三相正弦变频电源的设计论文.doc

本科毕业设计本科毕业设计 题目题目：三相正弦变频电源的设计三相正弦变频电源的设计 院院 （系）：（系）： 电子信息工程学院电子信息工程学院 专专 业：业： 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 班班 级：级： 学学 生：生： 学学 号：号： 指导教师：指导教师： 2009 年 06 月 三相正弦变频电源的设计三相正弦变频电源的设计 摘摘 要要 本文设计了一个 ad/dc/ac 变频电源系统。该系统利用 xc164单片机, 采 用 spwm 变频控制技术，将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出，电源 输出波形近似于正弦波， 实现了三相正弦波变频输出。并采用双闭环 pid 控 制，使其输出线电压有效值为36 v，最大输出电流有效值达3 a。此外系统还具 有良好的稳压性能和很小的波形失真,并且能够进行自检测、过流、过压、过热 和短路保护等功能。 关键字：关键字：正弦波脉宽调制；pid； a/d 转换；变频电源 sinusoidal three-phase inverter power software design abstract in this paper, we designed a ad / dc / ac inverter power system. the system uses xc164 microcontroller, using spwm inverter control technology, reverse dc voltage into a voltage, variable frequency ac output waveform similar to sine wave power output to achieve the three-phase sine wave output inverter. and the use of double-loop pid control, so that the output line voltage rms to 36 v, the maximum effective value of output current 3 a. system, the regulator also has a good performance and very small waveform distortion, and to carry out self-inspection, over-current, over- voltage, overheating and short circuit protection. keywords：sinusoidal pulse width modulation; pid control; a/d transformation; frequency-variable power supplier 目目 录录 摘摘 要要 i i abstractabstract iiii 1 1 绪论绪论 2 2 1.1 前 言 .2 1.2 课题研究背景及意义 2 1.3 国内外相关研究情况2 1.4 本文主要研究工作 2 2 2 三相正弦变频技术相关理论研究三相正弦变频技术相关理论研究 4 4 2.1 正弦波生成方案的研究4 2.1.1 pwm 控制的基本原理 4 2.1.2 spwm 的产生过程 .7 2.2 pid 控制技术研究 8 3 3 系统硬件简述系统硬件简述 1212 3.1 系统结构框图 .12 3.2 xc164 单片机简介 .12 3.2.1 简介.12 3.2.2 常用单元介绍.12 3.2.3 a/d 转换器 .13 4 4 系统软件设计系统软件设计1212 4.1 软件开发环境.12 4.1.1 单片机编程开发语言.12 i 4.1.2 keil c 编辑器 .12 4.2 系统软件设计.15 4.2.1 主程序设计.15 4.2.2 中断程序 .17 4.2.3 spwm 的编程实现 18 4.2.4 输出电压和电流有效值的计算.20 4.2.5 pid 控制 .22 5 5 结论结论2 28 8 参考文献参考文献 2 29 9 致致 谢谢 3 30 0 附录附录 3333 1 绪论 1 1 1 绪论绪论 1.11.1 前前 言言 近来,变频电源在各行各业的应用日益广泛。变频器电源主要用于交流电机 的变频调速，其在电气传动系统中占据的地位日趋重要，已获得巨大的节能效 果。由于世界各国电网指标不统一，生产出口产品都需要电网模拟不同国家的电 网状况，并保证稳定性。过去采用调压器调压，稳压器稳压，发电机进行二次变 频，耗电量大，躁声大，稳定性差逐渐被变频电源所代替，所以市场上需求输出 电压，频率无级数字可调，波形稳定纯净的电源。本文是设计一个新型工业用缝 纫机三相正弦波变频电源，用以实现缝纫机的无级调速。该产品的设计是根据市 场的需求而确定的，可填补该产品市场的空白，满足国内制衣业的急需。 1.21.2 课题研究背景及意义课题研究背景及意义 该题目是设计一个新型工业用缝纫机三相正弦波变频电源，用以实现缝纫机 的无级调速。该产品的设计是根据市场的需求而确定的，可填补该产品市场的空 白，满足国内制衣业的急需。 现代电源技术是应用电力电子半导体器件,综合自动控制、计算机(微处理器)技 术和电磁技术的多学科边缘交叉技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中 起关键作用,是现代电力电子技术的具体应用。 