的优越性，表现在如下几个发表方面：

1）在许多应用交流电动机的场合，在其负载变化时，传统的方法是调节电动机的通电时间所占比例，这样电动机就会频繁的制动、起动。

而电动机的起动、制动消耗的电能的能量往往很大，如使用变频电源来调节电动机做功的量，则可节约很大一部分能量。

2）采用逆变技术的电源，其变压器的体积和重量大大减少了，也即减少了铁心横截面积和线圈匝。

变压器本身的损耗主要包括原、副边铜耗和铁耗，铁心面积和线圈匝数的大幅度减小也就大大降低了铜耗和铁耗。

因此，采用逆变技术大大提高变压器的工作频率，使得变压器的损耗变得比工频工作时小得多，从而达到节能的目的。

3）传统的，采用工频变压器的整流式电源设备的功率因数一般在0.5～0.8之间，这是因为其电流谐波成分和相移角都比较大。

在逆变电源中，如果用功率因数校正技术，能使输入电流的谐波成分变得很小，从而使功率因数约为1，节能的效果非常明显。

5.动态响应快。

控制性能好，电气性能好。

由于逆变电路的工作频率高，调节周期短，使得电源设备的动态响应或者说动态特性好，表现为：

对电网波动的适应能力强、负载效应好、启动冲击电流小、超调量小、恢复时间快、输出稳定、纹波小。

6.电源故障保护能力快由于逆变器工作频率高、控制速度快，对保护信号反应快，从而增加了系统的可靠性。

另外，现代越来越复杂的电子设备对电源提出了各种各样的负载要求，一个特定用途的电源，应当具有特定的负载性能要求和外特性，同时还应当具备安全可靠、高效、高功率因数、低噪音的特点，另外，无电磁干扰、无电网污染、省电节能也是我们应当认真考虑的设计要求。

3

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2总体方案设计

2.1SPWM原理

SPWM控制技术是通过控制电路按一定规律来控制开关管的通断，以得到一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形，用来产生所需频率的正弦电压波形。

SPWM实现的方法有模拟方法和数字方法两种，其中模拟方法的电路比较复杂，且有温漂现象，会影响精度，降低系统的性能。

数字方法则是按照不同的数字模型用计算机算出各切换点的值并将其存入内存，然后通过查表及必要的计算生成PWM波，因此数字方法受内存影响较大，且与系统精度之间存在着矛盾。

英国MITEL公司生产的全数字化三相PWM发生器SA8282频率范围宽、精度高，并可与微处理器进行接口，同时能够完成外围控制功能，因而可实现智能化。

2.2系统总体方案

三相逆变电源由主电路和控制器两部分组成，如图2-1所示。

其中主电路采用交直交电源型变频器结构，由整流器、滤波器、逆变器和隔离变压器构成。

输入功率级采用简单可靠的三相桥式不可控整流器，将电网交流电整流成直流，经中间滤波器滤波获得平滑的直流电压，逆变器开关采用富士公司的两单元IGBT模块三组（六只）组成三相H桥式电路。

逆变电源的输入、输出之间为实现电气隔离和满足输出电压幅度的要求，在逆变电源中必须有变压器，对于三相变频电源采用在输出端接入变压器△/Y进行隔离变压，以减小电源的体积和重量。

图2-1系统方案

3系统硬件设计

3.1系统主电路设计

图3-1是系统主电路的电路图，下面我们分别来介绍主电路的各个部分：

图3-1系统主电路

3.1.1输入EMI滤波器的设计

EMI滤波器在本系统中，为了抑制交流电网和电源之间的相互干扰，在交流电网和电源输入端之间加入EMI（电磁干扰）滤波器。

它可以有效的消除来自电网的各种干扰对系统的任何影响。

在本系统中我们选用的滤波器有以下作用：

1.抑制交流电网中的高频干扰对设备的影响；

2.抑制设备（本文主要指高频开关电源）对交流电网的干扰。

3.1.2输入整流滤波电路设计

为了保持三相交流电源的对称性和减小电源滤波电容等原因，采用三相电源作为供电电源，其整流滤波电路设计如下。

1.三相桥式整流电路的设计

（1）整流桥的耐压：

整流二极管的峰值反向电压为:

