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1、/453 学校代码：11517学号：8HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING毕业论文题目三相交流电动机变频调速系统的设计学生徐全县专业班级电气工程与其自动化一班学号8系（部）电气信息工程系指导教师(职称)梅（教授）完成时间2012 年 5 月 29 日I/45工程学院论文使用授权书工程学院论文使用授权书本人完全了解工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项容：按照学校要求提交论文的印刷本和电子版本；学校有权保存论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以与提供本论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向
2、国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部容用于学术活动。论文作者签名：年月日II/45工程学院毕业设计工程学院毕业设计(论文论文)原创性声明原创性声明本人重声明：所呈交的论文，是本人在指导教师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的容外，本论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的容。对本论文所涉与的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。III/45论文作者签名：年月日毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书题目题目三相交
3、流电动机变频调速系统的设计三相交流电动机变频调速系统的设计专业专业电气工程与其自动化电气工程与其自动化学号学号 8 8 徐全县徐全县主要容、基本资料、主要参考资料等主要容、基本资料、主要参考资料等:主要容：主要容：在设计时充分考虑变频器输出电压和电流中所包含一系列的高次谐波给电机性能带来的不利影响，这包括对电机的额定电流、功率因数、损耗与效率的影响。变频器在三相异步电动机变频调速中的应用与调速原理，其中包括转速调节，电流调节和系统保护。同时主要介绍单片机在三相交流异步电动机变频调速系统方面的应用，而且用单片机设计出控制三相交流异步电动机变频调速 SPWM 波发生器的硬件电路和汇编语言软件应用程
4、序。基本要求：基本要求：三相交流电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，的道理广泛的应用，其主要缺点是调速空难。正由于此，通过此课程设计，实现三相异步电动机的变频调速控制与应用。参考资料：参考资料：IV/451 仲如，变频调速三相异步电动机的设计特点M机电技术 2003 年2 震，PLC 在三相交流异步电动机变频调速中的应用M工矿自动化3 炎，变频器在交流电动机调速系统中的应用J工矿自动化 2003完成期限：指导教师签名：专业负责人签名：2012 年2 月22 日/45目录中文摘要英文摘要I1 绪论01.1 概述01.2 研究目的与意义02 三相交流电机变频调速系统电路的总体设计12.1
5、变频调速原理12.2 变频调速系统电路总体设计23 主电路的设计43.1 主电路介绍43.2 整流电路53.2.1 二极管的选择 63.2.2 滤波电容的选择 63.3 三相逆变电路的设计63.3.1 大功率开关管 93.3.2 压敏电阻的选择 94 单片机控制的变频调速系统104.1 系统框图114.2 硬件系统原理图125 控制电路的设计135.1 驱动模块的设计135.1.1 MC3PHAC 在变频调速系统中的应用 135.1.2 MC3PHAC 在变频调速系统中的工作原理 14I/455.2 单片机的选取155.3 SA4828 芯片产生 SPWM165.4 其他模块简介195.4.1
6、 串口通信 195.4.2 LED 显示器 225.4.3 保护电路 235.4.4 A/D 转换器设计 245.4.5 速度反馈 256 系统软件设计267 结论30致32参考文献33/45三相交流电动机变频调速系统的设计摘要本文介绍了一种利用专用集成电路 SA4828 设计电机变频调速的方法。系统主要包括主电路与控制电路，其中主电路通常采用交-直-交方式，先将交流电转变为直流电(整流，滤波)，再将直流电转变为频率可调的交流电（逆变）。整流部分用的是三项桥式整流电路，逆变电路采用的是三项桥式逆变电路。控制电路由 MCS-52 系列的8052 单片机最小系统和SA4828三相SPWM 产生器与