当前,电力电子作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础,正朝 着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将 来,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用,实现高效率和高品质用电 相结合。 技术的发展 现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子 学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。八十年代末期和九 十年代初期发展起来的、以功率 mosfet 和 igbt 为代表的、集高频、高压和大电 流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子 时代。 （1） 整流器时代 大功率的工业用电由工频(50hz)交流发电机提供,但是大约 20%的电能是以直流 形式消费的,其中最典型的是电解、牵引和直流传动三大领域。因此在六十年代 和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾 1 绪论 1 经 西安工业大学毕业设计（论文） 0 掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮。 （2） 逆变器时代 七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频调速因节能效果显著而迅 速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为 0100hz 的交流电。在七十年代 到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管 (gtr)和门极可关断晶闸管(gt0)成为当时电力电子器件的主角。这时的电力电子 技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。 （3） 变频器时代 八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展将集成电路技术的精 细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首 先是功率 m0sfet 的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极 晶体管(igbt)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。mosfet 和 igbt 的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。 1.31.3 国内外相关研究情况国内外相关研究情况 20 世纪 70 年代后,大规模集成电路和计算机控制技术的发展,以及现代控制 理论的应用,推动了变频电源技术的发展,使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的 调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运 行等良好的技术性能,在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。 在交流调速技术中,变频调速具有绝对优势,并且它的调速性能与可靠性不断 完善,价格不断降低,特别是变频调速节电效果明显,而且易于实现过程自动化,深 受工业行业的青睐。 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是包含多种 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，变频电源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的交流电源而得到迅猛发展。 经历大约30年的研发与应用实践，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，变频电源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电源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。 1.41.4 本文主要研究工作本文主要研究工作 本文采用交流直流交流，即先整流后逆变的方法, 制作一个频率可调的 三相正弦波变频电源。先通过自耦变压器和隔离变压器将 220v 的市电转化为所 需要的电压，再通过电容滤波的不可控整流电路，将交流整为直流，然后通过软 件产生的 spwm 控制。本电路有电流电压的检测和缓冲电路,具有过流保护,负载 缺相保护及负载不对称保护功能,使电路安全稳定工作。用单片机的编程，以生 西安工业大学毕业设计（论文） 1 成 spwm 脉冲；对输出电压和电流进行采样、a/d 转换，并计算出输出线电压和相 电流；实现电压、电流、频率和功率的 lcd 显示；对输出电压进行 pid 控制；以 及根据输出电流实现过流保护、负载缺相保护及负载不对称保护。