基于单片机的spwm控制系统设计毕业论文设计.doc
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1、本科毕业设计题目:基于单片机的SPWM控制系统设计学 院:信息科学与工程学院专 业:学 号:学生姓名:指导教师:日 期:武汉科技大学本科毕业论文摘 要论文主要目的建立基于单片的SPWM调控系统,即用单片机产生SPWM波,其中,脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形称为SPWM波。本论文中主要是根据SPWM法的原理,即通过控制电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,并且在惯性环节上的效果基本相同,从而达到等效的效果。根据这个原理,先利用MATLAB计算出基波与载波的交点,计算出交点之间的持续时间,根据持续时间的值在单片机程序中建立一个
2、数组,数组中的元素就是赋予定时器的初值,当定时器溢出时,输出电平自动翻转,继而查表,赋予下一个电平的持续时间,这样一直反复下去,就可以得到一个SPWM波形。最后在protues中仿真,在示波器中可以看到SPWM波的波形。关键词:单片机; Matlab; 查表; SPWM;仿真AbstractThe main purpose of the paper to establish a SPWM regulatory system based on single chip microcomputer , namely, Using a single chip microcomputer to gene
3、rates SPWM wave,Among them, the pulse width changed by the law of sine is equal to the sine wave,this PWM wave calls SPWM wave.This paper is mainly based on the principle of SPWM law, namely, the switch-off device in the control circuit is on or off , So that the area of pulse voltage output and the
4、 area of the desired output sine wave in the corresponding sections are equal,And the effect on the inertia is substantially same, So as to achieve the equivalent effect, According to this principle, First using MATLAB to calculate the intersection of fundamental and carrier wave, Then calculating t
5、he duration between intersections, Based on the value of the duration ,Create an array in the microcontroller program, Elements in the array is initial value assigned to the timer, When the timer overflows, the output level will automatic reverse. Then look up table, Given the next duration of elect
6、rical level, Finally we simulate in protues ,then you can see the SPWM wave on the oscilloscope.Key words:Single chip microcomputer; MATLAB; Look-up table; SPWM; The simulation目 录1 绪论11.1 研究的背景及意义11.2 研究目的及内容22 主电路工作原理42.1 PWM控制的基本原理42.2 SPWM法的基本原理52.3 PWM控制方法52.3.1 计算法52.3.2 调制法62.4 同步调制和异步调制62.4.1
7、 异步调制62.4.2 同步调制62.5 规则采样法73 单极性和双极性PWM控制逆变电路分析93.1 单相桥式PWM逆变电路93.1.1 原理图93.1.2 单极性PWM控制方式93.2 双极性PWM控制方式104 基于MATLAB的分析以及交点计算124.1 MATLAB简介124.2 查表产生SPWM波理论分析124.3 Matlab计算程序及仿真图形结果135 单片机程序设计195.1 AT89C52介绍195.2 程序设计流程图225.3 C语言实现程序235.3.1 程序运行软件Keil uVision2简介235.3.2 主程序245.3.3 中断程序255.4 仿真工具prot
