基于SPWM脉宽调制的电机恒压频比设计Word格式.docx

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完成SPWM正弦脉宽调制信号的程序设计

（4）撰写课程设计说明书（论文）：

其中应包含设计方案选择与论证、总体功能框图、总体电路原理图、软件流程图及部分程序等内容。

技术参数：

额定输入电压：

直流DC220V；

输入电压范围：

±

15%；

输入最大电流值：

30A；

逆变输出线电压：

三相380VAC±

2%；

逆变输出相电压：

220VAC±

逆变输出波形：

全正弦波；

逆变输出频率值：

50HZ±

0.5%。

进度计划

（1）布置任务，查阅资料，确定系统的组成（1天）

（2）对系统功能进行分析（1天）

（3）系统硬件电路设计（3天）

（4）系统软件设计及实验研究（3天）

（5）撰写、打印设计说明书（2天）

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

总成绩：

指导教师签字：

年月日

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

本设计是一种基于SPWM设计电机恒压频比调速的方法。

系统主要包括主电路与控制电路，主电路采用IPM智能功率模块作为电机的控制。

控制电路由AT89C51单片机最小系统和SA8281三相SPWM产生器及少量的扩展外围芯片构成，充分发挥其控制电路简单、控制方式灵活、输出波形优点多的特点，结合相应的软件，实现电机的调速要求。

其中主要内容包括：

SA8281的特性介绍及变频系统的主电路、驱动电路、保护电路、速度检测、调速系统及软件编程设计方法。

所设计的系统实现了变频调速的全数字化控制，实时性好，可靠性高。

关键词：

SPWM；

AT89C51；

单片机；

SA8281

目录

第1章绪论1

第2章课程设计的方案3

2.1概述3

2.1.1交流调速系统3

2.1.2单片机控制的变频调速3

2.2系统组成总体结构4

2.2.1模块结构4

2.2.2硬件结构5

第3章硬件设计6

3.1单片机设计6

3.1.1主要特性6

3.1.2管脚说明6

3.2SPWM发生模块8

3.2.1SA8281的引脚及其功能9

3.2.2SA8281内部结构10

3.3其他硬件模块12

3.3.1驱动模块12

3.3.2保护电路14

第4章软件设计15

第5章系统测试与分析/实验数据及分析17

5.1SPWM调制比、载波比等数值的计算；

17

5.2恒压频比控制下的机械特性17

5.3SA8281初始化程序19

第6章课程设计总结22

参考文献24

第1章绪论

对于可调速的电力拖动系统，工程上往往根据电动机电流形式分为直流调速系统和交流调速系统两类。

它们最大的不同之处主要在于交流电力拖动免除了改变直流电机电流流向变化的机械向器——整流子。

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，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。

许多传统的由直流电机调速系统拖动的工业设备改由交流变额调速系统拖动，从而提高了系统的可靠性，减少了系统的维护费用。

随着变频调速应用的日益广泛，相关技术的日益成熟，人们不仅对变频调速系统的精度要求越来越高，而且对控制的功能要求越来越多，对系统的智能化要求越来越高，对系统的抗扰能力要求越来越高，以满足生产的需求并适应不同的工作环境。

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。

交流变频调速的优异特性：

调速时平滑性好，效率高。

低速时，特性静关率较高，相对稳定性好；

调速范围较大，精度高；

起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显；

变频器体积小，便于安装、调试、维修简便，易于实现过程自动化；

在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。

交流电动机因其结构简单，运行可靠，价格低廉，维修方便，故而应用面很广，几乎所有的调速传动都采用交流电动机。

尽管从1930年开始，人们就致力于交流调速系统的研究，然而主要局限于利用开关设备来切换主回路达到控制电动机启动，制动和有级调速的目的。

变极对调速，电抗或自藕降压启动以及绕线式异步电动机转子回路串电阻的有级调速都还处于开发的阶段。

交流调速缓慢的主要原因是决定电动机转速调节主要因素的交流电源频率的改变和电动机的转距控制都是非常困难的，使交流调速的稳定性，可靠性，经济性以及效率均不能满足生产要求。