取50％的裕量

（2）整流桥的额定电流

以电源的输出功率为3KW为例，电源的输出功率随着电源的效率变化而变化，计算时取电源效率最差时的值，设

此时电源的输入功率

最大输入线电流

根据以上计算我们选用取富士公司生产的2RI60G-120（10A/1200V/2单元串联）型号整流模块三个连接而成桥式整流回路。

2．输入滤波电容的设计

输入滤波电容的值决定于输出保持时间和直流输入电压的纹波电压的大小，且要在计算流入电容器的纹波电流是否完全达到电容器的容许值的基础上进设计。

三相电源经过整流后，输出直流电压，此时通过直流回路的平均电流最大值为：

Udc为三相电源电压最低时整流输出的直流电压的平均值

计算单相全波整流电路滤波电容的经验公式是

因为三相全波整流电路的基波频率为单相整流电路的3倍，所以计算三相整流电路的滤波电容公式为：

所以C=200×8.12=1626uF

因为三相整流的纹波较单相整流要小许多，所以本系统中输入滤波电容取1600uF。

3.1.3逆变器的设计

一、IGBT的选择

1、耐压

当输入电网电压为最高输入电压时，经整流滤波后输出的最高直流电压为

考虑各种因素的影响取50％的裕量，则IGBT的最低耐压为

2、IGBT的电流

在一些参数未知的情况下，我们需要估算IGBT的电流，以便选择IGBT管。

输入电网电压经输入整流滤波后，直流母线上的最大直流电流为Id.max=.min.maxdcin

其中

所以可选择IGBT的额定电流为25A。

综上所述，在本系统设计中，我们可选择日本富士公司生产的2MBI25L-120（2单元25A/1200V）型IGBT管，该管耐压1200V，电流容许值为25A。

3.2采样电路及A/D转换电路

3.2.1采样电路

本系统的采样电路如图3-2所示，输出电压经电压互感器后再经整流堆整流，输出的是脉动的电压，此电压再经电阻R2和电容C1组成的滤波器滤波后，成为稳定的直流电压，经可变电阻R1调节后送往A/D转换电路。

我们可以调节电路，使得当系统输出电压有效值是380VAC时，电路输出电压是2.5VDC，该电路可在系统输出电压的一定变化范围内具有线性关系。

图3-2采样电路

3.2.28051单片机引脚及其功能介绍

8051有40条引脚，共分为端口线、电源线和控制线三类。

8051单片机的引脚图如图3-3所示。

图3-38051引脚

（1）8051共有32条端口线。

其中有4个并行I/O端口，每个端口有8条端口线，用于传送数据/地址。

由于每个端口的结构各不相同，因此它们在功能和用途上的差别颇大。

现对它们综述如下：

①P0.7~P0.0：

这组引脚共有8条，为P0口所专用，其中P0.7为最高位，P0.0为最低位。

这8条引脚共有两种不同的功能，分别使用与两种不同的情况。

第一种情况是8051不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，P0.7~P0.0用于传送CPU的输入/输出数据。

这时，输出数据可以得到锁存，不需外接专用锁存器；输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性。

第二种情况是8051带片外存储器，P0.7~P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。

②P1.7~P1.0：

这8条引脚和P0口的8条引脚类似，P1.7为最高位，P1.0为最低位。

当P1口作为通用I/O口使用时，P1.7~P1.0的功能和P0口的第一功能相同，也用于传送输入/输出数据。

③P2.7~P2.0：

这组引脚的第一功能和上述两组引脚的第一功能相同，即它可以作为通用I/O口使用。

它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。

④P3.7~P3.0：

这组引脚的第一功能和其余三个端口的第一功能相同。

第二功能作控制用，每个引脚并不完全相同。

（2）8051的VCC为+5V电源线，VSS为接地线。

（3）8051的控制线总共有6条。

现对它们综述如下：

①ALE/PROG：

地址锁存允许/编程线，配合P0口引脚的第二功能使用。

在访问片外存储器时，8051CPU在P0.7~P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在ALE/PROG，其下降沿用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7~P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器读写数据。

