基于单片机的SVPWM控制器的毕业设计

本科生毕业设计 基于单片机的SVPWM控制器的设计 学 院、系： 电气与信息工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 班 级： 学号 指导教师姓名： 职称 最终评定成绩 本科生毕业设计 基于单片机的SVPWM控制器的设计 院 （系）: 电气与信息工程学院 专 业： 自动化 学 号： 学 生 姓名： 指 导 教师： 本文介绍了一种由51单片机为主控制器的交流变频调速系统，它采用交一直一交 变频技术，具有成本低廉，可靠性高，组配灵活等特点，适用于各种工业现场的中小 型交流电动机。 脉宽调制技术是电机控制领域中常采用的技术，它可以有效地降低逆变器输出电 压的低次谐波。而其中的电压空间矢量脉宽调制技术作为一种性能较为良好的调制方 法，具体的实现方法较多，各种具体调制方式的效果也不尽相同。本课题的任务是利 用单片机产生SVPWM波形控制三相异步电机，并对其调制性能进行对比分析，从而为 变频调速系统寻求一种较为优秀的调制方法。空间矢量脉宽调制是一种电压利用率、 低谐波成分的变频驱动波形，它还有开关次数少、功率管功耗小等特点。本文在深入研 究SVPWM调制方法的原理和本质以及具体SVPWM的实现方法的基础上结合电压空间矢 量控制算法的基本原理，提出了一种采用8位单片机控制输出脉宽调制信号的方法， 概述了整个硬件组成和软件设计方法，给出了主要程序的流程图和实验数据，控制稳 定可靠。 关键词：单片机，IGBT逆变器，空间矢量 ABSTRACT This paper presents a 51 microcontroller-based controller exchanges Frequency Control System, It uses AC-DC-AC inverter technology with the low cost, high reliability, flexibility in matching features apply to the scene of the small and medium industrial AC motor. PWM motor control technology is often used in the field of technology, It can effectively reduce the inverter output voltage of the low・order harmonics. And the voltage space vector PWM technology as a relatively good performance of the modulation method, specific ways to achieve more specific modulation effects vary. The issue is the use of single-chip microprocessor SVPWM waveform control of three-phase induction motor, and its modulation performance comparative analysis, thus Frequency Control System for a more outstanding modulation method. SVPWM is a voltage efficiency, low harmonic components of the drive frequency waveform, It also has fewer switches, the power consumption of small features. Based on the in・depth study SVPWM the principle and method and the specific nature of the SVPWM method on the basis of combining voltage space vector control algorithm for the basic principles Using the 8-bit MCU output PWM control signal, an overview of the entire hardware and software design method is the main process flow chart and experimental data, control is stable and reliable. Keywords : microcontroller, IGBT inverter,space vector 第1章前言 1 第2章 空间矢量PWM基本工作原理 3 2. 1电压空间矢量控制 3 2. 1. 1 SVPWM调制的基本原理 3 3. 1.2电动机定子电压的空间矢量 4 2.2电压空间矢量PWM信号生成方法 9 2.3 SVPWM控制的特点 13 第3章 实现方案论证 15 4. 1 SPVWM逆变电路的控制手段 15 3. 1. 1基于单片机和集成数字定时芯片结构 15 3. 2基于DSP生成SVPWM波 18 1. 2. 