基于单片机的特殊变频器的设计.docx
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基于单片机的特殊变频器的设计
、八、-
前言
在现代工业和经济生活中，伴随着电力电子技术、微电子技术以及现代控制理论的发展，变频技术已广泛应用于各个领域。
PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。
1964年A.Schonung和H.Stemmler首先在《BBC》评论上提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广、应用开辟了新的局面。
从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。
本文首先对变频技术、PWM控制原理等内容进行介绍。
在充分了解PWM变频原理的情况下，设计一个用单片机产生PWM脉冲信号，达到变频目的的系统。
整个系统的上位机部分采用Borland公司推出的可视化开发工具Delphi7.0来实现；下位机CPU选用美国ATMEL公司生产的AT89C2051单片机来实现。
1.绪论1
1.1变频技术1
1.2变频技术的发展1
1.3设计的主要内容及意义2
1.3.1主要内容2
1.3.2意义3
2.变频器基本原理与系统硬件设计4
2.1变频器基本结构及功能原理4
2.1.1变频器的基本结构4
2.1.2变频器的功能原理4
2.2系统硬件设计4
2.2.1系统变频器主电路5
2.2.2整流单元5
2.2.3直流中间单元6
2.2.4逆变单元6
3PWM方法与控制技术••••11
3.1PWM控制的基本原理11
3.2PWM变频的微型计算机实现16
4系统程序设计•••22
4.1下位机结构及程序编制22
4.1.1单片机AT89C205122
4.1.2单片机产生PWM虫发脉冲的程序编制27
4.2上位机程序编制及实现33
4.3系统下位机与上位机通讯程序编制36
4.3.1串行通讯接口电路36
4.3.2串行通信的WindowsAPI简述37
4.3.3串行通信相关函数37
4.3.4API函数使用流程38
4.3.5通信步骤39
4.3.6上、下位机通信程序的编制39
4.4上位机通信部分运行调试43
结束语错误！
未定
义书签。
附录•••47
参考文献••••55
1绪论
变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向，而作为变频调速系统的核心—变频器的性能也越来越成为调速性能优劣的决定因素，除了变频器本身制造工艺的“先天”条件外，对变频器采用什么
样的控制方式也是非常重要的。
随着电力电子技术、微电子技术、计算机网络等高新技术的发展，变频器的控制方式今后将向数字控制变频器等方向发展。
现在，变频器的控制方式用数字处理器可以实现比
MCS51
较复杂的运算，变频器数字化将是一个重要的发展方向，目前进行变频器数字化主要采用单片机
或80C196MC等，辅助以SLE4520或EPLD液晶显示器等来实现更加完善的控制性能。
[1
变频技术，简单地说就是把直流电逆变成不同频率的交流电，或是把交流电变成直流电再逆变成不同频率的交流电，或是把直流电变成交流电再把交流电变成直流电。
总之这一切都是电能不发生变化，而只有频率的变化。
变频技术的类型主要有以下几种：
（1）交—直变频技术（即整流技术），它是通过二极管整流，二极管蓄流或晶闸管、功率晶体管可控整流实现交—直（0Hz）功率转换。
这种转化多属于工频整流。
（2）直—直变频技术（即斩波技术），它是通过改变电力电子器件的通断时间，即改变脉冲的频率（定宽变频），或改变脉冲的宽度（定频调宽），从而达到调节直流平均电压的目的。
（3）直—交变频技术，电子学中称振荡技术，电力电子学中称逆变技术。
振荡器利用电子放大器件将直流电变成不同频率的交流电甚至电磁波。
逆变器则利用功率开关将直流电变成不同频率的交流电。
如果输出的交流电频率、相位、幅值与输入的交流电相同，称为有源变频技术；否者称为无源变频技术。
（4）交—交变频技术（即移相技术）。
它通过控制电力电子器件的导通与关断时间，实现交流无触点开关、调压、调光、调速等目的。
变频技术随着微电子学、电力电子技术、电子计算机技术、自动控制理论等的不断发展而发展，现已进入了一个崭新的时代，其应用也越来越普及。
从起初的整流、交直流可调电源等已发展至高压直流输电、不同频率电网系统的连接、静止无功功率补偿和谐波吸收、超导电抗器的电力储存等。
在运输业、石油行业、家用电器、军事等领域得到了广泛的应用。
