2022年基于波形发生器的三相SPWM正弦脉宽调制电路设计.docx

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1、精品学习资源摘要本设计介绍一种以 80C196KC单片机为掌握核心地SPWM正弦脉宽调制电路.80C196KC单片机能产生 3相6路互补地 PWM信号,结合该单片机运算速度快、集成度高、功能强大地特点 ,实现了 PWM触发脉冲地精确掌握 .该系统主要整流电路，滤波电路，逆变电路、驱动隔离电路、电源电路、爱护电路以及单片机最小系统组成 .通过软件编程地方法，产生正弦脉冲宽度调制波形来掌握绝缘栅双极晶体管地导通和关断，从而达到掌握异步电动机转速地目地.关 键 词 ： 80C196KC ； SPWM ； 单 片 机 最 小 系 统 ； 逆 变 电 路欢迎下载精品学习资源目录第 1 章 绪论1第 2

2、章 SPWM 变频调速系统基本原理22.1 SPWM 变频调速系统基本原理22.2 常见 SPWM 信号产生方法3第 3 章 硬件设计43.1 系统硬件设计总方案地确定43.2 带有波形发生器地微处理器芯片地挑选53.3 主电路地设计63.3.1 三相电压型桥式逆变电路63.3.2 SPWM 主电路地设计73.4 隔离和驱动电路83.4.1 抗干扰电路83.4.2 光耦隔离驱动电路83.5 电源稳压电路93.6 过流过压爱护电路113.7 系统总地硬件电路图12第 4 章 软件地设计134.1 系统软件设计流程图134.2 SPWM 波地产生144.3 调速信号检测15第 5 章 课程设计总结

3、17参考文献18欢迎下载精品学习资源第1章 绪论二十世纪末以来，电力电子技术及大规模集成电路有了飞速地进展，在此技术背景下 SPWM电路构成地变频调速系统以其结构简洁、运行牢靠、节能成效显著、性价比高等突出优点而得到广泛应用.为了提高整个系统地掌握成效，高性能 SPWM 脉冲形成技术始终是人们不断探究地课题 .而模拟电路和数字电路等硬件电路来产生SPWM波形是一种切实可行地方法，但是这种方法掌握电路复杂、抗干扰才能差、实时调剂比较困难.随着集成电路技术地飞速进展，特殊是单片机功能地日益强大和成熟，使得以前需要昂贵地专用 SPWM芯片产生 SPWM，现在用单片机产生 SPWM已成为可能 . 本文

4、介绍了一种利用 80C196KC单片机实现输出频率可变 SPWM波形地方法 .SPWM 技术地基本原理是利用一个三角波载波和一个正弦波进行比较，得到一个宽度按正弦规律变化地脉冲序列，用它们来驱动逆变器件地开关转换 .在本课题里对目前产生 SPWM 地各种算法进行比较和讨论 .挑选一种合适地算法面积等效法来实现正弦波脉宽调制，同时对当前最有前途地功率器件绝缘栅双极晶体管 IGBT 地性能，爱护电路和驱动电路进行了探讨 .利用 80C196KC 单片机为掌握核心产生 SPWM 波，经过爱护、隔离、驱动电路后地 SPWM 波，掌握三相全桥逆变电路产生一个频率和电压都可调地沟通输出，经滤波电路后供应负

5、载使用 .欢迎下载精品学习资源第 2 章 SPWM变频调速系统基本原理2.1 SPWM 变频调速系统基本原理PWM 地原理，就是面积等效原理，在采样掌握理论中有一个重要地结论：冲量相等而外形不同地窄脉冲加在具有惯性地环节上时，其成效基本相同.所以可用等幅值地不同宽度地脉冲来等效一些想要地波形.PWM 技术是利用半导体开关器件地导通与关断把直流电压变为电压脉冲序列，并通过掌握电压脉冲宽度或电压脉冲周期以达到转变电压地目地，或者通过掌握电压脉冲宽度和电压脉冲序列地周期以达到变压和变频地目地 .变频调速中，前者主要应用于PWM 斩波（ DCDC 变换），后者主要应用于 PWM 逆变（ DC AC 变

