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基于SPWM控制全数字单相变频器的设计及实现
本文介绍了基于DSPTMS320LF2407A并使用SPWM控制技术的全数字单相变频器的设计及实现方法，最后给出了实验波形。
常见的AC/DC/AC变频器，是对输出部分进行变频、变压调节，而且在
多种逆变控制技术中，应用最广泛的一种逆变控制技术是正弦脉宽调制(SPWM)技术。
在变频调速系统中，应用DSP作为控制芯片以实现数字化控制，它既提高
了系统可靠性，又使系统的控制精度高、实时性强、硬件简单、软件编程容易，是变频调速系统中最有发展前景的研究方向之一。
TMS320LF2407A芯片简介
TMS320LF2407A是TI公司专为电机控制而设计的单片DSP控制器。
它具有高性能的C2XLP内核，采用改进的哈佛结构，四级流水线操作，它不
仅具备强大高速的运算能力，而且内部集成了丰富的电机控制外围部件，如事
件管理器EVA、EVB各包括3个独立的双向定时器;支持产生可编程的死区控
制PWM输出;4个捕获口中的2个可直接连接来自光电编码器的正交编码脉冲;
2个独立的10位8路A/D转换器可同时并行完成两个模拟输入的转换;片内的
串行通信接口可用于与上位机通信;片内串行外设口用于与外设之间通信;40个
可独立编程的复用I/O口可以选配成键盘输入和示波器显示的输入/输出口。
这
些为实现交流电机变频调速控制提供了极大的便利。
系统总体方案及硬件电路
1、主电路组成
2、驱动与保护电路。
基于单片机实现SPWM制作空调变频器摘要:介绍了用89C51单片机为控制芯片,结合二极管整流桥、IGBT逆变桥及EXB840驱动IC构成的采用SPWM技术的变频设备的设计方法,同时辅以温度传感器、A/D转换芯片构成空调的节能变频装置。
说明了硬件选用原则、异步电机变压变频调速原理,SPWM 原理在单片机上的实现方法,以及此装置的不足和改进设想。
关键词:SPWM 单片机面积等效法程序设计SPWM(正弦脉宽调制)在变频器设计中得到广泛应用,空调压缩机的异步电机如果适当变频则可以减少启动次数,达到室内温度精度高并且省电运行的目的,然而目前市场上无论变频空调还是变频器都价格较高,因此有必要探索使用成本低廉的单片机做控制器,实现空调变频运行的低成本装置,功能虽然不如市场上的变频空调那样全面,但只要能实现经济运行,达到实用目的即可。
在此采用单片机通过驱动电路控制单相逆变桥的方法实现变频,用单片机通过适当的运算可很容易产生单极性的正弦脉宽调制波。
1 硬件选择主电路如图1,四个整流二极管选择整流桥形式的整体封装,价格低廉。
逆变桥的IGBT选用GT8Q101的分立管,IGBT驱动选择EXB840专用驱动IC。
电容C选为5000 μF/450 V即可。
除此之外还有经A/D转换器与单片机相连的温度传感器。
GT8Q101的VCES=1200 V,ICP=16 A,可以满足耐压要求和启动峰值电流要求。
最高速度为0.5 μs,开关速度也可满足要求。
EXB840可驱动高达75 A/1200 V的IGBT,最高频率40 kHz,带有过流保护功能,按照使用手册的应用电路接线,其中控制端脚经RG接IGBT的栅极,RG如选的过大,则IGBT的导通损耗较大,选的过小则会在IGBT的集电极产生大的电压尖脉冲,且不利于负载短路保护,对于1200 V/8 A 的管子来说,一般选取RG=150 Ω,考虑到单片机上电时I/O口为高电平,为防止短路应使低电平有效,故应使负极性驱动信号接单片机。
单芯片三相SPWM变频控制器的设计与实现摘要：在深入分析8位单片机内部资源和SPWM脉宽调制原理的基础下，提出了一种基于8位单片机的等面积三相SPWM算法，并将其应用到三相交流异步电动机的变频调速控制中。
实验结果表明，该方法行之有效，降低了变频控制器的开发成本。
关键词：变频控制器单片机正弦波脉冲宽度调制(Sine Pulse Width Modulation，SPWM)变频技术是三相交流异步电动机的主流节能技术之一，利用控制电力电子器件的通断将工频电源变换为电压幅值和频率都可调的电能，在实际生产过程中，根据生产机械的运行情况，适时调整电动机的输出转矩，可以达到节能降耗的目的。
常见的变频控制器多采用DSP 或具有数字信号处理功能的高端单片机作为核心控制部件，结合SPWM 信号发生器件实现变频功能。
但通过对8位单片机AT89C52内部资源的深入挖掘和SPWM算法优化，在低端8位单片机实现SPWM变频控制器的设计是完全可行的。
1.基于等面积算法的三相SPWM实现方法对于三相SPWM波形，每一相的波形都可以用单极性单相SPWM波形来代替，只是在波形上相差。
