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1、天天 津津 大大 学学 网网 络络 教教 育育 学学 院院本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文）题目：基于单片机的变频电源控制器设计完成期限：2016 年 9 月 1 日 至 2016 年 11 月 10 日学习中心：私立青岛国创科技培训学校奥鹏学学习中心：私立青岛国创科技培训学校奥鹏学习中心习中心43专业名称：电气工程及其自动化专业名称：电气工程及其自动化 学生姓名：李沛达学生姓名：李沛达学生学号：学生学号：141701442005指导教师：杜春燕指导教师：杜春燕摘 要变频器是从上世纪中叶发展起来的一种交流调速设备。它是为了解决传统的交流电机调速困难、传统的交变速设备不但结构复杂且效率和可
2、靠性均不尽人意的缺点而出现的。由于其使交流电机的调速范围和调速性能均大为提升，因此交流电机逐渐代替直流电机出现在各种应用领域，即便是以往只可能是直流电机出现的伺服控制领域。随着电力半导体长足发展，变频器也随之不断进步。今变频器已深入我们的日常生活，随处可见其为我们服务的身影。本文从变频器的基础理论出发，对主要器件和开发环境进行分析，之后对硬件设计进行研究，主要包含变频器的总体结构、交流功率模块、变频控制模块等内容的设计。在系统软件设计方面主要进行 SPWM 参数的计算和串行通信中断程序等内容。希望本文的研究可以为我国变频器的研究带来具有价值的参考和借鉴。关键词：变频器；STC 单片机；智能功率
3、模块( SPM )；SPWM目目 录录引言1第一章 绪论21.1 课题研究背景及意义21.2 变频器的现状与发展方向31.3 主要内容4第二章 逆变电路的拓扑结构及工作原理52.1 逆变电路常用拓扑结构简介52.2 变换电路常见拓扑结构的工作原理及其特点.5第三章 硬件系统设计93.1 变换电路选择93.2 主电路设计93.3 SPWM 逆变器的设计.103.4 控制电路设计123.5 IGBT 驱动电路设计123.6 电压、电流、频率测量电路.133.7 键盘、显示电路.14第四章 系统软件设计184.1 控制模块设计.184.2 初始化程序.224.3 显示中断程序.224.4 显示子程序
4、及键盘服务程序流程图.23第五章 结论25参考文献26致 谢27引言变频电源顾名思义就是能够提供可调频率输出的电源，变频电源是这样一种设备，能够将交流电输入转换为用户所需要的电压和频率的正弦波输出的变换器。随着电力电子技术的发展，电子系统等设备种类繁多，与人们的工作和生活息息相关，变频电源成为不可缺少的优质、可靠的电源。由于在实际应用中，不用场合使用的设备对电源的参数要求不一样，同一个设备对电源参数的要求也是会变换到，例如电气产品在测试阶段时，需要根据出口国家的市电电压和频率，在允许的波动标准范围内，测试电气产品的性能。因此，变频电源不仅有为不同设备提供电源的功能，还可以模拟不同国家的市电参数
5、。传统的变频电源采用不控整流和变压变频逆变两级结构，只关注输出正弦波形的质量，电压和频率精度以及可靠性，基本上不会考虑系统输入端的电流是否会对电网造成谐波污染，是否向电网注入大量高频谐波电流。今天对变频电源除了有以上的要求外，还要求环保无污染，有源功率因数校正（APFC）技术的发展以及在开关电源上的成熟应用，可以有效的解决这一问题，功率因数可以提高到 0.9 以上。有源功率校正器和逆变器的结合，同样也是两级结构，兼有不控整流和逆变两级结构控制上的优点，而且不仅可以提高系统的功率因数，有效的减少谐波污染，还可以提高中间直流环节的电压等级，扩大系统的电压输出范围。第一章 绪论1.1 课题研究背景及
6、意义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。
7、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、节才、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
8、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
9、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
10、，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。变频器不仅具有高效率的特点，同时也十分的节能，将它应用于家电中既能提高产品的可控性与可操作性，更重要的是还可以减少能量的消耗和污染。在今后家电生产中，特别是冰箱和家用空调器的压缩机控制中，变频器的使用肯定是必不可少的。因此，本项目的研究设计具有较高的实用性和可发展性。1.2 变频器的现状与发展方向现在，变频技术在发达国家己经成熟，随着新的电力电子器件的不断出现，新的变频技术层出不穷，使
