基于ARM微处理器的变频电源研究.doc

陕西理工学院毕业设计 1 绪论1.1 研究变频电源的背景及目的电源对于每一个人来说是一个既熟悉又抽象的名词，我们的衣食住行离不开电源，文化娱乐、办公学习、科学研究、工农业生产、国防建设、教育、环境保护、医疗卫生、交通运输、照明、通信、宇宙探索等等，哪一样也少不了电源。只要用电就离不开电源。电源的分类如下图所示图 11 电源的分类电子电力电源的发展得力于电力电子技术的进步。进入八十年代，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为现代电力电子技术的发展奠定了基础。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，出现了一批全新的全控型功率器件，首先是功率MOSFET的问世，导致了中小功率电源向高频化发展，而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现，又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计，到1995年底，功率MOSFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步，而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率，使其性能更加完善可靠，而且使现代电子技术不断向高频化发展，为用电设备的高效节材节能，实现小型轻量化，机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。当前，电力电子作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础，正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来，电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用，实现高效率和高品质用电相结合。变频电源是将市电通过功率变换电路转变为所需要的电压和频率的一种电源。世界各国电网制式的不统一，以及不同应用领域的电源制式需求的不同，以下情况需要使用变频电源：(1)家电业制造商如：空调设备、咖啡机、洗衣机、榨汁机、微波炉、收录音机、冰箱、DVD、洗尘器、电动剃须刀等产品的测试电源；(2)电机、电子业制造商如：交换式电源供应器、变压器、电子安定器、AC风扇、不断电系统、充电器、继电器、压缩机、马达、被动元件等产品的测试电源；(3)IT产业及电脑设备制造商如：传真机、影印机、碎纸机、印表机、扫描器、烧录机、伺服器、显示器等产品的测试电源；(4)实验室及测试单位如：交流电源测试、产品寿命及安全测试、电磁相容测试、OQC(FQC)测试、产品测试及研发、研究单位最佳交流电源；(5)航空军事单位如：机场地面设施、船舶、航天、军事研究所等的测试电源；(6)铁路、高速公路：25Hz、静频信号电源。变频电源是电源系统的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性和可靠性。变频电源自问世以来引起了国内外电源界的普遍关注。现已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。现代变频电源以其低损耗、高效率、电路简洁等显著优点而受到人们的青睐，并广泛的应用于电气传动、计算机、电子设备、仪器仪表、通信设备和家用电器中。今年来随着工业自动化产业的告诉发展，人们对变频电源的需求与日剧增，变频电源的开发研制生产已成为发展前景十分诱人的朝阳产业。目前，随着变频电源的广泛应用，变频电源显示除了强大的生命力，其具有高集成度、高性能比、最简的外围电路、最佳的性能指标等特点。1.2 国内外研究情况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(微处理器)技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术，是现代电力电子技术的具体应用。1.2.1 电力电子器件技术的发展变频电源是现代电力电子技术的一项重要的应用。