根据课题要求， 通过比较，采用德国 infineon 公司生产的 xc164 单片机作为核心控制模块，利 用单片机生成的 spwm 脉冲经过逆变电路的驱动电路（核心器件为 ir2136） ，加在 由 mos 管构成的逆变驱动电路上，再对逆变电路的输出信号进行 lc 低通滤波， 从而产生合乎要求的正弦波，是一种基于 spwm 控制的变频电源的设计方法。 该变频电源的输出频率范围为 20hz100hz 的三相对称交流电，各相电压有 效值之差小于 0.5v；输出电压波形接近正弦波，用示波器观察无明显失真；在输 入电压为 198v242v，负载电流有效值为 0.5a3a 时，输出线电压有效值应保 持在 36v，误差的绝对值小于 5%；当输出电流有效值达 3.6a 时过流保护动作、 当三相电流中任意两相电流之差大于 0.5a 时，自动实施负载缺相保护及负载不 对称保护功能，保护时自动切断输入交流电源。 本人在该课题中所承担的任务主要是单片机的编程，以生成spwm脉冲；对输 出电压和电流进行采样、a/d转换，并计算出输出线电压和相电流；实现电压、 电流、频率和功率的lcd显示；对输出电压进行pid控制；以及根据输出电流实现 过流保护、负载缺相保护及负载不对称保护。另外，我还参与系统方案的选取与 部分电路的设计。根据课题要求，通过比较，我们决定采用spwm技术，并且将 xc164单片机作为该变频电源系统的核心控制器。 2 三相正弦变频技术相关理论研究 0 2 2 三相正弦变频技术相关理论研究三相正弦变频技术相关理论研究 2.12.1 正弦波生成方案的研究正弦波生成方案的研究 2.1.12.1.1 pwmpwm 控制的基本原理控制的基本原理 在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具 有惯性的环节上时，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，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变换 进行频谱分析，可发现它们的低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。例如 图2.1中a、b、c 所示的三个窄脉冲形状不同，图2.1a 为矩形脉冲，图2.1b 为 三角形脉冲，图2.1c 为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1，那么， 当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。脉冲越窄， 其输出的差异越小，当窄脉冲变为图2.1d 的单脉冲函数 (t)时，环节的响应 即为该环节的脉冲过渡函数。 a b c d 图 2.1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 西安工业大学毕业设计(论文) 0 上述结论是pwm 控制的重要理论基础。下面分析一下如何用一系列等幅而不 等宽的脉冲代替一个正弦半波。把图2.2a 所示的正弦半波波形分成n 等份，就 可把正弦半波看成由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2.2b 所示的脉冲序列。这就是pwm 波形。根 据冲量相等效果相同的原理，pwm 波形和正弦波是等效的。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（sinusoidal pwm）波形。 图 2.2 pwm 控制的基本原理示意图 以上介绍的是pwm 控制的基本原理，按照上述原理，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，就可以得到所需要的pwm 波形。 西安工业大学毕业设计(论文) 1 图 2.3 单极性 spwm 控制原理图 图 2.4 双极性 spwm 控制原理 但是，这种计算是很烦琐的，正弦波的频率、幅值变化时，结果都要变化。 较为实用的方法是采用调制的方法，即把所希望的波形作为调制信号，把接受调 制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的pwm 波形。通常采用等腰三 角形作为载波，因为等腰三角形上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与 任何一个平缓变化的调制信号波形相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的 通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合pwm控制的要求。 当调制信号波为正弦波时，所得到的就是spwm 波形。一般根据三角波载波在半 西安工业大学毕业设计(论文) 2 个周期内方向的变化，又可以分为两种情况。三角波载波在半个周期内的方向只 在一个方向变化，所得到的spwm 波形也只在一个方向变化的控制方式成为单极 性spwm 控制方式，如图2.3 所示。如果三角波载波在半个周期内的方向是在正 负两个方向变化的，所得到的spwm 波形也是在两个方向变化的，这时成为双极 性spwm 控制方式如图2.4 所示。 