6、换） .PWM 脉宽调制是利用相当于基波重量地信号波当前逆变电源地掌握技术中，滞环掌握技术和SPWM掌握技术是变频电源中比较常用地两种掌握方法 . 滞环掌握技术开关频率不固定，滤波器较难设计，且掌握复杂，难以实现； SPWM掌握技术开关频率固定，滤波器设计简洁，易于实现掌握. 当二者采纳电压电流瞬时值双闭环反馈地掌握策略时，均能够输出高质量地正弦波，且系统拥有良好地动态性能.（调制波）对三角载波进行调制，以达到调剂输出脉冲宽度地目地.相当于基波重量地信号波（调制波）并不肯定指正弦波，在PWM 优化模式掌握中可以是预畸变地信号波，正弦信号波是一种最通常地调制信号，但决不是最优信号.依据面积等效原

7、理， PWM 波形和正弦波是等效地，而这种地宽度按正弦规律变化而和正弦波等效地 PWM 波形，也称为 SPWM（ Sinusoidal PWM）波形.欢迎下载精品学习资源2.2 常见 SPWM 信号产生方法方案一：模拟调制器法.该方法由正弦调制波发生电路、三角载波发生电路和模拟电压比较器三部分组成.而这种掌握电路要实现调频、调压都离不开CPU、EPROM 、AD、D A 转换器等 .所以该电路复杂、器件分散性大、牢靠性差.方案二：专用芯片法 .如英国 Mulend 公司地 HEF4752 和德国西门子公司地SLE4520 等.该方法地优点是电路集成度高、牢靠性高，缺点是无法全面实现对调速系统地

8、反馈掌握、监视治理和爱护工作，故一般也要协作单片机实现.方案三：软件生成法 .该方法要考虑指令功能、储备容量和运算速度是否影响实时性，如采纳 89C51 单片机查表法生成 SPWM 掌握脉冲列地方法 .在本课程设计中 ,采纳 80C196KC 单片机直接生成三对互补地SPWM 脉冲信号 .80C196KC 本身 带有 8 路 A/D转换器 ，使得 A/D转换非 常便利 .另 外80C196KC 带有三个 PWM 口，可便利地产生三路互补地PWM 脉冲信号 .假如要提高其辨论率可以挑选高速输出口HSO.0 HSO.5 来产生 PWM 脉冲信号 .系统中地脉冲安排延时电路及驱动电路、PWM 功放电

9、路、电流检测及速度检测电路仍采纳模拟电路 .这样结合了模拟和数字地优点 ,使整个调速系统既具有速度快 ,稳固性好地优点 ,又可提高调速精度 .欢迎下载精品学习资源第3章 硬件设计3.1 系统硬件设计总方案地确定在三相沟通电源供电地情形下，共需经过八个主要模块完成整个调速过 程.第一主电路是三相桥式全控整流电路，然后经掌握电路，输出地三相 SPWM再者由电容滤波器滤波获得直流电源，最终经IGBT 逆变电路逆变， 得到可调沟通电源.IGBT 为场控输入器件，输入功率小.确定主电路模块之后，采纳电流转速双闭环调制系统，同时确定电源电路模块,爱护电路模块， 检测电路模块，驱动电路模块等.硬件电路总体框

10、图如图 3.1所示.电源电路整流电路逆变电路电动机隔离电路检测电路爱护电路驱动电路电流转速双闭环调制电路80C196KC单片机图3.1 系统硬件电路总体框图欢迎下载精品学习资源3.2 带有波形发生器地微处理器芯片地挑选80C196KC是 CHMOS高 性 能 16 位 单 片 机 中 地 一 个 新 分 支 , 内 部EPROM/ROM 为 16b，内部 RAM 为 488b，有 24b 地专用寄存器 .80C196KC 中采纳了“垂直窗口 ”结构，使得新增地256BRAM 通过窗口映射同样可以作为通用寄存器来拜访 .80C196KC 可以采纳 16MHz 地晶振，内部时钟是2 分频，其运行速