电力电子器件以美国1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为起始点逐渐发展起来的。经过50年的发展，在器件制造技术上不断提高，已经经历了以晶闸管为代表的分立器件，以可关断晶闸管(GTO)、巨型晶体管(GTR)、功率MOSFET、绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的功率集成器件(PID)，以智能化功率集成电路(SPIC)、高压功率集成电路(HVIC)为代表的功率集成电路(PIC)等三个发展时期。从晶闸管靠换相电流过零关断的半控器件发展到PID、PIC通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件，从而实现了真正意义上的可控硅。在器件的控制模式上，从电流型控制模式发展到电压型控制模式，不仅大大降低了门极(栅极)的控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速度，从而使器件的工作频率不断提高。在器件结构上，从分立器件，发展到组合功率变换电路的初级模块，继而将功率变换电路与触发控制电路、检测电路等组合在一起的复杂模块。功率集成器件从单一器件发展到模块的速度更为迅速，今天已经开发出具有智能化功能的模块(IPM)。智能功率集成电路能够提供数字控制逻辑与功率负载之间的接口，最简单的形式可由一电平移动和驱动电路组成，把来自微处理器的逻辑信号换转微足以驱动负载的电压和电流；较复杂的智能功率集成电路能实现以下3项任务:(1)控制功能：自动检测某些外部参量并调整功率器件的运行状态，以补偿外部参数的偏离。(2)传感与保护功能：当器件出现过载、短路、过电压、欠电压或过热等非正常运行状态时，能测取相关信号并能进行相应调整保护，使功率器件能工作在安全工作区。(3)提供逻辑输出接口：功率控制由功率器件即驱动电路来执行。它具有处理高压、大电流或二者兼备的能力。所有这一切为高频变换技术的开发，为变流器实现高频化、小型化、轻量化，为节能、节材、提供效率与可靠性奠定了基础。1.2.2 电力变流技术的发展变流技术的发展，已经历了三个阶段。(1)第一阶段第一阶段是基于电子管、离子管(闸流管、汞弧整流器、高压汞弧阀)的发展与应用，当时把这一学科称作工业电子学(Industrial Electronics)。这一阶段的研究工作，主要是集中在整流、逆变和变频技术的开发上。换流技术的应用领域主要是直流传动、直流牵引、电化、电冶、中频、高频淬火、加热、高压直流输电等。由于直流传动，直流牵引，电化电冶在变流技术应用中占有压倒的优势，因此那时将直流传动、牵引、电化称作变流行业的三大支柱。其实从变流技术的分类来看，它属于整流变换，是变流技术的一小部分。(2)第二阶段第二阶段是基于硅整流管、晶闸管的发展与应用，主要是晶闸管。在我国始于20世纪60年代初，电力电子学(Power Electronics)问世，并取代了工业电子学。由于变流技术的基本理论一一整流、逆变、变频技术的研究，可以说在第一阶段己经完成，这已不是第二阶段的研究主题。这一阶段主要是针对硅整流管、晶闸管取代电子管、离子管以后出现的新问题， (如硅整流管、晶闸管的阻断电压不高，通态电流不大，耐受过电压、过电流冲击能力不强，应用中稍有异常状况出现，便会造成器件永久性损坏)开展的应用研究，诸如：触发电路的研究、器件并联均流措施的研究、器件串联均压措施的研究、器件换相过程中防止开通过电流、关断过电压的缓冲(阻尼)电路的研究、变流装置过电压保护、过电流保护、过热保护的研究，以及器件的热容量与变流系统故障时系统短路电流及快速熔断器短路容量的保护配合研究等。随着器件制造水平的不断提高，变流装置保护措施的不断完善，使得硅整流管、晶闸管在变流装置中的应用技术日趋成熟。如同任何新生事务的发展都是势不可挡一样，硅整流管、晶闸管在变流技术中的应用与发展，亦是势不可挡。它很快便取代了汞弧整流器在变流技术中的地位，使我国进入了电力电子技术的开发与应用阶段，而我国的汞弧整流器制造业在完成自己的历史使命后于1972年正式停产。晶闸管不仅在所谓变流技术三大支柱产业中完全取代了汞弧整流器，并且功率更大。即使在高压直流输电领域，世界上第一个高压晶闸管换流阀于1970年在瑞典哥特兰岛直流输电工程中投运，宣告了高压汞弧阀在高压直流输电领域中历史使命的终结。