2.1.22.1.2 spwmspwm 的产生过程的产生过程 脉宽调制（pwm）技术是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需 要的电压或电流信号。它是利用三角波电压与参考电压相比较，一旦三角波电压 和参考电压相比配，输出电平翻转，否则输出电平保持不变，这样就确定了各分 段矩形脉冲的宽度。 从脉宽调制的极性看，pwm 波又可分为单极性和双极性控制模式两种。由于 单极性的 pwm 脉冲信号还要与特定的倒相信号相乘才能得到正负半波对称的 pwm 脉冲信号，与单极性模式相比，尽管双极性 pwm 脉冲信号输出电压中高次谐波分 量较多，但其电路简单且易于单片机编程，因此本文采用双极性的 pwm。 采用对称的三相正弦波电源供电，有利于减小谐波影响，因此，pwm 的参考 电压一般为正弦波，参考电压为正弦波的 pwm 即为 spwm。其具体方法如下： 正弦波脉宽调制技术就是利用三角波电压（载波）和正弦波（调制波）相比 较，以确定个分段矩形脉冲的宽度，使输出矩形脉冲逼近正弦波。为了得到三相 spwm 脉冲，需要用三个相位两两相差 120的正弦波同时调制一个三角波，如图 2.5 所示： 图 2.5 三相 spwm 产生示意图 在该变频电源系统中，spwm 脉冲是由单片机产生的，spwm 信号要求脉宽按 正弦规律变化，因此每一个 pwm 周期脉宽都要改变，由单片机产生 spwm 波就是 在初始化时将 pwm 周期值设定，然后用定时器定时，每个周期产生一次中断，来 调整脉宽，从而得到脉宽不断变化的 spwm 脉冲。 所谓 spwm 正弦脉宽调制法是调制波为正弦波载波为三角波或锯齿波的一种 西安工业大学毕业设计(论文) 3 脉宽调制法.它原理简单,控制和调节性能好,具有消除谐波、调节和稳定输出电 压等多种作用,是一种较好的波形改善法。电源的稳定关键是 spwm 波形产生的稳 定性。现在通用的 spwm 实现方法是，通过用单片机查正弦函数表得到 spwm 波形;本 文把单片机的智能化和控制技术与开关电源的高效率相结合，设计出一款高性能 的三相正弦波变频稳压电源。该变频电源可利用反馈电压对输出电压每个周期内 采样 20 个点，据此计算出输出线电压有效值，对其进行 pid 控制，以实现良好 的稳幅特性。 同时通过电流传感器对电流每个周期内采样 20 个点，并反馈到控 制模块，以计算出电流的有效值从而对其进行监控，以实现过流保护、负载缺相 保护和负载不对称保护，使该变频电源更加安全可靠。另外，该变频电源还具有 液晶显示功能，可以显示输出正弦波的频率、电压、电流和功率，使其操作简单 方便。 2.22.2 pidpid 控制技术研究控制技术研究 pid 控制就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控 制的，在 pid 控制中，比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比 例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。积分控 制的作用是，只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以 消除误差。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差 为零，从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振 荡。微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统 的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。 pid 控制是一种比较成熟的控制理论，它通过比例、积分、微分三部分的合 理组合可以用比较简单的方法获得令人满意的控制效果。pid 的数学模型如图 2.6 表示： 图 2.6 pid 数学模型 给定值r(t)与实际值y(t)构成控制误差: e（t）=r（t）-y（t） （2.1） pid控制器根据e(t)将误差的比例(p)、积分(i)、和微分(d)通过线性组合构成控 制量，对受控对象进行控制，其控制规律如式2.2所示: 西安工业大学毕业设计(论文) 4 u(t)=kpe(t)+ (2.2) 0 ( )1 ( ) t d i t de t e t dt tdt u(t)一控制器输出函数;e(t)一控制器误差函数; kp一比例系数;ti一积分时间常数;td一微分时间常数; pid 控制算法又分为位置型和增量型两种，分别如下面式（2.3）、式（2.4）所示： u（n）kce（n）ttre（i） tdte（n）e（n1） （2.3） u（n）u（n）u（n1） kce（n）e（n1）ttre（n） tdte（n）2e（n1）e（n2） （2.4） 式中，u（n）为第 n 次采样时刻计算机的输出；u（n）为第 n 次采样时刻计算 机输出的增量；e（n）为第 n 次采样时刻的偏差信号；t 为采样周期；kc 为调 节器的比例增益；tr 为调节器的积分时间；td 为调节器的微分时间。 由上面两式可知，数字 pid 控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏 差值计算控制量。由于偏差信号 e（n）是由测量环节输出的测量信号 s（t）和设 定值 r 相比较后采样而得到的e（n）r（n）s（n），而测量信号中总是 存在一些干扰、噪声或者畸变，这些因素都影响上述控制算法的精度，从而使整 个控制系统的性能下降。