±2π／3。
其各相的SPWM的脉冲宽度计算公式如(1)式。
三相SPWM对应处脉冲的中心时刻相同，由(4)式可以计算出来。
下面对三相SPWM脉冲波形中从到。
的波形进行详细的分析：如图l所示，每一组等分宽度为△T，对于中心时刻相同的一组三相SPWM脉冲，每个脉冲的持续时间分别为，，，它们在时间轴上分成到，共七个区间，在这七个区间的各桥的开关状态分别用0，1，-1表示，例如a相，在图中它的脉冲波形为正，则0表示与a相对应的桥处于关断状态；1则表示与a相对应的桥的上半部分开关管处于导通状态，而下半部分的开关管处于关断状态；b相的脉冲波形为负，其中的-l表示桥的上半部分开关管处于关断状态，下半部分处于导通状态。
如果把到，的时间长度和对应相的开关状态对应起来。
摘要变频器具有调速精度高、响应快、保护功能完善、过载能力强、节能显著、维护方便、智能化程度高、易于实现复杂控制等优点。
从变频器技术发展来看，电动机交流变频技术将成为今后工业自动化的主要对象之一，是当今节能、节电、改善工艺流程，以及提高产品质量和改善环境、推进技术进步的一种主要手段。
变频器的发展趋势是小型化、智能化、多功能、大容量、低价格的方向。
本文重点介绍了C8051F040单片机硬件和软件设计，硬件电路方面详细阐述了单片机的最小系统及外围电路；软件设计方面，首先，通过单片机的可编程计数器阵列PCA来实现输出频率可变的正弦脉宽调制控制波形，具体包括PCA的设置和16位SPWM实现的软件编程；其次，给出单片机内部的频率捕捉程序和软件设计；最后，分析了单片机最小脉冲的解决方法。
该SPWM波形控制方法简单，精度较高，效率高，实时性好。
目前市场相继推出的数字式SPWM变频器中，大多数都采用了专用的SPWM 芯片（如HEF4752，SLE480）.这样可以使编程简单，但增加了投入，鉴于此，本设计主要是通过单片机的控制，产生SPWM波形的变频器，从而降低变频器的成本，可以使变频器得以推广。
关键词：单片机,SPWM ,变频器DESIGN OF SPWM FREQUENCY CONVERTER BASED ON SINGLE CHIP MICROCOMPUTERABSTRACTFrequency converter speed control precision, fast response, good protecting function, strong overload capacity, energy saving significantly, convenient maintenance, high intelligent degree, easy to realize complex control, etc. From the inverter technology, ac. frequency conversion electric motor technology will become one of the main object in industrial automation, is the energy saving, power saving, improve process flow, and improve product quality and improve the environment, one of the main means to promote technological progress. Inverter is the development trend of miniaturization, intelligent, multi-functional, large capacity, low price direction.This article focuses on the C8051F040 microcontroller hardware and software design, hardware circuit aspects in detail elaborated the SCM smallest system and the peripheral circuit; Software design aspects, first of all, through the single-chip microcomputer programmable counter array PCA to realize the output variable frequency sinusoidal PWM control waveform, including the setting of PCA and 16-bit SPWM