除此而外，它还取代了用于电镀、蓄电池充电、发电厂(站)与变电站直流系统的电动机一发电机组，取代了发电机的直流励磁机组。这一时期，随着整流管特别是晶闸管制造技术水平的不断提高，半导体变流技术所涉及的应用领域不断得到扩展。例如，快速晶闸管的开发大大促进了中频感应加热、熔炼、淬火电源(1kHz8kHz)的发展；为国防建设和高科技研究服务的晶闸管低频电源、400Hz中频电源、高精度稳压电源与稳流电源相继开发出来，还有许多应用领域，不再赘述。以晶闸管应用为核心的这一发展阶段，无论是整流、逆变、变频，其变换都是通过对晶闸管的门极进行移相控制而实现的，即相控型的变换技术。由于晶闸管属于非自关断(全控)器件，它又是电流型控制器件，所以在高频应用领域，它还无法取代闸流管和电子管，只在低频大功率领域占优势。在这一阶段，关于实现DCDC变换的斩波技术的研究己经开展，并且率先应用在直流牵引调速中。公交无轨电车上所用的晶闸管调速，即是DCDC变换应用的实例。只不过由于晶闸管是半控器件，将其用在DCDC变换中，为了强迫其关断，主电路、控制电路较为复杂，但是其节能效果是显著的。(3)第三阶段第三阶段是基于全控型电力半导体器件的发展与应用，是半导体电力变流器向高频化发展的阶段，也是变流装置的控制方式由移相控制(Phase shiftContr01)向时间比率控制(Time Ratio ControlTRC)发展的阶段。时下将采用上述二种控制方式的变流装置(电源)简单地称作相控电源和开关电源的说法是不确切的，这是因为在半导体电力变流器中，承担功率变换的电力电子器件就是作为无触点开关来应用的，无论是相控电源还是时间比率控制电源都是工作在开关状态。因此称为移相控制电源和时间比率控制电源的比较确切。TRC一般有三种，即脉冲宽度调制(Pulse Width ModulationPWM)，脉冲频率调制(Pulse Frequency Modula tionPFM)，混合调制(PwM+PFM)。PwM方式因为调制频率固定，即调制周期T恒定(或基本不变)，通过改变控制脉冲的占空比进行变换电路的调节，从而使滤波电路的设计比较简单，所以常用的TRC是PWM方式。第三阶段的发展是随着全控型器件的发展而逐渐展开的。首先以GTO，GTR等双极型全控器件的应用为代表，使逆变、变频、斩波变换电路的结构大为简化，使变换的频率可以提到20kHz左右，为电气设备的高频化、小型化、高效、节能、节材莫定了基础。但是由于GTO，GTR是电流型控制器件，控制电路功率大，且变换频率也不能很高。随着变换频率的不断提高，PWM电路的缺点便逐渐暴露了出来。由于PwM电路属硬开关电路，一方面使电路中的变换器件工作时所承受的电压应力及电流应力大，同时变换过程中高的dvdt，didt又会产生严重的电磁干扰，使电气电自设备电磁兼容的问题突出；另一方面器件开通与关断损耗的问题逐渐棘手，严重制约了变换频率的进一步提高。于是建立在谐振、准谐振原理之上的软开关电路，即所谓的零电压开关(ZVS)与零电流开关(zCS)电路问世。它是利用谐振进行换相的一种新型变流电路，实现了器件在零电压下的导通和零电流下的关断，从而大大降低了器件的开关损耗，这样来，TRC技术加软开关技术使得变换频率进一步得到提高。之后以功率MOSFET，IGBT等电压型控制的、混合型全控器件的应用为代表，真正实现了高频化，使变换频率达到l OOkHz500kHz甚至更高，为电气电子设备更加高频化、小型化、高效、节能、节材创造了条件。从以上叙述可知，第三阶段主要是电力半导体器件向全控型、模块化、集成化、智能化发展，半导体变流技术向高频化发展的时期，其结果是实现了从传统的电力电子技术(晶闸管与移相控制)向现代电力电子技术(全控型器件与TRC加软开关技术)的跨越，具有划时代的意义。仅就高频化带来的技术进步与节能、节材的实效，对于降低单产能耗，提高综合经济效益的影响都是巨大的。1.2.3 变频电源的发展方向目前，变频电源主要向着以下几个方向发展：(1)高频化理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比，所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz，提高400倍的话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的510。