如果超导磁悬浮列车、高速铁路、电动汽车、机器人；采油的调速、超声波驱油；变频空调、变频洗衣机、变频微波炉、变频电冰箱；军事通信、导航、雷达、宇宙设备的小型化电源等。
1.2变频技术的发展[1]
纵观变频技术的发展，其中主要是以电力电子器件的发展为基础的。
第一代以晶闸管为代表的电力电子器件出现于20世纪50年代。
1956年贝尔实验室发明了晶闸管，1958年通用电气公司推出商品化产
品。
它主要是电流控制型开关器件，以小电流控制大功率的变换，但其开关频率低，只能导通而不能自关断。
第二代电力电子器件以电力晶体管（GTR）和门极关断（GTO）晶闸管为代表，在20世纪60年代发展起来。
它是一种电流型自关断的电力电子器件，可方便地实现变频、逆变和斩波，其开关频率只有
1〜5kHz。
第三代电力电子器件以双极性绝缘栅晶体管（IGBT）和电力场效应晶体管（MOSFET）为代表，在
20世纪70年代开始应用。
它是一种电压（场控）型自关断电力电子器件，具有在任意时刻用基极（栅极、门极）信号控制导通和关断的功能。
其开关频率达到了20kHz甚至200kHz以上，为电气设备的高
频化、高效化、小型化开创了条件。
第四代电力电子器件，有出现于20世纪80年代末的智能化功率集成电路（PIC）和20世纪90年代的智能功率模块（IPM）、集成门极换流晶闸管（IGCT）。
它们实现了开关频率的高速化、低导通电压的高性能化及功率集成电路的大规模化，包括了逻辑控制、功率、保护、传感及测量等电路功能。
经过40多年的发展，电力电子技术已成为一门多学科的边缘技术，它包含交流电路、电力电子器件、计算机辅助设计、模拟电子学和数字电子学、微型计算机、控制理论、超小规模集成电路、高频技术和电磁兼容等。
电力电子技术的发展方向是：
高电压大容量化、高频化、组件模块化、小型化、智能化和低成本化。
应用的技术有：
脉宽调制（PWM）、滑模控制、非线性变换、功能控制及交流电动机矢量控制、直接转矩控制、模糊控制和自适应控制等。
变频技术应用最广的是变频器。
通用变频器的发展趋势是：
（1）数控化。
采用新型电脑控制，例如日本富士公司的大于等于30kW变频器，采用两个16位CPU,—个用于转矩计算，另一个用于数据处理，实现了转矩限定、转差补偿控制、瞬时停电的平稳恢复、自动加/减速控制及故障自诊断等。
对于小于等于22kW变频器采用一个32位数字信号处理器（DSP），提高了计算、检测和响应的速度,扩充和加强了其处理功能。
（2）高频化。
为适应纺织和精密机械等更多领域的高速需求，变频器的频率已由过去的0〜50〜120Hz,发展到400Hz，目前已提高到600〜1000Hz，甚至3kHz以上。
（3）数显化。
由过去的指示灯、发光二极管、LED数码管，发展到目前的液晶显示（LCD）,显示行数有1、2、3、4行等。
1.3设计的主要内容及意义
1.3.1主要内容
本设计主要是实现单片机对变频器逆变部分的控制。
所控制的变频器采用交流—直流—交流的变频方式,主电路由整流电路和逆变电路两部分组成,即先由整流电路将工频交流电转换成直流电,再由逆变电路将直流电转换成频率可调的交流电。
系统的整流部分采用晶闸管三相桥全控方式,双窄脉冲触发,脉冲移相控制；逆变电路采用正弦脉宽调制（SPWM）控制，电子元气件选用绝缘栅双极性晶体管（IGBT）,
触发信号由单片机编程产生。
系统采用两级计算机控制系统来进行控制。
下位机选用美国ATMEL公司生产的AT89C2051单片微型计算机,其主要任务是生成IGBT的触发信号；上位机选用一般的个人计算机,通过软件编程来设定系统要求达到的频率值。
系统工作过程中电动机的中心频率、换相周期等参数由键盘设定并通过RS—232串行通讯传输给下位机。
下位机接收到上位机传来的参数后,按设定的时间控制IGBT的通断,从而控
制系统中电动机的各种特性的变化,产生符合工作要求的频率。
1.3.2意义
本设计采用全数字化方案产生正弦脉宽调制spwM言号以控制功率器件的开关，完成优化的实时在
线的pwM言号输出。
pwm有可以同时实现变频变压及抑制谐波的特点，因而可在交流传动及其它能量变换系统中得到广泛应用。
2变频器基本原理与系统硬件设计
变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程也曾出现过多种类型的变频器，但是目前成为市场主流的变频器基本上有着相同的基本结构，其实现的基本原理也相同。
2.1变频器基本结构及功能原理[2]
2.1.1变频器的基本结构
变频器是由主回路和控制回路两大部分组成的。
主回路由整流器（整流模块）、滤波器（滤波电路）
