文献综述80C196MC单片机的SPWM研究与设计.docx

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文献综述80C196MC单片机的SPWM研究与设计

文献综述

异步电动机旋转磁场的转速为

（2—1）

其中

为同步转速（r／min）；

为定子频率，也就是电源频率（Hz）；

为磁极对数。

异步电机的轴转速为

（2—2）其中s为异步电机的转差率，s=（

—n）／

。

由上可以看出，改变电源的供电频率可以改变电机的转速。

在对异步电机调速时，希望电机的主磁通保持额定值不变。

任何电动机的电磁转矩都是磁通和电流相互作用的结果，主磁通小了，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降；主磁通大了，会使电动机的磁路饱和，并导致励磁电流畸变，励磁电流过大，严重时会使绕组过热损坏电机。

主磁通是由励磁电流产生的，两者之间的关系是由磁化特性决定的。

————（陈伯时．电力拖动自动控制系统．第二版．北京：

机械工业出版杜，社1996．189~261）

（1）变频器容量不断扩大，变频器的容量主要和它的开关器件的容量有直接影响，70年代中期，功率晶体管开始开发，到80年代采用功率晶体管的SPWM变频器的投产，随着元件容量的提高。

变频器的容量不断提高，目前变频器的容量已经达到600KVA，400KVA以下的已经系列化。

（2）变频器结构的小型化，变频器主电路中功率电路的模块化、控制电路采用大规模集成电路和全数字化技术等一系列措施促进了变频电源的小型化。

（3）变频器的多功能化和高性能化。

电力电子器件和控制技术的不断进步,使变频器向多功能化和高性能化的方向发展，特别是微处理器的应用，以其精练的硬件结构和丰富的软件功能，为变频器的多功能化和高性能化提供了可靠的保证。

应用领域的不断扩大。

通用变频器经历了模拟控制，数模混合控制直到全数字化的控制的演变，逐步的实现了多功能化和高性能化，进而使之对各类生产机械、各类生产工艺的适应性不断增强，变频器从一开始的节能风机、水泵的应用，已经应用到各个方面，包括工业机械，农业机械，食品机械，家用电器等，并且应用领域还在扩大。

————（满永奎等．通用变频器及其应用．北京：

机械工业出版杜，1999．58~144）

80C196MC的基本结构主要包括算术、逻辑运算部件RALU，寄存器集，内部A/D转换器，PWM发生器，事件处理阵列EPA，三相互补SPWM输出发生器以及看门狗、时钟、中断控制逻辑等，如图5-2。

80C196MC有64K的存贮空间，除了0000H—01FFH、1F00H—1FFFH、2000H—207FH三个专用区，以及表明“保留”的单元以外，其它都可以由用户任意安排作为程序存贮区、数据存贮区或存贮区映射的外设区，但是系统复位后，程序由2080H单元开始执行，因此与2080H相邻的区域必须配置成程序存贮区。

80C196MC的片内寄存器阵列共包括512个字节，分为低256字节和高256字节，低256字节中的最低的24字节为特殊功能寄存器SFR，RALU在运算过程中，不象其它的单片机那样只使用一个累加器，而是把这256个寄存器都当作累加器，这样就避免了使用单个累加器所产生的“瓶颈效应”，高256字节寄存器虽然不能象低256字节的寄存器那样直接当累加器用，但是它们可以通过80C196~lC的窗口技术，切换成具有累加器功能的256字节，因此使得编程容易，执行速度更快。

80C96MC的特殊功能寄存器SFR除了24个在寄存器集低端以外，大部分在存储空间的IFOOH-1FFFH中，在使用这些特殊功能寄存器时为了加快操作速度，通常使用窗口技术把它们映射到低256字节寄存器区。

————（孙涵芳．Intell6位单片机，北京：

北京航空航天大学出版社，1999．1~263）

80C196MC的片内外设主要包括七个输入/输出口、一个A/D转换器、一个事件处理阵列EPA、两个定时/计数器、一个三相波形发生器WFG和一个脉宽调制单元PWM等。

（1）输入/输出口（I/0口）

80C196MC有七个I/0口。

P0口，可以作为标准的输入口，作为特殊功能口时，是片内A/D转换器的ACHO--ACH7八路模拟输入，它不能作为输出口用，可以同时作为A/D的输入口和普通的数字量输入口。

