三相正弦变频电源的软件设计毕业设计论文Word文档下载推荐.docx

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摘要

本文设计了一个AD/DC/AC变频电源系统。

该系统利用XC164单片机,采用SPWM变频控制技术，将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出，电源输出波形近似于正弦波，实现了三相正弦波变频输出。

并采用双闭环PID控制，使其输出线电压有效值为36V，最大输出电流有效值达3A。

此外系统还具有良好的稳压性能和很小的波形失真,并且能够进行自检测、过流、过压、过热和短路保护等功能。

关键字：

正弦波脉宽调制；

PID；

A/D转换；

变频电源

SinusoidalThree-phaseInverterPowerSoftwareDesign

Abstract

Inthispaper,wedesignedaAD/DC/ACinverterpowersystem.ThesystemusesXC164microcontroller,usingSPWMinvertercontroltechnology,reverseDCvoltageintoavoltage,variablefrequencyACoutputwaveformsimilartosinewavepoweroutputtoachievethethree-phasesinewaveoutputinverter.Andtheuseofdouble-loopPIDcontrol,sothattheoutputlinevoltageRMSto36V,themaximumeffectivevalueofoutputcurrent3A.System,theregulatoralsohasagoodperformanceandverysmallwaveformdistortion,andtocarryoutself-inspection,over-current,over-voltage,overheatingandshortcircuitprotection.

Keywords：

sinusoidalpulsewidthmodulation;

PIDcontrol;

A/Dtransformation;

frequency-variablepowersupplier

1绪论

1.1前言

近来,变频电源在各行各业的应用日益广泛。

变频器电源主要用于交流电机的变频调速，其在电气传动系统中占据的地位日趋重要，已获得巨大的节能效果。

由于世界各国电网指标不统一，生产出口产品都需要电网模拟不同国家的电网状况，并保证稳定性。

过去采用调压器调压，稳压器稳压，发电机进行二次变频，耗电量大，躁声大，稳定性差逐渐被变频电源所代替，所以市场上需求输出电压，频率无级数字可调，波形稳定纯净的电源。

本文是设计一个新型工业用缝纫机三相正弦波变频电源，用以实现缝纫机的无级调速。

该产品的设计是根据市场的需求而确定的，可填补该产品市场的空白，满足国内制衣业的急需。

1.2课题研究背景及意义

该题目是设计一个新型工业用缝纫机三相正弦波变频电源，用以实现缝纫机的无级调速。

现代电源技术是应用电力电子半导体器件,综合自动控制、计算机（微处理器）技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术。

在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用,是现代电力电子技术的具体应用。

当前,电力电子作为节能、节材、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加成熟、经济、实用,实现高效率和高品质用电相结合。

技术的发展

现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。

八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

（1）整流器时代

大功率的工业用电由工频（50Hz）交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解、牵引和直流传动三大领域。

因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。

当时国内曾经

掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮。

（2）逆变器时代

七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频调速因节能效果显著而迅速发展。

变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。

在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管（GTR）和门极可关断晶闸管（GT0）成为当时电力电子器件的主角。

这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。

（3）变频器时代

八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展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M0SFET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。

1.3国内外相关研究情况

20世纪70年代后,大规模集成电路和计算机控制技术的发展,以及现代控制理论的应用,推动了变频电源技术的发展,使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能,在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。

在交流调速技术中,变频调速具有绝对优势,并且它的调速性能与可靠性不断完善,价格不断降低,特别是变频调速节电效果明显,而且易于实现过程自动化,深受工业行业的青睐。

变频电源是运动控制系统中的功率变换器。

当今的运动控制系统是包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是：

驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。

因此，变频电源作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。

经历大约30年的研发与应用实践，随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频电源的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地提高可靠性实现变频电源的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力。

1.4本文主要研究工作

本文采用交流－直流－交流，即先整流后逆变的方法,制作一个频率可调的三相正弦波变频电源。

先通过自耦变压器和隔离变压器将220V的市电转化为所需要的电压，再通过电容滤波的不可控整流电路，将交流整为直流，然后通过软件产生的SPWM控制。

本电路有电流电压的检测和缓冲电路,具有过流保护,负载缺相保护及负载不对称保护功能,使电路安全稳定工作。

用单片机的编程，以生成SPWM脉冲；

对输出电压和电流进行采样、A/D转换，并计算出输出线电压和相电流；

实现电压、电流、频率和功率的LCD显示；

对输出电压进行PID控制；

以及根据输出电流实现过流保护、负载缺相保护及负载不对称保护。

根据课题要求，通过比较，采用德国Infineon公司生产的XC164单片机作为核心控制模块，利用单片机生成的SPWM脉冲经过逆变电路的驱动电路（核心器件为IR2136），加在由MOS管构成的逆变驱动电路上，再对逆变电路的输出信号进行LC低通滤波，从而产生合乎要求的正弦波，是一种基于SPWM控制的变频电源的设计方法。

该变频电源的输出频率范围为20Hz～100Hz的三相对称交流电，各相电压有效值之差小于0.5V；

输出电压波形接近正弦波，用示波器观察无明显失真；

在输入电压为198V～242V，负载电流有效值为0.5A～3A时，输出线电压有效值应保持在36V，误差的绝对值小于5%；

当输出电流有效值达3.6A时过流保护动作、当三相电流中任意两相电流之差大于0.5A时，自动实施负载缺相保护及负载不对称保护功能，保护时自动切断输入交流电源。

本人在该课题中所承担的任务主要是单片机的编程，以生成SPWM脉冲；

另外，我还参与系统方案的选取与部分电路的设计。

根据课题要求，通过比较，我们决定采用SPWM技术，并且将XC164单片机作为该变频电源系统的核心控制器。

2三相正弦变频技术相关理论研究

2.1正弦波生成方案的研究

2.1.1PWM控制的基本原理

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性的环节上时，其效果基本相同，冲量即指窄脉冲的面积。

这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。

如果把各输出波形用傅立叶变换进行频谱分析，可发现它们的低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。

例如图2.1中a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，图2.1a为矩形脉冲，图2.1b为三角形脉冲，图2.1c为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。

脉冲越窄，其输出的差异越小，当窄脉冲变为图2.1d的单脉冲函数δ（t）时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。

ab

cd

图2.1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

上述结论是PWM控制的重要理论基础。

下面分析一下如何用一系列等幅而不等宽的脉冲代替一个正弦半波。

把图2.2a所示的正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。

这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。

如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（冲量）相等，就得到图2.2b所示的脉冲序列。

这就是PWM波形。

根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦波是等效的。

对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。

像这种脉冲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（SinusoidalPWM）波形。

图2.2PWM控制的基本原理