和逆变器（大功率晶体模块）三个主要部分组成。
控制回路则由单片机、驱动电路和光电隔离电路组成。
变频器基本上都有着图2-1所示的基本结构。
图2-1变频器的基本构成
2.1.2变频器的功能原理
虽然变频器的种类很多，其内部结构也各有不同，但大多数的变频器都有着图2—1的基本结构，它们的区别仅仅是控制电路的和检测电路实现的不同以及控制算法的不同而已。
结合图2—1简单介绍一下
变频器各部分电路的基本作用。
一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。
它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，
并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。
直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。
逆变电路是变频器最主要的部分之一。
它的主要作用是在控制电路的控制下将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。
逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。
2.2系统硬件设计
本系统的硬件设计主要分两部分：
变频器的主电路部分和控制电路部分，系统以控制电路的设计为重点。
系统总的硬件结构如图2—2所示。
图2-2系统硬件总结构
2.2.1系统变频器主电路
系统所选的变频器主电路和一般变频器相似，其基本结构如图
L1_.
L2
L3!
：
X.
Ji
图2-3变频器主电路
2.2.2整流单元[3]
在一般的SPWM逆变电路中，使用的是二极管不可控整流，而本系统采用的是晶闸管三相桥全控整流。
触发方式为双窄脉冲触发，通过脉冲移相控制整流输出电压。
1•晶闸管简介及其导通规律
图2-4晶闸管电气符号
晶闸管是电力电子技术上常用的一种交流器件，俗称可控硅。
其电气符号图如图2—4所示，其中A
为晶闸管的阳极，K是阴极，G是门极。
晶闸管的内部有一个由硅半导体材料做成的管芯，它是四层（P、N、P、N）三端（A、K、G）器
件，它决定了晶闸管的性能。
晶闸管导通和关断的
规律如下：
1当晶闸管承受反向阳极电压时，不论门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。
2当晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下，晶闸管才能导通，正向阳极电
压和正向门极电压两者缺一不可。
晶闸管导通后的管压降为1V左右。
3晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极电压是正还是负，晶闸管保持导通，故导通的控制信号只须正向脉冲电压，称之为触发脉冲。
4要使晶闸管关断，必须去掉阳极正向电压或者给阳极加反压，或者降低正向阳极电压，使通过晶闸管的电流降低到一定数值以下。
能保持晶闸管导通的最小电流称之为维持电流。
5当门极未加触发电压时，晶闸管具有正向阻断能力，它是一般二极管不具备的。
2.2.3直流中间单元
虽然利用整流电路可以从电网的交流电源得到直流电压，但这种电压含有频率为电源频率六倍的电压纹波。
此外，变频器逆变电路也将因为输出和载频等原因而产生纹波电压，并反过来影响直流电压的质量。
因此，为了保证逆变电路和控制电源能够得到较高质量的直流电压，必须对整流电路的输出进行平滑，以减少电压或电流的波动。
这就是直流中间电路的作用。
而正因为如此，直流中间电路也被称为平滑电路。
对电压型变频器来说，整流电路的输出为直流电压，直流中间电路则通过大容量的电容对输出电压进行平滑。
2.2.4逆变单元[3]
逆变电路将整流电路所得的直流变成频率可调的交流电。
这是逆变电路器实现变频的具体执行环节，
因此是变频器的核心部分。
1•逆变原理
在组成交一直一交变频器的各电路中，逆变电路的工作较为复杂，现通过下述模型予以说明。
三相逆变电路的原理图见图2—5。
a）
S1S2S1ON
S2ON
Si0N
S3S4S40N
S30N
S40N
S5S6S50NS60N
S50N
Uj—v
wt
Uv—w
wt
JW—j
wt
b）
0ji
~3
j
c）
三相逆变电路的原理图
a）结构图b）开关的通断规律c）波形图
图2—5中，S1〜S6组成了桥式逆变电路，这6个开关交替地接通、关断就可以在输出端得到一个相
位互相差2/3的三相交流电压。