7、少量的扩展外围芯片构成，充分发挥其控制电路简单、控制方式灵活、输出波形优点多的特点，结合相应的软件，实现电机的调速要求,并且用 8 位 LED 分别显示给定转速nO和实际转速n，一目了然。驱动电路用 MC3PHAC 芯片，MC3PHAC 是摩托罗拉(Motorola)公司生产的。其中主要容包括：SA4828 的特性介绍与变频系统的主电路、驱动电路、保护电路、速度检测、调速系统与软件编程设计方法。所设计的系统实现了变频调速的全数字化控制，实时性好，可靠性高。关键词：单片机/SA4828/变频调速/SPWM/电动机I/45THREE-PHASETHREE-PHASE ACAC MOTORMOTOR
8、 VARIABLEVARIABLE SPEEDSPEEDCONTROLCONTROL SYSTEMSYSTEM DESIGDESIGABSTRACTThis article describes a method of the ASIC SA4828 design motor speedregulation。System mainly consists of the main circuit and controlcircuit and main circuit using MC3PHAC.MC3PHAC Motorola(Motorola)theapplication of advanced
9、CMOS technology，the exclusive production ofthree-phaseACmotoruniversalfrequencyconversionsingle-chipIntelligent controller in which the main circuit usually use AC-DC-make way，the first alternating current into direct current(rectifier，filter)，then DC into the adjustable frequency AC(inverter)。Const
10、itutea control circuit and a small amount of expansion of peripheral chipsgenerated by the MCS-52 series of 8052 single-chip minimum systemandSA4828 three-phase SPWM，give full play to the control circuit issimple，flexible control，the advantages of the output waveformcharacteristics，combined with the
11、 corresponding software，motor speedcontrol requirements。The main contents include：on SA4828 featuresII/45introduced and the main circuit of the inverter system，the drive circuit，protection circuit，speed detection，speed control system and softwareprogramming design method。System designed to achieve f
12、ull digital controlof frequency control，real-time，high reliability。KeywordsKeywords：SCM，SA4828，frequency control，SPWM，motor0/451 绪论1.1 概述随着电力电子技术、微机控制技术的发展，由变频器组成的异步电动机变频调速系统正得以广泛应用。但在一些技术要求较高的场合，对于使用变频器组成的开环控制变频调速系统难以满足工程要求。单片机因其功能全、价格低深受欢迎，因此开发用单片机控制变频器来实现闭环交流调速系统的控制具有重要意义。变频器闭环调速系统主要应用单片机控制技术。单片机