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，带来显著节能、节水、节约材料的经济效益，更可体现技术含量的价值。(2)模块化模块化有两方面的含义，其一是指如上文所述功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块，含有一单元、两单元、六单元直至七单元，包括开关器件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于“标准”功率模块。近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去，构成了“全能化”功率模块(IPM)，不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。数字控制使硬件简化，柔性的控制算法使控制具有很大的灵活性，可实现复杂控制规律，使现代控制理论在运动控制系统中应用成为现实，易于与上层系统连接进行数据传输，便于故障诊断加强保护和监视功能，使系统智能化(如有些变频器具有自调整功能)。目前使用的变频电源，主要由单片机进行控制。受限于单片机的性能，基于单片机自变频电源系统多采用查表法生成PWM波，因此灵活性较差，无法实时的变频变压如果采用专门的PWM波生成芯片，往往成本和供货上也有不足之处。因此，采用基于DSP(数字信号处理器)的变频电源系统，因为它强大的运算能力和低廉的价格，可以很好的解决实时性与成本的问题。近几年来，国外各大公司纷纷推出以DSP(数字信号处理器)为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内的称为DSP单片电机控制器，价格大大降低，体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。DsP和普通的单片机相比，处理数字运算能力增强1015倍，以确保系统有更优越的控制性能。(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、IEC917、IEClooO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，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，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。在变频电源主电路的拓扑结构方面：变频电源的网侧变流器对低压小容量的装置常采用6脉冲变流器，而对中压大容量的装置采用多重化12脉冲以上的变流器。负载侧变流器对低压小容量装置常采用两电平的桥式逆变器，而对中压大容量的装置采用多电平逆变器。对于四象限运行的传动，为实现变频器再生能量向电网回馈和节省能量，网侧变流器应为可逆变流器，同时出现了功率可双向流动的双PWM变频器，对网侧变流器加以适当控制可使输入电流接近正弦波，减少对电网的公害。目前，低、中压变频器都有这类产品。1.3 本文设计和研究的内容本文中研究的变压变频电源是一种以ARM微处理器为主控制芯片的通用型单相变频电源。各章节分配如下：第2章 指出论文的研究内容，根据逆变器的工作原理，确定变频电源的主体框架。第3章 变频电源系统的硬件设计。第4章 变频电源的软件设计，及控制器的设计，选用PI调节器。2 变频电源的结构及主电路研究2.1 变频电源的结构及原理本文所研究的单相变压变频(VVVF)电源，输出电压为15220v，输出频率为10100Hz可调。从结构上看，变频电源可分为直接变频和间接变频两大类。直接变频又称为交一交变频，是一种将工频交流电直接转换为频率可控的交流电，中间没有直流环节的变频形式。间接变频又称为交一直一交变频，是将工频交流电先经过整流器成直流电，再通过逆变器将直流电变换成频率可变的交流电的变频形式，因此这种变频方式又被称为有直流环节的变频方式。交一交变频一般使用的开关器件是晶闸管，利用电网电压有自动过零并变负的特点，将晶闸管直接接在交流电源上，使晶闸管能自然关断。其过程与可控整流器一样，不需要附加换流器件，方法简单，运行可靠。