但是，利用数字滤波和动态补偿技术能够有效地对偏差 信号（测量信号）中的干扰、噪声进行滤波或者对其畸变进行动态补偿，从而提 高数字 pid 控制算式的精度，改进控制系统的性能。 本设计用的是增量式 pid 控制算法： 增量式 pid 是指数字控制器的输出只是控制量的增量u(k)。采用增量式算 法时，计算机输出的控制量u(k)对应的是本次执行机构位置的增量，而不是对 应执行机构的实际位置，因此要求执行机构必须具有对控制量增量的累积功能， 才能完成对被控对象的控制操作。执行机构的累积功能可以采用硬件的方法实现； 也可以采用软件来实现，如利用算式 程序化来完成。 由式(2.6)可得增量式 pid 控制算式 (2.5) 式中 进一步可以改写成 (2.6) 式中 、 、 一般计算机控制系统的采样周期 t 在选定后就不再改变，所以，一旦确定了 西安工业大学毕业设计(论文) 5 kp、ti、td，只要使用前后 3 次测量的偏差值即可由式(2.5)或式(2.6)求出控制增 量。 增量式算法优点：算式中不需要累加。控制增量 u(k)的确定仅与最近 3 次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果；计算机每次只输 出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时影响范围小、不 会严重影响生产过程；手动自动切换时冲击小。当控制从手动向自动切换时， 可以作到无扰动切换。 3 系统硬件简述 11 3 3 系统硬件简述系统硬件简述 3.13.1 系统结构框图系统结构框图 本论文采用交直交变频技术，首先将 220v，50hz 交流电通过隔离变压 器变压后再整流滤波，形成 90v 左右的直流电压，然后再由单片机产生三相 spwm 波，经驱动放大后加到逆变电路上，将直流电转化为 36v 的正弦波交流电。该变 频电源系统的开关，输出频率的增减可通过与单片机相连的键盘控制。同时，为 了输出波形的稳定、安全，并且显示输出频率、电压、电流和功率，本系统同时 采用电压反馈电路和电流反馈电路，分别将输出电压和电流反馈至 xc164 单片机， 然后该单片机利用其内部的模数转换器对反馈电压和电流进行 a/d 转换，再根据 转换的数字量结果计算出电压、电流的有效值以及功率，连同输出频率一并显示； 同时单片机根据计算出的电压有效值对输出电压进行宏观 pid 控制，以实现稳幅。 三相正弦变频电源的系统原理框图如图 3.1 所示： 图 3.1 系统原理框图 隔离变 压器 整流滤 波电路 逆变 电路 滤波电 路 三相负 载 逆变驱 动电路 电压反 馈电路 电流反 馈电路 单片机 液晶显示 键盘 西安工业大学毕业设计(论文) 0 3.23.2 xc164xc164 单片机简介单片机简介 3.2.13.2.1 简介简介 本论文中的单片机选用了德国 infineon 公司生产的 xc164 单片机。它属于 infineon xc166 系列的单片机，是 infineon 16 位单片机的第四代产品。该系列的 单片机是为了适应实时嵌入式应用的高性能要求所设计的。整个系统的结构根据 高速指令输出与对外部激励的快速响应进行了最优化的设计。为了最大程度的减 小 cpu 中断的需要，它把外围智能子系统结合成一个整体，这样同时也使外部 总线接口的通信需求减到最小。xc164 型单片机的功率管理机理有效地控制了单 片机在特定状态下的能耗，使单片机工作时的能耗达到最小。它的 mac 单元具 有数字信号处理功能，使其具有处理数字滤波算法的能力，并且极大地减小了乘 法和除法运算的执行时间。 作为该变频电源系统核心控制模块的 xc164 单片机控制着 spwm 脉冲的生成， lcd 的显示，变频电源的输出频率，输出电压的稳幅以及电路的保护，可以说是 整个变频电源系统的心脏。该变频电源系统的软件设计单片机编程的任务是 在实现硬件平台正常工作的基础上，设计相应的控制软件，完成 spwm 脉冲的生 成、对输出电压的 pid 控制、输出电压和电流检测、液晶显示、按键控制，过流 保护负载不对称或缺相保护等功能。 3.2.23.2.2 常用单元介绍常用单元介绍 下面本文将对单片机编程中最常用的单元进行介绍。 xc164 单片机具有 128kb 的闪存，6kb 的内存，14 个模拟输入通道，6 个串 行接口，可以实现信号的采集、处理、控制和显示功能，并且内部含有 ad 转换 器，灵活性好，外围设备简单，可以在线编程，易于调试，执行速度快、存储容 量大。在该变频电源系统的单片机编程中，用到最多的是 xc164 中 capcom6（capture/compare unit6）单元。capcom6 由 t12 计时器模块和 t13 计 时器模块组成，由于本文只用到 t12 计数器，因此这里只对 t12 进行介绍。 t12 计时器有三个捕获/比较通道，它们可以独立的产生 pwm 信号或者接受捕 获触发，也可以共同产生控制信号模式，以驱动交流电动机或逆变器。当 capcom6 处于比较模式时，t12 计时器模块主要是用来产生三相 pwm 脉冲的。一 个 16 位的计数器通过比较器与三个通道寄存器相连，当计数器计数值与通道寄 存器的值相匹配时，就产生一个信号。t12 计时器通过可编程比例因子从模块时 钟获得其输入时钟。它可以向上或向下计数，其计数方向用一个方向标 6cc f 12t f 西安工业大学毕业设计(论文) 1 志cdir 来表示。