13、在过程控制中直接数字控制中有着显著优点，它体积小可以做成体积极小的控制器用于一些体积不大的设备和空间有限的生产过程、控制过程。其价格低廉是最主要的优势，相比 PLC、工控机等有着比较高的性价比。控制过程应用单片机已成为了一种不可抗拒的趋势。1.2 研究目的与意义在工业发展的初级阶段，人们主要使用集中传动。作为动力的鼠笼电动机，是不需要调速的。它只需要满足各种生产条件对它提出的起动和稳速运行的要求就可以，调速的任务是由皮带和齿轮来完成。随着生产规模的不断扩大，对生产的连续性和流程化的要求愈来愈高，发展电机的调速技术已经是势在必行了。直流调速系统，由于其良好的调速性能，很长的时期在调速领域占据首位
14、。但是由于直流电动机本身有机械换向器，给直流调速系统造成一些固有的、难于解决的问题。交流电机调速技术的发展，特别是变频器传动本身固有的优势，必将使之应用于社会生产的各个领域，以体现出不同的功能，达到不同的目的，收到相应的1/45效益。因此，本论文通过对变频器的研究，对于交流变频调速系统理论的应用，有着实际的意义和一定的应用价值。2 三相交流电机变频调速系统电路的总体设计2.1 变频调速原理变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变它的同步转速的调速方法。变频可以调速这个概念，可以说是交流电动机“与生俱来”的。同步电动机和异步电动机，它们的转速都是取决于同步转速(即旋转磁场的转速)的：)1(0
15、snn(2.1)式中：n电动机的转速，m/minno电动机的同步转速，r/mins电动机的转差率 s=(n1-n/)=n/n1同步转速则主要取决频率pfn600（2.2）式中：f输入频率，Hzp电动机的磁极对数由式（2.1）和式（2.2）可以知道变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：psfn)1(60（2.3）由式（2.3）可知，在电动机磁极对数不变的情况下，从而可以通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。2/45在进行电机调速时，通常需要考虑到的一个重要因素是，希望保持电机中每极磁通量为额定值，并且保持其不变。如果磁通太弱的话，则电机就会出现欠励磁的想
16、象，从而将会影响电机的输出转矩，由22COSIKTMTM（2.4）（式中 Tm：电磁转矩，Kt：比例系数，M：主磁通，I2：转子电流，2COS:转子回路功率因素)，可知，电机磁通的减小，势必会使电动机的转矩减小。由于在电动机设计时，电动机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电动机铁心出现饱和，从而导致电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的铁损耗和铜损耗，严重时会因绕组过热而损坏电动机。因此，在改变电动机的频率时，应对电动机的电压进行协调控制，以维持电动机磁通的恒定。而在本设计中我用到的用来改变电动机电压的是 SPWM，它输出的波形很接近与正弦波，在下文中我将会对其进行比较详细的说
17、明。2.2 变频调速系统电路总体设计三相交流电机变频调速系统电路由整流，滤波，逆变，控制和驱动 5 部分组成，如图 2.2.1 所示。整流部分采用二极管整流，输入电流和输出电压相位比没有滞后，一般认为功率因数为 1，而实际上由于谐波的存在，输入回路的总功率因数小于 1，三相交流电压经整流滤波后变为直流电压来供逆变部分使用。为了避免制动过程中母线过压，直流侧电容并联一个 IGBT 和能耗电阻 R1，MC3PHAC 对制动过程进行监控，当直流母线电压超过一定值时，由于系统对调速制动时间有一定的要求，所以在负载电动机由电动状态变为制动状态时，IGBT 导通，电动机反馈的能量消耗在 R1 上。另外 M
18、C3PHAC 可以控制电机减速时间，进行自动减速控制，DC_BUS 引脚电压超过一定值时，MC3PHAC 自行调整降速过程，避免降速过程中由于再生能量对器件造成的损坏。3/45系统驱动模块采用 International Rectifier 公司生产的 6 输出高压栅极驱动器 IR2133。该电路基于自举驱动方法，采用动态沟道技术，最大偏置电压为1200V，IR2133 具有 6 路输入信号和 6 路输出信号，其中 6 路输出信号中的 3 路具有电平转换功能，可直接驱动高压侧的功率器件。该驱动器可与主电路共地运行，且只需要一路控制电源，克服了常规驱动器需要多路隔离电源的缺点，大大简化了硬件设计
