基于单片机的SPWM变频调速系统设计

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。

基于89C51的SPWM变频调速系统的设计【摘要】伴随着电子半导体元器件的快速发展，交流电动机的转速控制出现一场深刻的技术改革，同时各种高性能配置的微处理器不断扩大应用范围，使得这场技术改革可以进入全数字化的发展进程，通过各种类型电力半导体器件搭建的变频调速系统逐步替代包含直流电动机调速系统以内的各种调速系统。

变频调速系统以其调速精度高、控制范围宽广、响应速度快捷、保护功能全面，过载能力强、节能显著、使用维护方便等各种优点，已经广泛地应用在电力系统、交通运输、生产制造等各个经济领域。

【关键词】单片机;SPWM;变频调速系统1.引言当前阶段变频调速系统的研究一般集中在三相电机上，对于单相电机的关注程度仍然不够，其与三相电机控制技术对比还不够成熟，过去阶段主要使用调节端电压与改变极对数的具体方法来达到调速目的。

调速效果远远无法满足生产与生活的实际需求，因为变频调速技术在异步感应电机调速系统中体现出优异的调速性能。

目前伴随着变频调速系统技术的日趋成熟，其在单相电机中实际应用不断扩展起来。

使用正弦脉冲调制的具体调制方式可以实现单相电机的变频调速功能，这种技术相比于传统形式的控制技术而言具有结构简单、运行可靠、节能效果明显、性价比高等各种优点[1]。

2.SPWM变频调速的工作机制三相交流异步电动机的三相绕组具有匝数相同、相差120度的对称结构。

如果在三相对称绕组中通过三相对称形式通交流电时，则会产生空间相应的旋转磁场。

转子线圈由于发生磁通变化从而会受到电磁转矩的直接作用，促使转子根据旋转磁场的转动方向进行旋转，其旋转速度的表达式为：在上式中，p定义为磁极对数，s定义为转差率，f定义为交流电的频率。

异步电动机的转速调节一般可以通过改变这几个参数来实现功能的。

当前变频调速属于交流电动机调速的主流形式，即可以连续地变化电源频率，就能够平滑地控制电动机的转速。

变频调速在本质上是向交流异步电动机提供一个频率可以控制的交流电源，其主要由两个部分构成，分别为主电路与控制电路。

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。

摘要近年来,交流电机变频调速及其相关技术的研究己成为现代电气传动领域的一个重要课题,并且随着新的电力电子器件和微处理器的推出以及交流电机控制理论的发展，交流变频调速技术还将会取得巨大进步。

本文对变频调速理论，逆变技术，SPWM产生原理进行了研究，在此基础上设计了一种新型数字化三相SPWM变频调速系统，以8051控制专用集成芯片 SA4828为控制核心，采用IGBT作为主功率器件，同时采用EXB840构成IGBT的驱动电路，整流电路采用二极管，可使功率因数接近1，并且只用一级可控的功率环节，电路结构比较简单。

V控制，同时，软件程序使得参数的输入和变频器运行方式本文在控制上采用恒f的改变极为方便，新型集成元件的采用也使得它的开发周期短。

另外，本文对SA4828三相SPWM波发生器的使用和编程进行了详细介绍，完成了整个系统控制部分的软硬件设计。

V控制，SA4828波形发生器关键字:变频调速，正弦脉宽调制，fABSTRACTRecently, the research of variable frequency speed variation of AC motor and relevant technology has become an important issue in electrical drive field, with the appearance of new power electron apparatus and microprocessor and the development of the control theory, the technology of variable frequency speed variation will improve more rapidly.This thesis has a research on these technologies: Variable Voltage Variable Frequency motor drive, inverter, and the creation principle of SPWM, Based on the results of the study, I designed a system of a new digital three phases VVVF motor drive system. It uses ASIC-SA4828 controlled by 8051 as main controlling core, it uses IGBT as power device, and uses EXB840 as drive. It uses diodes as converting circuit unit, which makes power factor close to 1. Because I only need to control inverter, the whole circuit is very simple.V operation. At the same time, it is very convenient toI adopt the means of linear finput parameters or change the drive’s operating mode due to the software proced ure. Moreover, owing to the advantages of the new integrated parts, it costs less time to develop this motor drive.This thesis has also detail introduced the method of the usage and the programs of the three phases SPWM wave generator SA4828. The software and the hardware of the control part in system have been completed.V Keywords: variable frequency speed control，Sine Pulse Width Modulation (SPWM)，f operation; SA4828 Wave Generator目录摘要 (i)Abstract (ii)1绪论 (1)1.1 变频调速技术简介 (1)1.2 变频器的发展现状和趋势 (2)1.2.1 变频器的发展现状 (2)1.2.2 变频器技术的发展趋势 (2)1.3 研究的目的与意义 (3)1.4 本次设计方案简介 (4)1.4.1 变频器主电路方案的选定 (4)1.4.2 系统原理框图及各部分简介 (5)1.4.3 选用电动机原始参数 (6)2交流异步电动机变频调速原理 (7)2.1 三相异步电机工作的基本原理 (7)2.1.1 异步电机的等效电路 (7)2.1.2 异步电动机的转矩 (8)2.1.3 异步电动机的机械特性 (9)2.1.4 异步电机变频调速原理 (11)3变频器主电路设计 (12)3.1 主电路的工作原理 (12)3.1.1 主电路各部分的设计 (12)3.1.2 变频器主电路设计的基本工作原理 (13)3.2 主电路参数计算 (16)3.3 IGBT及驱动模块介绍 (17)3.3.1 IGBT简介及驱动要求 (17)3.3.2 EXB840的内部结构 (19)3.3.2 采用EXB840的IGBT驱动电路 (20)4控制回路设计 (21)4.1 驱动电路设计 (21)4.1.1 SPWM调制技术简介 (21)4.1.2 SPWM波生成芯片特点和引脚功能 (23)4.2 保护电路 (24)4.2.1 过、欠压保护电路设计 (24)4.2.2 过流保护设计 (26)4.3 控制系统的实现 (27)5变频器软件设计 (29)5.1 流程图 (29)5.2 SA4828的编程 (29)5.2.1 初始化寄存器编程 (29)5.2.2 控制寄存器编程 (32)5.3 程序设计 (33)6变频器用MATLAB/SIMULINK仿真 (29)6.1 MATLAB/SIMULINK简介 (29)6.2 基于SPWM变频调速系统的仿真 (29)总结 (48)参考文献 (49)致谢 (50)1绪论1.1 变频调速技术简介变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速目的的技术。