后来发展起来的调压，调频控制只控制了电动机的气隙磁通，而不能调节转距。

正弦脉宽调制法是抑制逆变器输出谐波的方法之一，它已经得到广泛的应用。

产生标准的、精确的SPWM信号是实施这种方法的关键，因而SPWM信号的产生方法和电路一直被人们高度重视。

产生SPWM信号的基本方法是用单向脉动的半波正弦信号去调制三角载波或锯齿载波，由此形成宽度按正弦规律变化的脉冲阵列。

　　产生SPWM信号有模拟电路法、单片机编程数字法。

但这两种方法分别存在精度低、稳定性差以及调节不便、实现过程复杂等缺点。

用数模结合的方法产生SPWM信号具有精度高、稳定性好、简便易行、调节方便等优点。

特别适用于驱动单相推挽式或半桥式逆变器的全控型功率开关器件。

　　近年来，产生SPWM信号的专用集成电路芯片得到广泛应用。

常用的有HEF4752、SLE4520等。

将这些芯片用于逆变器，可使逆变器的控制系统得到简化。

但这些芯片本身的功能也存在着不足之处，致使它们的实际应用受到了限制。

例如HEF4752生成的SPWM信号的最大开关频率一般在1kHz以下，只适用于以BJT或GTO为开关器件的逆变器，而不适于以IGBT为开关器件的逆变器。

SLE4520输出的SPWM信号的开关频率可达20kHz以上，能用于IGBT逆变器或其他中频电源逆变器。

但这种芯片必须与8bit或16bit单片机联合使用，才能产生SPWM信号。

这样不仅使产生SPWM信号的硬件电路复杂，而且使它的控制算法和软件技术也非常麻烦。

另外这两种专用芯片都是生成三相SPWM信号的集成电路，用于单相逆变器中既不方便也不够经济。

本文主要内容是研究采用单片机AT89C51与SA8281芯片组成SPWM波发生电路，通过软件编程控制电动机变频调

第2章

课程设计的方案

概述

交流调速系统

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，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。

交流调速控制作为对电动机控制的一种手段。

作用相当明显，就交流调速系统目前的发展水平而言，可概括的如下：

（1）已从中容量等级发展到了大容量、特大容量等级。

并解决了交流调速的性能指标问题，填补了直流调速系统在特大容量调速的空白。

（2）可以使交流调速系统具有高的可靠性和长期的连续运行能力，从而满足有些场合不停机检修的要求或对可靠性的特殊要求。

（3）可以使交流调速系统实现高性能、高精度的转速控制。

除了控制部分可以得到和直流调速控制同样良好的性能外，异步电动机本身固有的优点，又使整个系统得到更好的动态性能。

采用数字锁相控制的异步电动机变频调速系统，调速精度可以达到0.002%。

在交流调速技术中，交流电动机的调速方法有三种：

变极调速、改变转差率调速和变频调速。

其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。

单片机控制的变频调速

微处理器（单片机）取代模拟电路作为电动机的控制器，具有如下特点：

（1）使电路更简单。

模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路更复杂，采用微处理器后，绝大多数控制逻辑可通过软件来实现。

（2）可以实现较为复杂的控制。

微处理器具有更强的逻辑功能，运算速度快，精度高，有大容量的存储单元。

因此，有能力实现复杂的控制。

（3）灵活性和适应性。

微处理器的控制方式是有软件来实现的，如果需要修改控制规律，一般不必改变系统的硬件电路，只须修改程序即可，在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便。

