三相正弦变频电源的软件设计毕业设计论文Word文件下载.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控制的基本原理示意图
以上介绍的是PWM控制的基本原理，按照上述原理，在给出了正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。
按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。
图2.3单极性SPWM控制原理图
图2.4双极性SPWM控制原理
但是，这种计算是很烦琐的，正弦波的频率、幅值变化时，结果都要变化。
较为实用的方法是采用调制的方法，即把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。
通常采用等腰三角形作为载波，因为等腰三角形上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波形相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。
当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。
一般根据三角波载波在半个周期内方向的变化，又可以分为两种情况。
三角波载波在半个周期内的方向只在一个方向变化，所得到的SPWM波形也只在一个方向变化的控制方式成为单极性SPWM控制方式，如图2.3所示。
如果三角波载波在半个周期内的方向是在正负两个方向变化的，所得到的SPWM波形也是在两个方向变化的，这时成为双极性SPWM控制方式如图2.4所示。
2.1.2SPWM的产生过程
脉宽调制（PWM）技术是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需要的电压或电流信号。
它是利用三角波电压与参考电压相比较，一旦三角波电压和参考电压相比配，输出电平翻转，否则输出电平保持不变，这样就确定了各分段矩形脉冲的宽度。
从脉宽调制的极性看，PWM波又可分为单极性和双极性控制模式两种。
由于单极性的PWM脉冲信号还要与特定的倒相信号相乘才能得到正负半波对称的PWM脉冲信号，与单极性模式相比，尽管双极性PWM脉冲信号输出电压中高次谐波分量较多，但其电路简单且易于单片机编程，因此本文采用双极性的PWM。
采用对称的三相正弦波电源供电，有利于减小谐波影响，因此，PWM的参考电压一般为正弦波，参考电压为正弦波的PWM即为SPWM。
其具体方法如下：
正弦波脉宽调制技术就是利用三角波电压（载波）和正弦波（调制波）相比较，以确定个分段矩形脉冲的宽度，使输出矩形脉冲逼近正弦波。
为了得到三相SPWM脉冲，需要用三个相位两两相差120°
的正弦波同时调制一个三角波，如图
2.5所示：
图2.5三相SPWM产生示意图
在该变频电源系统中，SPWM脉冲是由单片机产生的，SPWM信号要求脉宽按正弦规律变化，因此每一个PWM周期脉宽都要改变，由单片机产生SPWM波就是在初始化时将PWM周期值设定，然后用定时器定时，每个周期产生一次中断，来调整脉宽，从而得到脉宽不断变化的SPWM脉冲。
所谓SPWM正弦脉宽调制法是调制波为正弦波载波为三角波或锯齿波的一种脉宽调制法.它原理简单,控制和调节性能好,具有消除谐波、调节和稳定输出电压等多种作用,是一种较好的波形改善法。
电源的稳定关键是SPWM波形产生的稳定性。
现在通用的SPWM实现方法是，通过用单片机查正弦函数表得到SPWM波形;
本文把单片机的智能化和控制技术与开关电源的高效率相结合，设计出一款高性能的三相正弦波变频稳压电源。
该变频电源可利用反馈电压对输出电压每个周期内采样20个点，据此计算出输出线电压有效值，对其进行PID控制，以实现良好的稳幅特性。
同时通过电流传感器对电流每个周期内采样20个点，并反馈到控制模块，以计算出电流的有效值从而对其进行监控，以实现过流保护、负载缺相保护和负载不对称保护，使该变频电源更加安全可靠。
另外，该变频电源还具有液晶显示功能，可以显示输出正弦波的频率、电压、电流和功率，使其操作简单方便。
2.2PID控制技术研究
PID控制就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的，在PID控制中，比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。
但是，比例控制不能消除稳态误差。
比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。
积分控制的作用是，只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。
因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。
积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。
微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。
PID控制是一种比较成熟的控制理论，它通过比例、积分、微分三部分的合理组合可以用比较简单的方法获得令人满意的控制效果。
PID的数学模型如图2.6表示：
图2.6PID数学模型
给定值R（t）与实际值Y（t）构成控制误差:
E（t）=R（t）-Y（t）（2.1）
PID控制器根据E（t）将误差的比例（P）、积分（I）、和微分（D）通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制，其控制规律如式2.2所示:
U（t）=KP[e（t）+
]（2.2）
U（t）一控制器输出函数;
E（t）一控制器误差函数;
KP一比例系数;
Ti一积分时间常数;
Td一微分时间常数;
PID控制算法又分为位置型和增量型两种，分别如下面式（2.3）、式（2.4）所示：
u（n）＝KC｛e（n）＋T／Tre（i）＋
TD／T［e（n）－e（n－1）］｝ （2.3）
Δu（n）＝u（n）－u（n－1）
＝KC｛［e（n）－e（n－1）］＋T／Tre（n）＋