11、度比 12MHz 地 80C196KB 快 33%，比 12MHz 地 8096BH 快 1 倍.因此选用80C196KC 作为本课程设计地微处理器芯片.80C196KC 芯片是 16 位 MCS_196 系列单片机地重要成员，在工程应用领域有着广泛地应用 .80C196KC 单片机共有 5 个 8 位地并行 I/O 端口： P0、P1、P2、P3 和 P4 口.虽然看起来 I/O 端口较多，但 P0 口同时用作片内 A/D 转换器地输入引脚 ACH.0 ACH.7； P2 口是多功能口，其中 P2.0 P2.5 共有六个脚，具有复用功能，与芯片地其他功能共享；P3 口和 P4 口一般用作系统

12、总线AD0 AD15 ，通常不能再作 I/O 口，这样当构成单片机应用系统后，只剩下P1 口作为一般 I/O 口使用.而实际应用中，常需进行 I/O 口地扩展 .在单片机扩展 I/O 口时， 可使用 8155和 8255 等芯片 .除此之外，仍可用其他地集成电路芯片进行扩展.最小系统是指能使单片机工作而所加地最少地外围设备，一般包括复位电路和晶振电路等 .80C196KC 地最小系统如图 3.2 所示.欢迎下载精品学习资源C 1C 298 76 54 326 61 8 76656463626161 01 11 21 31 41 51 61 77.0P6.0 2.0P PP0 .5P0 .40.

13、01.0 3.0P P PI M NAc 1 s 2HTEV LAV LATUT XTDIOT S NIEL AXWKLSUCD RP3 .0P3 .1C 3R 1+5 V1 81 92 02 12 22 32 42 52 66 05 95 85 75 65 55 45 35 25 15 04 94 84 74 64 54 4D11 122 2H7282 920313 23 343 53 637383 930414 24 34234A NG N DV RE FBP3 .2P3 .3V ssP3 .4P2 .2P3 .5R ESE TP3 .6P2 .1P3 .7P2 .08 0 C1 9 6

14、K CP4 .0P1 .0P4 .1P1 .1P4 .2P1 .2P4 .3P1 .3P4 .4P1 .4P4 .5H SI.0P4 .6H SI.1P4 .7H SO.45.0.1.2.3.YP2 .3OS OS OS5.6.7.6. OSOSssp7.5.RE4.2AEH H HPPPPHHVVP PWBPR图3.2 80C196KC 地最小系统3.3 主电路地设计主电路由三相整流桥、滤波器、三相电压型桥式逆变电路组成 .三相沟通电经桥式整流后，得到脉动地直流电压经电容器滤波后供应逆变器 .二极管整流桥把输入地沟通电变为直流电 .3.3.1 三相电压型桥式逆变电路绝缘栅双极晶体管（ Ins

15、ulated-gate Bipolar Transistor）,英文简写为IGBT.它欢迎下载精品学习资源是一种典型地全控器件 .它综合了 GTR 和 MOSFET 地优点，因而具有良好地特性.现已成为中、大功率电力电子设备地主导器件 .用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路 .但在三相逆变电路中，应用最为广泛地仍是三相桥式逆变电路.采纳六个 IGBT 和六个续流二极管组成地双极式PWM 可逆变换器如图 3.3 所示，可以看成是由三个半桥逆变电路组成.图中 QlQ6 是逆变器地六个功率开关器件，各与一个续流二极管（ D1 D6）并联 .Q 1D 1Q 3D 3Q 5D 5Q 4D 4Q

16、6D 6Q 2D 2图3.3 三相电压型桥式逆变电路3.3.2 SPWM 主电路地设计整流电路是电力电子电路中显现最早地一种，它地作用是将沟通电变为直流 电供应直流用电设备 .本课题中主电路中地整流器是由六个二极管（D7 D12组成，二极管整流器虽是全波整流装置，但由于其输入端有滤波电容存在，只有当沟通电压幅值超过电容电压时，才有充电电流流通，沟通电压低于电容电压时， 电流便终止，因此输入电流呈脉冲波形.这样地电流波形具有较大地谐波重量， 使电源受到污染 .为了抑制谐波电流，对于较大容量地 PWM变频器，都应在输入端设有进线电抗器 .六个IGBT 和六个续流二极管组成三相桥式全控整流电路.如T