（4）无零点漂移，控制精度高数字控制不会出现模拟电路中经常遇见的零点漂移问题，无论被控量是大还是小，都可以保证足够的控制精度。

（5）可以提供人机界面，多机连网工作。

用工业控制计算机可谓功能强大，它有极高的速度，很强的运算能力和接口功能，方便的软件功能，但是由于成本高，体积过大，所以只用于大型的控制系统。

可编程控制器则恰好相反，它只能完成逻辑判断、定时、记数和简单的运算，由于功能太弱，所以它只能用于简单的电动机控制。

在民用生产中，通常用介于工控机和可编程控制器之间的单片机作为微处理器。

本次设计就是用单片机作为电动机的控制器。

系统组成总体结构

模块结构

图2.1：

总体结构图

总体结构如图2.1所示，主要包括AT89C51主控制模块、SA8281产生SPWM波模块、驱动模块以及外围设备模块。

以CPU为核心，完成对交流电动机的速度控制。

这里选用了ATMEL公司的AT89C51单片机，它与Intel51系列单片机完全兼容。

其内部配置了4KB的FlashMemory，无须扩展外部存贮器。

同时这种8位单片机的总线结构与SA8281完全兼容，可以直接相连。

给定转速nO可以用键盘设定。

用8位LED分别显示给定转速nO和实际转速n，一目了然。

系统对电动机运行状态的数据监测、调速效果、动态响应的跟踪情况都可以传送到上位机，以表格或曲线的形式输出，以便于观察分析。

硬件结构

图2.2：

硬件结构图

本系统的硬件系统设计如图2.2所示主要是由AT89C51控制SA8281,从而控制IGBT的触发角来控制变频器的逆变。

使三相交流电通过变频器的整流逆变后得到电压和频率之比为定值的给定交流电源，从而达到转差频率不变，提高电机的工作效率。

AT89C51与SA8281连接图

第3章硬件设计

单片机设计

89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

主要特性

·

与MCS-51兼容

4K字节可编程闪烁存储器

寿命：

1000写/擦循环

数据保留时间：

10年

全静态工作：

0Hz-24Hz

三级程序存储器锁定

128*8位内部RAM

32可编程I/O线

两个16位定时器/计数器

5个中断源

可编程串行通道

低功耗的闲置和掉电模式

片内振荡器和时钟电路

管脚说明

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0口外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；

当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

SPWM发生模块

SA8281是英国MITEL公司研制出的一种专门用于三相SPWM信号发生和控制的集成电路芯片。

它采用28引脚，分DIP和SOIC两种封装。

它可以和大部分的单片机连接，也可以单独使用。

芯片的主要特性是：

全数字控制；

兼容Intel和Motorola系列的单片机；

载波频率最高可达24kHz；

输出调制波频率范围为0～4kHz；

16位调速分辨率；

8位调压分辨率；

内部ROM固化3种可选波形；

可设定死区时间和删除最小脉宽；

可实现正反转控制；

可以单独设定各相的输出电压幅值以适应不平衡负载；

有看门狗定时器。

SA8281的引脚及其功能

图3.1：

SA8281的引脚图

14个输入端、3个控制端、9个输出端、2个电源端，其主要端子的功能和接法如下：

（1）输入类引脚说明

AD0～AD7：

地址或数据通道，其功能是将单片机输出指令或数据送入SA8281。

SETTRIP：

通过该引脚，可以快速关断全部SPWM信号输出，当其有效时，TRIP端输出高电平，指示灯亮。

RST：

为硬件复位引脚，低电平有效，复位后，寄存器的INH、CR、WTE和RST各位为0。

CLK：

时钟输入端，SA8281既可以单独外接时钟，也可以与单片机共用时钟；

MUX：

用于总线选择。

当MUX高电平时，使用地址与数据共用的总线，这时，地址/数据引脚RS不用；

当MUX低电平时，使用地址与数据分开的总线，这时，地址锁存引脚ALE接低电平，RS引脚要与一条地址线相连，来区分输入的字节是地址（低电平），还是数据（高电平），通常先地址后数据。

CS：

片选引脚，与微机系统的输出端相连。

WR、RD、ALE：

用于“RD/WR”模式，分别接受写、读、地址锁存指令。

（2）输出类引脚说明：

RPHB、YPHB、BPHB：

这些引脚通过驱动电路控制逆变桥的R、Y、B相的下臂开关管；

RPHT、YPHT、BPHT：

这些引脚通过驱动电路控制逆变桥的R、Y、B相的上臂开关管；

它们都是标准的TTL输出，每一个输出都有12mA的驱动能力，可直接驱动6个EXB840快速型IGBT专用驱动模块。

TRIP：

该引脚输出一个锁存状态，当SETTRIP有效时，TRIP为低电平，表示输出已被封锁。

它有12mA的驱动能力，可直接驱动一个LED指示灯；

ZPPR：

该引脚输出调制波频率；

WSS：

该引脚输出采样波形。

SA8281内部结构

图3.2：

SA8281内部结构图

SA8281内部结构图由图3.2所示。

由图可见SA8281主要包括三大部分:

微机接口部分、PWM波形生成部分和三相PWM波形输出部分，现分述如下:

1．微机接口部分

主要由总线控制，地址/数据总线，暂存器R0,R1,R2，虚拟寄存器R3,R4，以及24位初始化寄存器和24位控制寄存器构成。

24位初始化寄存器用来设置输出波形的基本参数，如载波频率、最高输出频率、脉冲延迟时间（死区时间）、最小脉宽等，一经设置好，运行中一般不允许改变.24位控制寄存器主要用来调整输出频率、幅值，另外可控制正反转、过调制及PWM输出的开、关。

在SA8281工作之前，首先由微处理器通过上述控制总线和地址/数据总线向其内部两个24位寄存器写入命令字，由于总线接口被限制在8位字长，因此数据在输送到一个24位寄存器之前，先要分三次分别送到三个暂存器RO,R1}R2中，然后通过写虚拟寄存器R3或R4（该两寄存器物理上不存在）将数据送24位控制器或24位初始化寄存器，即往R3写数据将使Ro,R1,}2中的数据送控制寄存器，往R4写数据将使Ro}m,}中的数据送到初始化寄存器.地址分配表如表1所示.