但是这种方法使用晶闸管数量较多，主回路复杂，且输出频率受电源频率的限制，一般不能高于电网频率的12。交一直一交变频是目前变频电源的主要形式。本文所研究的变频电源采用交一直一交变频这种形式，它可以分为四个功能模块：整流电路、逆变电路、输出滤波器和基于ARM微处理器的控制电路。整流电 路是一个单相ACDC变换电路，功能是把AC220V50Hz的电源进行整流滤波后转换成稳定直流电源供给逆变电路。逆变电路是该电源的关键电路，其功能是实现DCAC的电压变换，即在ARM微处理器的控制下把直流电源转换成单相SPWM波形供给后级滤波电路，形成标准的正弦波。滤波电路是用来滤除干扰和无用信号，使输出为标准正弦波。ARM微处理器可以检测输出的单相电压大小，并通过串口传到上位机显示，通过PI控制器实现电压闭环控制。通过键盘，可以实现频率、电压设定功能。系统原理框图如图22所示： 图 2.1 系统原理框图2.2 逆变系统原理本文所研究的电源是为了在输出得到变压变频的交流电压信号，故采用电压型逆变电路。在同一直流电压输入情况下，全桥逆变电路输出电压是半桥逆变电路输出电压的二倍，故文中逆变电源逆变器部分采用全桥逆变电路。下面介绍全桥逆变电路：电路原理图见图22，它共有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180°，即V1、V4导通时关断V2、V3；V2、V3导通时，关断V1、V4。负载为阻感负载时，其输出波形如图2.3所示。图中VDl、Vl、VD2、V2相继导通的区间，分别对应与图3.3中的VDl和VD4，Vl和V4，VD2和VD3，V2和V3相继导通的区间。图 2.2 电压型单相全桥逆变电路原理图图 2.3 全桥逆变电路输出波形对其电压波形进行定量分析，把幅值为的矩形波展开成傅立叶级数得： (2.1)其中基波的幅值，和基波有效值，分别为： (2.2) (2.3)于是由逆变原理可知，如果控制IGBT的导通与关断的频率，那么输出电压的频率和IGBT的开关频率便存在一定的对应关系；控制IGBT的开通与关断的占空比，那么输出电压的有效值也和IGBT的开关占空比便存在一定的对应关系，因此产生精确控制IGBT开关驱动信号SPWM便成为了本文研究的重点。2.3 SPWM波的生成原理分析对于电压型逆变器来说需要解决的一个关键问题是如何根据给定的参考量发出PWM开关信号。三种调制方式中，方波控制存在占空比不可调，调压范围不够宽，保护功能不够完善，噪声比较大等缺点，应用较少；SVPWM调制主要用于电动机调速；SPWM (Sin usoidal PWM)法是一种使用较广泛的PWM法，本文就以其为调制方法，进行逆变器的分析和研究。2.3.1 自然法生成SPWM波图 24 自然生成SPWM波原理图自然法生成SPWM波又称模拟电路法生成SPWM波，通常用模拟比较器比较生成SPWM波，如果用信号波正弦作为比较器的同相端输入信号，三角载波作为比较器的反相端输入信号，便实现了自然法生成SPWM波，如图24所示，比较器输出经死区形成电路即可生成带死区的SPWM波。这种方法是所有生成SPWM波中方法最精确的一种，其它方法都是与它近似等效，存在一定的等效误差，不过模拟电路存在一定的温漂。2.3.2 规则采样法生成SPWM波规则采样法是针对自然采样法中要求解复杂的超越方程，难以在实时控制中在线计算，而采用的一种对正弦波与三角波交点求解的一种简化方法，其效果接近自然采样法，但计算量却比自然采样法少了许多 ，其原理如图2.5：设三角波幅值为1，由，相似三角形对应边成比例，可得：,代入数据得： （2.4）所以矩形波开通时间：图 2.5 规则采样法 （2.5）调制度(正弦波与三角波幅值比)采样三角波周期在生成SPWM波形时，通常有查表和实时计算两种方法，实际使用时往往是两种方法的结合，即先离线进行必要的计算存入内存，运行时再进行较为简单的在线计算，这样既可保证快速性，又不会占用大量的内存。规则采样法通常事先存入正弦函数表，运行时根据要求频率即可算出开关器件的导通时问(详见公式(25)。这种方法的计算量很小且波形的幅值和频率都是可以连续变化的。由规则采样法的原理可知它是用近似的阶梯波来代替正弦波与三角波进行比较，因此它与自然法生成SPWM相比精度有所降低，但由于其计算公式简单，计算量较小，可大大提高CPU运行速度，提高程序效率，因此本文在用ARM微处理器对逆变电源进行数字化控制时就是用规则采样法来产生SPWM波的。