realization of software programming; Second, given the frequency of thesingle chip microcomputer internal capture program and software design; Finally, the paper analyzes the single chip microcomputer minimum pulse solutions. The SPWM waveform control method is simple, high precision, high efficiency and good real-time.Launched digital SPWM inverter in the market at present, most of them adopt the SPWM dedicated chip (such as HEF4752, SLE480). This allows the programming is simple, but increase the investment, in view of this, this design is mainly controlled by MCU, produces SPWM waveform of the inverter, and reduces the cost of the inverter, can make the inverter to promotion.KEY WARDS:single chip microcomputer, SPWM, the inverter目录摘要 (I)1 绪论 (1)1.1 国内外的发展现状 (1)1.1.1 国内的发展现状 (1)1.1.2 国外的发展现状 (1)1.2 研究背景 (2)1.3 本论文的组织和结构 (3)2 变频器的控制及其原理 (4)2.1 变频器简介 (4)2.1.1 变频器的分类 (4)2.1.2 变频器的应用领域 (4)2.2 变频器的原理 (4)2.2.1 交——交变频 (4)2.2.2 交——直——交变频 (5)2.2.3 变频器的电路图 (6)2.3 SPWM变频器IGBT输出的调制方式 (7)2.3.1 SPWM原理 (7)2.3.2 SPWM的调制方式 (8)2.4 U/f的控制方式 (11)3 硬件设计 (13)3.1 硬件系统原理框图及其总体方案 (13)3.1.1 系统结构框图 (13)3.1.2 专用芯片SLE4520结构及简介 (13)3.2 C8051单片机简介 (15)3.2.1 单片机的发展 (15)3.2.2 单片机的最小系统 (15)3.2.3 单片机的键盘及显示电路 (16)3.3 IGBT驱动及其电路 (20)3.3.1 IGBT简介 (20)3.3.2 IGBT驱动 (20)3.3.3 IGBT的保护电路 (22)3.4 控制电路设计 (23)4 软件设计 (25)4.1 SPWM波的生成 (25)4.1.1 计数器阵列PCA (25)4.1.2 SPWM波形的生成 (27)4.2 16位的SPWM软件编程 (28)4.3 频率的捕捉程序 (29)4.4 最小脉冲问题分析 (30)5 结论与展望 (31)5.1 变频器的结论 (31)5.2 设计的展望 (31)参考文献 (33)致谢 (36)1 绪论随着电力电子技术和微机控制技术的进步，为交流电力拖动的开发创造提供了更有利的发展条件。
2019年 / 第10期 物联网技术550 引 言PWM 变频调速是应用非常广泛的一种交流电机调速方法，采用单片机进行频率控制。
本文设计将51系列加强型方法STC12C5024AD 单片机作为主控制器，单片机电源采用5 V 供电，交流输入电源由50 Hz ，AC 220/15 V 电源提供，经过PWM 变频器后输出15 V 可调频交流电源。
1 硬件设计1.1 电源设计系统采用变压器变频后，为变频器提供16 V 交流电源输入，经D 1半波整流及电容C 2，C 4滤波，通过电阻限流保护，为ST7805提供电源，再经7805稳压电源后输出+5 V 直流电，为单片机提供电源。
二极管D 2整流后提供一个负电源。
电源电路如图1所示。
1.2 单片机控制电路设计单片机控制电路如图2所示，主控制器采用51系列的扩展芯片STC12C5201。
STC12C5201是宏晶公司设计生产的一款加强型51系列单片机，采用24C02作为频率储存，停电后再次启动时，可按上次记忆的频率继续运行，24C02与单片机之间采用I 2C 方式通信。
K1按键用于上调频率，K2按键用于下调频率，每按下一次分别变化0.1 Hz 。