17、图3.4所示.SD F345欢迎下载精品学习资源Q 1D 1Q 3D 3Q 5D 5D 7D8D9C 1UaUb Uc23Q 4D 4Q 6D 6Q 2D 2D 10D11D12C 2图3.4 SPWM主电路3.4 隔离和驱动电路3.4.1 抗干扰电路本设计采纳了光耦隔离器，光耦隔离器可以很简洁将主回路地强电和掌握回路地弱电相隔离，使主回路和掌握回路更好地结合图3.5所示.光耦隔离器地电路示意图如234图3.5 光耦隔离器3.4.2 光耦隔离驱动电路驱动电路地作用是将单片机输出地脉冲进行功率放大，以驱动IGBT ，保证IGBT 地牢靠地工作 .对 IGBT 驱动电路地要求如下：（1） 供应适当

18、地正相和反向输出电压，使IGBT 牢靠地开通和关断 .（2） 供应足够大地瞬态功率瞬时电流，使IGBT 能快速地建立栅控电场而导通.（3） 尽可能小地输入输出推迟时间，以提高工作效率.欢迎下载精品学习资源（4） 足够高地输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘.（5） 具有灵敏地过流爱护才能 .如图 3.6 所示.+5VR 1+15VR 2U 1R 3Q 1CG ND图3.6 光耦隔离地 IGBT 驱动电路3.5 电源稳压电路稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成.变压器把沟通电压变为所需要地低压沟通电.整流器把沟通电变为直流电 .经滤波后，稳压器再把不稳固地直流电压变为稳

19、固地直流电压输出.稳压电源地技术指标可以分为两大 类：一类是特性指标，如输出电压、输出电滤及电压调剂范畴；另一类是质量指 标，反映一个稳压电源地优劣，包括稳固度、等效内阻（输出电阻）、纹波电压 及温度系数等 .因此要求电压调剂范畴越大越好，稳固性好，输出电阻小，输出电压纹波小等优点 .常用地集成稳压器有LM78xx 系列和 LM79xx 系列.78XX 系列集成稳压器输出地是正直流电压， 79XX 系列是常用地固定负输出电压地三端集成稳压器，除输入电压和输出电压均为负值外，其他参数和特点与78XX 系列集成稳压器相同 .如图 3.7 所示为 LM7815 和 LM7805 以及整流桥构成地稳压

20、电路，其中C1、C2 分别为输入端和输出端滤波电容.欢迎下载精品学习资源123LM 7 8 1 513+1 5VV inDNV o u tG1C 2D2C 1T42G NDG NDC 1C 23LM 7 8 0 513+5 VV inDNV o u tG2LM 7 8 1 513+1 5VV in DV o u tNGC 22C 1G NDC 1C 2LM 7 8 0 513V in+5 VDNV o u tG2LM 7 8 1 513V in+1 5VDNV o u tGC 22C 1G NDC 1C 2LM 7 8 0 513V in+5 VDNV o u tG2LM 7 8 1 5+1

21、5V13V in DV o u tNGC 1C 22G NDC 1C 2LM 7 8 0 51V in3+5 VDNV o u tG2123图 3.7 电源稳压电路欢迎下载精品学习资源3.6 过流过压爱护电路逆变器中地 IGBT 模块是变频器地主要部件，也是最昂贵地部件 .由于它工作在高频、高压、大电流地状态，所以也是最简洁损坏地部件 .因此IGBT 模块地爱护工作显得特别重要 .在主电路中，当上、下桥臂直通时，电源电压几乎全加在了开关管两端，此时将产生很大地短路电流， IGBT 饱和压降越小，其电流就会越大，从而损坏器件 .依据以上地分析，设计一个具有过流过压爱护功能电路，如图 3.8所示为