P1口，可以作为标准的输入口，作为特殊功能口时，是片内A/D转换6S的ACH8-ACHl3的五路模拟输入，它不能作为输出口使用，可以同时作为A/D的输入口和普通的数字量输入口。

P2口，可以作为标准的输入/输出口，作为特殊功能口时是EPA功能,P—P2.3是CAPCOMP0-CAPCOMP3,即捕获比较功能模块，P2.4—P2.7是COMPARE0—COMPARE3，即比较功能模块，它们在使用时要进行初始化。

P3，P4口,可以作为标准的I/0口使用，在作为特殊功能口时是地址/数据总线，分别为低八位和高八位，通常的系统都需要扩展程序存贮器和数据存贮器，以及I/0口，所以通常的P3，P4口都是地址/数据总线，另外它们在作为I/0口使用时只能通过16位地址来访问，不能利用窗口访问。

P5口，可以用作标准的I/0口，作为特殊功能时是控制信号线，包括地址锁存信号ALE/ADV，读信号RD，写信号WR，以及总线宽度选择BUSW信号线等，这些口作为特殊功能口使用时同样要进行初始化，另外它在作为I/O口使用时只能通过16位地址来访问，不能利用窗口访问。

（2）A/D转换口

与8096相比80C196MC增加到13路A/D转换通道，而且转化精度可以通过编程决定是八位还是十位，可以设置为立即启动，也可以设置为EPA事件同步启动，此外还可以由PTS来管理它的启动和结果存储。

除了在作为A/D转换功能外，还可以作为阀值检测功能，此时当模拟输入信号超过低于编程阀值时，也可以向CPU提出中断请求，在使用A/D转换器时要进行初始化，也就是对控制命令字（AD_COMMAND），AD时间寄存器（AD_TIME），AD测试寄存器（AD_TEST）写合适的字。

（3）事件处理器阵列EPA

在EPA中，每个捕获寄存器（处理输入事件）和比较寄存器（处理输出事件）都是与指定的输入/输出引脚相关联的，这种结构有助于减少中断处理中的软件开销，程序设计变的灵活，所有EPA模块都能产生中断，这样系统的中断源就增加了许多，编程也就方便。

80C196MC有两种EPA模块：

一个是捕获／比较模块（CAPCOMPx），另一个是比较模块（COMPx）。

“捕获”是用来捕获产生于引脚上的跳变事件，并记载这些输入事件的时刻，同时产生中断请求，值得注意的是在使用此功能时，由于事件发生的时间值要在CAPCOMPx_TIME寄存器腾空时才能装入，当装载CAPCOMPx_TIME时，中断悬挂位被置l，同时产生中断，因此要使中断连续产生必须在每次中断处理中，把CAPCOMPx_TIME寄存器中的值读出。

如在本系统中，由于利用了CAPCOMPl引脚作为对8279的中断响应，为了能连续的响应按键处理，每次在中断服务程序中，对CAPCOMPx_TIME寄存器进行一次读操作，将无用的数据读出。

“比较”是和预先设定好的时间作比较，预定时间一到即去执行各种输出

功能：

使自己的时基定时器复位，启动一次A/D转换，为波形发生器产生一个重装载触发信号，改变输出引脚的状态，使非时基定时器复位。

在使用比较功能时，要注意首先把计划好的事件和选定的时基定时器写入到控制寄存器CAPCOMPx_CON（或COMPx_CON叫）中，然后把产生输出事件的时间装入到时间寄存器CAPCOMPx_TIME（或COMPx—TIME）中，两者次序不能颠倒，选定的事件发生时间到时，相应的中断悬挂位置1，产生中断请求。

要注意的是，在使用捕获和比较功能时都必须对相关引脚进行韧始化和控制寄存器的初始化。

（4）定时/计数器

EPA有两个16位的双向定时/计数器

和

，它们作为输入、输出和软件定时的时基，当计数器上溢和下溢时产生中断。

和

溢出中断共享一个中断向量；

/

上溢/下溢中断。

当使用内部时钟时，最大计数速率为1/2内部时钟速率，即XTAL1/4。

若使用外部时钟源，则时钟的上升沿和下降沿，定时器都计数。

和

的具体工作方式可由控制寄存器

CONTROL和

CONTROL设定。

定时器T1工作在晶振时钟模式时，EPA可以直接处理光码盘输出的两路相位差90°的脉冲，只要将这两个脉冲信号分别接在CPU的T1CLK（P1.2）和T1DIR（P1.3）引脚上即可。