PWM 信号经P3.7输出（P3.7管脚的第二功能是CCP0输出）。
STC12C5201管脚封装如图3所示，采用20脚双列直插 封装。
周首杰（湖南汽车工程职业学院 车辆工程学院，湖南 株洲 412001）摘 要：PWM 变频调速是目前应用最多的一种交流异步电机变频调速方法。
随着新能源汽车的大量推向市场，通过变频调速来控制汽车行驶速度已经成为新能源汽车的最大特点及亮点。
文中从实际应用出发，讨论交流异步电机PWM 调速的软件、硬件设计，并给出较为详细的参考设计。
关键词：直流电源电路；单相变频电路；PWM ；定时设置；自动重装载；变频调速软件中图分类号：TP211 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2019）10-0055-03收稿日期：2019-01-23 修回日期：2019-03-14图1电源电路图2 单片机控制电路物联网技术 2019年 / 第10期56图3 STC12C5201管脚封装1.3 输出电路设计，输出电路如图4所示，通过阻容电路与NE5532将PWM 信号转换成正弦波信号进行输出，再经Q 1，Q 2，Q 3，Q 4，Q 8，Q 9，Q 10，Q 11组成的功放电路进行放大输出。
由于传统能源的枯竭，各国对环境保护的重视以及现存电力系统的种种弊端，分布式发电将在未来的供电系统中发挥越来越重要的作用。
近年来以燃料电池发电技术，微型燃气轮机发电技术，光伏电池发电技术和风力发电技术为代表的新型分布式发电技术发展迅速。
但是分布式发电技术发出的电都不是与电网供电系统相同的交流电，无法与大电网联网或者直接供给普通负载使用，都需要变频装置将其变换成负载可以使用的交流电或者与大电网电压、频率相匹配的工频交流电。
因此，针对特定的分布式发电技术研究与其相配套的变频电源就很有必要。
本文针对内燃机拖动永磁发电机的中小功率分布式发电系统，设计一套变频电源，将发电机发出的中频交流电变换为相电压220V,频率50Hz的工频交流电。
在论述和分析了变频电源及其控制技术发展的概况和趋势的基础上，结合本课题任务的实际情况，设计了一套中小功率的逆变电源。
系统中PWM控制信号采用专用集成芯片SA4828生成，减轻了控制器的工作量也提高了系统的可靠性。
控制器选用集成了A/D转换器的单片机，使得系统的硬科复杂性降低，提高了可靠性。
Since the exhaustion of the traditional energy, the high opinion of the environment anda variety of defeats of the current power system, distributed generation would bring into play more and more significant action. Recent years, some new distributed generation technology,such as fuel cell, micro gas turbine, solar cell and wind power generation, developed rapidly.But electricity generated by them can not merge into the electrified。
2012年9月第26期科技视界0引言凸轮主要用于检测机械设备某一个轴的角位置,当到达不同的角位置时发出不同的开关状态信号。
例如按照工艺要求,某凸轮的功能为:每周包含4个区间(00~600、610~1200、1210~3000、3010~3600,其中1、3区间为ON 状态,2、4区间为OFF 状态。
当改变工艺过程时,需重新制作机械凸轮,十分不方便。
利用单片机的记忆功能及软硬件可方便的设计一个凸轮控制器,而构成一个或多个“电子凸轮”。
“电子凸轮”的工艺改变十分灵活,满足了需经常改变工艺过程的实际需要。
1参数设置为了方便灵活的改变凸轮工艺,可利用单片机存储数据的功能,事先按照工艺要求将凸轮数据参数设置在存储器中,通过改变所存储的数据参数就可改变凸轮工艺。
本设计可实现最多8个电子凸轮,若每个电子凸轮最多可以有8个区间。
则对应数据参数表如表1~表3所示。
①电子凸轮区间数表:共8个数据,每个数据占1字节,对应一个电子凸轮,表示其区间数。
只给出了0#凸轮数据;②电子凸轮区间设置表:共8组数据,每组数据对应一个电子凸轮,每组数据中有8个数据,每个数据2字节,共占16字节,给出了该电子凸轮的各区间角度。