19、。高边自举电路是基于正常 PWM 操作时高、低侧功率开关管轮流导通、截止的工作。当低压侧功率开关管导通时，固定电源通过一个二极管对自举电容 C 充电;当低压侧功率开关管关断时，自举电容 C 所充电压成为一个悬浮电源，作为高压侧功率开关管的驱动电源。当电机停了一段时间后，高边自举电容充的电已经耗尽，必须重新充满电，才能进行 PWM 的操作。为了适应这样的拓扑结构，MC3PHAC 在每次电机开启时将提供 100ms 的脉冲到低边晶体管，由于高边的晶体管此时处于关闭状态，电机电压仍为 0V。过了这段时间后，PWM 驱动正常工作。逆变部分采用相匹配的晶体管，由于此系统应用于小功率三相交流电机控制，晶体
20、管可以采用 MOSFET 或者 IGBT 作为逆变元件。MOSFET 驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，工作可靠，无二次击穿，但是电流容量小，耐压低。另外，系统采用的 IR2133 驱动电路为单电压驱动，MOSFET 可以在零偏压有效关断，无需负偏压关断。IGBT 耐压高，电流容量大，在实际应用中，为了使 IGBT 有效关断，通常要加-5V 的关栅电压，防止关断时的误动作，这样会增加驱动电路的复杂性，最近 IR 公司开发出了新型的 NPTIGBT 能够有效解决此系统存在的问题，它无需负偏压就可有效关断，且和 IR2133 能够有效兼容，4/45简化了系统电路复杂性。因此，
21、在小功率调速系统中 MOSFET 和 NPTIGBT 都可以作为逆变桥的开关管。3 主电路的设计3.13.1 主电路介绍变频调速实际上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。能实现这个功能的装置称为变频器。变频器由两部分组成：主电路和控制电路，其中主电路通常采用交-直-交方式，先将交流电转变为直流电(整流，滤波)，再将直流电转变为频率可调的交流电（逆变）。在本设计中采用图 3.1 的主电路，这也是变频器常用的格式。5/45图 3.1 电压型交直交变频调速主电路三相桥式整流电路把 380V 的三相交流电整流成直流电。图 3.1 中的继电器和电阻 Ra 是上电缓冲电路，主要用主电源刚上电时来抑制
22、尖峰电压，当电源上电时，继电器断开，电源则经过电阻 Ra 向电容充电，这样就能达到限制上电电流的作用，一旦电压上升到 80以后，继电器才闭合，这时 R。短路。电容则用来消除直流电源的纹波。电阻 Rb 和指示灯是用于指示电源是否上电以与在放电时电路是否已经完成放电。放电电路由晶体管 V0 和电阻 Rc 组成。当主电路电源断开后，晶体管 V0 打开。电容 C。存贮的电量经电阻 Rb 放电。目前用于变频调速的功率管有晶阐管 GTO、大功率场效应管 Mosr、电力晶体管 BJT、IGI 玎和智能 If；BT 模块 IPM 等。IGBT 结合了 BJT 和 MOSFET 的特性所混合以后发展出来的一种新
23、元件。特性也就介于其 2 种元件之间，输入特性有 MOSFET 的特点，驱动容易而输出特性具有电力晶体管的特性，具有耐高压与放大电流的特性，并且同时具有低导通电压降，其切换的速度又大提升，在承受短路的能力方面，更加超越了 MOSFET。IGBT 功率应用的围从几千瓦(kw)到数百万千瓦(MW)。3.2 整流电路整流电路是把交流电变换为直流电的电路。目前在各种整流电路中，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路，三相桥式全控整流电路每个时刻均需 2 个二极管导通，而且这两个二极管一个是共阴极组，一个是共阳极组，只有它们能同时导通，才能形成导电回路。由于整流电路原理比较简单，设计中不再做详细的介绍，其原
24、理如图 3。2 所示。6/45图 3.2 三相桥式全控整流电路3.2.1 二极管的选择1）输出电流的计算：选择功率模块时，需要考虑到电机的过载要求，其中设定m=2.5，IN=89。则功率器件的电流定额为（3-1）式中：（1.22）表示安全裕量(2）输出电压的计算：如我们所知，空载时，输出电压平均值最大，为 Ud=2。45U2。随着负载加重，输出电压平均值减小，至 Irc=1.732 进入 Id 连续情况后，输出电压波形成为线电压的包络线，其平均值 Ud=2.34U2。可见，Ud在 2。34U22。45U2。之间变化。而我所设计的整流电路中，所给定输入电压是国家电网电压220v，频率固定为50H
25、z。所以输出的电压：Ud=2.34U22.45U2=(2.342.45)*380=889.2-931V。(3）二极管承受的电压：二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为2.45U2.=2.45*380=931V。根据根据上述计算，选取二极管元件 KP60010，计 6 只。3.2.2 滤波电容的选择取FC44000，其耐压VU93162。综合考虑滤波电容的体积、价格和滤波效果，结合经验，在变频器的滤波环节处采用了两个滤波电容：2 只7/452200F、耐压在 500V 以上的电容器并联使用。我这个设计中是用的威斯康电气的产品。3.3 三相逆变电路的设计在三相逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆
26、变电路，采用 IGBT 作为开光器件的电压型三相桥式逆变电路如下图 3.3.1 所示。图 3.3.1 三相电压型桥式逆变电路三相电压型 PWM 逆变电路只要实现功能就是将直流电压变换成交流电压。图 1 中 U、V、M 三相的 PWM 控制通常公用一个三角波载波cu，三相调制信号rUu、rVu、rWu一次相差0120。U、V、W 各相功率开关器件的控制规律一样，现以 U 相为例。当rUucu时，给上桥臂1V以导通信号，给下桥臂4V以关断信号，则 U相相对于直流电源假想中点输出电压2/1dUNUu。当rUucu时，给4V以导通信号，给1V以关断信号，则2/1dUNUu。但1V与4V的驱动信号始终是
27、互补的，当给1V（4V）加以导通信号时，可能1V（4V）导通，也可能是二极管)(41VDVD续流导通，这是有阻感负载中电流方向决定，8/45这就是三相桥式电路的双极型调制特性。由上分析，1UNu的波形是幅值为2/dU的矩形波，V、M 两相情况跟 U 相类似。所以负载线电压UVu、UWu、WUu为负载相电压UVu、UWu、WUu为负载中点和电源中点间电压为)(31)(311111WNVNUNWNVNUNNNuuuuuuu负载三相对称时有0WNVNUNuuu，于是)(311111WNVNUNNNuuuu。所以1NNu也是矩形波，其频率为1UNu的 3 倍，幅值为其3/1，即6/dU。三相逆变输出的
28、电压与电流分析类似，负载参数已知，以 U 相为例，负载的阻抗角不一样，Ui的波形形状和相位都有所不同，在阻感负载下3时，1V从通态转换到断态时，因负载电感中电流不能突变，4VD先导通续流，待负载电流降为零，4V才开始导通。负载阻抗角越大，4VD导通时间越长。在1NNu0时，0Ui时为1VD导通，0Ui时为1V导通；在01NNu时，0Ui时4VD导通，0Ui时为4V导通。vi、wi的波形与Ui形状一样，相位一次相差0120。将三个桥臂电流相加可得到直流侧电流di。在上述0180导电方式逆变器中，我们采用“先断后通”的方法来防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电压短路，使得在通断信号
29、之间留有一个短暂的死区时间。主要参数计算与其器件的选择9/453.3.1 大功率开关管由于 SPWM 正弦脉宽调制方法的直流利用率为 0.866，即 U1/Ud=0。866。为了使逆变器输出 380V 的线电压，要求直流侧的电源电压：考虑到大功率的晶体管的管压降等，取，则大功率晶体管的参数为。选择晶体管模块 QCA50A100A 三块，作为大功率开关管。QCA50A100A 为两单元组件，c-e 极带反向续流二极管，绝缘式结构，它的部结构图如图 3.3.2 所示。图 3.3.2QCA50A100 模块部结构3.3.2 压敏电阻的选择压敏电阻的额定电压：10/45（3.2）选择 MY31-560
30、/1 型压敏电阻 3 个，其额定电压为 560V，通流容量 1Ka。4 单片机控制的变频调速系统11/454.1 系统框图图 4.1 电动机变频调速系统框图12/454.2 硬件系统原理图该硬件系统主要包括主电路与控制电路两个部分，其中主电路包括交-直-交变频电路（本设计采用 MC3PHAC）与电动机；控制电路包括 AT89C52 主控制模块、SA4825 产生 SPWM 波模块、驱动模块以与外围设备模块（如键盘输入、液晶显示、A/D 模数转换以与串口等）。以 CPU 为核心，配以键盘、显示、通讯等设备，完成对交流电动机的速度控制。这里选用了 Atmel 公司的 AT89C52 单片机，它与I
31、ntel52 系列单片机完全兼容。其部配置了 8KB 的 Flash Memory，无须扩展外部存贮器。同时这种 8 位单片机的总线结构与 SA4828 完全兼容，可以直接相连。给定转速nO可以用三种方式设定：键盘、电位器和上位机。用 8 位 LED 分别显示给定转速 nO和实际转速 n，一目了然。系统对电动机运行状态的数据监测、调速效果、动态响应的跟踪情况都可以传送到上位机，以表格或曲线的形式输出，以便于观察分析。13/455 控制电路的设计5.1 驱动模块的设计MC3PHAC 是摩托罗拉(Motorola)公司应用先进的 CMOS 技术独家生产的三相交流电机通用变频单片智能控制器。单机模式