通过比较器还和周期寄存器 t12pr 相连，t12pr 决定了 t12 的最大计数值。当选择边缘对齐模式时，t12 计数到最大值后被重新赋 0；当选 择中心对齐模式时，t12 计数到最大值后计数方向变为向下计数。可以通过软件 控制 t12 的工作状态：对 t12rs 赋 1，t12r 置一，t12 开始计数；对 t12rr 赋 1，t12r 清零，t12 停止计数。 对单相信号来说，一个通道会产生高电平（当 t12 计数值大于比较值时）和 低电平（当 t12 计数值小于比较值时） 。然而在实际操作中，开关电源的开关特 性关于开关时间往往是不对称的。当电源的开启时间小于关闭时间时，逆变器的 上下桥臂将短路，产生的巨大电流可能损坏整个系统。为避免这种情况的发生， 必须建立死区时间。capcom6 内包含一个可编程的死区控制模块，可以通过对其 控制以延迟开关信号由低电平向高电平转变的时间，从而避免逆变器上下桥臂 “直通” 。 运用软件对单片机内部寄存器进行相应的设置可以得到三相 spwm 脉冲。在单 片机内部，通过查表的方式来得到正弦信号的幅值，该幅值乘以调制度后与 capcom6-t12 的计数值相比较，若匹配则输出端产生跳变，否则输出端保持原电 平，这样在输出端便产生 spwm 脉冲。为得到三相 spwm 脉冲， 可设置三个不同 的指针，每相邻的两个指针间距为正弦表长度的 1/3（即相差 120） ，并且三个 指针同步变化，这样，每一个指针对应一路 spwm 脉冲。当三个指针同时采样时， 便产生了相位相差 120三相 spwm 脉冲。 3.2.33.2.3 a/da/d 转换器转换器 xc164 单片机内部还包含一个具有 10 位或 8 位精度的 a/d 转换器以及一个采 样/保持电路。 （本文的 a/d 转换模式选为增强模式，对应 10 位的模数转换精度。 ）a/d 转换器相当于一个容性网络，采用逐次逼近的方式进行模数转换，其工作 过程分为三个阶段： （1）在采样阶段，该容性网络与选定的输入通道相连，通过电容的充放电 来逼近输入信号的电压。 （2）在转换阶段，该容性网络与选定的输入通道断开，在逐次逼近过程中， 通过参考电压进行充放电。 （3）转换器根据网络外部环境（如温度）的变化进行校准，并将结果送入 结果寄存器，同时产生一个中断。 4 系统软件设计 14 4 4 系统软件设计系统软件设计 4.14.1 软件开发环境软件开发环境 4.1.14.1.1 单片机编程开发单片机编程开发语言语言 汇编语言作为一个符号化的机器语言，其代码执行效率高，运行速度快，非 常适合于编写实时性要求较高的控制程序。但其开发的工作量大，程序的可读性 差。汇编语言比机器语言易于读写、易于调试和修改，同时也具有机器语言执行 速度快，占内存空间少等优点，但在编写复杂程序时具有明显的局限性，汇编语 言依赖于具体的机型，不能通用，也不能在不同机型之间移植。对于不同型号的 计算机，有着不同的结构的汇编语言。相比之下，作为高级语言的 c 具有可读性 强、编程简单和调试方便的特点。c 语言是目前非常流行的一种编程语言，除具 有高级语言使用方便灵活、数据处理能力强、 编程简单等优点外，还可实现汇 编语言的大部分功能，如可直接对硬件进行操作、生成的 目标代码质量较高且 执行的速度较快等。所以在工程上对硬件处理速度要求不很高的情况下， 基本 可以用 c 代替汇编语言，编写接口电路的控制软件。与汇编相比，c 语言在功能 上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，易学易用，所以本设计选用 c 语言作为单片机的开发语言。 4.1.24.1.2 keilkeil c c 编辑器编辑器 本文的xc164单片机的编程是在keil-uvision3开发软件环境下进行的。 keil-uvision3 是美国software公司推出的单片机c语言软件开发系统。用它生 成的目标代码效率非常高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发 大型软件时更能体现高级语言的优势。单片机程序是在keil-uvision3软件下调 试、编译通过后，通过伟福仿真机烧到xc164单片机里的。标准编译器为单片机 微控制器的软件开发提供了语言环境，它可以支持所有的衍生产品，也支持所有 兼容的仿真器，同时支持其它第三方开发工具。它的基本特点有: keil 强大的编辑功能。允许在编辑器内调试程序，可以更快速的检查和修改 程序;允许在编辑时设置程序断点，当启动调试器后，断点被激活;可以在编辑器 中观察其取值。 灵活的工程管理功能。在一个工程中建立多个源文件(包括汇编、c)以及其 它文件，并可以随时添加、修改和删除文件，通过对工程的操作完成编译和链接。 西安工业大学毕业设计(论文) 0 高效的代码优化功能。具有通用代码优化、特殊优化、寄存器优化等。 利用 keil 软件开发的一般步骤： a.根据所选择的器件以及调试方式创建新的任务。 b.创建新的工程，把已编好的源程序、头文件等加入工程中。 c.编译连接工程，进行在线调试。 d.调试完成后，在工程中选择加载类型，重新编译连接，生成可以用于加载 的文件。 图 4.1 keil 主界面介绍 4.24.2 系统软件设计系统软件设计 4.2.14.2.1 主程序设计主程序设计 在程序设计时，为简化程序流程，本文采用了 t12 中断（控制生成 spwm 脉 冲）和 t3 中断（控制反馈电压和电流的 a/d 转换） ，将按键状态的判断，输出电 压的 pi 控制，电压、电流有效值的计算，以及过流保护、负载不对称和缺相保 护等放在主程序循环中。