2三相PWM波形生成部分

由地址发生器、波形ROM及相位和控制逻辑构成。

SA8281采用异步调制的不对称规则采样法生成三相PWM信号，波形ROM用于存储调制波形，在相位和控制逻辑电路的控制下，根据地址发生器产生的地址信号，从波形ROM中读取波形数据，并与三角载波比较，以产生三相PWM信号，这一过程需要用到初始化寄存器和控制寄存器中的数据，但不需微处理器的直接干预。

3三相PWM波形输出电路

波形生成电路产生的三相PWM信号，需经过脉冲取消电路和脉冲延迟电路，然后锁存输出.脉冲取消电路用来将脉冲宽度小于取消时间（即最小脉宽）的脉冲去掉，延迟电路的作用是在同一相上、下桥臂的功率开关切换时形成一个死区时间，以防切换瞬间的直通现象。

图3.3：

ROM中3种可供选择波形

片内ROM存有3种可供选择的波形，它们是纯正弦波形、增强型波形和高效型波形（如图3.3所示）。

每种波形各有1536个采样值。

增强型波形又称三次谐波，它可以使输出功率提高20%，三相谐波互相抵消，防止电动机发热。

高效型波形又称带死区的三次谐波，它是进一步优化的三次谐波，可以减小逆变开关管的损耗，提高功率利用率。

图3.4SA8281与TLP250连接图

由图3.4看出SA8281芯片的BPHT、BPHB分必然与TLP250的2、3相连，驱动逆变电路B相的上下臂。

其他硬件模块

驱动模块

SA8281输出的6路控制信号是TTL电平的，它们不能直接驱动IPM中的6个IGBT。

原因有两个：

①IGBT需要的开关信号幅值约为±

10V，TTL电平不能胜任；

②逆变桥中三个下桥臂是共地的，而三个上桥臂是悬浮的，SA8281输出的6路信号均是共地的，必须加以隔离。

因此驱动电路的任务有两个：

电平转换和隔离。

图3.4：

TLP250引脚图

引脚功能：

1-空；

2-输入+；

3-输入-；

4-空；

5-电源-；

6-输出；

7-输出；

8-电源+

1电平转换

IGBT一般用集成电路芯片来驱动，常用电路有富士公司的EXB840、841、850、851系列、三菱公司的M5796系列等。

这里介绍一种东芝公司的产品TLP250，电路非常简单。

TLP250采用8脚的DIP封装，引脚如图3.4。

输入端光耦的隔离电压达到3000V，输入电流为5~10mA，可以驱动100A/600V的IGBT。

它采用单电源供电，使用时须外接一个电阻和一个10V的稳压管，把25V的隔离电源变为+15V的导通电压和－10V的关断电压。

图3.5：

隔离电源

为了驱动主电路逆变桥的三个上桥臂的IGBT，必须给每一路提供一个隔离的25V电源而三个下桥臂可以共用一个电源。

此外，SA4828及单片机系统还需要+5V电源以及异步通讯所需的±

12V电源，一共需要7路电源，如图3.5所示。

该电源可以采用线性电源，也可采用开关电源。

前者体积大，笨重，但电路简单，各路电源完全独立，调试容易。

后者则轻便、小巧，电路相对较复杂。

采用单片开关电源芯片可大大。

由于一个TLP250只能同时驱动2个IGBT，所以要想同时驱动6个IGBT，只能添加3个TLP250，如图3.6所示，1个TLP250同时驱动2个IGBT。

图3.6TLP250驱动IGBT

3.32保护电路

逆变器中的IGBT模块是变频器的主要部件，也是最昂贵的部件。

由于它工作在高频、高压、大电流的状态，所以也是最容易损坏的部件。

因此IGBT模块的保护工作显得十分重要。

为此应做到以下几点：

（1）选用智能型IGBT模块。

IPM中一般都有过流、过热、短路、欠压保护电路，当任一情况发生时它能迅速给出报警信号。

把该信号接到SA8281的SETTRIP端，可立即切断SA8281的6路控制信号，关闭所有的IGBT。

（2）对SA8281编程时，设置合理的“死区”时间和欲删除的“窄脉冲”的宽度，前者可有效防止同一桥臂上、下开关元件的共态导通；

后者可降低开关损耗，减少发热。

（3）在单片机的调速过程中始终监视变频器输出端的电压和电流，一旦超限将停止SA8281的工作并发出报警指示。

第4章软件设计

初始化子程序：

它实现键盘处理、刷新处理与下位机和其它程序主要完成硬件器件工作方式的设定、系统