1 DSP 芯片 TMS320LF2407A 18 第4章 基于单片机的SVPWM系统控制器硬件电路设计 20 4.1逆变主电路的设计 20 2. 1. 1逆变器主电路原理图 21 4. 2驱动电路 22 4.2. 1驱动电路原理图 22 4.2.2驱动电路工作原理分析 22 4.2.3保护动作 23 4.3单片机控制电路设计 25 第5章主要器件介绍 26 5. 1 单片机 AT89S52 26 3. 1. 1时钟电路 28 (1) 1. 2复位电路 28 5. 2 EXB841集成式驱动芯片 30 5. 2. 1 EXB841 的特点 30 5. 2. 2 EXB841 应用 30 5. 2. 4 EXB841 应用电路 31 第6章用图解法生成SVPWM波形的软件设计 33 6.1硬件资源分配 33 (2) 2产生SVPWM波形的软件设计思路 34 6.3流程图的设计 35 摘要 I 目录 I I I 第1章前言 1 第2章 空间矢量PWM基本工作原理 3 1) 1电压空间矢量控制 3 [1] 1. 1 SVPWM调制的基本原理 3 3 1.2电动机定子电压的空间矢量 4 ㈠三相对称正弦波电源 4 2.2电压空间矢量PWM信号生成方法 9 2.3 SVPWM控制的特点 13 第3章实现方案论证 15 4 1 SPVWM逆变电路的控制手段 15 [2] 1. 1基于单片机和集成数字定时芯片结构 15 2) 2基于DSP生成SVPWM波 18 □ 2. 1 DSP 芯片 TMS320LF2407A 18 第4章 基于单片机的SVPWM系统控制器硬件电路设计 20 4.1逆变主电路的设计 20 □ 1. 1逆变器主电路原理图 21 3) 2驱动电路 22 3. 1驱动电路原理图 22 [3] 2. 2驱动电路工作原理分析 22 4.2.3保护动作 23 4.3单片机控制电路设计 25 第5章主要器件介绍 26 [4] 1 单片机 AT89S52 26 4) 1. 1时钟电路 28 □ 1. 2复位电路 28 5. 2 EXB841集成式驱动芯片 30 5. 2. 1 EXB841 的特点 30 5. 2. 2 EXB841 应用 30 5. 2. 4 EXB841 应用电路 31 第6章用图解法生成SVPWM波形的软件设计 33 6.1硬件资源分配 33 □ 2生成SVPWM波形的软件设计思路 34 6.3流程图的设计 35 5) 3. 1系统监控程序 35 [5] 3. 4查开关状态及空间电压矢量序列表子程序 37 杳开关状态及空间电压矢量序列表子程序流程框图如图6.4 37 图6. 4杳开关状态及空间电压矢量序列表子程序流程框图 37 6.4程序清单 39 4. 3程序清单 40 第7章系统仿真与调试 43 5. 1仿真软件Proteus介绍 43 [6] 1. 1基本操作 43 6) 2仿真结果分析 44 结 论 45 致谢 46 附录 基于单片机的SVPWM原理图 47 第1章前言 上世纪八十年代，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在电力电子领域已成定论。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。 上世纪80年代中期，国外学者在交流电机调速中提出了磁链轨迹控制的思想，进 而发展产生了电压空间矢量(space vector)的概念。其物理概念清晰，算法简单且 适合数字化方案，故一经提出即受到关注。SVPWM与传统的SPWM法不同，它是从交流 电机角度出发控制开关，形成PWM波，使电机产生的实际磁链矢量逼近跟踪定子磁链 的给定轨迹。此方法在电压利用率、电流谐波和过调制等方面具有优势，而对零矢量 的合理控制可以明显地降低逆变器的开关损耗回。 SPWM原理正弦PWM的信号波为正弦波，就是正弦波等效成一系列等幅不等宽的矩 形脉冲波形，其脉冲宽度是由正弦波和三角波自然相交生成的。正弦波波形产生的方 法有很多种，但较典型的主要有:对称规则采样法、不对称规则采样法和平均对称规则 采样法三种。第一种方法由于生成的PWM脉宽偏小，所以变频器的输出电压达不到直 流侧电压的倍;第二种方法在一个载波周期里要采样两次正弦波，显然输出电压高于前 者，但对于微处理器来说，增加了数据处理量当载波频率较高时，对微机的要求较高; 第三种方法应用最为广泛的，它兼顾了前两种方法的优点。SPWM虽然可以得到三相 正弦电压，但直流侧的电压利用率较低，这是此方法的最大的缺点。SVPWM原理电压 空间矢量PWM(SVPWM)的出发点与SPWM不同，SPWM调制是从三相交流电源出发，其着 眼点是如何生成一个可以调压调频的三相对称正弦电源。而SVPWM是将逆变器和电动 机看成一个整体，用八个基本电压矢量合成期望的电压矢量，建立逆变器功率器件的 开关状态，并依据电机磁链和电压的关系，从而实现对电动机恒磁通变压变频调速。 若忽略定子电阻压降，当定子绕组施加理想的正弦电压时，由于电压空间矢量为等幅 的旋转矢量，故气隙磁通以恒定的角速度旋转，轨迹为圆形。SVPWM比SPWM的电压 利用率高15%,这是两者最大的区别，但两者并不是孤立的调制方式，典型的SVPWM 是一种在SPWM的相调制波中加入了零序分量后进行规则采样得到的结果，因此SVPWM 有对应SPWM的形式。反乙一些性能优越的SPWM方式也可以找到对应的SVPWM算法， 所以两者在谐波的大致方向上是一致的，只不过SPWM易于硬件电路实现，而SVPWM 更适合于