主程序下分：显示子程序，采样子程序和 spwm 子程序， 主程序运行时，不断调用这三个子程序。 西安工业大学毕业设计(论文) 1 主程序流程图如图 4.2 所示： 否 是 按键选择 输出频率减 1 设置相关寄存器 显示结果 开 t12 中断 开 t3 中断 zh 关 t12 中断 关 t3 中断 zh 设置相关寄存器 运行状态？ 输出频率加 1 up 键run/stop 键down 键 开 始 系统初始化 图 4.2 程序流程图 主程序除了一些初始化设置外，整个处在一个大循环中，判断按键状态从而 做出相应的响应。当变频电源处于工作状态时，按下开关键，电源停止工作；按 频率增加键，输出频率以 1 为步长增加；按频率减小键，输出频率以 1 为步长减 小。当电源处于停止状态时，按下开关键，电源开始工作；按频率增加键或频率 减小键，系统都不会响应。当电源工作并且 a/d 转换不工作时，系统不停地计算 输出线电压有效值，并对输出电压进行 pi 控制，以使输出线电压稳定在 36v。电 源工作时，每隔一段时间计算各相电流的有效值，单片机据此对电路进行过流保 护、负载不对称和缺相保护。lcd 则根据计算的电压、电流值自动更新显示。 西安工业大学毕业设计(论文) 2 4.2.24.2.2 中断程序中断程序 其中，t12、t3 中断服务程序流程图分别如图 4.3、4.4 所示 进入 t12 中断 计算 a/d 转换后的有效值 计算电压偏差 e（k） e（k）= g u 中断返回 输出 spwm 信号 将修正结果送入 t12 寄存器 查正弦表，并利用计算 结果修正调制度 对 e（k）的增量进行 pid 运算 图 4.3 t12 中断服务程序流程图 西安工业大学毕业设计(论文) 3 中断返回 对六路反馈信号进行采集 存储 启动 a/d 转换器 进入中断 图 4.4 t3 中断程序流程图 xc164 中的 t12 计时器按中心对齐方式进行计数，其效果相当于在单片机内 部产生了一个三角波，同时，三个正弦指针分别以输出频率从正弦表中读取正弦 值，得到的正弦值乘以调制度后赋给寄存器 cc60sr，该寄存器与 t12 计时器相比 较，一旦匹配，单片机输出电平翻转，否则保持不变，这样 spwm 脉冲就产生了。 当程序进入 t12 中断时，转到 t3 中断程序，启动 a/d 转换器，对六路反馈信号 进行采集存储，程序由 t3 返回到 t12，对 a/d 转换后的有效值进行计算，计算电 压偏差 e（k）e（k）=，对 e（k）的增量进行 pid 运算，查正弦表，并利用 g u 计算结果修正调制度，将修正结果送入 t12 寄存器存储，输出 spwm 信号，中断 返回。 4.2.34.2.3 spwmspwm 的编程实现的编程实现 spwm 脉冲是由 xc164 单片机内部的 capcom6 实现的。t12 中断程序用三相正 弦波共同调制一个三角波，三相 spwm 脉冲产生的软件实现基本一致，因此，下 面以任意一相 spwm 脉冲产生的流程图（如图 4.5 所示）为例进行说明，其流程 图如下： 西安工业大学毕业设计(论文) 4 否 是 是 否 360 + 比较寄存器1000-msin -180 2) /将 a/d 转换结果放入数组 其中，vuch 是 u 相电压通道地址的宏定义。在增强型模式下，a/d 转换的精 度为 10 位，模数转换结果存放在寄存器 adres 的第 2 至第 11 位（adc-dat） ，因 此 a/d 转换结果在存入相应的数组前必须先右移两位；另外，增强模式下 a/d 转 西安工业大学毕业设计(论文) 7 换的最大时间为 2.55us，为保证 a/d 转换的正确性，在从 adc-dat 取值前必须有 大于 2.55us 的延迟时间，因此我们调用了一个大约 4us 的延迟子程序。 a/d 转换后的三相电压和电流分别存放在数组 vus20、vvs20、vws20、 ius20、ivs20和 iws20中。三相纯阻性负载星型连接，所以线电流即等于 相电流，而线电压和相电压并不相等。由于电压反馈电路反馈回的电压为相电压， 所以在进行有效值计算前，根据线电压的含义，我们对任意两个相电压数组求差， 将差值存入另一个数组，则该数组中的值即为线电压。 线电压和电流有效值的计算可以由其均方根近似，具体公式如下： 20i i i u 20 1 有效 u （4.1） 20i i i i 20 1 有效 i （4.2） 当然采样的点数越多，计算的电压和电流的均方根值越接近其有效值，但是， 相应的 a/d 转换总次数也增加，会占用相当可观的执行时间；采用点数减小，虽 然 a/d 转换的总时间减少，但由此计算的均方根值与有效值之间的偏差势必增大， 因此，采用点数必须折中选取。该变频电源系统的采用点数定为 20，根据实验， 这样选取完全满足课题要求。 4.2.54.2.5 pidpid 控制控制 pid 控制属于闭环控制，是指将被控量的检测信号反馈，并与被控量的目标 信号相比较，以判断是否已经达到预定的控制目标。如果尚未达到，则根据两者 的差值进行调整，直到达到预定的控制目标为止。 pid 控制分为比例控制（proportional control） ，积分控制（integral control）和微分控制（differential control） 。从系统框图可以看出，稳压环 节属于闭环控制系统，为了提高系统整体的性能，该系统采用了工程中常用的 pid 控制中的 pi 控制，具体地说，是增量式 pi 控制。