单相正弦波变频电源的设计.docx

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单相正弦波变频电源的设计

单相正弦波变频电源的设计

摘要：

介绍由单片机和SA4828研制的单相变频电源。

提出了用高精度三相可编程PWM集成芯片SA4828与89C52单片机控制技术相结合的单相变频电源的设计方案。

给出了系统总体构成和主电路设计，介绍了SPWM产生器SA4828和工作原理，SA4828全数字操作、工作方式灵活、频率范围宽、精度高功能强，可实现系统的智能化设计。

文中详细介绍了采用单片机AT89C52和SPWM产生器SA4828组成系统控制器的软硬件设计。

利用专用集成电路SA4828设计变频器,可以大大简化硬件电路的设计和软件编程。

它以SA4828作为SPWM信号发生器,经过驱动电路控制IPM模块,产生三相变频电源。

配以单片机、键盘、LED显示器及转速编码器,构成闭环调速系统。

实验表明，由SA4828为控制芯片的变频电源结构简单、输出波形好、性能稳定可靠，适合于中、小功率的应用场合。

关键词：

正弦脉宽调制（SPWM）；SA4828；逆变电源；单片机

DesignofSingle-phasesinewavevariablefrequencypowersource

Abstract：

TheSingle-phasesinewavevariablefrequencypowersourcebasedonMCUAT89C52andSPWMgeneratorICSA4828isintroducedinthispaper.ThedesignproposalofSingle-phasesinewavevariablefrequencypowersourcewasproposedusingtheMCU89C52controltechnologyunifiedwithhighaccuracythree-phaseprogrammablePWMintegratedchipSA4828.Thesystemconstructionandmaincircuitdesignofvariablefrequencypoweraregiven,thefunctionfeatureandoperationprincipleofSPWMgenerationICSA8282isdescribed.ThehardwareandsoftwaredesignofcontrollerbyusingAT89C52andSA8282isdiscussedindetailinthispaper.MakinguseofthespecialICSA4828todesignaninvertercangreatlysimplifyboththehardwareandsoftware.TheSA4828usedasSPWMsignalgeneratorcontrolstheIPMviadrivercircuitstoproducevariablefrequencypowersupply.ThespeedadjustingsystemconsistingofSCC,KB,LEDdisplayandspeedcoderistestedandexcellentperformanceisachieved.Experimentalresultsshowntheoutputvoltagewaveformisquitegood,theperformancemeetsthedemand.

Keywords：

SPWM;SA4828;inverter;MCU

1前言

目前，变频电源大多采用正弦脉宽调制，即所谓SPWM技术。

其控制电路大多采用模拟方法实现，电路比较复杂，有温漂现象，影响精度，限制了系统的性能，以80C196MC或TMS320F240为核心组成的控制电路，能实现电源的全数字化控制，但系统较复杂，软件工作量大，研制周期长。

而MITEL公司生产的增强型SPWM波产生器SA4828，可与单片机连接，完成外围控制功能，使系统智能化。

单片机只用很少的时间去控制它，因而有能力进行整个系统的检测、保护、控制、显示等。

基于上述原因，控制电路采用SA4828和AT89C52。

同时为消除输出滤波电感的噪音，将变压器和电感集成在一起，利用输出变压器的漏感与电容组成LC低通滤波器，不但消除了输出滤波电感产生的噪音，而且简化了主电路设计。

1.1变频电源应用背景及领域

变频电源的应用背景，是基于世界各国电网标准的不一致，大多数有关出口电器产品的厂商需要电源模拟不同国家的电网，为工程师设计开发、生产线测试及品保的产品检测、寿命、过高压/低压模拟测试等服务，这就需要设备电源能够提供纯净可靠的、低谐波失真、高稳定的频率和稳压率的正弦波电力输出；而进口某些电器设备的也需要对产品适用于我国电网标准进行变压、变频等实验，品质检测等工作，进而依此保证进口的有关电器设备的正常工作。