将式(2.5)离散化得： （2.6）载波周期I第I个SPWM波N采样的总个数由式(2.6)可知，当确立了，I，N之后，每一个SPWM脉冲的开通时间都可以由公式计算出，例如如果要求实现的SPWM波为400Hz，若产生256KHz的三角载波，那么在一个正弦周期内只需要对正弦波采样64次，就能得到频率为400Hz的SPWM波。也就是说：标准正弦波一个周期最低只需离散成64个点。3.3.3 同步调制和异步调制在SPWM逆变器中，载波频率与调制信号频率之比N=/，称为载波比。根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，SPWM逆变器调制方式分为异步调制和同步调制。1、异步调制 载波信号和调制信号不同步的调制方式即为异步调制。通常保持载波频率固定不变，当调制信号频率变化时，载波比N是变化的。当较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小，当增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大，还会出现脉冲的跳动。同时，输出波形和正弦波之间的差异也变大，电路输出特性变坏。对于三相逆变器来说，三相输出的对称性也变差。因此，在采用异步调制方式时，希望尽量提高载波频率，以使在调制信号频率较高时仍能保持较大的载波比，从而改善输出特性。2、同步调制载波比N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的调制方式称为同步调制。在同步调制方式中，变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。在三相SPWM逆变电路中通常共用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称。3、分段同步调制为了克服上述缺点，通常采用分段同步调制的方法，即把范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同。在高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低；为防止在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。 3 变频电源系统硬件设计3.1 整流电路的设计对于整流部分，我们采用的方案是二极管不可控整流，以提高网侧功率因数，整流所得直流电压用大电容稳压，为逆变器提供直流电压。其原理图如图3.1所示。整流电路由4只整流二极管组成和吸收负载感性无功的直流稳压电容组成。图 3.1 整流电路原理图在设计电路时，根据整流桥的实际电压电流等级，我们选用了HY的桥式整流模块RS807。在直流侧电容的选取方面，直流侧电容的容值越大，电压波动就越小，但电容器的成本也就越高，同时装置的体积随之增大，故在保证电压波动要求的前提下应尽量减小直流电容的容值。直流侧电容由全桥整流电路供电，为逆变电路提供了一个稳定的直流工作电压Ud，免去了变频电源控制器对直流电压的控制，大大减少了控制算法的复杂度，同时这种结构的直流侧电压Ud不再因变频电源输出功率的变化而产生电压波动，提高了变频电源输出的稳定性和准确性。空载时，R=,放电时间为无穷大，全控桥式电路直流侧电压平最大为： （3.1）重载时，R很小，电容放电很快，几乎失去贮能作用，随负载加重Ud逐渐趋近于0.9U2，及趋近于接近电阻负载时的特性。通常在设计时根据负载的情况选择电容C值，使 （3.2） T为交流电源周期，此时输出电压为： （3.3） 3.2 逆变电路设计3.2.1 逆变电路的拓扑结构逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧电压源的称为电压型逆变电路(Voltage Source Type Inverte-VSTI)；直流侧是电流源称为电流型逆变电路(Current Source Type Inverte-CSTI)。本文即采用的是电压型逆变电路。我们采用是单相桥式逆变电路。图3.2为单相电压桥式逆变电路的结构原理图。采用SPWM调制，即通过开关元件有规律的导通和关断，在逆变器输出端得到的所需的电压波形。