这种方式在用光码盘作为反馈检测元件的闭环控制系统中是十分有用的，它可以省去一些硬件处理电路，而且使系统可靠。

（5）脉宽调制单元（PWM）

PWM提供两路载波周期相同而占空比可各自编程的PWM波，可驱动需PWM的设备，经滤波，还可以用作D/A转换器。

用户可以在任何时刻写入新的占空比值，但是，只有在下一个PWM周期开始（PWM计数器由FFH变为OOH）时，这个新的值才有效。

（6）串行UO口

80C196MC没有专用的串行I/0口，但通过PTS的中行I/0方式和事件处理器阵列EPA可以灵活的完成同样的功能。

可通过软件选择串行通信口，进行16位数据的发送和接收，它的传送的数据祯格式也可以由软件设定。

串行通信口对于变频器的远程控制很有必要，可以在控制室远程的控制工作现场以及集中的控制分散的多个系统，这一点在工作现场有危险性时尤为必要。

————（何熙文等．Intel8XCl96MC/MD高档单片机原理及实用设计．大连：

大连理工大学出版社，1995．134—225）

坐标变换的作用就是使交流电动机的物理模型等效的变换成类似直流电动机的模型，然后模仿直流电机进行控制。

它的具体过程如图3-2所示。

在研究矢量控制时定义有三种坐标系统，即三相静止坐标系（3s）、两相静止坐标（2s）和两相旋转坐标系（2r）。

在图3-2中，以产生相同的旋转磁动势为原则，a图的三相交流绕组、b图的两相交流绕组和c图的整体旋转的直流绕组彼此等效。

值得注意的是对于c图如果以地球为参考坐标系，则它是与三相同旋转磁动势的旋转直流绕组，如果以旋转的铁心为参考坐标系，那么它就是一个普通的直流电机物理模型了。

应用坐标变换就是要解决这三个等效模型的具体物理量的相互关系。

图3-2交流电机绕组相直流电机绕组等效的过程

如图3-3，A、B、C为三相对称静止绕组，通以三相平衡的正弦电流，产生合成磁动势F，F以同步转速

旋转，A、B、C轴称为三相静止坐标系。

α、β为两相静止绕组，它们在空间互差90度，并且设通入在时间上互差90°两相交流电，因此也同样产生相同的磁动势F，α、β为两相静止坐标系。

由于它们的磁动势和转速都相等，所以它们是等效的。

由图3-3的简单的三角函数关系推导出从三相静止A、B、C坐标系到两相静止α、β坐标系的变换矩阵，设矩阵为

为了保持变换前后功率不变，要采用正交变换阵，即变换阵矩阵等于变换阵的逆矩阵，推导详见文献[1]。

图3-3三相到两相的静止坐标变换

（3-11）

如果系统是三相平衡系统，则

，上式的第三行系数为0，可以改写成式3-12

（3-12）

在上述变换中，变换后的两相绕组中的每相功率增为三相绕组绕组每相功率的3/2倍，但是由于相数由原来的三相变为两相，所以总功率是保持不变的，另外由于等效变换必须保持磁动势相同，而各相磁动势均为有效匝数和其瞬时电流的乘积，在3s/2s变换后，两相绕组中的每相电压和电流有效值均为三相绕组每相电压和电流有效值的

倍，所以变换后的两相绕组的每相匝数也是原来三相绕组匝数的

倍。

————（B.K.BOSE.电力电子与交流传动．朱仁初等译．西安：

西安交通大学出版社）

本系统主要由主电路、驱动电路、控制电路以及保护电路构成。

其结构框图如图5-8a、b、c，其中控制电路原理图见附录。

a控制电路框图

b驱动电路框图

c主电路、保护电路图

图5-8系统整体硬件结构框图

控制电路以80C196MC为核心，输出六路互补SPWM波形，可以用键盘数字输入和电位器模拟输入两种输入方式，用于矢量控制的电压、电流检测以及测速码盘的接入口在控制电路中全都预留有接口，限于实现条件、经费和时间的原因，矢量控制没有实际制作电路板，仅作了理论上的电路设计。