变频电源广泛适用于家电制造业、电机、电子制造业、IT产业、电脑设备、实验室等设备场所。

家电业制造商如：

空调设备、咖啡机、洗衣机、榨汁机、微波炉、收录音机、冰箱、DVD、洗尘器、电动剃须刀等产品的测试电源。

电机、电子业制造商如：

交换式电源供应器、变压器、电子安定器、AC风扇、不断电系统、充电器、继电器、压缩机、马达、被动元件等产品的测试电源。

IT产业及电脑设备制造商如：

传真机、影印机、碎纸机、印表机、扫描器、烧录机、伺服器、显示器等产品的测试电源。

实验室及测试单位如：

交流电源测试、产品寿命及安全测试、电磁相容测试、OQC（FQC）测试、产品测试及研发、研究单位最佳交流电源。

航空/军事单位如：

机场地面设施、船舶、航天、军事研究所等的测试电源

1.2变频电源的研究现状及发展趋势

理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为纯正弦波（无失真）。

变频电源十分接近于理想交流电源，因此，先进发达国家越来越多地将变频电源用作标准供电电源，以便为用电器提供最优良的供电环境，便于客观考核用电器的技术性能。

当今国际上先进的变频电源是采用IGBT逆变输出技术，用先进微处理器控制设计而成的高性能精密电源，它具有过流、短路、过压、欠压、过载等保护及报警故障显示功能，确保用电设备及变频电源安全。

具有负载适应性强，输出波形品质好，良好的人机界面，操作简单，体积小，重量轻等特点。

正弦波输出，可调输出电压及频率的变频电源为用电设备提供了所需要的交流电。

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，变频器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电源而得到迅猛发展。

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，变频器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器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]。

2变频电源基本原理

2.1SPWM的原理

PWM（PulseWidthModulation）脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波对三角载波进行调制，达到调节输出脉冲宽度的一种方法[2]。

控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。

即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得过需要的波形（含波形和幅值）。

图1含有等脉宽载波的脉宽调制波形

如图1所示，每个脉冲宽度为1t，相邻脉冲的间隔为2t，1t+2t=Tz（脉冲波周期）。

则等宽脉冲的占空：

α=

调节占空比α，就可以调节输出的平均电压；调节PWM波的频率1/Tz，就可以改变电源频率，实现调速。

通过控制电路，很容易实现对脉冲波的占空比和PWM频率分别进行调整。

但是虽然实现了变频和变压，可是逆变电路输出的电压波形仍然是一组矩形波，而不是正弦波，存在许多高次谐波的成分。

其中一种方法是将等宽的脉冲波变成宽度渐变的脉冲波，其宽度变化规律应符合正弦变化规律，如图2所示。

通常把这种波称为正弦脉宽调制波，简称SPWM波。

SPWM的谐波成分大大减少，可以得到基本满意的驱动效果。

图2典型SPWM波形

１．单极性SPWM模式

产生单极性SPWM模式的基本原理[3]如图3所示。

首先由同极性的三角波调制电压Δu与参考电压Ru比较（图3_a），产生单极性的SPWM脉冲（图3_b）；然后将单极性的SPWM脉冲信号与图3_c所示的倒相信号lu相乘，从而得到正负半波对称的SPWM脉冲信号pu，如图3_d所示。

图3单极性SPWM模式（单相）

２．双极性SPWM模式

双极性SPWM控制模式采用的是正负交变的双极性三角波Δu与参考波Ru，如图4所示，可通过Δu与Ru的比较直接得到双极性的SPWM脉冲，而不需要倒相电路。

与单极性模式相比，双极性SPWM模式控制电路和主电路比较简单，然而对比图3_d和图4_b可看出，由于单极性SPWM模式中没有类似双极性SPWM模式中与正负输出电压矩形脉冲相对应的反相窄带脉冲，因此单极性SPWM模式要比双极性SPWM模式输出电压中高次谐波分量小很多，这就是单极性模式的一个优点。