当S1、S4闭合时，UU-V为正；S3、S2闭合时，UU-V为负。
用同样的方法可得：
S3、S6同时闭合和S5、S4同时闭合，得到UV-W,S5、S2同时闭合和S1、S6同时闭合，得到UW-U。
为了使三相交流电Uu-v、Uv-w、UW-J在相位上依次相差2/3；各开关的接通、关断需符合一定
的规律，其规律在图2—5b中已标明。
根据该规律可得UU-V、UV-W、UW-J波形如图2—5C所示。
观察6个开关的位置及波形图可以发现以下两点：
S1、S2。
1）各桥臂上的开关始终处于交替打开、关断的状态如
2）各相的开关顺序以各相的“首端”为准，互差2/3电角度。
如S3比S1滞后2/3,S5比S3
滞后2/3。
上述分析说明，通过6个开关的交替工作可以得到一个三相交流电，只要调节开关的通断速度就可调节交流电频率，当然交流电的幅值可通过Ud的大小来调节。
2.在系统中，逆变电路主要由绝缘栅双极性晶体管（IGBT）构成。
（1）绝缘栅双极性晶体管（IGBT）简介
随着电力电子学的发展，一种新的电力开关器件IGBT已经在变
Rc
频器中使用。
Uc
绝缘栅双极性晶体管（InstulateGateBipolarTransistor）简称IGBT,是-一种新型电力电子器件。
绝缘栅双极性晶体管本质上是一种结合了大功率晶体管GTR和
功率场效应晶体管MOSFET两者特点的复合型器件，它有三个极：
集
电极（C）、发射极（巳、栅极（G）,如图2—6所示。
控制信号为UGE,输入阻抗很高，IG~0,它既有MOS器件的工作速度快，驱动功
率小的特点，又具备了大功率晶体管的电流大，导通压降低的优点。
图2-6IGBT的基本电路
由于IGBT性能优良，已全面取代了功率晶体管而成为中小容量电力变流装置中的主力器件，并广
泛用于交流变频调速、开关电源及其他设备中。
同时IGBT的单管容量也不断提高，并开始进入中大容
量的电力变流装置中，目前单管IGBT的各项指标参数提高很快，用IGBT作为逆变器的变频器容量也
从原来的250kVA有了大幅度提高。
通常IGBT的使用手册给出如下的几个主要参数：
1集电极-发射极额定电压Uces
这个电压值是厂家根据器件的雪崩击穿电压而规定的，是栅极-发射极短路时IGBT能承受的耐压值，
也就是说Uces值小于等于雪崩击穿电压。
2栅极-发射极额定电压UgesIGBT是电压控制器件，靠加到栅极的电压信号控制IGBT的导通
和关断，而Uges就是栅极控制信号的电压额定值。
目前，IGBT的Uges值大部分为+20V，在使用中，设计的控制电压值不能超过此值。
3额定集电极电流Ic该参数给出了IGBT在导通时能流过管子的持续大电流。
目前富士公司提供给市场的IGBT模块的电流范围是8~400A。
4集电极-发射极饱和电压UcE（sat）此参数给出IGBT在正常饱和导通时集电极-发射极之间的电压
降，此值越小，管子的功率损耗越小。
富士公司IGBT模块的UcE（sat）值约为2.5~3.5V。
5开关频率在IGBT的使用手册中，开关频率是以导通时间ton、下降时间tf和关断时间toff给出
的，根据这些参数可估计IGBT的开关频率。
新一代的IGBT产品有高速开关系列（富士产品为L系列）和低导通电压系列（富士产品为F系列）。
它们的开关时间还与集电极电流Ic、运行温度和栅极电阻Rg有关，当Rg增大、运行温度升高时，开关时间增大，开关频率降低。
此外，本节的后面将介绍IGBT的
驱动模块，各种驱动模块都有时间延迟，因此，IGBT的实际工作频率都在100kHz以下，即使这样，它的开关频率、动作速度也比BJT要快得多，可达30〜40kHz。
开关频率高是IGBT的一个重要优点。
IGBT的输出特性类似于BJT。
栅极-发射极电压越低时，IGBT的饱和导通压降越高，损耗越大，因此栅极控制电压Uge应该在15〜20V之间。
此外，IGBT的输出特性还与温度有关，温度升高时，集电极-发射极饱和压降也随着升高。
为了安全使用IGBT，有如下几点是需要注意的：
1一般IGBT的驱动极正向驱动电压应该保持在15~20V,这样可使IGBT的Uce饱和值较小，降低
损耗，不致损坏管子。
2使IGBT关断的栅极驱动电压-Uge应大于5V,如果这个负电压值太小，可能因为集电极电压变化率du/dt的作用使管子误导通或不能关断。
3使用IGBT时，应该在栅极和驱动信号之间加一个栅极驱动电阻Rg,这个电阻值的大小与管子的
额定电流有关,可以在IGBT的使用手册中查到推荐的电阻值。
如果不加这个电阻,当管子导通瞬间,可能产生电流和电压颤动,会增加开关损耗。
