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1、 摘要本设计介绍一种以80C196KC单片机为控制核心的SPWM正弦脉宽调制电路。80C196KC单片机能产生3相6路互补的PWM信号,结合该单片机运算速度快、集成度高、功能强大的特点,实现了PWM触发脉冲的精确控制。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、保护电路以及单片机最小系统组成。通过软件编程的方法，产生正弦脉冲宽度调制波形来控制绝缘栅双极晶体管的导通和关断，从而达到控制异步电动机转速的目的。关键词：80C196KC；SPWM；单片机最小系统；逆变电路目录第1章 绪论1第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SPW
2、M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的确定43.2 带有波形发生器的微处理器芯片的选择53.3 主电路的设计63.3.1 三相电压型桥式逆变电路63.3.2 SPWM主电路的设计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 过流过压保护电路113.7 系统总的硬件电路图12第4章 软件的设计134.1 系统软件设计流程图134.2 SPWM波的产生144.3 调速信号检测15第5章 课程设计总结17参考文献18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的发展，在此技术背景下SPWM电路
3、构成的变频调速系统以其结构简单、运行可靠、节能效果显著、性价比高等突出优点而得到广泛应用。为了提高整个系统的控制效果，高性能SPWM 脉冲形成技术一直是人们不断探索的课题。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的方法，但是这种方法控制电路复杂、抗干扰能力差、实时调节比较困难。随着集成电路技术的飞速发展，特别是单片机功能的日益强大和成熟，使得以前需要昂贵的专用SPWM芯片产生SPWM，现在用单片机产生SPWM已成为可能。本文介绍了一种利用80C196KC单片机实现输出频率可变SPWM波形的方法。SPWM 技术的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
4、按正弦规律变化的脉冲序列，用它们来驱动逆变器件的开关转换。在本课题里对目前产生SPWM的各种算法进行比较和研究。选择一种合适的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的功率器件绝缘栅双极晶体管IGBT的性能，保护电路和驱动电路进行了探讨。利用80C196KC单片机为控制核心产生SPWM波，经过保护、隔离、驱动电路后的SPWM波，控制三相全桥逆变电路产生一个频率和电压都可调的交流输出，经滤波电路后供给负载使用。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的原理，就是面积等效原理，在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯
5、性的环节上时，其效果基本相同。所以可用等幅值的不同宽度的脉冲来等效一些想要的波形。PWM技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变为电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或电压脉冲周期以达到改变电压的目的，或者通过控制电压脉冲宽度和电压脉冲序列的周期以达到变压和变频的目的。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（DCAC变换）。PWM脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波（调制波）对三角载波进行调制，以达到调节输出脉冲宽度的目的。相当于基波分量的信号波（调制波）并不一定指正弦波，在PWM优化模式控制中可以是预畸变的信号波，正弦信号波是一种最通常的调制信
6、号，但决不是最优信号。根据面积等效原理，PWM波形和正弦波是等效的，而这种的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM（Sinusoidal PWM）波形。当前逆变电源的控制技术中，滞环控制技术和SPWM控制技术是变频电源中比较常用的两种控制方法。滞环控制技术开关频率不固定，滤波器较难设计，且控制复杂，难以实现；SPWM控制技术开关频率固定，滤波器设计简单，易于实现控制。当二者采用电压电流瞬时值双闭环反馈的控制策略时，均能够输出高质量的正弦波，且系统拥有良好的动态性能.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
7、比较器三部分组成。而这种控制电路要实现调频、调压都离不开CPU、EPROM、AD、DA转换器等。所以该电路复杂、器件分散性大、可靠性差。方案二：专用芯片法。如英国Mulend公司的HEF4752和德国西门子公司的SLE4520等。该方法的优点是电路集成度高、可靠性高，缺点是无法全面实现对调速系统的反馈控制、监视管理和保护工作，故一般也要配合单片机实现。方案三：软件生成法。该方法要考虑指令功能、存储容量和运算速度是否影响实时性，如采用89C51单片机查表法生成SPWM控制脉冲列的方法。在本课程设计中,采用80C196KC单片机直接生成三对互补的SPWM脉冲信号。80C196KC本身带有8路A/D
8、转换器，使得A/D转换非常方便。另外80C196KC带有三个PWM口，可方便的产生三路互补的PWM脉冲信号。如果要提高其分辨率可以选择高速输出口HSO.0HSO.5来产生PWM脉冲信号。系统中的脉冲分配延时电路及驱动电路、PWM功放电路、电流检测及速度检测电路仍采用模拟电路。这样结合了模拟和数字的优点,使整个调速系统既具有速度快,稳定性好的优点,又可提高调速精度。第3章 硬件设计3.1 系统硬件设计总方案的确定在三相交流电源供电的情况下，共需经过八个主要模块完成整个调速过程。首先主电路是三相桥式全控整流电路，然后经控制电路，输出的三相SPWM再者由电容滤波器滤波获得直流电源，最后经IGBT逆变