在不访问片外存储器时，8051自动在ALE/PROG线上输出频率为fOSC/6的脉冲序列。

该脉冲系列可以作外部时钟源或作为定时脉冲源使用。

②EA/VPP：

允许访问片外存储器/编程电源线。

它可以控制8051使用芯片内ROM还是使用片外ROM。

若EA=1,则允许使用片内ROM；若EA=0，则允许使用片外ROM。

③PSEN：

片外ROM选通线。

在执行访问片外ROM的指令MOVC时，8051自动在PSEN线上产生一个负脉冲，用于为片外ROM芯片的选通。

其他情况下，PSEN线均为高电平封锁状态。

④RST/VPD：

复位/备用电源线，可以使8051处于复位（即初始化）工作状态。

通常，8051的复位有自动上电复位和人工按钮复位两种。

⑤XTAL1和XTAL2：

片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接8051片内OSC的定时反馈回路。

石英晶振起振后，应能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便使8051片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。

通常，OSC输出时钟频率fosc为0.5~16MHz，典型值为12MHz或11.0592MHz。

3.2.38051单片机内存扩展

8051片内ROM也只有4KB，片内RAM也只有128字节，这么小的存储容量常常限制了它的应用领域。

为了扩大单片机的存储容量，MCS-51可以外接片外存储器。

图3-4给出了8051对片外ROM和RAM的一种连接图。

图3-48051对片外ROM和RAM的连接

图3-4中，1#和2#芯片的存储容量均为8KB。

即1#芯片可以存放8192个二进制8位程序代码，2#芯片也可以存放8192个二进制8位实时数据。

因此，1#和2#芯片各有13条地址线和8条数据线。

其中，13条地址线中高5位A12～A8分别与P2.4～P2.0相接，低8位A7～A0与P0口上的地址锁存器74LS373的输出端对应相接，8位数据线D7～D0则与P0口直接相接。

片选线P2.5和P2.6用于控制6264和2764的选通工作，PSEN与2764的OE相连，以便8051执行MOVC指令时，产生低电平而选定2764工作。

8051的RD和WR连接到6264的OE和WE已提供6264所需的读写选通信号。

3.2.4A/D转换电路

采样电路得到的模拟信号必须经A/D转换器转换为数字量后才能送往单片机进行处理。

本系统中，我们采用ADC0809，它是CMOS工艺、采用逐次逼近法的8位A/D转换芯片，28脚双列直插式封装，片内除A/D转换部分外还有多路模拟开关部分。

ADC0809最多允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，如图3-5所示。

图3-6是它与单片机8051的接口电路。

ADC0809由8路模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器以及地址锁存译码器等组成。

其引脚功能说明如下：

图3-5ADC0809引脚

为8个输入通道的模拟输入端。

为8位数字量输出端。

START为启动信号，加上正脉冲后，A/D转换开始进行。

ALE为地址锁存信号，高电平时把三个地址信号送入地址锁存器，并经译码器得到地址输出，以选择相应的模拟输入通道。

EOC为转换结束信号，是芯片的输出信号。

转换开始后，EOC信号变低；转换结束时，EOC返回高电平。

这个信号可以作为A/D转换器的状态信号来查询，也可以直接用做中断请求信号。

OE为输出允许控制端。

CLK为时钟信号，最高允许值为640KHz。

VREF（+）和VREF（-）为A/D转换器的参考电压。

图3-6ADC0809与8051接口电路

图3-6为ADC0809与8051的接口，在此，我们采用查询方式。

这里将ADC0809作为一个外部扩展并行I/O口，由于只采样一个通道值，所以在此我们采用固定寻址法，只寻址IN0通道，另外，由P1.5和P3.6联合控制启动转换信号端S