TD／T［e（n）－2e（n－1）＋e（n－2）］｝ （2.4）
式中，u（n）为第n次采样时刻计算机的输出；
Δu（n）为第n次采样时刻计算机输出的增量；
e（n）为第n次采样时刻的偏差信号；
T为采样周期；
KC为调节器的比例增益；
Tr为调节器的积分时间；
TD为调节器的微分时间。
由上面两式可知，数字PID控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。
由于偏差信号e（n）是由测量环节输出的测量信号S（t）和设定值r相比较后采样而得到的［e（n）＝r（n）－S（n）］，而测量信号中总是存在一些干扰、噪声或者畸变，这些因素都影响上述控制算法的精度，从而使整个控制系统的性能下降。
但是，利用数字滤波和动态补偿技术能够有效地对偏差信号（测量信号）中的干扰、噪声进行滤波或者对其畸变进行动态补偿，从而提高数字PID控制算式的精度，改进控制系统的性能。
本设计用的是增量式PID控制算法：
增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量Δu（k）。
采用增量式算法时，计算机输出的控制量Δu（k）对应的是本次执行机构位置的增量，而不是对应执行机构的实际位置，因此要求执行机构必须具有对控制量增量的累积功能，才能完成对被控对象的控制操作。
执行机构的累积功能可以采用硬件的方法实现；
也可以采用软件来实现，如利用算式
程序化来完成。
由式（2.6）可得增量式PID控制算式
（2.5）
式中
进一步可以改写成
（2.6）
、
一般计算机控制系统的采样周期T在选定后就不再改变，所以，一旦确定了Kp、Ti、Td，只要使用前后3次测量的偏差值即可由式（2.5）或式（2.6）求出控制增量。
增量式算法优点：
①算式中不需要累加。
控制增量Δu（k）的确定仅与最近3次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果；
②计算机每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时影响范围小、不会严重影响生产过程；
③手动—自动切换时冲击小。
当控制从手动向自动切换时，可以作到无扰动切换。
3系统硬件简述
3.1系统结构框图
本论文采用交—直—交变频技术，首先将220V，50Hz交流电通过隔离变压器变压后再整流滤波，形成90V左右的直流电压，然后再由单片机产生三相SPWM波，经驱动放大后加到逆变电路上，将直流电转化为36V的正弦波交流电。
该变频电源系统的开关，输出频率的增减可通过与单片机相连的键盘控制。
同时，为了输出波形的稳定、安全，并且显示输出频率、电压、电流和功率，本系统同时采用电压反馈电路和电流反馈电路，分别将输出电压和电流反馈至XC164单片机，然后该单片机利用其内部的模数转换器对反馈电压和电流进行A/D转换，再根据转换的数字量结果计算出电压、电流的有效值以及功率，连同输出频率一并显示；
同时单片机根据计算出的电压有效值对输出电压进行宏观PID控制，以实现稳幅。
三相正弦变频电源的系统原理框图如图3.1所示：
逆变驱动电路
键盘
单片机
电压反馈电路
三相负载
整流滤波电路
液晶显示
滤波电路
隔离变压器
逆变电路
电流反馈电路
图3.1系统原理框图
3.2XC164单片机简介
3.2.1简介
本论文中的单片机选用了德国Infineon公司生产的XC164单片机。
它属于InfineonXC166系列的单片机，是Infineon16位单片机的第四代产品。
该系列的单片机是为了适应实时嵌入式应用的高性能要求所设计的。
整个系统的结构根据高速指令输出与对外部激励的快速响应进行了最优化的设计。
为了最大程度的减小CPU中断的需要，它把外围智能子系统结合成一个整体，这样同时也使外部总线接口的通信需求减到最小。
XC164型单片机的功率管理机理有效地控制了单片机在特定状态下的能耗，使单片机工作时的能耗达到最小。
它的MAC单元具有数字信号处理功能，使其具有处理数字滤波算法的能力，并且极大地减小了乘法和除法运算的执行时间。
作为该变频电源系统核心控制模块的XC164单片机控制着SPWM脉冲的生成，LCD的显示，变频电源的输出频率，输出电压的稳幅以及电路的保护，可以说是整个变频电源系统的心脏。
该变频电源系统的软件设计——单片机编程的任务是在实现硬件平台正常工作的基础上，设计相应的控制软件，完成SPWM脉冲的生成、对输出电压的PID控制、输出电压和电流检测、液晶显示、按键控制，过流保护负载不对称或缺相保护等功能。
3.2.2常用单元介绍
下面本文将对单片机编程中最常用的单元进行介绍。
XC164单片机具有128KB的闪存，6KB的内存，14个模拟输入通道，6个串行接口，可以实现信号的采集、处理、控制和显示功能，并且内部含有AD转换器，灵活性好，外围设备简单，可以在线编程，易于调试，执行速度快、存储容量大。
在该变频电源系统的单片机编程中，用到最多的是XC164中CAPCOM6（Capture/CompareUnit6）单元。
CAPCOM6由T12计时器模块和T13计时器模块组成，由于本文只用到T12计数器，因此这里只对T12进行介绍。
T12计时器有三个捕获/比较通道，它们可以独立的产生PWM信号或者接受捕获触发，也可以共同产生控制信号模式，以驱动交流电动机或逆变器。
当CAPCOM6处于比较模式时，T12计时器模块主要是用来产生三相PWM脉冲的。
一个16位的计数器通过比较器与三个通道寄存器相连，当计数器计数值与通道寄存器的值相匹配时，就产生一个信号。
T12计时器通过可编程比例因子从模块时钟
获得其输入时钟
。
它可以向上或向下计数，其计数方向用一个方向标志——CDIR来表示。
通过比较器还和周期寄存器T12PR相连，T12PR决定了T12的最大计数值。
当选择边缘对齐模式时，T12计数到最大值后被重新赋0；
当选择中心对齐模式时，T12计数到最大值后计数方向变为向下计数。
可以通过软件控制T12的工作状态：
对T12RS赋1，T12R置一，T12开始计数；
对T12RR赋1，T12R清零，T12停止计数。
对单相信号来说，一个通道会产生高电平
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