9、电路逆变，得到可调交流电源。IGBT为场控输入器件，输入功率小。确定主电路模块之后，采用电流转速双闭环调制系统，同时确定电源电路模块,保护电路模块，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 保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3.2 带有波形发生器的微处理器芯片的选择80C196KC是CHMOS高性能16位单片机中的一个新分支,内部EPROM/ROM为16b，内部RAM为488b，有24b的专用寄存器。80C196KC中采用了“垂直窗口”结构，使得新增的256BRAM通过
10、窗口映射同样可以作为通用寄存器来访问。80C196KC可以采用16MHz的晶振，内部时钟是2分频，其运行速度比12MHz的80C196KB快33%，比12MHz的8096BH快1倍。因此选用80C196KC作为本课程设计的微处理器芯片。80C196KC芯片是16位MCS_196系列单片机的重要成员，在工程应用领域有着广泛的应用。80C196KC单片机共有5个8位的并行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转换器的输入引脚ACH.0ACH.7；P2口是多功能口，其中P2.0P2.5共有六个脚，具有复用功能，与芯片的其他功能共享；P3口和
11、P4口一般用作系统总线AD0AD15，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口的扩展。在单片机扩展I/O口时，可使用8155和8255等芯片。除此之外，还可用其他的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的最少的外围设备，一般包括复位电路 和晶振电路等。80C196KC的最小系统如图3.2所示。图3.2 80C196KC的最小系统3.3 主电路的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。三相交流电经桥式整流后，得到脉动的直流电压经电容器滤波后供给逆变器。二极管整流桥把输入的交流电变为直流
12、电。3.3.1 三相电压型桥式逆变电路 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor）,英文简写为IGBT。它是一种典型的全控器件。它综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。现已成为中、大功率电力电子设备的主导器件。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，应用最为广泛的还是三相桥式逆变电路。采用六个IGBT 和六个续流二极管组成的双极式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是逆变器的六个功率开关器件，各与一个续流二极管（D1D6）并联。图3.3 三相电压型桥式逆变电路3.3.
13、2 SPWM主电路的设计整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电变为直流电供给直流用电设备。本课题中主电路中的整流器是由六个二极管（D7D12)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，只有当交流电压幅值超过电容电压时，才有充电电流流通，交流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。这样的电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污染。为了抑制谐波电流，对于较大容量的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。如图3.4所示。图3.4 SPWM主电路3.4 隔离和驱动电路3.4.1 抗干扰
14、电路本设计采用了光耦隔离器，光耦隔离器可以很简单将主回路的强电和控制回路的弱电相隔离，使主回路和控制回路更好的结合。光耦隔离器的电路示意图如图3.5所示。 图3.5 光耦隔离器3.4.2 光耦隔离驱动电路驱动电路的作用是将单片机输出的脉冲进行功率放大，以驱动IGBT，保证IGBT的可靠的工作。对IGBT驱动电路的要求如下：（1） 提供适当的正相和反向输出电压，使IGBT可靠的开通和关断。（2） 提供足够大的瞬态功率瞬时电流，使IGBT能迅速的建立栅控电场而导通。（3） 尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率。（4） 足够高的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
15、敏的过流保护能力。如图3.6所示.图3.6 光耦隔离的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。变压器把交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。稳压电源的技术指标可以分为两大类：一类是特性指标，如输出电压、输出电滤及电压调节范围；另一类是质量指标，反映一个稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内阻（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。因此要求电压调节范围越大越好，稳定性好，输出电阻小，输出电压纹波小等优点。常用的集成稳压器有LM78xx系列和LM79xx系列。78XX系列集成稳压器输出的是正直流电压，79XX系列是常用的固定负输出电压的三端集成稳压器，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LM