无论单极性SPWM或是双极性SPWM方式，实际应用中均可以采用三类控制方式完成，一是采用模拟电路，二是采用数字电路，三是采用模拟与数字混合电路的控制方式。

采用模拟电路元件实现SPWM控制的原理如图4，首先由模拟元件构成的三角波和正弦波发生器分别产生三角载波信号Δu和正弦参考信号Ru，然后送入电压比较器，产生SPWM脉冲序列。

这种采用模拟电路调制方式的优点是完成Δu和Ru信号的比较和确定脉冲宽度所用的时间短，几乎是瞬间完成的，不像数字电路采用软件计算需要一定的时间。

然而，这种方式的缺点是所需硬件较多，而且不够灵活，改变参数和调试比较麻烦。

采用数字电路的SPWM逆变器，可以应用软件为基础的控制模式。

其优点是所需硬件少，灵活性好和智能性强。

缺点是需要通过计算确定SPWM的脉冲宽度，有一定的系统延时和响应时间。

但是，随着高速度、高精度的多功能处理器及SPWM专用芯片的发展，采用微机控制的数字化SPWM技术己经占据了PWM逆变器的主导地位。

图4双极性SPWM模式

2.2变频电源系统结构简要介绍

经过AC→DC→AC变换的逆变电源称为变频电源，它有别于用于电机调速用的变频调速控制器，也有别于普通交流稳压电源。

其中逆变器是用来实现Dc—Ac变换的电力电子装置。

其作用是通过半导体功率开关器件（如SCR，GTO，GTR，IGBT和功率MOSFET模块等）的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能。

因此是一种电能变换装置。

变频电源的主要功用是将现有交流电网电源变换成所需频率的稳定的纯净的正弦波电源[4]。

理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为纯正弦波（无失真）。

变频电源十分接近于理想交流电源，因此，先进发达国家越来越多地将变频电源用作标准供电电源，以便为用电器提供最优良的供电环境，便于客观考核用电器的技术性能。

变频电源主要有二大种类：

线性放大型和PWM开关型HY系列程控变频电源，以微处理器为核心，以MPWM方式制作,用主动元件IGBT模块设计，采用了数字分频、D/A转换、瞬时值反馈、正弦脉宽调制等技术,使单机容量可达100kVA,以隔离变压器输出来增加整机稳定性,具有负载适应性强、输出波形品质好、操作简便、体积小、重量轻等特点，具有短路、过流、过载、过热等保护功能，以保证电源可靠运行。

该电源首先通过二极管整流电路将交流电转化为直流电，然后通过IGBT桥式逆变电路逆变成SPWM波形，经过滤波得到正弦波输出．采用单片机对SPWM信号产生芯片SA4828实现控制[11]，输出所需电压和频率的正弦波．系统的结构原理如图5：

图5系统的结构原理

3AT89C52单片机介绍

AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8KB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256×8位的随机存取数据存储器（RAM），3个16位定时/计数器、6个中断源、低功耗空闲和掉电方式等特点。

器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，可以满足系统要求。

系统采用5V电源电压，外接12M晶振。

功能强大AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。

主要性能参数：

与MCS-51产品指令和引脚完全兼容8k字节可充擦写Flash闪速存储器1000次擦写周期。

全静态操作：

0Hz—24MHz三级加密程序存储器256×8字节内部RAM，32个可变成I/O口线，3个16位定时计数器，8个中断源，可编程串行UART通道，低功耗空闲和掉电模式。

功能特性概述：

AT89C52提供以下标准功能：

8k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两极中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时器/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。

引脚功能：

Vcc：

电源电压

GND：

地

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口：

P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P1写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部技术输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。

Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX @RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

P3口：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，他们被内部上拉电阻拉高可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。