22、NE555定时器构成地具有过流过压爱护功能地电路 .当电路处于爱护状态时，与非门G1输出2 低电平，非门 G3输出高电平 .或者当电路处3 于爱护状态时，与非门 G14输出高电平，非门 G3输出低电平 .此时电路处于爱护状态 .85K4C 15G 165KG 33C 22G 275KTR图3.8 过流过压爱护电路欢迎下载精品学习资源3.7 系统总地硬件电路图如图 3.9 所示.234560 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 9 8 7 6 5 46 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 4 4 4 4 4 480 C1 96K C0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5

23、6 7 3. . . . . . . . . . . . . . . . .C 2R 2+5VR 1+15VR 3U 1C 1Q 1C61626364656667681234567893 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 2PR DP P P P P P P P P P P P P P P PA LE INS TB US W IDT H C LK OU TX TA L2 X TA L1V ss V cc EAN MIP0.3P0.1 P0.0P0.2G NDDP0.N6FT E4.5.P0.0 N07RP PA VG4.Ess E2S2.1.0. 1.OREA DY

24、P2.4 B HEWR P2.5 P2.7V ppV ss H SO.3 H SO.2 P2.6P1.7 P1.6 P1.5H SO.1H SO.0 H SO.54342414039383736353433323130292827V RP2 2 1 10. 0. 1. 2. 3. 4. I IP P P P P P P H H H1 1 1 S S S0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 61 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2Q1D 1Q3D 3Q 5D 5D 7D 8D 9C 1R 1Ua UbUcTGNDQ4D 4Q6D 6Q 2D

25、2D 10D 11D 12C 3C 24D+5 V31GND2C 1C 2C 1C 2C 1C 2C 1C 211111111ni VLM7 805ni VLM7 815ni VLM7 805ni VLM7 815ni VLM7 805ni VLM7 815 ni VLM7 805ni VLM7 81522GNDo VGNDt u oV2GND2G ND2G ND2GND2GND2G NDt ut uttttto Vuo Vuo Vuo Vuo Vuo V33C 2C 13C 2C 133C 2C 133C 2C 13+Title+5V15V+5V+5V+5V+15V15VGNDGNDG ND

26、SizeN u mbGNeDr15VDCBATitleBD ate:4-Ju l-2 0 1 3Sh ee欢迎下载精品学习资源SizeN umber File:学习 课程设计1Rhevaisnio ynap in g My D esig n 1D.rDawd欢迎下载精品学习资源34B5D ate:5-Jul-201 3Sh eet of File:学习沟通调速课设han yapingMyD esigDnr.dadwn bB y:23456图 3.9 系统总地硬件电路图欢迎下载精品学习资源第4章 软件地设计4.1 系统软件设计流程图系统软件主要有系统主程序和中断服务程序以及其他子程序组成.主程序

27、如图4.1所示，完成初始化工作，中断服务程序主要由HSO 中断，其他有从 HSO.0 口输出连续脉冲 A/D 转换完成读取程序键盘输入及显示子程序及用P2.5口产生地 PWM 波完成 D/A 转换程序 .数据采样是通过 A/D 转换与软件定时器地中断服 务程序相结合完成地 .每个周期测量开头由主程序确定模拟通道；用软件定时器定时，然后启动 A/D 转换.软件定时器定时时间到进入软件定时器中断服务程序，由软件定时器中断服务程序中返回主程序完成一个周期地采样过程.主程序初始化欢迎下载精品学习资源关中断有关寄存器初始化开中断启动 A/D 转换等待中断图4.1 主程序流程图4.2 SPWM 波地产生8

28、0C196KC 中地高速输出器 HSO 用于按程序设定时间去触发某一大事，被 触发地大事包括：复位定时器T2，接通多达六根输出线（ HSO.0HSO.5）等.同一时刻可以触发 8个大事 .程序设计特别简洁，只需写入命令和预定触发时间.因此可以利用定时器 T2作为 HSO 地时间基准，且定时器 T2采纳内部时钟，让输出地脉冲周期等于T2地复位周期 .那么中断服务流程和波形驱动程序如图 4.2所示.子程序启动欢迎下载精品学习资源延时 8 个状态周期欢迎下载精品学习资源立刻启动脉 冲 正跳变延时 8 个状态周期脉冲正跳变 并答应中断给 HSO_TIME 送低电平常数欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学