32、下 MC3PHAC 配置见图 5.1图 5.1 单机模式下 MC3PHAC 配置图5.1.1 MC3PHAC 在三相交流电机变频调速系统中的应用MC3PHAC 主要应用于低成本，小功率三相交流电机驱动系统，它可以在恶劣的环境中稳定的运行，特别是在家用电器、商用洗衣机、洗碗机、过程控制以与泵和风机驱动，具有广泛的应用前景。14/455.1.2 MC3PHAC 在三相交流电机变频调速系统的工作原理三相交流电机变频调速系统工作原理如图 5.2 所示，采用交直交电压型逆变调速方式，主电路中 380V 交流电压经过由 D1D6 和电解电容 C1 组成的桥式整流和电容滤波电路后成为给电力晶体管供电的直流电
33、压，6 个开关管按照一定规律通断。逆变器的交流输出电压被钳位为矩形波，和负载性质无关。交流输出电流的波形和相位由负载的性质决定。图中电解电容同时又作为缓冲负载无功功率的储能元件。三相逆变电路由 6 只具有单向导电性的功率开关管组成。每只开关管反并联 1 只续流二极管，为负载滞后电流提供一条反馈通路。6 只开关管每隔 60电角度触发导通一次，相邻两相的功率开关管触发导通时间互差 120，一个周期换相 6 次，对应 6 个不同的工作状态。控制器提供可调的 PWM 调制波，控制开关管的通断，为异步电机提供可调的交流电源，同时监控系统发生的故障，保持系统安全可靠运行。15/45图 5.2 三相交流电机
34、变频调速系统原理图5.2 单片机的选取AT89C52 是美国 Intel 公司生产的低电压、高性能 CMOS8 位单片机，片含 8KB的可反复擦写的程序存储器和12B 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用 Atmel公司的可高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-52 指令系统，片配置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元，功能强大的 AT89C52 单片机可灵活应用于各种控制领域。AT89C52 单片机属于 AT89C52 单片机的增强型，与Intel 公司的 80C52 在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统方面兼容。其主要工作特性是;1.与 MCS-52
35、系列产品指令和引脚完全兼容2.片程序存储器含 8KB 的 Flash 程序存储器，可擦写寿命为 1000 次3.片数据存储器涵 256 字节的 RAM4.具有 32 根可编程 I/O 口线5.具有 3 个可编程定时器6.中断系统是具有 8 个中断源、6 个中断矢量。2 个级优先权的中断结构7.串行系统是具有一个全双工的可编程串行通信口16/458.具有一个数据指针 DPTR9.低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式10.具有可编程的 3 级程序锁定位11.AT89C52 工作电源电压为 5（1+-0。2）V，且典型值为 5V12.AT89C52 最高工作频率为 24MHz。单片机正常工作时，最需要
36、有一个个时钟电路和一个复位电路。本设计中选择了部时钟方式和按键电平复位电路，来构成单片机的最小电路。AT89C52 单片机芯片作为主控核心，包括晶振电路部分，中断、复位按钮。如图图 5.3 AT89C52 单片机芯片图我做的设计单片机主要起着一个控制的作用，通过与其相连的键盘给定一个转速，可在屏幕中显示出来，与已经变频调速后的转速相比，从而再进行调节。5.3 SA4828 芯片产生 SPWM17/45SA4828 部结构图由图 5.4 所示。来自单片机的数据通过总线控制和译码进入初始化寄存器或控制器。他们对相控逻辑电路进行控制。外部时钟输入经分频18/45器分成设定的频率，并生成三角形载波，三
37、角载波与所选定的片 ROM 中的调制波形进行比较，自动生成 SPWM 输出脉冲。通过脉冲删除电路，删去比较窄的脉冲（如图 5.5 所示），因为这样的脉冲不起任何作用，只会增加开关管的损耗。通过脉冲延迟电路生成死区，保证任何桥臂上的两个开关管不会在状态转换期间短路。看门狗定时器用来防止程序跑飞，当时间条件满足时快速封锁输出。片 ROM 存有 3 种可供选择的波形，它们是纯正弦波形、增强型波形和高效型波形。每种波形各有 1536 个采样值。增强型波形又称三次谐波，它可以使输出功率提高 20%，三相谐波互相抵消，防止电动机发热。高效型波形又称带死区的三次谐波，它是进一步优化的三次谐波，可以减小逆变开