11、其得到了更广泛的推广应用。变频技术的迅速发展是建立在电力电子技术的创新、电力电子器件及材料的开发及器件制造工艺水平提高基础之上的，尤其是高压大容量绝缘栅双极晶体管 IGBT、集成门极换流晶闸管工 IGCT 器件的成功开发，使大功率变频技术得以迅速发展，性能日益完善。由于变频器在空调、电梯、冶金、机械等行业的广泛应用，变频调速电机和与之配套的变频器发展迅速。据机械信息研究院的统计，2000 年，中国变频器市场容量接近 30 亿元。其中日本，欧美品牌占据主导地位，国内生产商经过近几年的高速发展，业已占领了很大一部分低端市场。目前变频器的国内电机配比率仍低于 1%，潜在市场巨大，国内变频器市场在未来
12、的 510 年内仍将保持高速发展。现在变频电源技术主要朝着一下几个方向发展： 1）高频化。器件工艺的进步推动了工作频率的进一步提高，频率的提高大大减小了电感、电容等器件的值和体积，使整个装置的体积和重量都减小了。2）数字化。传统的变频电源采用模拟器件构成，模拟器件需要大量的分立元件，不仅降低了电路工作的可靠性，也增加了系统的成本，系统调试难度大，出现故障时排查困难，维护困难。由于模拟元件易受周围环境、温度的影响和存在老化问题等，影响了系统的长期稳定运行。专用模拟集成电路的出现很大程度上简化了控制电路的复杂度，但是专用集成电路仍然不够灵活，只能针对特定的电路形式和技术指标。数字控制是当今电力电子
13、技术发展的方向，与模拟控制相比，大大简化了硬件电路的复杂度，只需要很少的外围电路，便能构成功能完善的控制电路且性能优越。系统成本降低，而且由于数字控制的灵活性，可以实现先进控制和算法。数字控制通用性好，软件调制方便快捷，系统维护和升级方便。单片机控制受限于其性能，时钟和运算能力，无法实现性能优越的数字控制，与专用 SPWM 集成电路配合使用减轻了单片机的负担，但是电路复杂度和成本都提高了。高速数字信号处理器 DSP 的出现，迅速提高了数字控制的实时性和智能化。DSP 强大的运算能力和运算速度，应用于电源控制，可以实现先进的控制算法。系统功能多样化，而且系统的输出精度大大提高，软件编写的反馈控制
14、算法可以很好地解决系统由于环境温度和老化等引起的问题。DSP 片内集成了多种功能模块，如模/数转换器、串行通信接口等，使控制电路体积缩小，结构紧凑，可靠性提高。3）绿色化。绿色能源越来越受到国家和人民的重视，是指能源的生产和消费过程，对生态环境无污染或者低污染的能源。电源的绿色化有两层含义：节能，用电少消耗少就可以减轻对环境的污染；对电网的污染少或者不产生污染，即电源系统的输入电流高次谐波含量少。上个世纪 80 年代以后，有源功率因数校正技术和补偿方案的应用，为绿色电源的发展奠定了基础。1.3 主要内容在现代工业生产中，变频器广泛的应用于电力、冶金、石油、化工、市政、中央空调、水处理等行业中，
15、因此现在变频器在我们生活中是不可缺少的东西了。在本设计中，主要采用了 STC 系列单片机作为控制主机，通过其中的PWM 接口和软件的配合实现 SPWM 控制信号的产生来实现电机变频控制器，使用智能功率模块（SPM）FPAL15SH60 对电机进行驱动。控制器能实现 20-250Hz 信号的输出，可通过手动键入或自动的方法调节频率，并通过显示器显示实时频率。具有输入欠压保护、输出过压过流保护功能和过热保护等功能。设计中由 STC 系列单片机产生 SPWM 波形，通过编程的方法控制其脉冲宽度，从而达到对频率控制的目的，还能根据对输出电压的检测结果调整 SPWM 信号的幅度，从而控制输出的电压。第二
16、章 逆变电路的拓扑结构及工作原理2.1 逆变电路常用拓扑结构简介逆变电源因体积小、重量轻、节材节能、转换效率高等特点，现已得到了广泛应用。目前逆变电路的拓扑结构主要有单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式、全桥式等多种类型。根据需求可采用不同拓扑形式的逆变电路满足其需求。以上拓扑结构又有其各自特点，所以在逆变电源主电路设计中充分考虑电路自身结构特点和使用场所，只有如此根据上述情况，才能更好的选择相应的逆变电路来满足使用要求。随着功率器件的不断发展，目前 IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是逆变电源中常用的功率器件，已逐步取代原晶闸管、晶体管、场效应管(MOSFET)。常用拓扑结构对比表 1 为常用拓扑结构对比表，Vce 为功率开关器件承受电压；Ic 为相同输出功率时的电流；P0 为相同 Ic 时输出功率；U1 为主变压器原边电压；U0 为输出电压；m 为功率开关器件数量；E 为加入电路的直流电压；D 为功率开关器件导通占空比；K 为主变压器 Tr 的变比。表 2.1 常用拓扑结构对比2.2 变换电路常见拓扑结构的工作原理及其特点1.单端正激式变换电路单端正激式变