29、习资源脉冲负跳变 并终止中断给 HSO_TIME 送脉宽时间常数延时 8 个状态周期终止欢迎下载精品学习资源图4.2 连续脉冲子程序地流程4.3 调速信号检测电机调速掌握信号地周期通常在1100s至 1900s之间，因此设定 PWM 地占空比显得尤为重要 .在 80C196KC 单片机中，使用内部定时器作为检测信号地基准时钟 .程序检测调速掌握信号地上升沿和下降沿，依据基准时钟运算出脉冲时间，然后设置 PWM 地占空比 .软件流程图如图 4.3 所示.外部信号检测欢迎下载精品学习资源判 断 信 号状态？上升沿信号下降沿信号记录下降沿时间记录上升沿时间运算脉冲时间设置 PWM 占空比退出中断程序

30、图4.3 软件流程图欢迎下载精品学习资源第5章 课程设计总结通过这次课程设计，我把握了各种器件和仪器地地识别和测试；熟识了恒压 频比调速地方法；以及如何提高电机地性能等等，把握了SPMW 技术地方法和技术.本论文地主要创新点在于 :利用单片微机产生 SPWM 波形掌握逆变开关地通断，掌握算法简洁编程实现，实现了全数字化掌握，结构简洁，与采纳模拟器件 相比，削减了生产成本，性能良好；具有易于转变掌握算法、程序易于移植、控 制精度高、牢靠性好等优点，采纳变频技术后，可以节约大量地能源，有良好地 经济价值和环保成效 .这种系统在电力电子设备与人们生活日益亲密地今日有着广泛地应用 .通过此次课程设计，

31、使我更加扎实地把握了有关沟通电机调速方面地学问， 在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次地摸索，一遍又一遍地检查最终找出了缘由所在，也暴露出了前期我在这方面地学问欠缺和体会不足.实践出真知，通过亲自动手制作，使我们把握地学问不再是纸上谈兵.在课程设计过程中，我们不断发觉错误，不断改正，不断领会，不断猎取. 最终地检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉 ”地知行观 .这次课程设计最终顺当完成了，在设计中遇到了许多问题，最终在老师地指导下，最终游逆而解 .在今后社会地进展和学习实践过程中，肯定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，肯定要不厌其烦地发觉问题所在，然后一一进行解决，

32、只有这样，才能胜利地做成想做地事，才能在今后地道路上劈荆斩棘，而不是知难而 退，那样永久不行能收成胜利，收成欢乐，也永久不行能得到社会及他人对你地认可！我认为，在这学期地课程设计中，不仅培育了独立摸索、动手操作地才能，在各种其它才能上也都有了提高.更重要地是，我们学会了许多学习地方法.而这是日后最有用地，真地是受益匪浅.要面对社会地挑战，只有不断地学习、实践，再学习、再实践 .这对于我们地将来也有很大地帮忙.以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻好玩地事情，发觉其中宝贵地事情.就像中国提倡地艰苦奋斗一样，我们都可以在试验终止之后变地更加成熟，会面对需要面对地事 情.欢迎下载精品学习资源参

33、考文献1. 王晓明.电动机地单片机掌握 .北京：北京航空航天高校出版社， 2002. 2. 张毅刚.MCS51 单片机应用设计：哈尔滨工业高校出版社，2001. 3. 王兆安 黄俊.电力电子技术 .北京机械工业出版社， 2000.4. 李朝青.单片机原理及接口技术 .北京:北京航空航天高校出版社， 2003. 5. 张立科.单片机典型模块设计实例导航 . 北京人民邮电出版社， 2004. 6. 韩志军.单片机应用系统设计 -入门向导与设计实例 .机械工业出版社 . 7. 赵相宾.谈我国变频调速技术地进展及应用 .电气传动， 20008. 谭政华 .智能化逆变电源地研制极SPWM 波软件生成，上海交通高校20009. 陈伯时.电力拖动自动掌握系统 .北京机械工业出版社， 1991.欢迎下载