P3口出了作为一般的I/O线外，更重要的用途是它的第二功能，如下：

端口引脚    第二功能

P3.0    RXD（串行输入口）

P3.1    TXD（串行输出口）

P3.2     （外中断0）

P3.3     （外中断1）

P3.4    T0（定时/计数器0）

P3.5    T1（定时/计数器1）

P3.6     （外部数据存储器写选通）

P3.7     （外部数据存储器读选通）

此外，P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个周期以上高电平将使单片机复位。

XTAL1：

振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

对于本次设计的引脚使用情况如下：

P1口：

控制LED数码管8位段码;

P3.0，P3.1，P3.4，P3.5：

数码管位选通口;

XTAL：

接晶振;

RST：

接复位电路;

P0：

 ADC0809的结果输入；SA4828的控制字口;

P2.0：

SA4828的片选;

P2.7：

ADC0809的片选;

P3.2：

外部中断0 。

4 SA4828介绍

SA4828是MITEL公司专门为电机控制电路设计的三相SPWM波产生器，也可用于静止逆变电源，它是SA8282的增强型，具有全数字化操作，输出波形精度高；工作频率范围宽，输出电源频率可达4kHZ，频率控制精度达16位；工作方式灵活，配备微处理接口，其工作参数：

载波频率、电源频率、输出幅值、死区等都可以通过微处理器很方便的写入，并且只需要在改变工作方式时才刷新。

此外，它还具备看门狗定时幅值独立可调等功能。

本系统取SA4828的两相四路SPWM输出作为控制信号。

SA4828工作原理[12]:

来自单片机的数据通过总线控制和译码进入初始化寄存器或控制寄存器，它们对相控逻辑电路进行控制。

外部时钟输入经分频器分成设定的频率，并生成三角形载波，三角载被与片内ROM中的调制波形进行比较，自动生成SPWM输出脉冲。

通过脉冲删除电路，删去比较窄的脉冲，因为这样的脉冲不起任何作用，只会增加开关管的损耗。

通过脉冲延迟电路生成死区，保证任何桥臂上的两个开关管不会在状态转换期间短路。

5变频电源硬件电路设计

220v、50HZ交流电经整流滤波，变成直流电，通过逆变器将该直流电压转换为频率与负载（或换能器）谐振频率一致的交变电压。

系统硬件电路由主电路、控制驱动电路、保护电路和键盘显示电路组成。

其中逆变器是用来实现Dc—Ac变换的电力电子装置。

其作用是通过半导体功率开关器件（如SCR，GTO，GTR，IGBT和功率MOSFET模块等）的开通和关断作用,把直流电能变换成交流电能。

因此是一种电能变换装置。

控制部分可通AT89C52 单片机和SA4828控制电压和频率的改变。

5.1变换电路选择

为了提高通用性，系统选用AC—DC—AC变换电路．DC—AC变换采用AT89C52单片机控制SA4828芯片直接输出SPWM脉冲，从而使电路简单、可靠、控制方便、体积小．逆变主电路采用桥式电路，滤波后得到幅值和频率可调的交流电压稳定输出[14]。

5.2主电路设计

电源系统的主电路结构如图5所示．

图5主电路

1）整流电路采用整流桥块，结构简单，可靠性高。

2）逆变电路选用IGBT作为开关管组成桥式逆变电路。

3）输出滤波电路全桥逆变电路的输出为一系列高频脉冲，要想得到标准的正弦波，必须滤掉其高频成分，LC滤波电路的作用正是滤除高频，其参数由LC滤波器的谐振频率和特征阻抗决定。

整流电路用单相桥进行整流，利用二极管的单向导电性，将220V交流电压变成直流，给逆变器提供直流母线电压。

Dl为整流桥。

在整流电路中输出电压是脉动的，另外，在逆变部分产生的脉动电流和负载变化也使得直流电压产生脉动，为了将其中的交流成分尽可能的滤除掉，使之变成平滑的直流电，必须在其后加上一个低通滤波电路。

这里采用常用的电容滤波电路，在整流输出端并人大电容，整流输出直流电压含有很多偶次谐波，频率越高，电容容抗越小，分流作用越大，谐波被滤除的就越多，输出电压的平均值就越大。