38、关管的损耗，提高功率利用率。寄存器 AD3AD2AD1AD0 地址R0000000HR1000101HR2001002HR3001103HR4010004HR5010105HR1411100EHR1511110FH寄存器列阵包含 8 个 8 位寄存器 R0R5 和 R14、R15。其中 R0R5 用来暂存来自单片机的数据，这些可能是初始化数据或者控制数据；而 R14、R15 是两个虚拟的寄存器，物理上不存在。当 R14 写操作时，实际是将 R0R5 中存放的 4819/45位数据送入初始化寄存器；而向 R15 写操作时，是将 R0R5 中存放的 48 位数据送入控制寄存器。5.4 其他模块简介
39、通过单片机与外围设备的连接与通信，使得电动机变频控制系统更加完善。其中外围设备包括串口（与 PC 机等进行通信）、键盘输入以与液晶显示等。5.4.1 串口通信单片机与 PC 机的通信能够让控制系统实现实时监测并进行相应的控制，使控制系统更加智能化、自动化。目前，大部分计算机的串口都采用 RS-232C 通信接口的 DB9 连接器，如右图所示。RS-232C 规定的逻辑电平与一般微处理器、单片机的逻辑电平是不同的。RS-232 的逻辑“1”是以-3-15V 来表示的，而单片机的逻辑“1”是以+5V 来表示的，两者完全不同。因此，单片机系统要和电脑的 RS-232 接口进行通信，就必须把单片机的信
40、号电平（TTL 电平）转换成计算机的 RS-232C 电平，或者把计算机的 RS-232C 电平转换成单片机的 TTL 电平。实现这种转换的方法可以使用分立元件，也可以使用专用 RS-232 电平转换芯片。目前较为广泛地使用专用电平转换芯片，如 MC1488、MC1489、MAX232 等电平转换芯片来实现 EIA 到 TTL 电平的转换。下面介绍的是 MAXIM 公司的单电源电平转换芯片 MAX232 与接口电路。20/45图 5.8MAX232 串口电平转换图图 5.9MAX232 管脚图如图 5.8 所示，MAX232 是单电源双 RS-232 发送/接收芯片，采用单-/+5V电源供电，
41、外接只需 4 个电容，便可以构成标准的 RS-232 通信接口，硬件接口简单，所以被广泛采用，其主要特性如下：a、符合所有的 RS-232C 技术规b、只要单一+5V 电源供电片载电荷泵，具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V 和-10V 电压 V+、V-c、低功耗，典型供电电流 5mAd、部集成 2 个 RS-232C 驱动器e、部集成 2 个 RS-232C 接收器21/45为了驱动主电路逆变桥的三个上桥臂的 IGBT，必须给每一路提供一个隔离的 25V 电源而三个下桥臂可以共用一个电源。此外，SA4828与单片机系统还需要+5V 电源以与异步通讯所需的12V 电源，一共需要 7 路
42、电源，如图 5.10 所示。该电源可以采用线性电源，也可采用开关电源。前者体积大，笨重，但电路简单，各路电源完全独立，调试容易。后者则轻便、小巧，电路相对较复杂。采用单片开关电源芯片可大大简化电路。死区时间的大小主要由以下几方面决定：驱动电路在开通和关断两种模式工作时，信号传递延迟时间有差异；逆变器桥臂上下两功率开关器件的驱动不可能达到完全一致；功率器件不是理想开关，其开通和关断都有延时且不等。因此，要综合这几个因素来确定死区时间的长短，并给予一定的余量，总之要充分估计导通时控制信号到功率管开通的最小延迟时间 tonmin 和关断时控制信号到功率管关断的最大延迟时间 toffmax。则死区时间
43、可以定为 toffmaxtonmin。实际中则取死区时间略大于 toffmax。本文采用 IGBT 作逆变器的功率开关管和 MC3PHAC驱动模块，MC3PHAC 最大延迟时间为 1.5s，IGBT 一般不超过期 3s，因此本文死区时间定为 5s。22/455.4.2 LED 显示器常用的 LED 显示器为 8 段(或 7 段，8 段比 7 段多了一个小数点”DP”段)。每一段对应一个发光二极管，这种显示器有共阳极和共阴极 2 种。共阴极 LED 显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮,相应的段被显示，同样，共阳极 LED 显示