基于单片机的ＳＰＷＭ变频器设计探究张丁雷摘㊀要：随着电子技术的发展，传统的电气传动将面临着重大的变革，直流调速已经逐步被交流调速所取代㊂交流电机相对于直流电机而言具有结构简单㊁故障率低㊁易维护等众多优点，因而在调速领域具有独特的优势㊂全自动型功率器件的出现以及控制理论的不断发展，交流调速系统在控制性能以及经济性方面都能够与直流电机相媲美，且更适合应用于高速㊁高压㊁恶劣的环境中㊂文章采用ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８Ａ单片机控制三相交流异步电机，通过ＳＰＷＭ技术对交流电机进行恒压频比控制，设计出一款通用变频调速系统㊂关键词：ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８Ａ单片机；变频调速；ＳＰＷＭ一㊁引言变频器是一种交流调速设备，主要功能是解决交流电调速困难以及交流设备效率低㊁可靠性差等问题，其能够在很大程度上提升电机的调速性能㊂但是，由于市场上变频器的价格不菲，且所集成的功能众多，无法在低功率的家电中使用㊂因此，笔者企图以较低的成本来设计一款实用的变频器，以便能够在家电上使用㊂二㊁总体设计方案变频是将固定频率的交流电转换为频率连续可调交流电的过程㊂文章设计的变频其总体由两部分构成：一是电力部分，其采用各种电力半导体器件，以此来实现电力形式变换的电路；二是驱动控制部分，电力部分依赖于控制部分展开工作，该部分决定了变频器的工作性能与操作性能等㊂三㊁系统硬件设计本设计采用ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８Ａ单片机为控制部件，所设计出的硬件结构主要包括主电路㊁控制电路㊁检测电路以及供电电源电路组成㊂本系统采用ＳＰＷＭ变频技术，为了将开发周期尽可能地缩短，由组态软件中的上位机编程软件来调整系统参数㊂通过上位机ＲＳ２３２接口负责将参数发送给下位机，在ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８Ａ接收到信号后将电路采集的数据进行矢量计算，由ＣＰＵ输出ＳＰＷＭ波形并送入到驱动电路的输入端口；ＳＰＷＭ波经过驱动电路输出放大的ＳＰＷＭ波形；经过滤波电路输出三相正弦波㊂ＣＰＵ对系统的运行状态进行实时监控，在系统出现短路㊁过流等故障时，则可通过检测电路检测出故障信号，并经过处理再转换为电压信号，然后将信号输出并封锁，以此来保障电机的运行㊂（一）电路设计１．主电路设计主电路采用交流－直流－交流的电路结构，由整流㊁中间滤波以及逆变器组成㊂具体采用ＩＲ２３０集成电路，该种电路适用于功率ＭＯＳＥＦＥＴ所驱动的照明镇流器㊁电源和电机等㊂通过改变输入逆变器的ＳＰＷＭ波的宽度来调节输出波形的频率，以此来实现变频的目的㊂２．控制电路设计芯片作为控制电路的核心部件具有重要的意义，文章采用ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８Ａ单片机，其主要功能是将检测数据转换为ＳＰＷＭ波，处理输入和输出端数据，以起到系统控制的作用㊂ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８Ａ集成了控制ＰＷＭ输出定时器，每个定时器都能够输出三相ＰＷＭ波形，各定时器之间通过联合电机的反馈环控制㊂３．检测电路设计系统在理想的情况下能够稳定地运行，但是在实际应用过程中，各种因素都有可能导致系统出现故障㊂处于增强系统运行稳定性的目的以及在系统出现故障时的保护，需要对电路进行实时的检测，检测电路由过流㊁过压检测及保护电路以及转速度检测及保护电路组成㊂过流检测电路是通过电流传感器来实现对三相异步机的三相电流㊂当三相异步机出现过路电流时自动切断继电器电源㊂电压检测和保护电路主要是检测通过整流输出的高压直流的母线电压，由于母线电压对逆变系统具有较大的影响，因此需要设计保护电路㊂过压保护电路采用串联保险丝与并联压敏电阻的方法㊂通过保险管来限制了过大的电流，压敏电阻是在电压过大的情况下降低电路的电压以起到保护的作用㊂转速检测电路采用电增量编码器作为速度传感器㊂增量编码器是通过数字的形式来确定被检测目标相对于基点的瞬时位置，通过接口转速检测电路测量电机的角速度㊂（二）频率显示模块由于单片机ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８Ａ的驱动能力不够，这就需要采用三极管驱动数码对变频器的频率进行直观地显示，从而实现精确控制的目的㊂四㊁系统软件设计本系统采用的是基于ＳＰＷＭ的电流控制方法，通过处理采样信号来产生ＳＰＷＭ驱动信号对逆变器进行控制㊂在系统上电后，初始化模块仅设置一次，然后就循环执行控制程序，并在这个执行的过程中定时发生中断，系统执行程序在中断与主程序中进行，所产生的ＳＰＷＭ信号加入数据处理模块中运算，将运算结果储存到ＭＣＰ寄存器中，通过对逆变器的控制来调节电动机的速度来完成控制信号的产生㊂五㊁调试在对系统调试的总体思路是先进行部分调试，然后再进行整体调试㊂当系统上电时，首先对其电源工作是否正常进行检测，在系统正常工作后采用示波器来观察ＰＷＭ波形㊂最后，将１８Ｖ电压加到系统输入端，并在系统负载端串上滤波电路㊂六㊁结论文章在对大量资料进行收集㊁分析和整理学习的基础上，以三相交流异步电动机作为被控制对象，采用ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８Ａ单片机作为处理器，通过ＳＰＷＭ控制技术对交流电机实现恒压频比控制，设计出了基于ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８Ａ交流电机变频器，在考虑实际生产中硬件结构的基础上，编写了相应的软件程序，所设计的变频器电路结构简单，可靠性高且实用性好，基于三相交流异步电动机的变频调速将具备广阔的应用前景㊂参考文献：［１］向楠，黄道业．基于ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８Ａ单片机的交流变频器的设计［Ｊ］．西安文理学院学报（自然科学版），２０１５（２）：１１－１３．［２］吴守帧，藏英杰．电气传动的脉宽调制和控制技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９５．作者简介：张丁雷，杭州浙泰电气有限公司㊂８８１。