图 3.2 单相电压桥式逆变电路3.2.2 逆变模块的保护在单相桥式逆变电路PWM控制中，IGBT模块由于开关速度快，开关频率高，动态损耗较大，关断过程中功率管上有时会出现危险的过电压，造成功率管的损坏。产生过电压主要有两个原因：关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压。关断浪涌电压是在关断瞬间流过IGBT的电流被切断时产生的瞬态高压；而当续流二极管恢复时会产生与关断浪涌电压相似的浪涌电压。3.3 驱动电路设计IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。同一系列的不同型号其引脚和接线基本相同，只是适用被驱动器件的容量和开关频率以及输入电流幅值等参数有所不同。图3.3给出了M57962L的接线图。3.4 输出滤波器设计逆变器的输出波形是SPWM方波，含有谐波成分，为了使输出波形正弦化，必须采用输出滤波器。逆变电源中输出滤波电路的主要作用是: (1)减小输出电压中谐波(特别是逆变电路中开关器件的开关频率上)电压的幅值，使单次谐波和总谐波含量降低到指标允许的范围，改善整个系统的电磁兼容性。 (2)保证基波电压传输。图4-3给出了常用的四种输出滤波器结构，考虑到效果和投资，这里选择图(b)所示的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。电感器来作为输出滤波电路结构的一部分，主要目的有两个:首先，由于电感能够储存能量，可使得在管子关断期间输出电流能够连续地流到负载上；其次，电感器与滤波电容一起对逆变后的SPWM脉冲起平滑滤波的作用，使输出的电压纹波较小。输出滤波电路虽然有很重要的作用，但其如果设计不当，反过来会降低系统的动态性能，甚至使系统不稳定。由电路知识知： =，随频率升高而升高,= ，随频率升高而图 3.3 M57962L的接线图降低。LC滤波器所对应的截止频率为： （3.4）本系统中逆变器输出电压基波频率为，载波频率为；一般确定LC滤波器的截止频率位于中间频段，使之满足 （3.5） 其中和分别表示逆变器输出的频率和PWM载波频率。所以假如设截止频率为。可以 图 3.4 无源滤波器的基本类型看出<<,，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，因此滤波器不允许次谐波信号通过。在确定好截止频率后，在实际中，可以将电容取得大些，而将电感取得相对小些，这样可以减少系统体积。按照上述原则，此系统选择的LC滤波器参数为：，。3.5 检测电路的设计如图3.5所示输入电压经限流电阻R5，使流过GPT202B 电压互感器初级（原边）的额定电流为2mA（或某个用户自定的理想值），副边会产生一个相同的电流。通过运算放大器，用户可以调节反馈电阻R6的值在输出端得到所要求的电压输出。再经过整流输出送到ADC1管脚，电压限定不过在03.3V之间。图 3.5 检测电路限流电阻R5的值：通常选择初级（原边）的额定电流为2mA，R5=Vi/2mA 。反馈电阻R6= V0/Ii，如果要求输出电压很精确，则R可取略小于V0/Ii，另串联一个可调电阻进行微调，以达到所要求的精度。4 变频电源控制器系统软件设计软件设计是变频电源控制器的重点和难点，需要周密的考虑和严谨的设计。不仅要对硬件电路的接口电路熟悉，同时还必须掌握相关的软件设计技术。本文控制核心采用SAMSUNG公司的S3C2440A 32-位CMOS微处理器，最高工作平率为400MHz。4.1 S3C2440A简介三星公司推出的16/32位RISC微处理器S3C2440A, 为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。为了降低整体系统成本，S3C2440A 提供了一下丰富的内部设备S3C2440A 采用了ARM920T的内核，0.13um 的CMOS 标准宏单元和存储器单元。其低功耗，简单，优雅，且全静态设计特别适合于对成本和功率敏感型的应用。它采用了新的总线架构Advanced Micro controller Bus Architecture (AMBA)。S3C2440A 的杰出的特点是其核心处理器(CPU)，是一个由Advanced RISC Machines 有限公司设计的 16/32 位 ARM920T 的RISC 处理器。