44、器的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。为了使 LED 显示器显示不同的符号或数字，就是呆板不同段的发光二极管点亮，这样就是为 LED 显示器提供代码，因此这些代码可使 LED 相应的段发光，从而显示不同字型,因此该代码称之为段码(或称为字型码)。图 5.11 LED 显示器共阳极和共阴极的外形图和引脚图7 段发光二极管，再加上一个小数点位，共计 8 段。因此提供给 LED 显示器的段码(或字型码)正好是 1 个字节，LED 显示器的外形如图 4.6 所示。23/455.4.3 保护电路逆变器中的 IGBT 模
45、块是变频器的主要部件，也是最昂贵的部件。由于它工作在高频、高压、大电流的状态，所以也是最容易损坏的部件。因此 IGBT 模块的保护工作显得十分重要。为此应做到以下几点：（1）选用智能型 IGBT 模块。IPM 中一般都有过流、过热、短路、欠压保护电路，当任一情况发生时它能迅速给出报警信号。把该信号接到 SA4828 的SETTRIP 端，可立即切断 SA4828 的 6 路控制信号，关闭所有的 IGBT。（2）对 SA4828 编程时，设置合理的“死区”时间和欲删除的“窄脉冲”的宽度，前者可有效防止同一桥臂上、下开关元件的共态导通；后者可降低开关损耗，减少发热。（3）在单片机的调速过程中始终监
46、视变频器输出端的电压和电流，一旦超限将停止 SA4828 的工作并发出报警指示。在 IPM 应用中，由于高频开关过程和功率回路寄生电感等叠加产生的 didt、dvdt 和瞬时功耗会对器件产生较大的冲击，易损坏器件因此需设置缓冲电路(即吸收电路)，目的是改变器件的开关轨迹，控制各种瞬态过压，降低器件开关损耗保护器件安全运行。24/455.4.4 A/D 转换器设计本设计选用 TLV2548A/D 转换器。TLV2548 是美国 Tl 公司生产的多通道、12位数据采集芯片(ADC)。芯片为单电源 2.75.5V 供电，转换时间为 3.96us，是一款高性能、低功耗、CMOS 工艺、串行接口的 A/
47、D 转换器。特性如下：1、12 位分辨率，微分/积分非线性误差 1LSB2、单电源 2.75.5V 围供电电源，置参考源3、置转换时钟源与 8FIFO4、8 路模拟输入，模拟输入围为 0 到电源电压，500KHz 带宽5、200kHzSPS 采样速率，3。86us 转换时间6、SPI(CPOL=0，CPHA=0)/DSP 兼串行接口，SCLK 可高达 20MHz7、低工作电流5.13TLV2548 与 ATB9C52 从单片机接口图25/455.4.5 速度反馈采用转速编码器对电动机进行测速，可以构成闭环调速系统。转速编码器的主要有两种，一种是增量型，另一种是绝对型。增量型的特征是只有在旋转期
48、间会输出对应旋转角度脉冲，停止是不会输出。它是利用计数来测量旋转的方式；价格比较便宜。绝对型的的特征是不论是否旋转，可以将对应旋转角度进行平行输出的类型，不需要计数器可确认旋转位置；它还有不受机械的晃动或震动以与开关等电器干扰的功能，价格贵。在选择使用时，可参考以下几点：包括成本、分辨率、外形尺寸、轴负荷与机械寿命、输出频率、环境、轴旋转力矩、输出回路等等。26/456 系统软件设计软件设计是整个逆变控制的核心，它决定着逆变器的输出特性。该系统软件设计由三部分组成：主程序、初始化程序和中断服务子程序。主程序是整个控制系统的核心和灵魂，只有通过主程序才能有机地调用系统中各个子程序，使它们形成一个
49、联系紧密的整体，有条不紊的完成各种各样的操作命令。主程序：图 6.1 给出了本系统的主程序流程图。单片机首先初始 SA4828，打开中断系统。传送控制参数后，判断 SA4828 有没有保护动作，允许输出，则开始输出 SPWM 控制信号，逆变器开始工作。工作过程中，单片机不断的处理检测反馈回来的信号，控制 SA4828 调整输出的 SPWM 控制信号，控制系统的输出状态，以满足系统的性能要求。在系统正常工作过程中，不断更新看门狗定时器。防止其溢出而中断 SPWM 控制信号的输出。初始化子程序：它实现键盘处理、刷新处理与下位机和其它程序主要完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等，
50、其流程图如图 6。2所示。故障保护中断子程序：中断程序处理的都是需要立即处理的故障，比如过压、欠压、IGBT 故障等。这些故障信号通过或门连接到 SA4828 的 SETTRIP 端上，只要有一个故障发生，就会使 SETTRIP 端为高电平，启动 SA4828 部的故障保护动作，瞬时封锁 SPWM 脉冲输出，同时拉低 TRIP 端电平，向单片机发中断申请，其流程图如图 6.3 所示。27/4528/4529/4530/456.3 故障保护中断子程序流程图31/457 结论本论文的主要创新点在于：利用单片微机和集成芯片配合产生 SPWM 波形控制逆变开关的通断，控制算法容易编程实现，实现了全数字