8、ues介绍255.5 仿真电路图265.6 仿真显示266 结论28参考文献29致 谢30311 绪论1.1 研究的背景及意义随着科技的飞速发展,逆变器的使用越来越广泛,逆变器能够将直流电源转换为具有所需输出电压和频率的交流电源。在换流器模式下,能够操作相位的转换器被称为线换向逆变器。但线路换向逆变器要求在输出端存在有用于换向的交流电源。这意味着线路换向逆变器不能用作隔离式AC电压源或变频发电机直流电源。因此,在整流逆变器的交流侧电压电平,频率和波形不能被改变。另一方面,换向力的逆变器提供了一个独立的电压可调和频率可调的交流输出电压,并因此更广泛的应用。逆变器的输入电源是从现有的供电网络,或从
9、旋转交流发电机通过整流器或电池,燃料电池,或从光伏阵列或磁流体动力发生器获得的。滤波电容器通过逆变器的输入端来提供一个恒定的直流链路电压,因此,该逆变器是一个可调节频率的电压源。逆变器可大致分为两种类型,电压源和电流源逆变器。电压反相器(VFI)或电压源逆变器(VSI)是其中一种具有小的或可忽略不计阻抗的直流源的逆变器。其在输入端上的电压是恒定的,电流源逆变器(CSI)被从高阻抗直流源获得的可调节的电流反馈回来,因此还是一个恒定的直流调节电流。其中,PWM技术在逆变器电压源中起着至关重要的作用。PWM技术的发展使得对电动机转速或者说速度的控制更加容易,它可以通过控制PWM波的占空比,从而控制电
10、动机的转速。由于几乎所有的逆变电路中都要通过用到PWM技术把直流电转化为交流电,所以在电力电子技术中,PWM技术是必须掌握的一门技术。脉宽调制技术是根据各个负载调制FET栅极或集体管理的基极偏置的变化是正向偏置或反向偏置和晶体管的开启时间,来控制模拟开关电源电路的输出控制模式,该模式可使电源电压的变化趋于稳定,其工作方式是利用单片机来离散控制的非常有效的输出技术。控制简单灵敏和动态响应好的的PWM技术在电力电子技术被广泛应用,并且被人们紧密关注,研究,也是大学电子学中必学的一部分。由于对具有控制电流是否导通功能的开关器件的研究越来越深入以及让对它们的使用更加广泛,PWM技术在电力电子技术行业,
11、如:风力发电系统、电机调速系统、直流供电系统等领域也得到使用。目前已经提出并且被人们经常使用的PWM控制方案就超过数十种。起初,PWM控制方案就几种,但是在随着微处理器的研究发展,并且在应用于PWM技术之后,控制方案就开始日益增多,并且要求也越来越高。PWM控制技术发展逐渐完善。并且越来越多的控制方案被提出,研究氛围越来越浓厚。而且不少方法已经趋于成熟,有许多已经被人们应用于实际应用中。在通信领域,由于PWM控制有具有很强的抗干扰力,在输入端,人们一般先把模拟信号转换为脉宽宽度调制信号,然后在输出端再转换回来,并且通过低通滤波器滤掉高次谐波,这样可以大大延长通信距离。由于PWM不仅能够具有低通
12、滤波器的特点能够滤除高频波,还能够实现交流和直流之间的相互转换,因此,它还应用于调速交流驱动器,感应加热,待机飞机电源,UPS(不间断电源)等等其他能量变换系统中。SPWM即正弦脉宽调制被广泛应用于电力电子,从而获得数字化电源 ,以致能够可以通过接通和断开电源开关来产生离散的电压脉冲信号.几十年内脉宽调制逆变器在电力电子方面作为主要选择而用于电源调控,由于其电路简单,坚固耐用并且容易控制 所以SPWM开关技术在工业应用中也被经常使用。SPWM技术的特征是恒定幅度的脉冲在每个周期中具有不同的占空比为。通过对脉冲的宽度进行调制,从而进行对逆变器输出电压控制,并减少它的谐波含量,正弦脉宽调制或SPW
13、M是在电机控制和变频器应用大多使用的方法,在单极和双极PWM控制发展中SPWM电压调制型被选择,因为这种方法提供了有效地加倍逆变器电压的开关频率的优点,从而使输出滤波器更小,更便宜且更容易实现,以往,为了产生该信号,三角波作为载波信号与正弦波相比,且其频率为期望的频率。然而,国外对于SPWM控制的研究要远远领先于国内,它已经经历三了发展阶段,第一个发展阶段是采用晶闸管作为开关器件,然而由于晶闸管抗干扰性差,容易发生错误的导通,并且它的动态过度能力差,容易在预计关闭导通的地方继续导通,所以这个时代很快的就结束了。第二个阶段是采用自动关断器件作为开关器件,第三个阶段是采用实时反馈控制技术,使逆变电