由于在交流输入刚刚接通的一瞬间，输入220V交流电压经整流后直接给直流电容充电，而此时电容的端电压为零，相当于短路状态，这样会造成很大的充电电流，导致熔断器和空气开关动作，甚至会损坏后级电路。

因此，必须对电容的充电电流进行限制。

在交流输入电路中串联一个合适的电阻，用以限制最大充电电流。

当控制电路检测到电容充电过程基本完毕后，与充电电阻并联的接触器触点闭合，电阻处于短路状态，系统开始正常工作。

Sl～s4组成逆变器。

S1～s4采用IGBT功率模块，工作频率高、功率容量大。

逆变器工作时，IGBT开关根据负载（或换能器）的谐振频率进行切换，s1、s4和s2、S3分别组成两组开关。

这两组开关轮流导通，负载中的电流过零时开关切换。

当逆变器工作频率等于负载（或换能器）的谐振频率时，电路输出电压为方波，输出电流为正弦波。

电路中采用零电流开关模式。

其开关损耗极小，du／dt及di／dt应力大为下降，与此相应的电磁干扰可以消除。

逆变器的输出接隔离变压器，为消除滤波电感的噪音，将变压器和电感集成在一起，再在变压器的次级并以适当的电容，利用输出变压器的漏感与电容组成LC低通滤波器，从电容的两端获得正弦电压输出，这样不但消除了输出滤波电感产生的噪声，而且简化了主电路设计。

5.3SPWM逆变器的设计

由于逆变开关管的开关时间要由载波与调制波的交点来决定。

在调制波的频率、幅值和载波的频率这3项参数中。

不论哪一项发生变化时，都使得载波与调制波的交点发生变化。

因此，在每一次调整时，都要重新计算交点的坐标。

显然，单片机的计算能力和速度不足以胜任这项任务。

过去通常的作法是：

对计算作一些简化，并事先计算出交点坐标．将其制成表格，使用时进行查表调用。

但即使这样，单片机的负担也很重。

为了减轻单片机的负担，一些厂商推出了专用于生成三相或单相SPWM波控制信号的大规模集成电路芯片，如HEF4752、SLE4520、SA828、SA838等等。

采用这样的集成电路芯片，可以大大地减轻单片机的负担，使单片机可以空出大量的机时用于检测和监控。

这里详细介绍SA4828三相SPWM波控制芯片的主要特点、原理和编程。

SA4828作为单片机的外设，通过对单片机编程，将SPWM的初始化信息和控制信息写入SA4828的相关寄存器，即可产生精确全数字化的单相、三相SPWM波形。

处理器采用AT89C52单片机，进一步降低了成本．AT89C52单片机可同时用汇编语言和C语言进行编程，提高了编程的灵活性。

载波频率（开关频率）的选择取决于所使用的功率开关管器件，其设定公式为：

5-1

式中正CLK为输入时钟频率．n是分频倍率系数，由一个3位CFS字决定．调制波频率范围确定电源的最大频率，其设定公式为：

5-2

式中m是倍率系数，由一个3位的FRS字决定．脉冲延时时间是为了防止直通而短路，其设定公式为：

5-3

式中nPDY的值由一个6位的脉宽延时时间选择字PDY决定．为减少开关管频繁开关引起的附加损耗，脉冲取消字设定公式为：

5-4

式中nPDT的值由一个7位脉冲取消字PDT决定．调制波频率计算式为：

5-5

式中nPFS为16位控制字PFS的取值．调制波幅值计算式为：

5-5

nA是RAMP、YAMP、BAMP各自对应的取值，其范围为0～255．在实际运行中，nA的值要经过适时调整、计算不断改写。

本系统中，通过改变m、n和调整nA的取值改变输出频率，而通过调整nA的值可以改变输出幅值．让m和n的设定值比例变化，可以在保持输出幅值和频率不变的情况下改变载波频率[15]。

AT89C52通过8位P0端口同SA4828的地址、数据复用管脚AD0～AD