只给出了0#凸轮的数据;③电子凸轮区间状态表:共8组数据,每组数据占1字节,对应一个电子凸轮,给出了该电子凸轮在各区间要输出的开关状态信号。
只给出了0#凸轮的数据。
表1电子凸轮区间数表表2电子凸轮区间设置表表3电子凸轮区间状态表图1硬件电路原理图基于单片机的凸轮控制器软硬件实现The Realization of the Cam Controller Base on Micro-computer唐中燕TANG Zhong-yan(华北电力大学河北保定071003(North China Electric Power University,Baoding Hebei,071003【摘要】基于单片机的凸轮控制器是通过软硬件结合实现的。
基于AVR单片机的SPWM变频调速控制策略.Control strategy of SPWM variable frequency speed regulating based on AVR single-chip computer.张希林段吉安摘要：重点讨论了一种新型单片机—AVR高速嵌入式单片机在交流变频调速中的应用，并给出了软硬件设计方法，同时利用等效面积法生成SPWM脉冲序列，较好的解决了控制精度和实时控制的要求，理论分析和仿真实验证明该方法可行。
关键字：AVR单片机; SPWM波; 等效面积法; 变频调速引言近年来，随着自关断器件的不断发展，采用以正弦波作为参考电压的SPWM（正弦脉宽调制）控制的VVVF 变频调速,已成为交流异步电机调速的主流。
IGBT作为新一代全控型电力电子器件，综合了MOSFET和GTR 的优点，开关频率高、驱动功率小，构成的功率交换器输出电压纹波小，线路简单，是当今最具有应用前景的功率器件。
早期使用模拟电路元件生成SPWM波形，所需硬件较多，算法不够灵活，改变参数和调试比较麻烦。
随着电力电子技术、微电子技术和计算机技术的发展，研究重点转移到以MCU、DSP为主的数字方案。
本文介绍一种由AVR高速嵌入式单片机输出的SPWM脉冲序列控制变频调速的方法。
1 SPWM波形生成策略1.1 常用算法比较微机控制的SPWM算法有多种，常用的有自然取样法和规则取样法。
自然取样法（图1a）采用计算的方法寻找三角载波UΔ与参考正弦波UR的交点作为开关值以确定SPWM的脉冲宽度，这种方法误差小、精度高，但是计算量大，难以做到实时控制，用查表法将占用大量内存，调速范围有限，一般不采用。
规则取样法（图1b）采用近似求UΔ和UR交点的方法，通过两个三角波峰之间中线与UR的交点作水平线与两个三角波分别交于A和B点，由交点确定SPWM的脉宽，这种方法计算量相对自然取样法小的多，但存在一定误差。
华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书 实验五十一DC/AC SPWM单相全桥逆变电路设计及研究（信号与系统—自动控制理论—检测技术－电力电子学综合实验）一、实验原理SPWM单相全桥逆变电路的主要工作原理是依靠四个开关管的通、断状态配合，利用冲量等效原理，采用正弦脉宽调制（SPWM）策略将输入的直流电压变换成正弦波电压输出。
SPWM的调制原理是通过对每个周期内输出的脉冲个数和每个脉冲宽度来调节逆变器输出电压的频率和幅值。
要使输出的电压波形接近标准的正弦波，就要尽量保证SPWM电压波在每一时间段都与该时段中正弦电压等效。
除要求每一时间段的面积相等外，每个时间段的电压脉冲宽度还必须很窄，这就需要在一个正弦波形内脉冲的数量很多。
脉波数量越多，不连续的按正弦规律改变宽度的多脉冲电压就越等效于正弦电压。
目前，在电力电子控制技术中，SPWM技术应用极为广泛，SPWM波形的形成一般有自然采样法、规则采样法等等。
前者主要用于模拟控制中，后者适用数字控制。
本实验采用的是DSP控制的单相全桥逆变电路，采用对称规则采样法。
对称规则采样的基本思想是使SPWM波的每个脉冲均以三角载波中心线为轴线对称，因此在每个载波周期内只需一个采样点就可确定两个开关切换点时刻。
具体算法是过三角波的对称轴与正弦波的交点，做平行于时间轴的平行线，该平行线与三角波的两个腰的交点作为SPWM波“开通”和“关断”的时刻。
由于在每个三角载波周期中只需要进行一次采样，因此使得计算公式得到简化，并且可以根据脉宽计算公式实时计算出SPWM波的脉宽时间，可以实现数字化控制。
图51-1 对称规则采样法生成SPWM波根据相似三角形定理，可以分析出图1对称规则采样法生成的SPWM波脉宽时间T n华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书为：()21sin n n T T MN Nπ−= (51-1) 式中，M 为调制度，T 为正弦调制波周期，N 为载波比。