SPWM变频调速系统摘要：变频调速是交流调速中的发展方向。

异步电动机的调速原理是研究控制算法的基石，因文首先介绍了异步电动机的调速特性，从而展开介绍SPWM变频调速的理论基础.包括变频调速控制思想的由来，控制方法的可行性。

变频调速的控制算法也有许多，目前大部分通用变频器所采用的控制算法——恒压频比控制，给出了完整的硬件电路设计和软件程序流程设计。

采用了Intel8OC196MC十六位单片机作为控制电路的CPU，采用该单片机的控制系统是本设计的硬件核心部分。

关键词:变频器;恒压频比控制;正弦波脉宽调制:8OC196MC单片机。

Abstractvariable frequency speed control is the development direction of AC speed control system. Control principle of asynchronous motor is a cornerstone of control algorithm research, because the first introduced the speed characteristics of asynchronous motor, thus the theoretical basis of SPWM variable frequency speed regulation. Including the origin of VVVF control thought, the feasibility of control method. Control algorithm of variable frequency speed control -- there are many, constant ratio of voltage and frequency control algorithms currently used by most of the general inverter, give a complete hardware circuit design and software program flow design. Using the Intel8OC196MC sixteen bit single-chip microcomputer as a control circuit of CPU, control system using the SCM is part of the design of the hardware core.Keywords:inverter; constant ratio of voltage and frequency control; sinusoidal pulse width modulation: 8OC196MC single chip microcomputer.目录第1章绪论1.1变频器的发展方向 (1)1.2发展的目的和意义-------------------------------------------------------------------1 第2章恒压频比控制的SPWM变频系统的分析2.1变频调速基本原理 (2)2.2变频调速控制方式分析 (2)2.3 SPWM逆变技术 (4)2.4.SPWM控制信号的产生方法 (5)第3章变频调速系统的硬件实现3.1变频调系统的整体硬件电路设计 (6)3.2主电路硬件结构 (7)3.3控制路的设计 (9)3.4驱动和保护电路的设计 (9)第4章主程序设计 (12)总结--------------------------------------------------------------------------------------14 参考文献 (15)一绪论1.1变频器的发展方向变频器商业化以来，应用的领域在不断的扩大，主要有以下几个方面: ( 1 ) 变频器容量不断扩大。