采用增量 pi 既有利于加快 系统的控制过程，又便于对系统进行实时控制，同时也提高了系统的可靠性。 其中，比例控制能迅速反映误差，从而减小误差，但是不能消除静态误差；为了 消除静态误差，我们还必须采用积分控制，但是积分作用太强会使系统超调量过 大，甚至出现振荡，因此积分常数的选取一定不能过大。 西安工业大学毕业设计(论文) 8 pid 增量型控制算法流程如图 4.6： n y 图 4.6 pid 增量型控制算法流程如图 pid 参数选择： 以下是利用 matalb 里的 simulink 部件，构建的一个 pid 反馈控制方框图 高线计算 q0,q1,q2 置 e（k-1）=e(k-2)=0 将 a/d 结果赋给 y(k) 求 e(k)=r(k)-y(k) 计算控制增量 u（k） 将u（k）输出 给 d/a e(k-2)=e(k-1) e(k-2)=e(k) a/d d/a 采样时刻到 否？ 被控对象 西安工业大学毕业设计(论文) 9 （如图 4.7 所示）,其中比例常数 kp=20，积分常数 ki=5，微分常数 kd=0（pi 控 制） 。输入正弦波与反馈一起经过 pid 控制模块，由硬件部分的 pid 仿真可知， 即比例常数为 20，积分常数为 5 的 pi 控制可以的到较好的稳幅效果。 图 4.7 pid 反馈控制方框图 其中，lc 低通滤波器的传递函数的推导过程如下： ls x(s) 12 0 1/cs y(s) 图 4.8 lc 低通滤波器的 s 域表示 图 3.2.2 为 s 域下 lc 低通滤波器的示意图，其中电感值为 3mh,电容值为 2uf（两个 1uf 的电容并联） ，该滤波器的传递函数为： （4.3） 1106 1 1 1 1 1 )( )( )( 292 slcs ls cs cs sx sy sh 西安工业大学毕业设计(论文) 10 图 4.9 积分常数为 5 时 scope 窗口输出的波形 当 pi 控制中的积分常数在 5 附近取时，scope 窗口的输出波形和图 4.9 差不 多。 但是，当比例常数不变，积分常数增大到 10 时，由 scope 窗口可以看出， pi 控制将有产生震荡的趋势。如图 4.10 所示： 西安工业大学毕业设计(论文) 11 图 4.10 积分常数为 10 时 scope 输出的波形 因此，pi 控制中积分常数的取值不宜大于 10。 必须承认，用该方法得到的 pi 的参数只能提供一个粗略的参数范围。因为在 实际仿真中，当比例常数和积分常数在一定范围内变化时，由 matlab 中的 scope 窗口看到的输入与输出正弦波的吻合程度相差无几。图 4.11 为比例常数 kp=20， 积分常数 ki=3，微分常数 kd=0 时，由 scope 窗口看到的波形。可以看出，此时 单纯用软件没有办法判断 pi 参数取何值时 pi 控制效果最好。 西安工业大学毕业设计(论文) 12 图 4.11 积分常数为 3 时 scope 输出波形 因此，只能在硬件调试中，通过反复实验才能得到 pi 参数的最佳值。一开 始，我在程序中把比例常数定为 20，积分常数定为 3，微分常数为 0。此时，从 lcd 和示波器可以观察到，pid 控制可以使输出线电压有效值较快的锁定在 36.0v 左右，但是输出线电压跳变较厉害。根据 pid 控制原理，可以知道产生该现象的 原因是积分控制的作用偏小。于是，我逐渐把积分常数调大，电压跳变的幅度随 之减小，但是当积分常数增大的同时，输出电压稳幅的响应速度也明显减慢。实 验表明，pi 参数应该折中选取。所以，我把 pid 参数最终定为比例常数 kp=20， 积分常数 ki=5，微分常数 kd=0。 5 结论 28 5 5 结论结论 本文设计的三相正弦波变频稳压电源以变频电源技术和开关电源技术为基础 电路，以高性能xc164单片机为控制核心，组成数据处理和控制电路，在检测与 控制软件支持下，通过对变频电源输出电压、输出电流进行数据采样、计算并与 给定数据比较，从而调整变频电源的工作状态，同时配备有完善的保护电路。 以 xc164 单片机为核心设计的监控系统，对输出电压、输出电流进行采集与 显示，并且对输出电压进行 pid 控制，使其稳定在 36v；当输出电流过大（超过 3.6a 时），三相电流中任两相电流相差超过 0.5a 或是负载缺相时，单片机停止 输出并进入保护状态（lcd 上显示“protect”）；另外，通过键盘控制调节输出 频率，可以使其在 20hz 到 100hz 内变化。 参考文献 29 参考文献参考文献 1 马小亮.大功率脚-交变频调速系统及其应用.武汉：华中理工大学出社,1992 2 李宏.电力电子设备用器件与集成电路应用指南m.机械工业出版社,2001 3 刘志刚.电力电子学.清华大学出版社，2004 4 张燕宾.spwm 变频调速应用技术. 机械工业出版社，2005 5 杨旭，裴云庆，王兆安.开关电源技术.机械工业出版社，2004 6 薛弘晔.计算机控制技术.西安电子科技大学出版社，2003 7 李永平, 董欣.pspice 电路设计与实现 .国防工业出版社，2005 8 施阳.matlab 语言精要及动态仿真工具 simulink.西北工业大学出版社， 1997 9 xc164-16 derivatives （usermanual） ，2004 10 陆涵,胡磊,何湘宁等. 一种基于单片机的正弦波输出逆变电源的设计j. 电源技术 应用 , 2005,(10) 11 李玉玲,于长胜,魏华雄. 基于 s