下面一节具体介绍控制电路各部分的设计，包括矢量控制的检测电路。

驱动电路是控制电路和主电路之间的接口电路，主要完成SPWM波形的隔离、放大，然后驱动主电路，主电路是交—直—交电压源型，单相220V工频交流供电，采用不可控的二极管整流桥，大电容滤波，采用大功率晶体管GTR作为输出SPWM波形的开关器件。

控制电路系统的硬件原理框图见图5-9，下面分为存储器扩展电路、键盘显示电路、SPWM波形输出电路、时钟电路、复位电路以及矢量控制反馈量检测电路分别来分析，由于这些电路设计是系统的重点，因此都单独列入一节介绍。

系统在设计时还要考虑外围逻辑器件的速度匹配、电容兼容等因素，力求使系统简单可靠，另外的一条原则是可以用软件实现的尽量不用硬件实现以求系统的性价比和可更改性好。

————（张燕宾．变频调速应用实践．北京：

机械工业出版杜，2001．1～56）

由于电机的同步角频率等于电源的角频率，即都为

，

在矢量控制中的坐标转换中必须的一个参数，另外转子磁链角速度

等于

，它是M-T坐标系中M轴定向的关键，在带速度传感器的系统中可以直接测得转子角速度ω，而

，则可以得到

的值，其中

称为转差角频率，在已知电机参数的情况下，可以通过下式计算得到，即

。

对于无速度传感器的系统中就只能靠数学关系式推倒得出，这个数学推算的过程就称为速度观测原理或速度推算原理，速度观测的关键是要找到磁通角，也就是找到磁通基准M轴，通过电流控制使得

和

的实际值与指令值相一致。

本节的系统框图就是以解决

和

的观测值

为中心任务，这也是无速度传感器矢量控制的核心。

图3-5给出了一个多数变频器厂家采用的成熟的原理框图。

“′”表示为观测值，斜黑体表示矢量。

该控制系统的大体过程为：

（1）检测电动机的电流和电压，用来推算磁通；

（2）核心部分是设计一个转子磁通观测器，推算出

和

；

（3）转子角速度观测值

是由

和

的偏差经PI运算后求得；

（4）转子磁通角速度

是由

和

运算求出；

（5）转矩电流指令

由

和

之差经PI运算求出。

励磁电流

是由

和

之差经PI运算求得，全部电流运算均在M、T坐标系进行，不再经过α、β坐标变换，因此速度快，容易实现微机控制；

（6）为适应M、T坐标上的运算，由电动机检测的实时电压和电流信号均要经过两次变换，将其转换为

、

、

、

信号。

具体运算过程见后面的软件设计流程。

图3-5无速度传感器矢量控制系统的原理结构框图

————（余功军等．无速度传感器矢量控制系统中的电机参数辨识，电气传动，1999）

无速度传感器矢量控制中，需要知道实时的几个参数才能进行推算，因此，检测电路对于矢量控制来说是至关重要的。

检测电路主要包括对定子电流瞬时值小的检测：

对定于电流有效值的检测和对定子线电压有效值的检测．这一部分电路在实际系统中没有应用，但是在控制电路中都有预留口，扩展很方便，下面设计了它们的电路原理图。

（1）定子电流瞬时值的检测电路，图5—12

图5-12定子电流瞬时值检测电路

此电路可以完成对定子电流幅值和极性的检测，检测值通过3r/2r的变换可以转换成直流量，进行磁通观测和转速估计。

（2）定子电流有效值的检测

定子电流有效值的检测主要是用于面板的显示，显示检测的实时电流值也是数字化控制系统的一个方面，电流的显示可以使用户直观的看到，以便作相应的处理。

检测电路见图5-13。

图5-13定子电流有效值检测电路

图中，1458A和D1、D2组成检波电路，它将具有正、负极性的交流信号转换成只有负极性的交流信号。

1458B和20uF的电容组成有源滤波电路，将交流信号转换成直流信号，然后给80C196MC的A/D转换通道ACH2进行转换。

采用检波电路整流可以克服普通二极管整流时由二极管带来的电压降，因此检测电路精度高。

（3）定于线电压有效值的检测

定子线电压有效值的检测也是用于面板的显示，以达到可以直观的给用户看到实际的线电压值，同时它也用于矢量控制算法的计算，检测电路如图5—14。

图5-14定子线电压有效值的检测电路

定子电压的PW波经过分压电阻和二极管变成只有正向的PMM波，再经过光电隔离后，得到只有正向标准5V电压的PWM波，再经过滤波、整流、限幅电路送80C196MC的ACH3通道处理。