4当设备发生短路时，Ic电流会急剧上升，它的影响会使Uge电压产生一个尖峰脉冲，这个尖峰脉
冲会进一步增加电流Ic,形成正反馈的效果。
为了保护管子，在栅极-发射极间加稳压二极管，钳制G-E
电压的突然上升，当驱动电压为15V时，二极管的稳压值可以为16V。
这样，能起到一定的电流短路保
护作用。
IGBT属于全控器件，在Uge>0时，其关断和导通可以完全由门极电压控制。
（2）IGBT的触发
SPWM逆变实现的关键是IGBT管的正确触发。
只有IGBT管依照正确的规律触发,才能在逆变电路中获得所需频率的交流电。
系统采用AT89c2051单片机作为IGBT触发控制器。
首先通过计算机计算出符合SPWM规律的控制字,存储在单片机的EPROM中,再从单片机的I/O口输出到IGBT的门极G端。
当单片机输出低电平0时，IGBT管关断；当单片机输出高电平1时，IGBT管导通。
近年来,随着生产的需要,又推出了IGBT新的系列,这就是智能功率模块IPM（IntelligengtPower
Module）。
它具有小型、多功能、使用方便诸多优点，适合于交流220V电网的应用。
IPM是一种将功
率开关器件及其驱动电路,保护电路等集成在同一封装内的集成模块。
目前的IPM一般采用IGBT进行
作为功率开关器件,通过光耦合接收信号后对IGBT进行驱动,并同时具有过电流保护,过热保护,以及驱动电源电压不足时的保护等保护功能。
由于IPM具有很多优点,尤其是在发生负载事故或使用不当的情况下也可以保证IPM本身不受损坏,很受用户欢迎。
目前市场上已出现多种将逆变电路的六个开关器件封装在一起的IPM,而且许多厂家都
正在为提高IPM的额定电流值而努力。
一般IPM的驱动电压必须不小于+15V，且需要有良好的电气隔离性能和稳定性，而AT89C2051单
片机I/O口只能输出TTL电平，最高电压为+5V。
因此从单片机输出的驱动信号必须经过放大和光电隔离,才能满足IPM模块的工作需要。
图2-7为其中一路信号的放大隔离原理图。
D01为单片机I/O口输出信号,G1为光电隔离管。
图2-7IGBT触发信号的隔离与放大原理图
3PWM方法与控制技术
PWM逆变器因功率因数高，对电网污染小，输出谐波分量少，在现代电气控制系统中中获得广泛应用。
我们在设计快速电磁铸轧电控系统时，采用了交流一直流一交流的SPWM变频控制技术。
3.1PWM控制的基本原理[3]
在采样控制理论中有一个重要的结论，即冲量相等而形状不同窄脉冲加在具有惯性的环节上，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，是指该环节的输出响应波形基本相同。
如把各输出波形用傅里叶变换分析，则它们的低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。
如图3—1
所示，图3—1a为矩形脉冲，图3—1b为三角形脉冲，图3—1c为正弦半波脉冲，它们的面积（即冲量）都等于1。
把它们分别加在具有相同惯性的同一环节上，输出响应基本相同。
脉冲越窄，输出的差异越小。
图3-1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。
下面分析如何用一系列等幅而不等宽的脉冲代替正弦半波。
把图3—2a所示的正弦半波波形分成N等份，就可以把正
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/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3—2b所示的脉冲序列，
这就是PWM波形。
可以看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变
图3-2PWM控制的基本原理示意图化的。
根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。
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。
在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可。
因此在PWM逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。
根据上述原理，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
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