14、源的性能得到提高。近年来,由于单边机体积小,功能多,又便宜,集成度又高,所以人们对单片机的研究越来越深入,并且单片的应用范围也越来越广泛,使得人们看好两者之间的结合,于是开始对基于单片机的SPWM控制系统也开始进行研究。所以,基于单片机的SPWM控制系统的研究是非常必要的。1.2 研究目的及内容所谓PWM控制技术,是一种能够控制电压幅值、控制频率大小以及消除高次谐波的一门技术,它通过利用开关器件的开通和关断能把直流电压变成具有一定形状的电压脉冲序列1。长久以来,人们对自关断器件的研究已经发展到一定地步,其为PWM技术的发展铺平了道路,并且PWM技术可以改善输出波形,从而减小脉动、降低谐波损耗,
15、同时使逆变器的结构变得更加简单,使调节速度变快,系统的动态响应性能更好。所以当代几乎所有的变频调速装置都是采用PWM技术。PWM技术可以通过对晶闸管,二极管,场效应管的控制不仅可以把直流电转换为交流,也可以把交流电转化为直流电,人们对PWM整流器的开发研究已经取得很大进展,利用PWM技术以实现把直流电流转化成正弦化的电流,且使其电网的有用功功率非常高。所以、PWM整流器被人们称为对电网控制无污染的“绿色”变流器。脉冲宽度调制技术是一种根据场效应管沟道内的载荷的变化来调制场效应管正偏或反偏,根据晶体管导通时间来决定输出电压的幅值,这样就不需要时时刻刻改变输入电压的幅值,仅仅只需要改变开关导通的时
16、间,这样就可以稳定的调节输出电压,从而使对电压的调节更加方便,更加稳定。近年来,由于计算机控制技术的研究越来越深入,数字PWM控制技术已逐渐取代了模拟PWM控制技术,已成为电力电子设备中使用的主要技术。由于PWM技术的发展进步,使得交流电机调速性能不断提高的。其中,三个开发规则的叠加空间矢量PWM控制方法被广泛采用的准最优PWM控制方法的人采样PWM控制方式和电压谐波的基础上,和这两种控制方法可以很容易地控制,计算简单,易实现。脉宽调制技术是根据各个负载调制FET栅极或集体管理的基极偏置的变化是正向偏置或反向偏置晶体管的开启时间根据模拟开关电源电路的输出控制模式,该模式可使电源电压的变化输出电
17、压时钟稳定的条件下,在工作方式改变是利用微处理器以离散模拟电路控制的非常有效的技术的数字输出。本次研究的目的就是利用单片机产生SPWM波。,2 主电路工作原理2.1 PWM控制的基本原理PWM控制的基本原理:形状不同当时波形随时间的积分即面积或者说是冲向相等的输入脉冲波形经过惯性环节可以或得获得的输出波形几乎一样,既输出环节的响应基本相同。如果把各输出波形在傅里叶变换后进行分析,则可以看出其低频段非常接近原有波形,仅在高频段略有不同1。如图2.1所示的三个波形不相同,电压随时间的积分大小为1个三个脉冲,当它们分别加在如图2.2 (a)所示的同一个R-L环节上时,则其输出响应波形基本相同。其中脉
18、冲为冲激脉冲函数时,环节的响应即为(d)图的电路输出与输入之比的系统函数。它们的输出波形基本相同且如图2.2(b)所示。 (a) (b) (c) (d)图2.1 冲量相等、形状不同的窄脉冲(a) (b)图2.2 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲及响应波形2.2 SPWM法的基本原理脉冲幅值相等并且脉冲宽度按正弦规律变化并与正弦波等效的PWM波称为SPWM(sinusoidal PWM)波形1。如图2.3所示,通过对如图的波形的截止频率除以一个确定数据后,如K,就可以分成K个等份,它可以被认为是由K个靠在一起的矩形脉冲所组成的波形,这些幅值不相等的脉冲波形的宽度个个都相等。如果把它用如图所示的幅值
19、相等,而脉冲宽度个个不相等的矩形脉冲来代替这些脉冲序列,使矩形脉冲和正弦波部分的中点重合,并且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等,则可得到如图所示的矩形脉冲序列,这就是SPWM波形1。一般使用的PWM开关技术逆变器具有一个直流输入电压,它通常幅度恒定。逆变器的工作是控制该输入电压和输出交流的幅度和频率。有迹象表明,脉冲宽度调制可以被输出是交流电源的模型通过许多不同的方式实现。一种常用技术称为正弦脉宽调制技术。为了输出一个正弦波形在一个特定的频率下特定的正弦控制信号频率,一般需要与一个三角波形相比较。在使用SPWM波进行调制时,畸变系数和低次谐波被显著降低。图2.3 用PWM波来代替正弦半波2
20、.3 PWM控制方法2.3.1 计算法 计算法就是在知道输出波形的频率,幅值,以及半个周期内的脉冲个数之后,计算出他们离散的宽度和间距的实际值,从而准确的控制开关的通断时间,来控制PWM波的占空比,得到所需要的波形1。2.3.2 调制法调制是以基波作为调制信号,把接收到的调制信号作为载体,通过调节基波以获得所需的输出波形。,由于对称的等腰三角形波有着线性关系的高度和宽度,所以可以在任何一个的基波与载波的交点,通过对电路接通和断开开关器件,来控制电平高低,以获得更平缓调制信号,并且到的脉冲宽度与信号振幅成正比,这正好符合PWM控制的要求,所以三角波用得较多。2.4 同步调制和异步调制所谓载波比,
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