ARM920T 实现了MMU， AMBA BUS 和Harvard 高速缓冲体系结构构。这一结构具有独立的16KB 指令Cache 和16KB 数据Cache。每个都是由具有8 字长的行组成。通过提供一套完整的通用系统外设， S3C2440A 减少整体系统成本和无需配置额外的组件。S3C2440A 集成了以下片上功能：· 1.2V 内核供电, 1.8V/2.5V/3.3V存储器供电，3.3V 外部I/O供电具备16KB的 I-Cache和16KB DCache/MMU微处理器· 外部存储控制器(SDRAM 控制和片选逻辑)· LCD 控制器（最大支持4K 色STN 和256K 色TFT）提供1 通道LCD 专用DMA· 4 通道DMA 并有外部请求引脚· 3 通道UART(IrDA1.0, 64字节Tx FIFO，和64字节Rx FIFO)· 2 通道SPI · 1 通道IIC-BUS接口（多主支持）· 1通道IIS-BUS音频编解码器接口· AC97 解码器接口· 兼容SD 主接口协议1.0 版和MMC 卡协议2.11 兼容版。· 2 端口USB 主机/1 端口USB 设备（1.1 版）· 4 通道PWM 定时器和 1 通道内部定时器 / 看门狗定时器· 8 通道10 比特ADC 和触摸屏接口· 具有日历功能的RTC · 相机接口（最大4096 × 4096像素的投入支持。 2048 × 2048像素的投入，支持缩放）· 130 个通用I/O 口和24 通道外部中断源。· 具有普通，慢速，空闲和掉电模式。· 具有PLL 片上时钟发生器4.2 软件开发工具介绍ADS（ARM Developer Suite），是在1993年由Metrowerks公司开发是ARM处理器下最主要的开发工具。ADS 是全套的实时开发软件工具，包编译器生成的代码密度和执行速度优异。可快速低价地创建ARM 结构应用。ADS包括三种调试器ARMeXtended Debugger， AXD 向下兼容的ARMDebugger for Windows/ARM Debugger forUNIX 和ARM 符号调试器。其中AXD 不仅拥有低版本ARM调试器的所有功能，还新添了图形用户界面，更方便的视窗管理数据显示，格式化和编辑以及全套的命令行界面。该产品还包括RealMonitor（可以在前台调试的同时断点续存并且在不中断应用的情况下读写内存跟踪调试工具）。 ADS对汇编、C/C+、java支持的均很好，是目前最成熟的ARM开发工具。很多ARM开发软件（例如Keil）也是借用的ADS的编译器。ADS在2006年版本已经发布到2.2。但国内大部分开发者使用的均是1.2版本。4.3 S3C2440A的PWM产生模块4.3.1 PWM工作原理S3C2440A有个16bit 定时器。定时器0、1、2、3有脉宽调制功能（PWM）。定时器4 是内部定时器，没有输出引脚。定时器0有死区发生器，常用于大电流设备中。定时器0、1 共用一个 8bit 预脉冲分频器（prescaler），定时器2、3、4共用另外一个。每个定时器都有一个时钟分频器，它可以产生5种分频信号（1/2, 1/4, 1/8, 1/16, and TCLK）。每个定时器模块从自己的时钟分频器获取时钟信号，时钟分频器从相应的 8bit 预脉冲分频器中获取时钟。这个8bit 预脉冲分频器是可编程的，并依据TCFG0 和TCFG1寄存器中的值对PCLK进行分频。定时器被使能之后，定时器计数缓冲寄存器（TCNTBn）中的初始值就被加载到递减计数器中。定时器比较缓冲寄存器（TCMPBn）中的初始值就被加载到比较寄存器中，以便与递减计数器的值进行比较。这种TCNTBn 和TCMPBn 的双缓冲特点使得定时器在频率和占空比变化时输出的信号更加稳定。每个定时器都有一个自己的时钟驱动的16bit递减计数器。当计数器减到0 时，产生一个定时器中断请求，以通知CPU定时器操作完成；同时定时器计数缓冲寄存器（TCNTBn）的值被再次自动加载到递减计数器继续下次操作。然而，如果在正常模式下清除定时器TCONn的使能位，TCNTBn的值将不再加载进计数器。TCNTBn的值常用于PWM。当递减计数器的值等于比较寄存器的值，定时器控制逻辑改变输出电平。因此，比较寄存器决定了PWM输出的开启和关闭。特性：