————（胡崇岳．现代交流调速技术，北京：

机械工业出版杜，1998．1～290）

三相异步电机定于每相电动势的有效值为E1=4.44

中。

由上式可见主磁通中，是由E1和

，共同决定的，如果保持E1和

之比不变，就可以保持主磁通不变。

在基频（额定频率）以下调速时，由于E1的大小不易从外部加以控制，而定子绕组的阻抗压降（△U=I1Z1，Z1为定予绕组的阻抗压降，包括电阻和漏碰电抗）在电压较高时可以忽略，所以可以认为电动势和电源相电压近似相等即有U1≈E1，因此作为一种可行的方案是在电源电压较高时用电源相电压U1代替电动势E1，当频率较低时，U1和E1都变小，定于漏阻抗压降所占比重加大，不可以忽略，所以要人为的补偿，这是一种近似的恒磁通控制，这种控制方式常用于恒转矩控制，如下图2-1。

在基频以上调速时由于电压U1受额定电压的限制不能再抬升，因此在频率升高时，迫使主磁通变小，进入弱磁变频调速，属于近似恒功率控制，如图2-1。

但是用恒压频比代替恒电动势频率比的一个重要缺点是在速度降低时，电动机的带载能力也同时下降，转矩利用率下降，从图2—2的a，b可以看出a图的临界转矩点随着速度的降低也减小，而b图则没有变化，然而要达到b图的效果就要保持E1／

的比值为恒值而不仅是保持U1／

比值为恒值了。

基于上述原因，在变频调速的基本控制方式下，改变频率的同时必须改变电压，所以称之为VVVF（VariablevoltageVariableFrequency）控制。

恒压频比控制又可以分为两种方式，一种是转速开环控制，无需速度传感

器,控制电路简单，负载适合于异步鼠笼型电动机,所以通用性强,经济性好。

由于在无速度传感器的恒压频比控制下，负载一旦变化，转速也会随着变化，转速的变化量与转差率成正比，因此产生了另一种带速度传感器的恒压频比控制,称之为转差频率控制，它根据速度传感器检测，求出转差角频率，再把它和速度设定值相叠加，以该叠加值作为逆变器的频率设定值，就实现砖转差补偿。

与开环恒压频比控制相比转差频率控制的调速精度大为提高，但是，使用速度传感器检测转差角频率，要针对具体电机的机械特性调整控制参数，因此这种控制方式的通用性比较差，本设计仍采用无速度传感器的恒压频比控制方式（以下简称恒压频比控制方式）。

————（吴忠智等．变频器应用手册，北京：

机械工业出版社，2000．30一130）

应用于变频技术的脉宽调制技术（简称PWM技术）是引入了通信系统中调制技术的思想，它是利用半导体开关器件的导通和关断把直流电压变成以电压脉冲序列形式的交流电，井通过改变控制电压脉冲宽度和周期达到变压和变频的目的。

从控制思想上分可以分为四种：

等脉宽PWM法，正弦PWM法，磁链追踪型P刚法和电流跟踪型PWU法。

由于正弦PWM法（即SPWM技术）应用较为广泛，此处只介绍SPWM技术。

SPWM的出发点是要用一系列的等幅不等宽的序列脉冲波来等效正弦波,因此可以这样实现，把一个正弦半波分作N等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的中点相重合，这样由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦的半波等效，同理可得到负半波的等效。

得到SPWM的具体实现方法可以是用一个正弦调制波和一个等腰三角载波相交，由它们的交点确定逆变器的开关模式，当正弦波大于三角波时，使相应的开关器件导通；当正弦波小于三角波时，使相应的开关器件截止。

————（吴守箴．电气传动的脉宽调制技术．北京：

机械工业出版社，1999．77～223）